基于BCF软件的自然崩落法矿岩崩落块度预测研究

陈小伟， 刘育明， 葛启发， 范文录， 李 文(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

自然崩落法是一种可连续出矿的大规模地下采矿方法，主要适用于矿岩稳固性差、节理裂隙中等发育以上的低品位厚大矿体。和其他采矿方法相比，该方法回采矿体基本不需要凿岩爆破，在生产成本上是唯一能与露天开采相媲美的地下采矿方法[1-3]。由于该方法在拉底形成后若崩落效果差，要想改回到其他采矿方法，则难度较大，因此它是一种风险高、技术难度大的采矿方法。在设计前期开展详细的岩石力学工作并合理预测矿岩崩落块度对于自然崩落采矿可行性研究至关重要[4]。

自然崩落采矿中矿岩崩落块度主要受矿体内部原生节理裂隙、矿岩强度、放矿速率等因素决定，前人学者针对矿岩崩落块度预测已开展了大量工作。M. Pierce等采用数值模拟和经验相结合的耦合方法对自然崩落法矿山放矿块度尺寸分布进行了预测研究。李响等[5]基于实测节理面空间几何参数，采用蒙特卡罗方法对某大型镍矿Ⅲ矿区节理空间进行模拟，并采用三维矿岩块度预测软件MAKEBLOCK对其矿岩块度分布进行了预测和分析。陈江川等[6]对夜长坪钼矿自然崩落法块度进行了预测及控制技术研究。

为了分析普朗铜矿自然崩落采矿首采区北部和南部矿体的崩落块度，结合矿区开采技术条件以及前期首采区崩落块度实际情况，采用BCF软件分别对首采区以外的北部和南部矿体进行了崩落块度预测，为提升自然崩落采矿设计可靠性提供技术支撑。

2 普朗铜矿概况

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开采。一期工程设计开采3 720m水平以上的矿体，中段高度约85～295m，设计生产能力为1 250万t/a。考虑到矿山开采中段高、面积大，3 720m中段共分为3个区域进行分区回采，首采中部矿石品位较高的区域，然后再回采南部和北部采区。各区域分布如图1所示。

矿山已于2017年进行试生产，2018年已经完成出矿量约600万t，首采区共有N4～S9共计13条出矿穿脉，穿脉间距为30m。根据首采区内靠近南部和北部出矿穿脉内放矿点实际块度情况(如图2和图3所示)。可以看出，南部穿脉内出矿口的矿石块度小，几乎没有发生卡斗问题；而北部穿脉出矿口大块多，发生卡斗现象频繁。

图1 3 720m中段分区情况

图2 首采区靠近南侧S7穿脉内出矿块度

图3 首采区靠近北侧N3穿脉内出矿块度

3 BCF软件崩落块度预测

考虑到首采区回采完毕后，即将对北部和南部采区进行回采，提前对崩落块度进行合理预测将直接影响后续工程设计参数选取。BCF软件(Block Cave Fragmentation)是一款用于预测自然崩落法崩落块度的程序，它是一个集理论分析与经验规则为一体的专家系统，该系统用简化的技术确定原始块度，并用经验法则预测崩落块度和放出块度。BCF软件是目前自然崩落法块度预测中最常用的一款系统。该系统最先在南非的一家矿山进行了应用，经改进后用于南非Palabora矿山自然崩落法可行性研究。BCF软件界面如图4所示。

图4 BCF软件界面

g该软件包括以下三个主要模块。

第一个模块：根据岩石强度、节理产状、间距等统计数据和区域应力计算初始块度；主要输入参数包括岩石类型、岩石级别MRMR、完整岩石强度、节理裂隙频率、节理组数、节理倾角、节理间距等。

第二个模块：通过考虑块体的高宽比、块体强度、崩落压力、崩落过程中成拱作用产生的应力、出矿速率及出矿高度等计算出矿块度。

第三个模块：研究出矿块度在出矿漏斗产生卡斗的可能性。

4 崩落块度预测结果分析

1)初始块度预测

通过对南部和北部采区的岩石级别MRMR、完整岩石强度、节理裂隙频率、节理组数、节理倾角、节理间距等进行统计并输入软件，主要参数见表1。

表1 块度预测相关输入参数表

采用BCF软件对两个区域的崩落初级块度进行预测，结果如图5所示。

图5 南部和北部采区矿体初级块度预测结果

根据图5中计算结果可以看出：(1)南部矿体初级块度小于2m3的块度达到94.1%，平均块度为0.725m3，最大块度为3.16m3，大块率少。(2)北部矿体初级块度小于2m3的块度为65.19%，大块率较多，平均块度为1.27m3，最大块块度为6.29m3。北部矿体的初级块度大块率明显高于南部矿体。

2)次级块度预测

根据自然崩落法生产工艺可知，放矿次级块度会受到放矿高度的影响。在自然崩落法开采初期，放矿高度较小，在后期拉底逐步完成后放矿高度才能达到设计高度，因此为了解自然崩落法开采过程中的矿岩次级块度变化，在矿岩次级块度预测时，输入不同的放矿高度进行预测。南部矿体放矿高度从30m递增到150m，递增梯度为30m，如图6a所示。北部矿体放矿高度从40m递增到240m，递增梯度为40m，如图6b所示。不同放矿高度下的次级块度预测结果如图7和图8所示。

图6 南部和北部矿体次级块度预测结果

从图7中数据可知，南部矿体放矿高度达到设计高度150m时，南部矿体小于2m3的块度达到99.04%，平均块度为0.314m3，最大块度为2.11m3。从图8中数据可知，北部矿体刚开始放矿时，大块率高达35%，而当放矿高度达到设计高度240m时，北部矿体小于2m3的块度达到91.05%，平均块度为0.493m3，最大块度为4.23m3。

从南部和北部采区不同放矿高度时的次级块度分布结果可以看出，最终大块率都比初级块度预测时的大块率低。随着持续放矿高度的增加，大块率呈现逐渐降低趋势，且后期崩落块度逐渐趋于稳定。

图7 南部矿体不同放矿高度下的次级块度预测结果

图8 北部矿体不同放矿高度下的次级块度预测结果

5 结论

本文采用BCF软件对普朗铜矿北部和南部采区的崩落块度进行预测，并对不同放矿高度条件的崩落块度变化规律进行了研究分析，得出结论如下：

(1)根据预测结果，南部矿体崩落块度小，大块率少；北部矿体受矿岩完整性好影响，崩落块度较大，生产期间发生卡斗、悬顶等问题概率大。建议进一步对北部矿体补充工程地质工作，必要时开展水压致裂矿岩预处理，降低崩落矿岩大块率。

(2)随着放矿高度的增加，矿石块体在放矿过程中不断受到挤压和摩擦作用，矿岩崩落块度逐渐降低。因此，在矿山生产前期可能会出现较大比例的大块，后期随着持续放矿崩落块度大块率将逐渐降低并趋于稳定在较低水平。