无底柱分段崩落法采场结构参数优化研究

李海亮(中国华冶科工集团有限公司北票分公司，辽宁 北票 122104)

综合技术

无底柱分段崩落法采场结构参数优化研究

李海亮(中国华冶科工集团有限公司北票分公司，辽宁 北票 122104)

首先对高分段和大间距两种典型的无底柱分段崩落法的采场结构参数进行对比分析，然后采用正交试验法进行了大间距采矿结构参数的优化试验，得出的试验结论对无底柱分段崩落法的采场结构参数优化具有一定的指导意义。

无底柱分段崩落法； 采场结构参数； 正交试验法

1 前 言

无底柱分段崩落法由瑞典的基律纳铁矿山在20世纪60年代首先使用，因为这种采矿结构具有构造简单、机械化程度高、安全性好、采矿效率高等特点，在全世界采矿领域得到了广泛的应用。无底柱分段崩落法采场的结构参数不仅直接影响到开采和回采的工作量，而且会直接影响矿山的投资成本和采矿效益。我国自引进这种采矿方式后，采场的结构参数随着采矿设备的发展而不断增大，当前先进的电动、全液压大型采矿设备要求这种采矿工艺的采场结构向大型化和精准化方向发展，所以如何进行针对性的采场结构参数优化，对我国的采矿领域发展具有重要的指导意义。

2 高分段与大间距采场结构参数对比

对结构参数的优化，实质是基于放出椭球体理论的放出体空间排列优化问题[1]，尽量使放出椭球体相切，放出体密度最大，这就逐步发展优化出2种采场结构：高分段结构形式和大间距结构形式，这2种采场结构的形式理论上是等价的，下面对两种采场结构参数进行对比分析。高分段与大间距排列是以放出椭球体的空间排列形式进行定义，高分段采场结构如图1所示,分段高与进路间距关系为:

(1)

式中:H——分段高度，m；

L——进路间距，m;

a——放出椭球体长轴，m；

b——放出椭球体短轴，m。

图1 高分段放出椭球体排列形式示意图

大间距采场结构形式如图2所示,分段高与进路间距关系为:

(2)

图2 大间距放出椭球体排列形式示意图

采场结构参数优化就是在高分段或大间距条件下寻找最优的结构参数，我国在引进无底柱分段崩落法之初，参数是10m×10m，随着开采设备的大型化和自动化程度逐渐提高，加上多年的开采实践，结构参数有明显增大的趋势，典型的结构参数指标如表1所示。

表1 典型结构参数指标

从表1可知，贫化与回收两项指标的方差比较大，也就是两头好、中间差,这就印证了上述两种优化过的结构参数的合理性。

高分段和大间距2种排列形式在理论效益上没有大的区别，但结合我国开采领域的实际情况，大间距排列具有如下优点：一是爆破效率高、凿岩深度小、贫化损失少。采用大间距排列时，进路间距增加1m，凿岩深度只增加0.5m，而高分段排列的凿岩深度为1m。以15m的进路间距为例，假定放矿椭球体偏心率为0.92，分段高度为11.1m，则高分段形式的分段高度为19.2m，进路间距为8.66m。二是大间距形式相比高分段形式的下盘三角矿体损失较小，当矿体的倾斜角度较小时，相对的矿体损失更小。三是大间距排列形式增大了开采进路的分布间距，相应减少了对矿体周围的岩体破坏和应力集中，降低了岩体的地压状况，保证了生产的安全程度。四是大间距排列的进路间距改变更加灵活。采用大间距排列时只需要在打进路巷道时开凿巷道就可以。综上可知,在目前情况下采用大间距排列形式更符合现阶段我国采矿行业的生产技术水平[2]。

3 正交试验法进行大间距采场结构参数优化

正交试验法是以排列整齐的正交试验水平表为基础，通过较少的试验次数来进行整体设计和对比分析，找到较好的采场结构参数的方法[3]。这种试验方法比较科学并且具有代表性，试验结果具有实际意义，能够获得较多的信息量。以下以正交试验法为例，探讨大间距采场结构参数优化问题。

无底柱分段崩落法采矿工艺影响回采效果的因素有很多，如分段高度、进路间距、进路规格(a×b)、崩矿步距(L)、边孔角(α)、出矿顺序、大块率以及炮孔排面倾角、孔底距等，其中，最主要的影响因素是分段高度、进路间距和崩矿步距。结合目前采矿装备水平和采矿工艺实际，拟定的正交试验因素水平表如表2所示。

表2 正交试验因素水平表

3.1 试验模型

本次研究主要采取实验室模拟试验的方式进行，根据试验参数共组合出9个放矿方案，所以应制作9个相应的试验模型。模型的比例尺为1∶100，每个模型分段有5～6条回采进路，每条进路选取4 个步距，共两个分段。采矿方法的主要结构参数为14m×16m×5m，进路尺寸为3m×3m。进行矿石块度设定后，将矿石颜色和岩石颜色进行区分，以便于观察放矿的分界线动态变化情况。

3.2 试验结果

根据正交试验的因素水平，选用L9(34)正交表安排本次模拟放矿理论试验。9 个放矿方案中，每个方案只进行1 个分段和1 个步距放矿试验，但安排多个进路同时出矿。放矿均采用低贫化出矿，矿石和岩石的比例临界点设置为2∶1 ，达到临界点时停止出矿。三因素三水平正交试验表及其模拟放矿指标见表3。

表3 三因素三水平正交试验表及其模拟放矿指标

3.3 结果分析

正交试验法过程中，可以用极差R来衡量各个因素对效果的影响程度。某个因素的极差R越大表明该因素对效果的影响也大，反之则小。通过极差分析可以得到如下结果[4]。一是分段高度对矿石回收率的影响最大，其次是进路间距，最次是放矿步距。二是矿石回收率的变化趋势均是随着3个因素的高度增大而呈先变大后减小的趋势发展。这就说明矿石回收率存在1个峰值，所以在上述的试验条件下，采场结构参数定为：进路间距为16m，分段高度为14m，放矿步距为4m。三是3大影响因素中任意确定2项因素后，另一因素对矿石回收率的影响均呈先大再小的二次曲线变化关系。四是3个参数都存在1个使矿石回收率达到最大的水平因子。

4 结语

针对我国采矿行业设备和工艺变化的实际情况，对两种典型的无底柱分段崩落法的排列形式(高分段和大间距)的结构参数进行比较，由对比分析可知，大间距的排列形式更加适合于我国当前的设备和工艺水平，在此基础上，采用正交试验法对大间距排列形式的结构参数优化进行了重点研究，通过对试验结果的分析得出了一般性的结论，对无底柱分段崩落法采场结构的参数优化研究具有一定的参考价值。

[1] 张志贵，刘兴国，于国立.无底柱分段崩落法无贫化放矿—无贫化放矿理论及其在矿山的实践[M].沈阳:东北大学出版社，2007.

[2] 张国联，邱景平，宋守志.无底柱分段崩落法最佳结构参数的确定方法[J].中国矿业，2003，(12):49-51.

[3] 董振民，范庆霞，金 闯.大间距集中化无底柱采矿新工艺研究[J].金属矿山，2004,(3):1-4.

[4] 乔登攀，汪 亮，张宗生.无底柱分段崩落法采场结构参数确定方法研究[J].采矿技术，2006，(3):233-236.

Stope structure parameters optimization of non-pillar sublevel caving method

First, the stope structure parameters of two typical non-pillar sublevel caving methods, one with high sublevel and one with large space, were compared and analyzed. Then, the orthogonal test of large space structure parameters were carried on. The conclusion has guiding significance for the structure parameters optimization of non-pillar sublevel caving method.

non-pillar sublevel caving method; stope structure parameter; orthogonal test

TD853.36+2

A

李海亮(1984-)，男，河北内丘人，总工程师/采矿工程师，从事采矿工程技术管理工作。