何榮興 陳麗媛 任鳳玉

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦,河北 秦皇島 066501)

無(wú)底柱分段崩落法引入我國(guó)已有近60 a的歷 史,由于其具有工藝及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、高效等突出優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)金屬非金屬礦山地下開(kāi)采中得到了廣泛應(yīng)用。該方法的特點(diǎn)之一是覆蓋巖層下逐個(gè)步距地出礦,礦巖接觸頻繁,導(dǎo)致礦石損失貧化大,是其生產(chǎn)中的主要問(wèn)題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)無(wú)底柱分段崩落法礦山的礦石損失率一般為15%～20%,貧化率為15%～30%[2]。為改善無(wú)底柱分段崩落法的回收指標(biāo),眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,取得了較為豐碩的成果,使得該方法的損失貧化得到了一定程度的控制。隨著采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷增加以及大型鑿巖出礦設(shè)備的應(yīng)用,單個(gè)分段、單個(gè)步距的崩落礦量越來(lái)越大,這就需要在實(shí)際生產(chǎn)中更加注重?fù)p失貧化指標(biāo)的控制。本研究通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)無(wú)底柱分段崩落法損失貧化控制的相關(guān)研究成果,分析目前仍然存在的問(wèn)題,并對(duì)今后的主要研究方向和生產(chǎn)中需要注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行討論,為進(jìn)一步控制無(wú)底柱分段崩落法的損失貧化提供借鑒。

1 無(wú)底柱分段崩落法的發(fā)展歷程

19世紀(jì)50年代,在瑞典的基律納鐵礦形成了無(wú)底柱分段崩落采礦法的典型方案,將階段劃分為分段,在分段內(nèi)每隔一定距離施工一條回采巷道,鑿巖、落礦、出礦作業(yè)都在回采巷道內(nèi)完成,從切割槽向分段運(yùn)輸巷道方向后退式回采,采用扇形中深孔落礦,每次爆破1～2排,無(wú)軌設(shè)備出礦,覆蓋巖隨著礦石的采出充填采空區(qū),其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。瑞典Kiruna鐵礦作為無(wú)底柱分段崩落法的起源地,引領(lǐng)該法在世界范圍內(nèi)的發(fā)展潮流,為無(wú)底柱分段崩落法的推廣和改進(jìn)作出了很大貢獻(xiàn)。

圖1 無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Stope structure in non-pillar sublevel caving method

我國(guó)自1965年正式引進(jìn)無(wú)底柱分段崩落法典型方案及其配套的無(wú)軌采礦設(shè)備后,1967年在大廟鐵礦投入工業(yè)試驗(yàn),并于1970年取得全面成功[4-6]。之后,由于該法采工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)安全、效率高等突出優(yōu)點(diǎn),在金屬礦山[7-8]、非金屬礦山[9-10]地下開(kāi)采中得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用。1975—1980年馬鞍山礦山研究院(現(xiàn)為中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司)和北京鋼鐵學(xué)院(現(xiàn)為北京科技大學(xué))在壽王墳銅礦開(kāi)展了高端壁無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采方案[11-13]的研究和實(shí)踐,大幅提高了出礦效率和采礦強(qiáng)度。2000年在梅山鐵礦開(kāi)展了大間距集中化無(wú)底柱采礦新工藝研究[14-19],并被科技部列為“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃課題,將放礦理論研究以往分析一個(gè)孤立的放出體形態(tài)轉(zhuǎn)而分析多個(gè)放出體的空間排列,在梅山鐵礦取得了較好的技術(shù)指標(biāo)?！案叨吮凇焙汀按箝g距”無(wú)底柱分段崩落法其本質(zhì)上是增大分段高度和進(jìn)路間距。2000年之后,隨著大型鑿巖設(shè)備和無(wú)軌出礦設(shè)備的研發(fā)和普及,我國(guó)無(wú)底柱分段崩落法快速向著大結(jié)構(gòu)參數(shù)方向發(fā)展。其分段高度已從引進(jìn)時(shí)的10～13 m 發(fā)展到目前的30 m,進(jìn)路間距則從最初的10 m發(fā)展到現(xiàn)在的25 m,大紅山鐵礦II期開(kāi)采中采用的分段高度×進(jìn)路間距為30 m×25 m,成為目前我國(guó)分段高度×進(jìn)路間距最大的礦山[20],基本與Kiruna鐵礦的結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到了同一水平。現(xiàn)階段,我國(guó)無(wú)底柱分段崩落法礦山的結(jié)構(gòu)參數(shù)大部分維持在20 m×20 m左右(表1)。與此同時(shí),回采進(jìn)路規(guī)格也隨之向大參數(shù)發(fā)展,進(jìn)路寬度普遍在4.2～4.8 m,進(jìn)路高度一般為3.8～4.0 m,眼前山鐵礦于2019年開(kāi)始試驗(yàn)8 m寬、4 m高的大尺寸進(jìn)路回采,取得了較好的回收效果。2010年之后,智能化成為無(wú)底柱分段崩落法新的發(fā)展方向,國(guó)內(nèi)杏山鐵礦走在前列,于2015年實(shí)現(xiàn)了破碎、提升、皮帶運(yùn)輸、排水、通風(fēng)、供電系統(tǒng)的全過(guò)程自動(dòng)化控制,實(shí)現(xiàn)了皮帶無(wú)人看護(hù)、卸料車遙控作業(yè)、井下運(yùn)輸電機(jī)車地面遙控?zé)o人駕駛、中深孔鑿巖臺(tái)車遙控自動(dòng)化作業(yè)[21]。

2005年“綠水青山就是金山銀山”的理念提出后,一系列環(huán)保政策逐漸出臺(tái)。2010年后,一些地區(qū)逐漸開(kāi)始限制新建礦山使用崩落法開(kāi)采,充填采礦已取代崩落法成為目前礦山開(kāi)采的主流。但還存在較多已經(jīng)采用該方法開(kāi)采的礦山,并且隨著大部分露天礦山逐漸轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采,由于露天開(kāi)采對(duì)地表環(huán)境的破壞已形成,加之崩落法有利于露天轉(zhuǎn)地下過(guò)程中的產(chǎn)量銜接,因此,仍有部分礦山會(huì)選擇無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行地下開(kāi)采。隨著采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷增加以及大型鑿巖出礦設(shè)備的應(yīng)用,單個(gè)分段、單個(gè)步距的崩落礦量越來(lái)越大,這就更需要在實(shí)際生產(chǎn)中更加注重?fù)p失貧化指標(biāo)的控制。

表1 國(guó)內(nèi)無(wú)底柱分段崩落法礦山統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of domestic non-pillar sublevel caving mines

2 控制損失與貧化的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

為降低無(wú)底柱分段崩落法的損失貧化,業(yè)內(nèi)學(xué)者及工程科技人員進(jìn)行了大量的研究工作,主要集中在分析放礦理論和放礦方式、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采巷道布置形式、覆蓋巖層塊度等因素對(duì)無(wú)底柱分段崩落法損失貧化指標(biāo)的影響。本研究通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,分析現(xiàn)階段存在的不足,為進(jìn)一步控制損失與貧化提供參考。

2.1 放礦理論

放礦理論是研究崩落法礦巖流動(dòng)規(guī)律和確定崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ),目前主要的放礦理論有橢球體放礦理論[22-23]、類橢球體放礦理論[24-25]、隨機(jī)介質(zhì)放礦理論[26-29]和基于Bergmark-Roos方程的放礦理論[30-31]?，F(xiàn)階段,放礦理論研究均將礦巖散體抽象為連續(xù)介質(zhì),將散體的運(yùn)動(dòng)速度等視為顆粒所處位置(坐標(biāo)) 的連續(xù)函數(shù),建立相應(yīng)模型,從宏觀統(tǒng)計(jì)意義上研究崩落礦巖散體移動(dòng)規(guī)律。這些放礦理論研究的重點(diǎn)之一就是放出體的形態(tài),基于Bergmark-Roos方程的放礦理論中考慮了散體顆粒的重力和顆粒的摩擦力作用。因此,該方程相比其他理論更符合實(shí)際散體作用過(guò)程,被譽(yù)為是目前描述放出體形態(tài)最佳的數(shù)學(xué)方程。馬鞍山礦山研究院地下采礦研究室[32]在國(guó)內(nèi)較早地開(kāi)展了物理放礦試驗(yàn),研究了端部放礦時(shí)放出體發(fā)育過(guò)程及放出體形態(tài)與合理參數(shù)的關(guān)系,探討了改善礦石損失貧化指標(biāo)的途徑。張國(guó)建等[33]提出了崩落體的概念,并分析了崩落體的形態(tài)極其影響因素。

研究表明,崩落礦巖流動(dòng)特性、進(jìn)路寬度和高度、端壁傾角、邊孔角和鏟取深度等流動(dòng)條件,均對(duì)放出體形態(tài)和大小有影響,進(jìn)而影響到礦石的損失與貧化。如圖2所示,在回采進(jìn)路寬度E1

圖2 不同放礦口寬度條件下放出體及廢石漏斗發(fā)育對(duì)比(E1

圖3 不同巷道頂板形狀時(shí)放出范圍及廢石漏斗發(fā)育對(duì)比Fig.3 Comparison of discharge range and rock funnel development with different d rift roof shapes

由此可見(jiàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在放礦理論方面進(jìn)行了深入研究,對(duì)指導(dǎo)崩落法生產(chǎn)具有重要的理論意義。但這些放礦理論都是建立在將出礦口簡(jiǎn)化成一個(gè)點(diǎn)的假設(shè)上,放出體等理論方程的建立僅僅考慮了散體的流動(dòng)特性,爆破塊度、放礦口尺寸、邊孔角、鏟裝深度等因素都未在這些理論方程中體現(xiàn)。目前,無(wú)底柱分段崩落法確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論方法主要是根據(jù)其放出體形態(tài)方程,這種理論誤差的存在,導(dǎo)致確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)并非最優(yōu)值,從而造成開(kāi)采過(guò)程中形成較高的損失貧化。

2.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

無(wú)底柱分段崩落法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括分段高度(H)、進(jìn)路間距(S)和崩礦步距(L),三者相互影響,相互制約,且三者又各自受到不同因素和條件的限制(圖4)。結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著開(kāi)采強(qiáng)度,并影響損失貧化指標(biāo)[26]。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化思路是在1個(gè)或2個(gè)參數(shù)確定的基礎(chǔ)上優(yōu)化確定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前常用的優(yōu)化方法是基于放礦理論的理論計(jì)算、數(shù)值模擬和室內(nèi)物理試驗(yàn)。任鳳玉團(tuán)隊(duì)[40-41]根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)放礦理論中的散體松動(dòng)范圍和沿走向放出體形態(tài)提出了確定進(jìn)路間距的經(jīng)驗(yàn)公式和崩礦步距優(yōu)化方法。趙穎龍等[42]基于橢球體放礦理論,使用冪函數(shù)方程擬合橢球體高度與偏向率方程,并對(duì)某鐵礦結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。目前,采用數(shù)值模擬方法研究采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要應(yīng)用離散元顆粒流程序PFC實(shí)現(xiàn)。劉金山[43]以石人溝鐵礦為例,針對(duì)6種結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)方案,通過(guò)PFC2D二維數(shù)值模擬,研究了礦石回收率與巖石混入率的變化規(guī)律,最后通過(guò)灰色決策分析,得出了該礦無(wú)底柱分段崩落法的最優(yōu)參數(shù)為分段高度12m、進(jìn)路間距16 m和崩礦步距4～5m。章林等[44]從物理模擬放礦試驗(yàn)和PFC3D模擬兩方面,研究了大紅山鐵礦進(jìn)路間距優(yōu)選和放礦步距與進(jìn)路尺寸組合優(yōu)選問(wèn)題,得到了高變分段放礦下的合理放礦步距和進(jìn)路間距。孫浩[45]以梅山鐵礦為例,基于顆粒流理論研究了崩落礦巖運(yùn)移演化機(jī)理,通過(guò)PFC放礦數(shù)值試驗(yàn)探究了不同邊界條件下,與崩落礦巖運(yùn)移規(guī)律以及礦石損失貧化有關(guān)的各類問(wèn)題,為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和礦石貧損指標(biāo)預(yù)測(cè)等提供了依據(jù)。陳詩(shī)墨等[46]采用物理試驗(yàn)方法分析了鏡鐵山V號(hào)礦體現(xiàn)有的大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)造成巖石混入率高的原因,認(rèn)為采用20m×20 m×3.0m的結(jié)構(gòu)參數(shù)能獲得較優(yōu)的回收效果。歐陽(yáng)斌等[47]采用1∶25的相似比制作了無(wú)底柱分段崩落法傾斜邊壁條件底部放礦模型,研究了礦體厚度和上下盤邊壁對(duì)散體流動(dòng)規(guī)律的影響。高峰等[48]采用1∶50的比例尺建立了多分段多進(jìn)路立體放礦模型,試驗(yàn)研究表明:礦壁傾角對(duì)礦石回收指標(biāo)具有重要影響,在20 m分段高度條件下,18 m的進(jìn)路間距更有利于礦石回收。李坤蒙[49]選用1∶50的幾何相似比建立了緩傾斜礦體雙進(jìn)路放礦模型,優(yōu)化了下盤邊孔角和放礦步距,建立了出礦穿脈間距與礦石損失貧化指標(biāo)之間的量化關(guān)系模型。

圖4 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及殘留體、崩落體、放出體的關(guān)系Fig.4 Parameters of stope structure and the relationship of residual ore,caving ore and draw body

利用放礦理論計(jì)算獲得采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),首先是通過(guò)相似散體的達(dá)孔量試驗(yàn)獲得散體流動(dòng)參數(shù),根據(jù)散體流動(dòng)參數(shù)和放礦理論繪制出放出體或殘留體形態(tài),再根據(jù)崩落體與殘留體、放出體相符的原則,對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化取值。如前所述,由于放礦理論本身的理論誤差,將造成確定的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)失真。目前常用的數(shù)值模擬方法主要是離散元方法,方便快捷,但模擬散體顆粒與實(shí)際散體顆粒形狀、流動(dòng)參數(shù)無(wú)法有效吻合,導(dǎo)致最終的模擬結(jié)果可靠性不強(qiáng);物理試驗(yàn)是通過(guò)制作不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的相似模型,裝填相似散體進(jìn)行放礦試驗(yàn),可以通過(guò)比較各方案的回收率、貧化率指標(biāo)的優(yōu)劣,比較直觀地確定較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),目前應(yīng)用較多,但是需要制作多組不同參數(shù)的模型,試驗(yàn)工作量大,同時(shí)也會(huì)存在上述試驗(yàn)材料和邊界條件方面的誤差。這些采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法都存在一定的不足,而且由于未能有效考慮生產(chǎn)實(shí)際中的爆破效果、巷道尺寸參數(shù)、鏟裝設(shè)備的鏟裝能力和司機(jī)作業(yè)水平等因素的影響,因而無(wú)法直接獲取采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值,但對(duì)生產(chǎn)礦山仍有一定的指導(dǎo)意義。有些礦山甚至未開(kāi)展前期的試驗(yàn)或理論研究,直接采用工程類比方式確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),將損失貧化指標(biāo)不理想歸結(jié)于無(wú)底柱分段崩落法自身存在的缺陷,是對(duì)無(wú)底柱分段崩落法認(rèn)知不足的體現(xiàn),不利于提升礦山經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 放礦方式和回采巷道布置

無(wú)底柱分段崩落法的傳統(tǒng)放礦方式為截止品位放礦,即使得每個(gè)步距當(dāng)次放礦量的采選成本和利潤(rùn)達(dá)到平衡,此時(shí)對(duì)應(yīng)的品位也被稱為截止品位。截止品位放礦確保了每個(gè)步距最大程度地回收礦石,但在一定程度上犧牲了貧化指標(biāo)。任鳳玉[26]通過(guò)平面放礦試驗(yàn)與立體放礦試驗(yàn),揭示出崩落法放礦過(guò)程中廢石漏斗在放礦口的破裂,是造成礦石貧化最根本的原因,而非礦巖顆粒在移動(dòng)中的相互混雜。廢石漏斗破裂后,廢石隨著礦石的放出隨之混入,即增加廢石的放出量而加大了貧化。因此,利用崩落礦石散體具有的轉(zhuǎn)段回收特性,廢石漏斗一旦破裂就停止放出,將遺留于采場(chǎng)內(nèi)的礦石轉(zhuǎn)移到下一分段回收,即為低貧化放礦方式。眾多礦山的低貧化放礦試驗(yàn)表明:在礦石回采率不降低的條件下,巖石混入率比截止品位放礦方式降低了5～15個(gè)百分點(diǎn)[50-53]。在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面,任鳳玉等[40,54]提出按不小于三分段回采和設(shè)置回收進(jìn)路的原則設(shè)計(jì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu),并提出了自放頂、設(shè)置回收進(jìn)路的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)與低貧化—截止品位組合式放礦方式,可進(jìn)一步降低礦石損失與貧化指標(biāo);譚寶會(huì)等[55]對(duì)傾斜礦體進(jìn)行垂直分區(qū),根據(jù)礦體條件、分段間轉(zhuǎn)移礦量及殘留體礦量,對(duì)同一分區(qū)內(nèi)的不同分段采用不同的放礦方案,可有效改進(jìn)崩落法開(kāi)采傾斜中厚礦體的損失貧化指標(biāo)。盡管低貧化放礦方式是控制損失貧化指標(biāo)的重要方式,然而,實(shí)際應(yīng)用中鮮有礦山能長(zhǎng)期貫徹實(shí)施,一方面主要是受礦石產(chǎn)量限制,另一方面也反映出生產(chǎn)管理人員未能從根本上理解無(wú)底柱分段崩落法的轉(zhuǎn)段回收特性。

分段間回采巷道布置形式?jīng)Q定著分段崩落分間形狀和崩落體形態(tài),分段間回采巷道采用菱形布置形式,有利于形成崩落法殘留體的轉(zhuǎn)段回收,使脊部殘留體、崩落體形態(tài)總體上較好地與放出體形態(tài)吻合,理論上能夠獲得較好的回收指標(biāo)。回采巷道一般有垂直于礦體走向布置和沿礦體走向布置兩種形式,其布置形式不僅影響到采準(zhǔn)工程量,還影響著礦石回采指標(biāo),需要根據(jù)礦體產(chǎn)狀變化相應(yīng)調(diào)整回采巷道布置形式。對(duì)于厚大礦體一般采用垂直于礦體走向布置回采巷道,對(duì)于中厚礦體一般采用沿走向布置回采巷道,但對(duì)于沿走向上厚度多變礦體、多層條帶狀和分支復(fù)合嚴(yán)重礦體,如果采用統(tǒng)一的沿走向或垂直走向布置形式,將造成礦石損失貧化指標(biāo)不理想。

2.4 覆蓋層塊度

覆蓋層在崩落法中起到緩沖圍巖冒落沖擊危害、提供擠壓爆破條件、延緩暴雨滲入時(shí)間等至關(guān)重要的作用。此外,覆蓋層的塊度組成對(duì)于井下放礦的損失貧化指標(biāo)有重要影響,井伯祥[56]、禹朝群[57]、文義明[58]、由希[59]、楊賀[60]分別就覆蓋層塊度對(duì)礦石損失貧化指標(biāo)的影響開(kāi)展了大量研究,證實(shí)覆蓋層中的細(xì)粒成分會(huì)在放礦過(guò)程中形成鉆空現(xiàn)象,造成礦石貧化。目前,常用的形成覆蓋層的方法有強(qiáng)制放頂形成覆蓋層,誘導(dǎo)冒落形成覆蓋層,回填廢石形成覆蓋層。強(qiáng)制放頂可以通過(guò)爆破參數(shù)來(lái)控制爆破塊度,誘導(dǎo)冒落是通過(guò)拉底誘導(dǎo)上覆礦石或巖石自然冒落,一般具有較大的塊度和密實(shí)度,在放礦過(guò)程中會(huì)延遲廢石的混入。

誘導(dǎo)冒落和強(qiáng)制放頂形成覆蓋層的方法有利于控制井下放礦過(guò)程中的礦石貧化,但一些露天轉(zhuǎn)地下礦山由于具備充足的剝離廢石且亟需釋放占地,常采用回填廢石作為覆蓋層。剝離廢石的很大一部分包含了大量第四系的表土層和碎巖塊,或者一些礦山將選廠甩尾的碎石直接回填到露天坑作為覆蓋層。回填后散體間松動(dòng)孔隙度降低,表土和細(xì)粒廢石會(huì)在崩落礦石間隙中迅速混入造成較高的貧化。

3 損失與貧化控制的研究方向

通過(guò)分析現(xiàn)階段無(wú)底柱分段崩落法損失貧化控制研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)一步控制損失貧化指標(biāo)所涉及的研究方向和措施。

(1)進(jìn)一步完善放礦理論。如隨機(jī)介質(zhì)放礦理論中,放礦口正上方的散體遞補(bǔ)概率要高于周邊散體,但這僅是建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上得出的認(rèn)知,后續(xù)研究中可以根據(jù)散體顆粒的塊度大小與放礦口尺寸建立新的移動(dòng)概率密度方程,建立綜合考慮散體移動(dòng)規(guī)律各影響因素的放礦理論。

(2)增加回采進(jìn)路寬度和放礦口寬度。進(jìn)路寬度不等同于放礦口寬度,放礦口寬度是指扇形邊孔崩落后在進(jìn)路頂板形成的寬度,是影響放礦漏斗形態(tài)和移動(dòng)的主要因素,其與進(jìn)路寬度、邊孔角、鑿巖中心位置、高度等因素有關(guān)。邊孔角又影響著爆破效果和脊部殘留體,因此,不建議通過(guò)改變邊孔角來(lái)增加放礦口寬度。鑿巖中心高度由設(shè)備本身決定,也很難改變,但可作為鑿巖設(shè)備的一個(gè)研發(fā)方向。在此條件下,并在保證進(jìn)路穩(wěn)固性的前提下,盡可能加大進(jìn)路寬度,研究雙鑿巖中心甚至3個(gè)鑿巖中心的鑿巖爆破參數(shù),可有效增加放礦口寬度,改善爆破效果,從而提高礦石的回采指標(biāo)。

(3)結(jié)合礦山進(jìn)路尺寸和出礦設(shè)備,開(kāi)展采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,再次進(jìn)行調(diào)整比較難,同時(shí)也會(huì)對(duì)回收指標(biāo)造成影響。因此,對(duì)于新建礦山,應(yīng)盡量通過(guò)大量的試驗(yàn)研究或理論方法初步確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在現(xiàn)有的進(jìn)路尺寸和鏟裝參數(shù)條件下,對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證,或者利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際放出體的方法[61-62],進(jìn)一步優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)中崩礦步距的調(diào)整最為靈活,其次是進(jìn)路間距。在生產(chǎn)實(shí)踐中,盡量通過(guò)廢石出露情況、爆破后純礦石的回收量以及多分段回收指標(biāo),初步判斷崩礦步距和進(jìn)路間距是偏大或偏小,據(jù)此在礦體走向的端部建立試驗(yàn)采場(chǎng),開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)出礦的工業(yè)試驗(yàn),根據(jù)不同參數(shù)下的出礦指標(biāo)優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),從而獲得更好的損失貧化指標(biāo)。

(4)根據(jù)礦體形態(tài)變化,相應(yīng)地調(diào)整回采巷道布置形式。在不同分段之間的回采巷道設(shè)計(jì)和施工中,盡量確保形成菱形布置。礦山一個(gè)分段內(nèi),所有回采巷道的布置方式和布置方向不是固定的,不能片面顧及設(shè)計(jì)和施工便利,而影響到礦石的回收效果,應(yīng)根據(jù)礦體厚度即走向方向的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。如有的礦體在沿走向厚度變化大、厚大礦體部位可采用垂直走向布置回采巷道。但對(duì)于礦體變薄的部位可以改用沿走向布置回采巷道,此時(shí),布置的巷道位置根據(jù)分段高度和礦體產(chǎn)狀,盡量使回采進(jìn)路中心線與崩落分間的中心線重合,使放出體和崩落體的形態(tài)盡量吻合,提高礦石回收指標(biāo)。對(duì)于較薄的礦體,采用單一沿走向布置巷道時(shí),形成的崩落分間礦體的最高點(diǎn)盡量與巷道中心軸線垂直,以保證頂部廢石較晚到達(dá)放礦口,減少放礦過(guò)程中的廢石貧化。

(5)細(xì)化對(duì)上、下盤邊角礦量的回收措施。在崩落法開(kāi)采過(guò)程中,有3次或3次以上轉(zhuǎn)段回收條件的礦體區(qū)域,損失貧化指標(biāo)是比較理想的,尤其是在急傾斜厚大礦體開(kāi)采中,大部分區(qū)域內(nèi)的礦石崩落后都具備多次轉(zhuǎn)段回收的條件,其礦石回收指標(biāo)甚至還要優(yōu)于其他采礦方法回采指標(biāo)(在統(tǒng)計(jì)礦柱回收指標(biāo)的條件下)。對(duì)于多次轉(zhuǎn)段回收條件的礦體盡量采用低貧化放礦方式,減小礦巖接觸面積,降低礦石貧化率。但隨著礦體傾角變緩,在上、下盤邊界的礦量回收條件變差,如果不能進(jìn)行合理地設(shè)計(jì),將會(huì)形成大量殘留體造成損失,或因崩落過(guò)多圍巖而形成貧化。因此,上、下盤部位邊界礦體需要進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì),確保獲得理想的回收指標(biāo)。對(duì)于沿走向布置進(jìn)路的緩傾斜—傾斜礦體,應(yīng)通過(guò)在下盤圍巖中增設(shè)回收進(jìn)路[63]、減小進(jìn)路斷面和間距[39,64]、增大邊孔角、調(diào)整放礦方式等措施來(lái)提升下盤礦量的回收指標(biāo);對(duì)于垂直走向布置進(jìn)路的礦體,在上盤切割過(guò)程中盡可能少地崩落巖石,如采用傾斜切割井,如果傾角較緩,上盤斜切割井的難度較大,可以采用形成塹溝的中深孔方式進(jìn)行拉槽(圖5)。對(duì)于靠近下盤邊界的礦石應(yīng)根據(jù)盈利平衡的原則,合理確定下盤崩落邊界,對(duì)于不具備下轉(zhuǎn)條件且具備有回收價(jià)值的殘礦,可在分段間布置輔助回收分段,在靠近下盤部位開(kāi)鑿沿脈回收巷道,對(duì)下盤殘留礦量進(jìn)行回收(圖6)。但必須指出,在這種條件下,難以有效兼顧礦石損失與貧化指標(biāo),應(yīng)根據(jù)礦山采選技術(shù)水平和成本以及下盤礦巖品位等因素綜合考慮進(jìn)行取舍。

圖5 不同上盤傾角條件下的拉槽方式Fig.5 Cutting mode under different inclination angles of hangingwall

圖6 輔助分段沿脈回收下盤殘礦Fig.6 Recovering the residual ore with drift along the veins at auxiliary sublevel

(6)針對(duì)每個(gè)分段、每條進(jìn)路制定詳細(xì)的生產(chǎn)管理計(jì)劃,并建立回采情況臺(tái)賬。尤其是新建崩落法礦山的首采分段,需要嚴(yán)格控制每個(gè)步距的出礦量,回采至第3個(gè)分段后盡量采用低貧化放礦方式。在不大幅影響礦山總體產(chǎn)量銜接的情況下,研發(fā)不同分段間的組合放礦方式,實(shí)現(xiàn)礦巖接觸范圍和礦石貧化指標(biāo)的控制。對(duì)每個(gè)分段的每條回采進(jìn)路的回采情況建立臺(tái)賬,包括裝藥前炮孔情況、每個(gè)炮孔的裝藥情況和填塞長(zhǎng)度、回采礦石量、純礦石量和廢石出露情況,對(duì)于分析礦山爆破效果和爆破參數(shù)取值合理性具有重要的統(tǒng)計(jì)意義,也可作為驗(yàn)證初期采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值合理性以及制定下部分段對(duì)應(yīng)位置出礦計(jì)劃的重要理論依據(jù)。

(7)嚴(yán)格管控覆蓋層塊度。盡量采用崩落頂板或邊坡圍巖、誘導(dǎo)冒落的方法形成覆蓋層,針對(duì)亟需處理剝離廢石進(jìn)而釋放排土場(chǎng)占地的露天轉(zhuǎn)地下礦山,可首先通過(guò)崩落邊坡圍巖形成初期覆蓋層,排土場(chǎng)廢石一方面進(jìn)行破碎作為建筑材料進(jìn)行售賣,待形成一定厚度的覆蓋層之后,再進(jìn)行露天坑回填。當(dāng)覆蓋層條件較差時(shí),可調(diào)整爆破參數(shù)和放礦方式來(lái)增加爆破崩落礦石的密實(shí)度,通過(guò)嚴(yán)格控制放礦量等措施延遲覆蓋層中細(xì)粒結(jié)構(gòu)的混入,避免放礦過(guò)程中過(guò)早貧化。