硬岩金属矿自然崩落法开采中矿岩预处理技术研究

刘育明，李 文，陈小伟，夏长念，范文录，顾秀华

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.中国有色工程有限公司，北京 100038； 3.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

1 前言

自然崩落采矿法(Block Caving Method)自1895年在美国的一座铁矿山试验成功以来，经过120多年的不断发展，目前已在美国、加拿大、澳大利亚、智利、南非、中国等20多个国家的50多座矿山中成功应用[1]。在矿产品需求持续旺盛及矿山机械、信息化技术逐步提升的背景下，智能化大规模采矿(Intelligence Mass Mining)将是未来地下矿山的发展方向。自然崩落采矿法的钻爆采切工程量少，底部结构一旦形成即可连续出矿，因其生产能力大、成本低且容易实现机械化、智能化开采等优势逐渐受到金属采矿业的更多关注[2]，已成为国外开采厚大低品位矿体的首选采矿方法，是唯一能与露天开采相媲美的地下大规模采矿方法[3]。

自然崩落采矿法的实现与矿岩条件有着极大的关系，实施效果受矿岩可崩性(Caveability)[4]决定。早期业界认为自然崩落采矿法仅适用于矿体松软破碎、节理裂隙发育的矿山，随着国外一些矿岩条件较好的硬岩矿山(如智利的El Teniente矿、美国的Henderson矿、澳大利亚的Northparkes矿等)成功应用自然崩落法，使得该方法的适用范围进一步扩大。在这些硬岩金属矿山中自然崩落法能够成功应用的关键很大程度上依赖于矿岩预处理(Pre-conditioning)[5]技术。目前矿岩预处理在国内自然崩落法矿山中还没有应用研究的报道，国外一些矿山已开展了相关研究，在改善矿岩可崩性、降低破碎块度、减小矿震发生频次等级等方面取得了较好的效果。随着自然崩落采矿法在国内矿山应用的增多，未来矿岩预处理技术方面的需求将逐渐增多，因此需要研究矿岩预处理技术并探索适用于我国矿山条件的技术方案。

为了促进矿岩预处理技术在我国硬岩金属矿自然崩落法开采过程中的成功应用，本文将在对国外矿岩预处理技术研究及应用情况进行调研、分析的基础上，结合国内矿山开采研究现状提出针对我国硬岩金属矿山自然崩落法开采过程中矿岩预处理的研究思路、工艺方案及效果评价完整体系。

2 自然崩落采矿法应用现状

自然崩落采矿法发源于美国密歇根州北部的铁矿山，随后在世界范围内得到了推广应用。表1中列出了国内外自然崩落法典型矿山。早期自然崩落采矿法主要用于开采松软破碎矿体，后来逐渐扩大到中等稳固以上、节理中等发育、应力大的坚硬矿体[6]，尤其是厚大低品位硬岩金属矿山。例如：我国的铜矿峪铜矿和普朗铜矿、澳大利亚的Cadia East矿和Northparkes矿、美国的Henderson矿、智利的ElSalvador矿和El Teniente矿等。目前已有包括金、铜、金刚石、钼、铁、镍等多种矿物矿石采用自然崩落法进行开采[7]。随着井下凿岩、支护、运输、诱导致裂等相关技术的进一步发展，自然崩落采矿法的适用范围将更加广泛。

表1 国内外大型自然崩落法典型矿山

我国20世纪60年代开始研究自然崩落采矿法，最早在易门铜矿狮子山坑和莱芜马庄铁矿进行了试验研究，随后在金山店铁矿、程潮铁矿、丰山铜矿、镜铁山铁矿、漓渚铁矿和四川石棉一矿等开展了试验研究[8]。20世纪80年代，铜矿峪铜矿引进电耙出矿的矿块崩落法，于1989年底开始拉底，至2000年达到设计规模400万t/a；二期工程于2013年全面投产并达产，采用无轨设备作业的高效连续自然崩落法开采，生产能力超过设计规模600万t/a。自然崩落采矿法在铜矿峪铜矿的成功应用积累了丰富的理论和实践经验。普朗铜矿位于云南省西北部迪庆藏族自治州香格里拉县北东部，为一特大型斑岩铜矿，设计采用自然崩落法进行开采，设计生产规模为1 250万t/a，于2017年3月实现了试投产，矿山达产后将是现阶段国内生产能力最大的地下矿山[9]，自然崩落法在普朗铜矿的成功应用将大力提升我国采矿技术水平。

3 国内外矿岩预处理技术研究现状

3.1 矿岩预处理概念

英国E.T.Brown教授在《Block Caving Geomechanics》[10]一书中对自然崩落法矿山中应用的矿岩预处理技术进行了定义描述，即矿岩预处理是一种(或一组)弱化自然崩落法矿山采场矿块的人工措施，其目的是在矿体内部制造人工裂隙改变矿体的结构特征，增强矿体的可崩性使矿体保持持续稳定崩落并达到期望的破碎块度。

矿岩预处理技术不仅在自然崩落法矿山采场矿块崩落开始前可以应用，对于一些矿山在崩落中期因成拱(Arching)效应[11]而中止发展时也可以采用预处理技术使残留矿体继续崩落，保障崩落过程的持续性。矿岩预处理技术的应用使得硬岩金属矿山自然崩落法开采成为现实[12]。目前应用较多的矿岩预处理方法主要有两种：水压致裂法和钻孔爆破致裂法。水压致裂矿岩预处理技术在自然崩落法矿山中应用的更加广泛，因其在成本方面相比传统钻爆法更加低廉。水压致裂技术引自于石油工业领域，早在1947年美国的雨果顿油气田就开展了储层水力压裂增透试验研究，目前水力压裂技术与水平井钻进技术联合[13]被广泛应用于非常规油气、页岩气的开发。通常水力压裂作业包含以下过程[14]：①向目标区域钻进深孔；②在钻孔特定位置布设分隔器；③向分隔段注入高压液体使孔壁岩体产生裂缝。

水压致裂矿岩预处理过程中水力裂缝的形成受很多因素的影响，主要有注水压力、岩石的物理力学性质、原岩所处的地应力环境、天然节理裂隙等。图1所示是两种不同形式的水压致裂面[14]。图1a中水压致裂钻孔轴向与最小主应力方向垂直，多点压裂后形成的将是扩展为平面形式的水压致裂面；图1b中的水压致裂钻孔轴向与最小主应力方向平行，多点压裂后形成的将是间隔一定距离的水压致裂面组。图2所示是水压致裂缝与矿体中原有天然裂隙间的相互关系示意图[14]。图2a中的水力裂隙与天然裂隙成平行关系；而图2b中的水力裂隙与天然裂隙成相交模式。由此可见，天然裂隙与人工裂隙交叉切割矿体，有利于矿体破碎成较小的块度，这种结果是自然崩落矿山矿岩预处理所期望的效果。

图1 不同形式的水压致裂缝(面)示意图

图2 水力压裂缝与天然裂隙关系示意图

3.2 国外矿山矿岩预处理技术研究现状

目前国内自然崩落法开采矿山还没有开展矿块预处理研究的经验，国外一些矿山已开展了矿岩预处理研究，例如澳大利亚Cadia East矿[5]和Northparkes矿[15]，智利的Salvador矿[16]以及El Teniente矿[17]等，在增强矿岩可崩性、减小二次破碎工程量、降低矿震量级等方面取得了较好的效果。以下是两个国外矿山的案例，通过案例分析可以了解国外自然崩落法矿山在矿岩预处理技术方面的研究现状。

3.2.1 澳大利亚Cadia East矿

Cadia East矿归属于纽克雷斯特矿业(Newcrest Mining)下属的卡迪亚河谷公司Cadia Valley Operations(CVO)，设计采用盘区崩落采矿法进行开采，由PC1和PC2两个盘区构成。PC1盘区位于地表以下大约1 200m，PC2盘区大约在地表以下1 450m。两个盘区同时开采，总的可采量大约为1 073Mt，其中Au的品位为0.60g/t，Cu的品位为0.32%。

根据Cadia East矿区复杂条件以及设计的采矿方法及参数，矿块高度将超过400m，为了满足设计产能的需求，需要合理的方式来管理崩落发生、崩落速率以及崩落传播、破碎块度。Cadia East矿在PC1- S1矿体采用了一种强化预处理方案，见图3，即下向孔水压致裂与上向孔爆破致裂相结合的方法。在拉底工程开始之前进行，目的是对全矿块进行矿岩预处理。

在Cadia East矿开展这种全矿块预处理的优势在于：崩落传播速率可提高30%；崩落矿岩破碎块度大块率(<2m3)可降低20%；矿震发生次数多，但量级降低；崩落的前锋应力降低；可缩短达产时间，3～4年就可达到22Mt/a。

3.2.2 智利埃尔特尼恩特矿(El Teniente)

埃尔特尼恩特(El Teniente)矿的开发始于1982年，矿石铜品位低、强度高、破碎性和可崩性一般，是目前世界上生产规模最大的地下铜矿山。在复杂的高应力地质环境中进行采矿活动，引发了片帮、垮塌及岩爆等岩体稳定性问题。埃尔特尼恩特矿在借鉴其他矿山经验的基础上，采用水压致裂矿岩预处理后最大的矿震量级不超过2.1。2010年以后在传统拉底方法的基础上增加了水压致裂方法，见图4，充分利用水压致裂矿岩预处理技术改善岩体条件，增强矿岩可崩性，使采动应力对矿柱的影响降低，减小了矿震灾害的发生[18]。

4 矿岩预处理研究路线及实施方案

我国虽然还没有将矿岩预处理技术应用于金属矿崩落法矿山的实际案例，但这种需求是较多的，如铜矿峪铜矿的深部、一些铁矿山等，一旦成功应用，将有利于推动自然崩落法在硬岩矿山的应用。在总结分析国外矿山经验的基础上，笔者提出了针对我国矿山开展矿岩预处理研究流程图，见图5所示。

图3 Cadia East矿PC1- S1矿体强化预处理示意图[5]

图4 El Teniente矿原生矿2010年前后开采方法的变化示意图

图5 自然崩落法矿山矿岩预处理研究流程图

针对以上研究流程，对每一个过程的具体实施提出相应的方案如下。

(1)矿山岩体结构调查。岩体结构调查是开展与岩体相关工程研究必须开展的基础性工作之一。对于地下工程，通常揭露地下岩体的方式主要有钻孔和巷道。通过钻孔方式，可以对钻孔岩芯进行编录，同时可采用钻孔摄像系统、钻孔声波测试系统对岩体结构进行观(探)测。通过巷道方式，可以采用传统人工测线法、统计窗法，也可以借助现代测试设备如三维激光扫描、3GSM等进行测试分析。通过对岩体结构面的基距、产状、持续性、张开度、粗糙度、充填或胶结情况、风化或蚀变程度、渗水情况等进行调查，然后基于数理统计方法对调查结果分别进行整理、统计和分析，得出矿岩体中优势结构面产状、发育情况及特性。

(2)矿岩物理力学参数测试。岩石(体)物理力学参数是开展岩体工程研究的重要参数之一，对于矿岩稳定性、可钻性、可爆性以及可崩性等评价具有重要意义。通常采用钻孔岩芯进行室内加工制作标准岩石试样，然后采用压力试验机等装置开展相关的参数测试，岩石物理力学试验过程严格按照国际岩石力学协会提出的相关标准执行。岩体相关参数可根据前人提出的经验公式进行评估。

(3)矿区地应力测量。地应力是岩体所处的地质环境中的重要因素，地应力测量工作也是岩体工程研究的重要基础性工作之一。目前地应力测量方法主要有水压致裂法、套孔应力解除法、声发射法等。

(4)矿岩可崩性评价。矿岩可崩性评价是判断是否可以采用自然崩落法开采必须开展的一项工作，矿岩可崩性评价结果的准确性严重影响着后期采矿方法的应用效果。目前在可崩性评价方面已有专业软件，可充分考虑岩体结构特性、各种工程参数等因素得出可崩性评价结果。在开展矿岩预处理后，还将加入预处理结果进行综合可崩性评价。

(5)矿岩预处理方案设计。矿岩预处理目前广泛采用的方法有两种，即水压致裂法和钻爆致裂法，两种方法可单独使用也可联合使用。水压致裂法即通过向目标区域钻进深孔，隔段注入致裂液加压使岩体产生裂缝并扩展，压裂液可以是纯水、水溶液或其他液态介质，压裂液中可含或不含支撑剂；钻爆致裂法即在钻孔中放置炸药爆破使岩体产生破裂。根据矿岩条件选用预处理方法并开展相应的方案设计。钻孔形式可以是水平孔、竖直孔、倾斜孔；钻孔布置可以是矩形、梅花形或根据具体岩体条件调整；具体参数可根据矿岩体条件、预处理方法以及仿真结果适当调整。

(6)矿岩预处理数值仿真。数值模拟手段是现阶段岩体工程研究中的重要手段之一，与理论研究、试验研究具有同等重要性。矿岩预处理数值仿真可通过常用岩土工程分析软件，如FLAC、PFC、UDEC、RFPA等开展二维或三维数值仿真试验，对矿岩预处理方案进行超前验证，并可根据仿真结果提出优化方案。

(7)矿岩预处理现场实施。现场矿岩预处理实施主要包括开拓相关巷道或硐室、现场矿岩预处理作业、现场监测作业以及相关的安全保障措施。

(8)现场压裂过程监测。矿岩预处理效果的好坏直接关系矿体能否自然崩落。目前在岩体工程中应用较多的监测手段主要有微震监测、电磁监测、测斜仪监测等。通过监测结果，可以对矿岩预处理产生的裂缝方位、扩展范围等情况进行分析评价。

5 结论

矿岩预处理是硬岩自然崩落法矿山在开采过程中为有效增强矿岩可崩性、减小崩落矿石块度、降低矿震等级等开展的一项重要工作。考虑到国内矿山及学者在这方面的研究还较少，在总结前人研究成果的基础上，提出了矿岩预处理研究的技术路线，包括矿岩结构调查、地应力测量、矿岩可崩性评价、矿岩预处理方案设计、数值仿真验证优化、现场实施及过程监测，该研究思路和方案可供国内矿山企业和采矿学者借鉴参考。

[参考文献]

[1] 沈南山，顾晓春，尹升华.国内外自然崩落采矿法技术现状[J].采矿技术，2009，(4): 1-4.

[2] Karekal S，Das R，Mosse L，et al. Application of a mesh-free continuum method for simulation of rock caving processes[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2011，48(5): 703-711.

[3] 刘育明.自然崩落法的发展趋势及在铜矿峪矿二期工程中的技术创新[J].采矿技术，2012，(3): 1-4.

[4] Wang L G，Yamashita S，Sugimoto F，et al. A methodology for predicting the in situ size and shape distribution of rock blocks[J].Rock Mechanics & Rock Engineering，2003，36(2): 121-142.

[5] Catalan A，Dunstan G，Morgan M，et al. An Intensive preconditioning methodology developed for the Cadia East panel cave project，NSW，Australia[C].Proceedings of Massmin 2016，2016: 1-15.

[6] 吴少华，雷平喜.国内自然崩落法的应用和评价[J].化工矿物与加工，1996，25(1): 12-15.

[7] 何荣兴，任凤玉，谭宝会，等.论诱导冒落与自然崩落[J].金属矿山，2017，(3): 9-14.

[8] 陈清运，蔡嗣经，明世祥，等.国内自然崩落法可崩性研究与应用现状[J].现代矿业，2005，21(1): 1-4.

[9] 刘华武，冯兴隆，梁江波，等.普朗铜矿大规模开采关键技术应用研究[J].矿业研究与开发，2016，(7): 1-5.

[10] Brown E T.Block caving geomechanics[M].Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre，2007.

[11] Laubscher D H.Block caving manual，prepared for international caving study[M].Brisbane: JKMRC and Itasca Consulting Group，Inc，2000.

[12] Someehneshin J，Oraee-Mirzamani B，Oraee K.Analytical model determining the optimal block size in the block caving mining method[J].Indian Geotechnical Journal，2015，45(2): 156-168.

[13] Osiptsov A A.Fluid mechanics of hydraulic fracturing: a review[J].Journal of Petroleum Science & Engineering，2017，156: 513-535.

[14] He Q，Suorineni F T，Oh J.Review of hydraulic fracturing for preconditioning in cave mining[J].Rock Mechanics & Rock Engineering，2016，49: 1-18.

[15] As A V，Jeffrey R，Chaconn E，et al.Preconditioning by hydraulic fracturing for block caving in a moderately stressed naturally fractured orebody[C].Proceedings of MassMin 2004，2004: 535-541.

[16] Chacon E，Barrera V，Jeffrey R，et al.Hydraulic fracturing used to precondition ore and reduce fragment size for block caving[C].Proceedings of Massmin 2004，Santiago Chile，2004: 529-534.

[17] Leiva C E，Durán L.Pre-caving，drilling and blasting in the esmeralda sector of the El teniente mine[J].Fragblast，2003，7(2): 87-104.

[18] Pardo C，Rojas E.Selection of exploitation method based on the experience of hydraulic fracture techniques at the El teniente mine[C].Seventh International Conference & Exhibition on Mass Mining，Sydney，NSW，2016: 97-103.