缓倾斜中厚矿体无底柱分段崩落法合理回采工艺研究

李英碧,张志贵,陈星明，叶 青,谭宝会

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010;2.四川锦宁矿业有限公司，四川 凉山 615602)



缓倾斜中厚矿体无底柱分段崩落法合理回采工艺研究

李英碧1,2,张志贵1,陈星明1，叶 青2,谭宝会1

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010;2.四川锦宁矿业有限公司，四川 凉山 615602)

缓倾斜中厚矿体条件下的无底柱分段崩落法矿山普遍存在矿石损失和贫化严重等突出问题，是矿山急待解决的问题。通过试验研究和大顶山矿区的现场试验，研究结果表明，对于缓倾斜矿体条件下采用“垂直分区”、“组合放矿”新工艺并通过优化炮孔布置与优化切割爆破参数等技术措施，可以在较好地解决缓倾斜矿体条件下无底柱分段崩落法矿石损失和贫化严重的问题，可明显提高矿山生产的经济效益。

缓倾斜矿体；无底柱分段崩落法；回采工艺；损失贫化

1 问题的提出

由于无底柱分段崩落法其效率高、成本低、安全性好以及使用灵活等优点已经被广泛应用到许多急倾斜厚大矿体条件的地下矿山。近年来，因我国经济迅猛发展，国内市场对铁矿石资源的需求日益增加，这种生产能力大、机械化强度高的采矿方法也被逐步运用到缓倾斜矿体甚至像锦宁矿业大顶山矿区这种缓倾斜中厚体条件中。

一般来讲，无底柱分段崩落法应用于矿石稳固的厚大、急倾斜矿体时，其经济、高效、安全的优点才能充分显现。而当该方法用于缓倾斜中厚矿体等不利开采条件时，矿石的回采及回收条件将发生很大的变化，其生产工艺需要进行必要的调整或优化，甚至需要一些特殊的技术措施来降低可能增加的矿石损失与贫化，才能达到矿山生产的经济性要求，以保证矿石的正常回收。但遗憾的是，目前采矿界并没有对缓倾斜矿体条件下无底柱分段崩落法的特殊性及合理回采工艺进行系统深入的研究，绝大多数矿山仍然沿用传统的生产工艺进行回采，导致出现矿山生产秩序不正常、矿石回收效果差等严重问题。

据调查，在采用无底柱分段崩落法的缓倾斜中厚矿体矿山都存在着矿山生产秩序不正常、矿石回收指标差的共同问题。与急倾斜厚大矿体相比较，缓倾斜中厚矿体条件下无底柱分段崩落法矿山，不仅生产秩序很不正常，悬顶、大块、隔墙以及巷道冒落等事故频繁发生；而且矿石回收指标也严重恶化。其矿石回收率一般仅为60%～70%，而贫化率却高达30%～40%以上，严重影响了矿山的技术经济效果。因此，很有必要对缓倾斜中厚矿体条件下的无底柱分段崩落法特殊性及其回采工艺进行分析研究，提出降低矿石损失贫化的技术措施，改善矿山生产状况，提高矿山生产经营的技术经济效益。

2 缓倾斜矿体条件下无底柱分段崩落法的特殊性

在缓倾斜中厚矿体条件下，不仅矿石的回收条件因倾角变缓而发生很大变化，其矿石回采条件也因倾角及厚度的变化有了很大的变化。矿体倾角越缓，矿岩界面面积就越大，开采时越易混入废石；矿体倾角越缓，矿体上、下盘与之对应的三角矿体区域就越大，开采时上盘混入的岩石越多，下盘损失的矿石也越大。总体来说，用这种方法矿石的回采和回收条件较厚大急倾斜矿体都显著恶化[1-2]。显然，厚大急倾斜矿体条件下与缓倾斜中厚矿体条件下的无底柱分段崩落法，无论在矿石回采还是在矿石回收上，都存在着很大的差异性。因此，有必要对缓倾斜中厚矿体条件下无底柱分段崩落法在矿石回采及回收上的特殊性进行分析研究，寻找更为合理的生产工艺，保证矿石充分回收。

2.1 矿岩混采

在缓倾斜中厚矿体中采用垂直走向方向布置进路时，分段矿体将会在上下盘出现两个三角矿体矿段，如图1所示。在无底柱分段崩落采矿法的凿岩爆破中，常采用打上向式扇形炮孔。崩矿时三角矿体范围——下盘残留矿体处于其废石上面(上盘三角矿体处于其废石之下)将出现矿岩混采的现象。即在崩矿的同时，也会崩落部分上盘围岩或下盘围岩。

H-分段高度；L-矿体水平厚度； α-矿体倾角
图1 缓倾斜矿体上下盘矿岩混采的三角矿体

矿岩混采将对放矿过程以及回收矿石产生极大的影响。对于上下盘三角矿体，由于崩落矿石层的高度以及与崩落废石的接触状态经常发生变化。特别是在下盘三角矿体部分，崩落矿石与其上部、前端部、左右以及下部等5个方向的崩落废石有直接接触，矿石回收更加复杂和困难。显然，处于混采状态的三角矿体矿量占分段矿量的比例越大，造成额外矿石损失贫化的风险就越大，通常情况下矿石的回收效果也就越差。

据计算，缓倾斜中厚矿体的矿岩混采比例一般在30%～50%以上；若矿体厚度较小或分段高度较高，混采比例可以达到90%～100%，这意味着绝大部分的分段矿量都处于混采状态，易造成大量损失与贫化。

2.2 转移矿量

由于上下分段回采进路交错布置，无底柱分段崩落法的分段回采矿量总会有相当一部分不能在本分段回收，而只能在下面分段才能得到回收。这部分不能在本分段得到及时回收的矿量称之为转移矿量，亦有称之为转段矿量[3]。一般来说，转移矿量主要包括两个部分：一是进路间未崩落的桃形矿柱；二是桃形矿柱上部的脊部残留。此外，步距放矿后形成的正面残留甚至放矿过程中崩落矿岩交界处形成的矿岩混杂层也可看作是转移矿量的一部分。

据测算，其中分段转移矿量能达到分段回采矿量的30%～50%左右。在厚大急倾斜矿体条件下，只要上下分段回采进路严格按照菱形交错布置且采切与爆破效果良好情况下，除矿体最后一个分段外，其余各分段的转移矿量可以在下面分段得到充分回收。从矿量上看，厚大急倾斜矿体始终只保持一个分段的转移矿量没有得到回收，不存在转移矿量损失积累的问题。

但是，在缓倾斜中厚矿体条件下，位于下盘的转移矿量会因为下分段回收工程前移或下盘崩落废石阻隔等原因得不到有效的回收，造成下盘残留永久损失，而且每个分段都会产生一定量的下盘损失，累积损失矿量相当可观。显然，要降低矿石损失，就必须设法解决下盘转移矿量累计损失的问题。

2.3 下盘矿石残留

无底柱分段崩落法下盘残留是指在倾斜或缓倾斜矿体条件下回采进路退采到下盘边界时不能回收的全部下盘矿石。由图2可见，下盘矿石残留主要由上分段的脊部残留、桃形矿柱(转移矿量)以及本分段未崩落的三角矿体构成。下盘的矿石残留具有以下特点：①下盘残留包括了已崩落的脊部残留、未崩落的桃形矿柱和下盘三角矿体，其构成和空间形态都比较复杂；②下盘残留矿量的大小与上分段未回收的转移矿量及下盘退采范围密切相关[4-5]。

图2 缓倾斜矿体下盘退采位置及其残留矿石情况示意图

根据计算，缓倾斜中厚矿体条件下需要通过下盘切岩开采的下盘矿石残留量约占分段回采矿量的50%～60%左右。随着结构参数的加大，下盘残留矿量占分段回采矿量的比例还会显著增加。显然，下盘残留矿量的有效回收对于采矿方法的整体回收效果非常关键。

这里需要注意下盘矿石残留与下盘矿石损失的区别，不少人将下盘残留与下盘损失等同起来是不正确的。下盘的残留矿石指本分段退采结束后，下盘残存的矿石，在矿体下分段还能继续开采的情况下，其大部分仍可在下分段回收。而下盘损失是指矿体退采结束后仍留在矿体下盘的残留矿石。显然，在不同的退采位置对应着不同的下盘损失。

目前，多数设计单位或生产矿山回收下盘残留矿石采用下盘切岩开采，并按照边界品位法或边际盈亏平衡法确定退采范围。据估算，目前按照边界品位法或边际盈亏平衡法实际确定出的退采范围一般为下盘三角矿体1/3～2/3的范围(即图2中a1或a2的位置)[6-7]，很少有退采到a3的位置。此时的下盘损失不仅包括上分段部分转移矿量，也包括本分段部分三角矿体，损失矿量较大。这表明，目前多数缓倾斜矿体矿山的下盘退采是不充分的。可以说，这是导致缓倾斜矿体无底柱分段崩落法矿山矿石回收率低最为重要的原因之一。

然而，纵使加大退采深度至上分段进路和下盘矿岩界面的交界处(图2的a3位置)，仍有一部分矿量还会因为下分段没有回收工程而难以有效回收。根据理论计算，这部分难以通过切岩开采回收的残留矿量约占分段回采矿量的10%，其不仅对充分回收利用矿产资源有意义重大，而且含有巨大的经济价值。

3 缓倾斜矿体条件下合理回采工艺及降低损失贫化的技术措施

研究表明，缓倾斜中厚矿体条件下，上盘及中间矿段的回采矿量并不大,且具有良好的回收条件，真正产生在上盘及中间部位的损失非常少。因此，矿石回收的重点和难点都在矿体下盘。然而一直以来，多数缓倾斜中厚矿体条件下无底柱分段崩落法矿山，放矿主要方式还是传统的截止品位放矿，并把出矿的重点放在回采巷道内可见矿体部分，忽视了对下盘残留矿石的充分有效回收，矿石回收率不仅很低，还导致大量废石的混入。这是缓倾斜中厚矿体条件下无底柱分段崩落法矿山矿石贫化率较高最为重要的原因之一。

针对缓倾斜中厚矿体条件下无底柱分段崩落法的特殊性，根据理论及实验研究结果，我们提出了以下一些新的生产工艺及降低损失贫化的技术措施。

3.1 “垂直分区”回采方案

所谓的“垂直分区”回采方案主要是根据矿体倾角与厚度的变化，在上下分段的回采巷道与矿体上下盘矿岩边界交点处垂直划分区域，在不改变分段的正常回采顺序前提下，特意造就多个能够垂直出矿的回采分段，为转移矿量和各种残留矿石能在菱形布置的回采巷道中充分回收创造有利条件，见图3。

“垂直分区”回采方案的最大优点是，能够有效解决缓倾斜矿体上分段下盘残留不能在下分段有效转移和回收的问题。下盘退采范围不是简单依据经济最优原则确定，而是依据充分有效回收矿石的原则来确定。下盘一直退采到上分段回采进路与矿体下盘矿岩边界交界处，能够实现所谓的“下盘残留全覆盖”，很好解决了目前下盘回采不充分的问题，可以显著提高采矿方法的矿石回收率。

图3 缓倾斜矿体条件下无底柱分段崩落法的“垂直分区回采”方案

3.2 “组合放矿”方案

所谓的“组合放矿”方案是指在同一分段根据不同区段的回采条件及其作用的不同，在矿体上盘、中间及下盘三个矿段分别采用“松动放矿(每个步距至少放其承担矿量的30%)、低贫化放矿以及截止品位放矿”的组合放矿方式，即保证矿石充分回收又显著降低出矿过程的矿石贫化。

采用“组合放矿”的主要优点是，根据不同的回收条件采用不同的放矿方式，显著减少无效贫化的产生，能够在充分回收矿石的情况下大幅度降低废石混入量和贫化率。如果矿体厚度不是很小，将“垂直分区”回采方案与“组合放矿”方案结合起来使用，降低矿石损失贫化的效果将会更加明显。图4为结合大顶山矿区矿体赋存条件设计的“垂直分区、组合放矿”回采方案。

图4 大顶山矿区“垂直分区、组合放矿”方案设计实例

3.3 合理的切割及爆破参数

缓倾斜中厚矿体条件下，上盘三角矿体与中间及下盘的回采落矿条件是有很大不同的。首先，其上部为没有完全冒落的围岩，其崩矿排面应该是矩形排面，其爆破落矿的条件及爆破参数设计与后续的多边形崩矿排面有相当大的区别。其次，考虑上部覆岩没有完全冒落、爆破夹制现象比较突出的实际情况，矩形崩矿排面高度应超过中间部位及下盘正常爆破时的多边形排面高度。

不仅如此，矩形排面的高度一般应达到1.5～1.8倍分段高度，如图5所示，才能确保后续中间矿段的崩矿具有足够的补偿空间高度，不至于出现后续扇形炮孔上部拒爆以及悬顶事故频繁发生的现象。为了取得更好的爆破效果应由矩形排面的高度来设计切割槽高度及扇形炮孔的长度应。此外，考虑到热液交代型矿床的矿岩接触带多为破碎带的情况，切割槽的位置最好能避开上盘矿岩接触带3～5m以上的距离，以免因破碎带内炮孔垮塌影响切割质量及爆破效果。表1为按照大顶山矿区几种不同结构参数确定出的矩形排面高度、切割井高度以及扇形炮孔中心孔长度参数(注：进路尺寸为3m×3m、边孔角为45°)，由表1及图5可以比较清楚看出矩形排面高度、切割井高度以及炮孔深度之间的关系。

H-分段高度；B-进路间距；Hj-矩形排面高度；β-边孔角；Hq-切割井高度
图5 上盘三角矿体矩形排面设计

表1 大顶山矿区不同构参数条件下矩形排面、切井及中心孔高度

元素SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOMnO含量4.821.804.780.130.310.350.015元素MoO3P2O5SK2OZrO2烧失量固定碳含量0.140.0140.0480.100.5086.3284.32

值得注意的是，许多生产矿山甚至设计单位都没有注意到这些特殊的情况，设计的上盘三角矿体矩形崩矿排面高度仅为分段高度的1.1～1.2倍左右，甚至有矩形排面高度等于分段高度的情况出现[7]，其结果是切割井高度、炮孔深度严重不足，导致后续中间矿段特别是桃形矿柱部分无法正常崩落，大块、悬顶等生产事故频繁出现，严重影响矿山正常生产以及矿石正常回收[8]。

需要说明的是，上盘三角矿体负担的矿量虽然不大，但却担负着补充放顶、及时释放地压并为下面分段矿石回收创造良好条件的重要作用，必须予以高度的重视。为使相邻进路的回采空间尽可能贯通并使顶板尽快冒落，通常需采用较小的边孔角(30～35°)。

研究表明，对于下盘三角矿体在下部有废石阻隔的情况下，采用加大放矿步距和边孔角的方法，可以显著降低矿石贫化。因此，作为矿石回收的重点与难点的下盘，在充分退采的基础上可以采用适当增加放矿步距、增加边孔角的办法，降低矿石损失贫化。此外，由于同一分段不同位置的回采出矿条件有很大的不同，甚至每一个步距的情况都差别很大，一定程度上加大了对放矿管理的要求，加上放矿方式的多样性，缓倾斜矿体实施“精细化放矿管理”显得十分必要。

4 应用效果

大顶山矿区是锦宁矿业有限公司主要铁矿石生产基地，其主要开采的1#、2#号矿体，为典型的缓倾斜中厚条件矿体。矿体倾角一般在10～50°之间；厚度在6～30m之间，平均厚度为11.4m，平均品位46%左右。矿山主要开采方式为无底柱分段崩落法，其主要结构参数是分段高度、进路间距都为10m，崩矿步距为1.8m。

由于多种因素的影响，大顶山矿区一直存在着矿石损失贫化大、矿山储量消耗快、采掘比例失调等突出问题，严重影响矿山的正常生产及公司的生产经营效益。为此，锦宁矿业公司与西南科技大学一道，共同开展了对缓倾斜矿体条件下无底柱分段崩落法合理生产工艺及降低矿石损失贫化的技术研究，本文所涉及的几种新的生产工艺及降低矿石损失贫化的技术措施，即为项目研究的主要成果。2011年7月，项目成果在大顶山矿区进行了全面的试验性应用。

自项目正式启动特别是2011年7月项目正式进入现场试验阶段以来，矿山生产工艺得到了较好的规范，矿山的生产及管理有了令人鼓舞的可喜变化，技术经济指标得到显著改善，项目取得了显著成效，主要表现在以下几个方面。

1)矿山生产工艺从设计到施工得到了较好的规范，采切方法得到改进，采切与爆破工程质量得到显著提高，生产工艺变得更为合理，悬顶及隔墙等事故明显减少，矿山生产经常性被动局面得到根本性扭转。

2)试验采区(2540水平)矿石回收率较原来(2550水平)提高约8个百分点，贫化率下降约3个百分点；公司成品矿产率提高约4～5个百分点，累积创造经济效益约1200万元。

3)通过项目研究，发现了残存在已经开采水平矿体下盘进路间柱中的三角矿锥及其脊部残留矿量，该矿量约为分段矿量的10%(约4万t/分段)，累计为大顶山采区增加采准储量20余万吨，总价值超过亿元。

5 结 语

由于无底柱分段崩落法在缓倾斜中厚矿体与急倾斜矿体条件下有着不同的矿石回采与回收条件，为有效减少矿石损失贫化，只有采用一些与传统无底柱分段崩落法不同的生产工艺和特殊的技术措施。所以，采用“垂直分区、组合放矿”新技术，优化炮孔布置与切割爆破结构参数等诸多合理回采工艺及降低矿石损失贫化的有效技术措施，可以显著改善缓倾斜中厚矿体条件下无底柱分段崩落法的矿石回收效果，提高其技术经济效益。

[1] 单守志，任凤玉．矿岩软破缓倾斜中厚矿体采矿方法[J].东北大学学报：自然科学版，1995，16(1)：6-9．

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[3] 张国联，邱景平．软破矿岩大参数无底柱分段崩落法开采的理论与实践[M].北京：科学出版社，2007．

[4] 任天贵，王辉光，南斗魁．无底柱分段崩落法在矿岩软破缓倾斜矿体中的应用[J]．金属矿山，1992，(1)：3-9，14．

[5] 任建平，阳雨平，邓良，等．国内外倾斜中厚矿体的开采现状和发展趋势[J].现代矿业，2009(6)：1-4．

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[7] 各方．丰山铜矿北缘难采残矿体的回收实践[J].现代矿业，2001(5)：65-67．

[8] 何荣兴，任凤玉，李爱国，等．北洺河铁矿底板残留矿量的回收方法研究[J].中国矿业，2011，20(8)：69-71．

Research on suitable mining techniques for sublevel caving under condition of gently inclined mid-thick ore body

LI Ying-bi1,2，ZHANG Zhi-gui1，CHEN Xing-ming1，YE Qing2，TAN Bao-hui1
(1.School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Sichuan Jinning Mining Co.，Ltd.，Liangshan 615602，China)

The problem that excessive ore loss and dilution were commonly existed in many sublevel caving mines with gently inclined ore body is urgently to be solve for mine. The results of test and research in Dadingshan Iron Mine indicated that excessive ore loss and dilution in those mines can be largely reduced and the economical benefit can be increased significantly by using some new production techniques and technical measures which include blocking ore body vertically, Multiple cutoff grades for draw control, optimizing technical measures of blasting hole layout and optimization of cutting blasting parameters.

gently inclined ore body；sublevel caving；mining technology；ore loss & dilution

2014-11-05

李英碧(1968-)，男，四川简阳人，四川锦宁矿业有限公司总工程师。

陈星明(1972-)，男，湖南湘乡人，教授，主要从事采矿方面教学与研究工作。

TD853.362

A

1004-4051(2015)10-0132-05