无底柱分段崩落法崩落体形态的研究现状与展望

2018-11-30张国建杨宇江温彦良周涤非

金属矿山 2018年11期

常帅李楠张国建杨宇江温彦良周涤非

（辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051）

无底柱分段崩落法具有安全性好、回采效率高的特点，在地下铁矿山中应用广泛。该方法在覆盖岩层下放矿，存在损失贫化大的问题。针对该问题，国内外学者在回采参数优化、崩落矿岩移动规律、放矿管理等方面开展了大量的研究工作［1-6］。但从放矿过程来看，崩落体、放出体、松动体贯穿整个放矿循环，是决定放矿效果的关键。因此，充分认识“三体”形态对降低损失贫化、提高矿石回收效果有重要意义。目前，国内外学者对放出体的研究较多，并形成了椭球体放矿、随机介质放矿等理论体系［7-15］，而作为放矿对象的崩落体，由于其形态难以直接观测得到，研究比较困难。早期的放矿研究将爆落矿石堆的形成假设为崩落矿石向周围覆岩的线性挤压［16］。马鞍山矿山研究院焦静兰［17］对放矿前端壁面矿石堆积体的厚度进行分析，提出厚度由爆破步距、矿石堆向前推移距离、前一循环端壁面残留矿石厚度3部分组成；之后，该院郭玉［18］等利用自研设备——BCY-3型爆破介质位移参量测定仪在梅山铁矿进行无底柱分段崩落法矿石挤压爆破推距测定，提出推距系数=推距/崩矿步距，取值一般为0.3～0.4。

此后，对于无底柱分段崩落法矿石爆堆的认识进一步加深。张国建［19-21］等通过爆破手段，将覆盖岩层内形成的矿石爆堆定义为崩落体，形成了崩落体的概念，并对崩落体进行了实验和理论分析，将崩落体与放矿过程中的放出体、松动体联系起来，指出崩落体对其它2种形态能产生直接影响，在整个回采系统起着决定性作用，回采系统中三者位置关系如图1所示。因此，在分析崩落体形态影响因素的基础上，评述了崩落体形态的研究现状及存在的问题，指出了今后的研究方向。

1 崩落体形态影响因素

崩落体是在采场内部形成的矿石爆堆，其形态是指矿石爆堆的空间形状和赋存状态［19］，包含几何外形及其结构组成。分析崩落体形态的影响因素是开展理论分析、模拟试验研究的基础和前提。崩落体形态的影响因素可归纳为以下几个方面。

（1）爆破参数。无底柱分段崩落法落矿是在回采进路中采用挤压爆破方式完成的，矿石碎胀空间较小，崩落体的形成是挤压爆破作用的结果。因此，崩落体形态的好坏与爆破参数有直接关系，不同的爆破参数会引起矿体破碎程度及发育形态的差异。对于崩落体形态研究来说，爆破参数的合理性应以整体爆破效果为评价指标。

（2）矿体及覆岩性质。作为爆破回采的对象，矿体的物理力学性质直接影响爆破效果，也是决定崩落体形态的主要因素之一。当矿体可崩性、碎胀性均较好，崩落体自身具备良好的发育条件，也即松动体的松散性较好时，待爆矿体能够在消耗较少爆破能量的情况下产生较大的膨胀，增加矿石颗粒的孔隙率，形成发育良好的崩落体，有利于提高放矿效果；反之，崩落体自身不具备良好的发育条件，进而影响后续放出体、松动体的外形发育，得不到良好的放矿效果。

无底柱分段崩落法最大的特点为矿石颗粒在岩石覆盖层内部由进路口流出，完成出矿作业。在崩落体形成到出矿结束过程中，覆盖岩层始终包裹在崩落体的外围。因此，覆盖岩层既提供了保证崩落体形态形成的外部环境，不过分膨胀，又起到阻碍崩落体膨胀的作用。当覆盖岩层松散系数小时，提供给崩落体可扩展的空间较小，导致崩落体得不到充分发育。

（3）放出体、松动体、残留体。放出体、松动体、崩落体是互相影响、互相制约的3个单元体，三者相互关系如图2所示。崩落体形成于放矿阶段之前，主要受爆破和松动体特性影响。放出体处于放矿中间阶段，影响着放矿回收效果。当矿石粘滞性较大时，其流动性差，放出体发育范围较小；当矿石流动性好时，放出体发育范围较大，更多的矿石进入可放出区域，能够增加矿石的回收率。随着放出体的不断发育，颗粒松动范围增加，松动体受到其直接影响。而崩落体是在松动体范围内形成的，松动体内部散体颗粒的松散程度又影响着崩落体的发育。简言之，放出体的形态受崩落体直接影响，松动体的大小受放出体控制，下一循环的崩落体又受松动体的影响［21］。

放矿结束后的残留矿体留置在采场内，影响到下一步距挤压爆破形成的矿石崩落体。残留体主要由脊部和端部2部分组成，两者均由放矿形成。脊部残留体位于进路两侧，端部残留体位于进路端部采场内，均处于放出范围以外。对于流动性较好的散体颗粒来说，其残留量相对较少，而流动性差的散体颗粒，残留量较大。对于崩落体来说，这部分残留体对崩落体形态发育起阻碍作用。残留体均处于被爆矿体后方，当散体流动性好时，能够给被爆矿体提供更大的松散空间，利于被爆矿体爆破形成崩落体。

（4）采场结构参数与放矿工艺。被爆矿体的几何形状由采场结构参数决定，因此，结构参数直接决定了崩落体形态。结构参数主要包括分段高度H、进路间距B和崩矿步距L。其中，崩矿步距灵活性最强，优化方便。崩矿步距的大小，直接决定了崩落体几何形状的厚度。目前，机械设备的不断进步推动了国内外无底柱分段崩落法矿山朝着增大结构参数的方向发展，崩落体的形态随之变大、变厚。

同时，放出体形态受放矿工艺直接影响。放出体内的放出散体量决定着采场内留存散体的松动范围，即松动体形态，进而影响崩落体的发育范围。此外，放出体形态不同，则采场内的残留体形态也不同，从而影响下一步距崩落体的发育。

2 崩落体形态的实验研究

2.1 研究现状

崩落体由矿石爆破后形成，属于松散体，具有该类介质的物理力学性质［22］。崩落体形态研究主要包括崩落体的几何形状、散体块度分布及松散性等。在无底柱分段崩落法采矿过程中，爆破在覆岩下进行，崩落体形态无法在实际生产中直接观测得到，因此，对崩落体的研究多集中于物理模拟实验。张国建［19-20］等通过水泥砂浆模型爆破实验，得出崩落体为一种外形与松动体类似，体积较其小的曲面体，根据实验数据圈定的崩落体形态如图3所示；爆破后的矿石块度在崩落体内部呈现自下而上逐渐增大的趋势，且崩落体三维外形尺寸分别大于分段高度H、进路间距B和崩矿步距L的实际取值，同时，实验还发现了崩落体陷落区现象。王文杰［23］等在分析崩落体形态影响因素基础上，根据相似定理，确定模型参数，建立了爆破模拟实验模型。杜贵军［24］利用气囊加压模拟被爆矿体的碎胀过程，得出有松动体影响时崩落体受松动体控制，并在其内形成曲面体；无松动体影响时崩落体轮廓曲线类似椭圆形；同时，指出松动体形态对崩落体发育有显著影响。李中原［25］利用液压油注入模型气囊的方式模拟爆破产物的运动，并对颗粒的运动位置进行记录，以获取崩落体的形态。陈晨［26］通过物理实验建立不同的崩落体，并确定其分别对应的放出体和松动体，分析得到了崩落体与放出体的回归方程。

物理模拟实验仍是今后进一步开展崩落体形态研究的重要手段，而爆破是影响崩落体形态的主要因素，但受客观条件及安全方面的影响，直接进行爆破试验存在困难。因此，如何达到爆破模拟与实际爆破的相似，寻求合理的爆破手段是崩落体形态物理模拟实验研究需要解决的关键问题。此外，目前对于崩落体的研究多为单体实验，应增加采场结构参数、爆破参数以及外部条件等多因素影响下的崩落体形态研究，提高物理模拟实验与生产环境的相似度。

除物理模拟实验外，数值模拟及计算也成为研究崩落体形态的手段之一。高常胜［27］等应用PFC2D模拟了崩落体的形成及外形，并分析了崩落体内部矿石和岩石的移动规律。杜贵军［24］在物理模拟实验的基础上，建立数学模型，通过理论分析与数值模拟方法验证了崩落体的二维理论模型。李广辉［28］研究了崩落体的形成机理，建立了崩落体的椭球缺数学模型，并应用MATLAB软件，实现崩落体的自动计算。同时，运用PFC2D软件对结构参数不同取值时的崩落体形成过程进行了模拟，得出崩落体形态随结构参数的增大而增大。冯海辉［29］在理论分析的基础上，建立了崩落体三维理论模型，并对崩落体外形进行了计算机分析。谢海［30］通过建立神经网络系统，对崩落体实验数据进行训练，实现崩落体形态的预测，并分析了崩落体形成过程中外界因素的影响。翟会超［31］采用现场调研与理论分析的方法，建立了崩落体、放出体、松动体的关系模型，并对回采过程进行了数值计算预测研究。孙明磊［32］利用耗散函数分析了崩落体形成过程，并对其进行数值模拟研究，验证了崩落体表面存在矿岩混杂区；最后，结合生产实际对崩落体的体积进行测定。温彦良［33］等对崩落体形态以及其演变过程进行了数值模拟，得出崩落体形态为上宽下窄的近似椭球缺；同时指出，在放矿过程中，崩落体形态由“椭球缺”变成“舌头状”残留体。

此外，由于崩落体在覆岩中形成，在矿山实际生产中无法直接观测得到，崩落体形态的现场试验研究较少。王燕、李文增、何荣兴等在研究崩矿步距优化过程中，通过在矿山跟班标定的方法，统计分析进路出矿量与废石混入率的变化关系，间接推测出崩落体基本形态为带有凹陷坑的曲面体［34-36］。

2.2 研究方向

目前，针对崩落体的理论研究仍不是很成熟，崩落体形态的研究多集中于物理模拟、数值模拟等。而爆破作为影响崩落体形态的重要因素之一，在模拟过程中具有不可忽略的重要地位。在已有的研究中，应用于崩落体形成研究的爆破替代手段为气囊加压模拟爆破或液压油加压膨胀，这些手段与爆破的作用过程存在较大区别，导致物理模拟与实际爆破的相似性差距较大。另外，现有爆破替代手段如高压气体、静态破碎等是否适用于崩落体研究有待于进一步验证。因此，合适的替代爆破模拟手段是今后崩落体形态研究的关键问题。此外，由于回采方法的限制，崩落体现场实测研究进展较慢，一直无法实现崩落体的现场准确测定，如何实现这一目标仍是崩落体形态研究的难点。

3 崩落体形态对放矿效果的影响研究

3.1 研究现状

无底柱分段崩落法最显著的缺点是损失贫化大，围绕该方法开展研究的最终目的是降低矿石损失贫化。就该方法回采系统来说，放出体、松动体、崩落体3个单元体互相影响，其中，崩落体是影响放出体的关键。因此，研究崩落体形态对放矿的影响，对合理选择参数，降低损失贫化，改善放矿效果具有重要意义。

张国建等提出无底柱分段崩落法回采过程是一个整体，爆破作为影响放矿的重要因素，应将其与放矿联系起来研究放出体、松动体、崩落体三者之间的关系，使放出体与崩落体、残留体组成的矿堆相吻合，才能获得最佳的放矿效果［21，37］。王燕、李文增、何荣兴以残留体、崩落体总体边界与放出体上部形态相符为原则，分别对弓长岭铁矿、北河铁矿的崩落步距进行了优化［34～36］。李广辉［28］通过物理模拟实验，研究了不同崩落体形态对矿石损失贫化的影响，得出不同结构参数下的崩落体形态对矿石回收效果有显著影响。徐志强［38］采用理论分析和正交试验方法，展开崩落体几何形状、矿石块度配比和松散性对放矿影响的研究，得出崩落体几何形状是其中最主要的影响因素。由希［39］通过覆盖层以及崩落体内的散体块度分布实验，研究了两者块度不同时对矿石损失贫化的影响，提出覆盖层上小下大与崩落体上大下小的块度分布组合时回采指标最好。此外，崩落体陷落区的存在也是引起损失贫化的原因，吴晓宇［40］采用人工装填崩落体的方法开展了崩落体陷落区与矿石损失贫化关系的物理实验研究，得出了陷落区深度与矿石损失、贫化率的回归关系；翟会超［41］等通过散体移动规律方程，分析了崩落矿岩的沉实过程，推断了崩落体形态，指出废石的过早混入引起了矿石损失贫化。

3.2 研究方向

崩落体的形态，如几何形状、块度组成、崩落体陷落区等均对放矿效果产生重要影响。而在以往的研究中，侧重于对放矿理论的研究，缺乏将崩落体纳入回采系统的整体考虑。今后，在降低无底柱分段崩落法损失贫化研究中，应将回采过程看成一个有机整体，以整体最优为目标，加深对崩落体的研究，深入分析“三体”之间的关系，从而获得最佳的放矿效果。