賈子征，陳星明，粟登峰，李佳倫

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

無底柱分段崩落采礦法具有機械化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等特點，適用于較規(guī)則急傾斜較厚礦體，自20世紀60年代以來在國內(nèi)大中型地下礦山得到了大范圍應(yīng)用。劉興國等[1-3]針對礦石采出貧化率過高的問題，提出了無底柱分段崩落法無貧化放礦方式，并通過試驗研究論證了該方式的合理性，其能有效控制出礦貧化率。還有學(xué)者提出通過改變采場結(jié)構(gòu)、提高崩礦步距、增大進路寬度等途徑來提高礦石回收率[4-6]。譚寶會等[7-8]對組合放礦方式的應(yīng)用效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)該方式能達到提高回收率、降低貧化率的效果。武拴軍等[9]針對金川龍首礦無底柱分段崩落法采場上方為膠結(jié)充填體的情況，提出了通過“誘導(dǎo)冒落”形成散體覆蓋層的處理思路。譚寶會等[10]對無底柱分段崩落法采場上方覆蓋層形成技術(shù)條件進行了研究，并提出了“誘導(dǎo)冒落”方法存在的技術(shù)問題及研究方向。

無底柱分段崩落法的實施建立在覆蓋層散體與礦石的直接接觸上，覆蓋層的塊度分布對于礦石回收率和貧化率影響很大。近年來一些學(xué)者對此做了大量研究：譚寶會等[11]對覆蓋層為膠結(jié)充填體的情況進行了研究，通過試驗?zāi)M了充填體在放礦過程中“二次破碎”后的級配，發(fā)現(xiàn)小塊占比有一定程度的增加；王平等[12]對崩落法放礦過程中充填體細顆粒運移規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)充填體塊度對于細顆粒的運移有顯著影響，塊度為0.3～0.7 m的充填體在放礦過程中更易發(fā)生細顆粒滲移；井伯祥等[13]采用PFC對覆蓋層顆粒運移規(guī)律進行了模擬，發(fā)現(xiàn)覆蓋層內(nèi)小顆粒平均運移速度約為大顆粒的1.6～2.0倍；李丹峰[14]采用PFC對崩落法采場上方充填體細顆粒運移過程進行了模擬，發(fā)現(xiàn)不同放礦時期充填體運動方式有顯著不同；楊賀[15]通過PFC模擬得到了覆蓋層巖石粒徑、密度與混入率的關(guān)系。

前人研究表明，覆蓋層中小塊散體運移過快，更易混入礦石，因此覆蓋層小塊散體的增多必然會對礦石回收率、貧化率造成影響。本文以某礦山為例，首先分析了充填體二次破碎后的性狀，隨后開展了不同膠結(jié)充填體塊度覆蓋層條件下的放礦試驗，得到了礦石回收率和貧化率等指標，在此基礎(chǔ)上，研究了充填體塊度分布對崩落采礦法礦石回收效果的影響。

1 工程概況

該礦山礦體賦存標高為1 058～1 671 m，走向北西27°，傾向南西，傾角70°～80°，厚度28～200 m，礦體及圍巖均較破碎。礦山原采用下向水平分層進路式膠結(jié)充填法采礦，由于1 610 m水平分段充填體發(fā)生大面積垮塌而停用充填法采礦。截至目前，上部中段1 642～1 612 m水平已回采完成，形成了厚約30 m的膠結(jié)充填體；下部中段1 546～1 496 m水平回采也已完成，形成厚約50 m的膠結(jié)充填體。根據(jù)開采技術(shù)條件，擬對1 612～1 546 m水平的礦體采用無底柱分段崩落法進行開采；共布置4個回采分段，分別為1 595、1 580、1 565、1 546 m分段；每個分段進路間距為15 m，進路尺寸為4.3 m×3.7 m。1 595 m分段開采形成采空區(qū)后對膠結(jié)充填體進行誘導(dǎo)冒落，形成無底柱分段崩落法實施所需的散體覆蓋層，創(chuàng)造安全回采條件。由于所采礦石品位較低，因此要特別關(guān)注礦石的貧化問題。為降低貧化并保障生產(chǎn)安全，設(shè)計的放礦方式為上部2個分段采用總量放礦(分別按30%、80%放礦)，下部2個分段采用無(低)貧化放礦。

2 膠結(jié)充填體性狀

為研究初始冒落和二次破碎后膠結(jié)充填體的塊度分布規(guī)律，首先在1 590 m中段初始冒落區(qū)域?qū)Τ涮铙w進行取樣。經(jīng)測試，膠結(jié)充填體抗拉強度僅為0.5 MPa，抗壓強度為4.8 MPa，抗剪強度為2.0 MPa，可見膠結(jié)充填體強度很低，其在后續(xù)的中深孔爆破沖擊、上部礦巖體冒落及下移過程的冒落沖擊、擠壓、碰撞等綜合作用下，塊度易發(fā)生明顯改變。

膠結(jié)充填體二次破碎后塊度分布參考文獻[1]確定，通過顎式破碎機模擬膠結(jié)充填體在后續(xù)崩落法生產(chǎn)過程中的破碎過程，最終得到二次破碎后充填體的塊度分布(見表1)。由表1可知，充填體在二次破碎后，小塊占比明顯上升(從18.0%升至25.5%)，大塊占比明顯下降(從29.0%降至18.4%)，中塊和次中塊占比無明顯變化。

表1 模擬膠結(jié)充填體二次破碎后的塊度分布

3 充填體破碎塊度對放礦的影響試驗

該礦無底柱分段崩落法開采是在以膠結(jié)充填體為覆蓋層的條件下進行的，由于充填體強度較低，會在后續(xù)開采過程中再次破碎而使塊度變小變粉。因此，為了研究充填體塊度對礦石回收效果的影響，分別開展了初始冒落塊度充填體覆蓋層條件下和二次破碎塊度充填體覆蓋層條件下的放礦試驗。通過試驗研究崩落礦巖在放礦過程中的損失和貧化問題，以期掌握充填體破碎塊度改變對礦石回收效果的影響規(guī)律。

3.1 試驗?zāi)Ｐ秃筒牧?/h3>

按實際采場分段高度、進路間距等參數(shù)設(shè)計試驗?zāi)Ｐ?見圖1)，相似比為1∶100。模型進路尺寸為4.5 cm×4.0 cm，首采分段邊孔角為35°，其余分段邊孔角均為55°。模型中，礦石層高度為66 cm，塊度按照表2中的現(xiàn)場礦石塊度按1∶100的比例縮小。以白云巖作為礦石,密度為1.348 g/cm3，試驗所需白云巖級配見圖2，將其按表2中的比例混合均勻。充填體層高度30 cm，充填體塊度按1∶100的比例縮小。采用鐵礦石作為充填體，在試驗中可利用鐵礦石的磁性將礦巖分離，鐵礦石密度為2.337 g/cm3，試驗所需兩種鐵礦石級配見圖3，將其按表1中的比例混合均勻。

圖1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

表2 現(xiàn)場礦石塊度分布

圖2 試驗所需白云巖級配

圖3 試驗所需兩種鐵礦石級配

3.2 試驗方案

試驗方案根據(jù)礦區(qū)開采方案確定，為充分高效回收礦石，采用組合方式放礦。礦區(qū)開采方案簡述如下。

a.1 595 m分段。首采分段開采目的是形成安全墊層，預(yù)防頂板冒落帶來的安全隱患，而非回收礦石。根據(jù)所需安全墊層厚度[16-17]，該分段放礦量為崩礦量的30%。

b.1 580 m分段。該分段的采礦需求要兼顧充填體頂板仍未冒落的情況以及礦區(qū)的產(chǎn)能需要，出礦比例可適當(dāng)放大。根據(jù)礦山開采方案，該分段按崩礦量的80%放礦。

c.1 565 m分段?？紤]到降低貧化的要求，礦石會在下一分段進行回收，采用無(低)貧化放礦。

d.1 546 m分段。該分段為無底柱分段崩落法采礦的最后一個分段，未回收的礦石將會永久損失。采用無(低)貧化放礦，可適當(dāng)增大貧化率。

針對兩種級配的充填體覆蓋層，共設(shè)計3組試驗。其中試驗1、3、5采用的充填體級配與初始冒落塊度分布相同，試驗2、4、6采用的充填體級配與二次破碎后塊度分布相同，試驗采用的礦石級配均與現(xiàn)場礦石塊度分布相同。放礦試驗方案見表3。

表3 放礦試驗方案

3.3 試驗過程

將礦石裝入模型，待到達礦石層所需高度后將界面抹平，再進行充填體物料的填充。各分段出礦口按從左至右的順序進行放礦。試驗開始后，從放礦口兩側(cè)及中間均勻出礦，每刨出3鏟對放出礦巖進行篩分并分別稱質(zhì)量，達到所需放礦量即停止放礦。各放礦口放礦結(jié)束后將巷道隔板取出并將其封堵。因篇幅所限，僅展示試驗1的放礦過程(見圖4)。

圖4 試驗1放礦過程

3.4 試驗結(jié)果分析

試驗1、2的數(shù)據(jù)見表4。在前兩個分段，放礦方式均為總量放礦。首采分段放礦比例未達到30%就已見廢，1 580 m分段放礦比例達到80%仍未見廢，試驗1、2前兩個分段的礦石回收率、貧化率基本保持一致。最后兩個分段為無貧化放礦，見廢即停，試驗中僅放出極少量充填體。在1 565 m分段，試驗2比試驗1所得礦石回收率高6.98個百分點，貧化率高0.44個百分點。在1 546 m分段，試驗2比試驗1所得礦石回收率低4.90個百分點，貧化率高0.23個百分點。總體來看，在采用無貧化放礦時，充填體塊度變小后礦石回收率、貧化率基本不變，小塊充填體的增加并未對礦石回收造成明顯劣化影響。由此證明了無貧化放礦方案是合理的，能有效避免充填體塊度變小對礦石回收造成的不利影響。

表4 試驗1、2數(shù)據(jù)

試驗3、4的數(shù)據(jù)見表5。

表5 試驗3、4數(shù)據(jù)

在首采分段，試驗3、4放出礦量控制在崩礦量的30%，試驗4的貧化率更高。兩個試驗在1 580 m分段均未放出充填體，所得礦石回收率基本相同。相比于試驗1、2，試驗3、4在1 565、1 546 m分段放礦過程中增大了出礦量，貧化率控制在10%左右。在1 565 m分段，試驗4比試驗3所得礦石回收率低2.22個百分點，貧化率低0.15個百分點。在1 546 m分段，試驗4比試驗3所得礦石回收率高3.86個百分點，貧化率高0.14個百分點?？傮w來看，采用低貧化放礦，當(dāng)增大出礦量使總貧化率在7.6%左右時，充填體塊度變小后礦石回收率、貧化率基本不變，說明小塊充填體的增加未對礦石回收造成明顯劣化影響。

試驗5、6的數(shù)據(jù)見表6。在首采分段放礦量相同時，試驗6比試驗5的總貧化率高0.06個百分比。1 580 m分段由于幾乎未放出廢石，兩個試驗得到的礦石回收率、貧化率基本相同。1 565、1 546 m分段預(yù)計在放出礦石貧化率達到15%時停止出礦，但在貧化率達到13%時，放礦口幾乎已無礦石放出，故停止出礦。在1 565 m分段，試驗6比試驗5所得礦石回收率低6.09個百分點，貧化率低0.08個百分點。在1 546 m分段，試驗6比試驗5所得礦石回收率低1.12個百分點，貧化率高0.07個百分點。由此可見，最后兩個分段增大出礦量后，在貧化率基本相同的情況下，試驗5得到了更高的礦石回收率。總體來看，在增大出礦量使總貧化率增加至10%或以上時，試驗5得到了更高的礦石回收率，比試驗6所得礦石總回收率高1.73個百分點，說明小塊充填體的增加對礦石回收造成了明顯的劣化影響。

表6 試驗5、6數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

a.對比兩種級配的充填體覆蓋層下的放礦試驗結(jié)果，當(dāng)整體采用無貧化或低貧化放礦時，充填體塊度變小后礦石回收率、貧化率基本不變，即充填體塊度對礦石回收效果的影響很小。

b.隨著放礦貧化率的增大，充填體變小變粉后在同樣的貧化率下，礦石回收率明顯下降，說明覆蓋層充填體塊度對礦石回收造成了明顯的劣化影響。