眼前山铁矿矿岩崩落块度预测研究

李 光, 刘育明, 范文录, 范立鹏, 陈小伟, 陈晓云, 解治宇, 顾秀华

(1.鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司, 辽宁 鞍山 114001； 2.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；3.鞍钢集团矿业有限公司, 辽宁 鞍山 114001)

1 前言

眼前山主要矿体呈厚层状产出，控制矿体走向延长1 686m，倾向延伸105～895m，平均延伸629m，水平厚度28～225m，平均115m。中、西矿段位于Fm-1断裂以西部分，其倾向为NE，倾角70°～85°。中、西矿段矿层厚，较为稳定，且矿体近直立成块状。在Fm-1断裂以东矿体倾向SW，倾角74°～86°，局部矿体直立。矿体产状稳定，矿区构造复杂程度简单，断层断距不大，矿体连续性较好，对矿体稳定程度无影响。根据眼前山铁矿体的矿体形态与产状特征，设计采用自然崩落法开采。

自然崩落法的生产总体上是否成功和盈利很大程度上取决于矿体在崩落过程中岩块的块度。块度对设计和工艺参数的影响通常包括放矿点的尺寸和间距、设备的选择、放矿速度和生产成本等，因此崩落块度预测成为自然崩落法研究过程中尤为重要的一环[1]。

2 块度预测方法

矿石块度预测是以岩体构造调查结果为基础进行统计分析，再结合地应力、矿岩强度、节理力学性质等影响因素建立块度模型，从而计算出矿石块度组成。预测矿石块度的方法可分为间接法、图像法和节理网络模拟法[2-3]。

2.1 间接法

间接法是根据岩体特性参数对崩落矿石块度进行定性评价的一种方法，是一种比较接近经验的预测手段。比如根据岩石RQD值的大小，将岩石分为五类，RQD值越大，岩石稳固性越好，可崩性越差，块度越大。其他还有RMR岩体分级法、MRMR法等[4-5]。

2.2 图像法

随着计算机技术及图像处理技术的发展，从20世纪80年代末开始，图像分析法逐渐被用来评价矿岩块度的分布。其基本思想是对矿堆图像分割后得到矿岩块体在摄影平面上的二维投影轮廓，然后通过一定的重构技术，实现由二维向三维扩展，获得三维块体的块度分布。图像法的缺点是对于同一矿岩块体样本集合，不同形状假设所得到的块度分布有很大的差异，且都与块度的真实分布有一定的偏差。

2.3 节理网络模拟法

节理网络模拟法就是一种根据节理空间展布状态及节理面条件的统计分析结果，采用Monte Carlo模拟技术模拟节理面对岩体的切割情况，并利用有关崩落和放矿过程的力学知识，预测崩落矿石块度的分布[6-7]。BCF(Block Cave Fragmentation)系统由Dr D H Laubscher在与A R Guest和P J Bartlett的合作中提出[8-9]，该系统用简化的技术来确定原始块度，并用经验法则来预测崩落块度和放出块度。该系统首先在南非的一家矿山进行了应用，后来又进行了改进，并用于Palabora矿山自然崩落法可行性研究。BCF是目前在自然崩落法块度预测中用的最多的一套系统。

BCF系统对矿岩块度预测包括2个阶段：

(1)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。

(2)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、出矿速率及崩落高度等计算出矿块度。

3 眼前山铁矿矿岩块度预测

根据眼前山铁矿不同区域矿体可崩性评价结果可知，东部矿体由于节理裂隙不发育，可崩性最差，而中部矿体可崩性较好，西部矿体的节理裂隙发育，可崩性最好。因此，采用BCF系统分别对东部矿体、中部矿体和西部矿体崩落块度进行预测。

3.1 初始块度预测

根据眼前山铁矿现场结构面调查成果，不同区域矿体的结构面特征总结如下。

1) 东部矿体

主要有3组优势节理面，但节理都不发育，尤其是缓倾角节理非常少，产状为：

① 第一组：产状22°∠76°，节理密度为0.88条/m；

② 第二组：产状125°∠81°，节理密度为0.67条/m；

③ 第三组：产状274°∠33°，节理密度为0.56条/m。

2) 中部矿体

中部矿体主要发育有3组优势节理面，其产状基本与东部矿体相近，产状为：

① 第一组：产状18°∠73.5°，节理密度为1.2条/m；

② 第二组：产状113°∠80°，节理密度为1.8条/m；

③ 第三组：产状253°∠27°，节理密度为0.62条/m。

3) 西部矿体

西部矿体存在三组优势节理面，三组节理都较发育，产状为：

① 第一组：产状24°∠75°，节理密度约为2.5条/m；

② 第二组：产状110°∠79°，节理密度约为2.0条/m。

③ 第三组：产状248°∠32°，节理密度约为1.6条/m。

BCF系统初始块度预测需要输入的主要参数为以上各节理组信息，具体如图1所示。

将以上三个区域矿体分别输入BCF系统中进行预测，所得矿岩初始块度结果如图2所示。

根据计算结果可以看出，东部矿体小于2m3的块度只有6.95%，大块率很高，平均块度为3.86m3，最大块块度为17.05 m3；中部矿体小于2m3的块度为69%，大块率较高，平均块度为1.25m3，最大块块度为4.94 m3；西部矿体小于2m3的块度达到91.5%，平均块度为0.658m3，最大块块度为3.92m3，整体大块率低。

图1 输入参数截图

图2 初始块度预测寄托

3.2 出矿块度预测

出矿块度预测需输入自然崩落法开采下最大崩落高度，放矿高度，放矿速度等相关参数，将以上参数输入BCF系统中后，再调入各区域矿体初始块度结果后运行计算出各区域矿体的出矿块度结果，如图3所示为各区域矿体出矿块度预测结果。

图3 出矿块度预测结果

从出矿块度预测结果可以看出，东部矿体小于2m3的块度仅为37.8%，平均块度为2.66m3，最大块度为16.53m3，大块率非常高；中部矿体小于2m3的块度为86.54%，平均块度为0.717m3，最大块度为4.03m3；西部矿体小于2m3的块度达到98.3%，平均块度为0.281m3，最大块度为3.06m3。

4 结论

(1)眼前山铁矿初始块度预测结果：东部矿体小于2m3的块度只有6.95%，大块率很高；中部矿体小于2m3的块度为69%，大块率较高；西部矿体小于2m3的块度达到91.5%，整体大块率低。

(2)眼前山铁矿出矿块度预测结果：东部矿体小于2m3的块度仅为37.8%，大块率高；中部矿体小于2m3的块度为86.54%；西部矿体小于2m3的块度达到98.3%，平均块度为0.281m3，最大块度为3.06m3。

(3)根据预测结果，中部矿体和西部矿体的出矿块度在正常崩落块度范围，但中部矿体大块率仍较高，建议辅助一定的人工预裂措施后再进行自然崩落；西部矿体自然崩落矿岩块度很好，大块率低，采用自然崩落法开采适宜；东部矿体由于节理裂隙不发育，矿岩完整性非常好，若采用自然崩落法开采，大块率非常高，采用自然崩落法开采时必须采取措施预先改变矿体的崩落条件。

(4)从块度预测结果发现，各区域矿体矿岩的块度预测结果与其可崩性呈现良好的对应关系，可

崩性好的矿体，其矿岩块度大块率低；反之，大块率高，这说明BCF系统可以较为准确地进行矿岩块度预测，可靠性高。