冒落胶结充填体对崩落法矿石回收效果影响作用研究

2021-09-09谭宝会陶发玉钟立鹏张志贵陈星明

金属矿山 2021年8期

谭宝会陶发玉朱强钟立鹏张志贵陈星明

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳621010；2.金川集团股份有限公司龙首矿，甘肃金昌737100）

在废石散体覆盖层下进行采矿作业是无底柱分段崩落法的一大特点，这也是确保崩落法采矿作业安全性的必要条件［1］，但正是由于废石与矿石的大面积直接接触，为矿石的过度贫化和损失创造了可能性。为揭示覆盖层废石对崩落法矿石回收效果的影响作用，近年来国内外众多学者通过理论分析［2，3］、物理实验［4，5］、数值模拟［6-8］等手段对这一问题展开了深入研究。研究结果表明，在放矿过程中覆盖层废石的块度分布在空间上存在着自然分级的客观现象，而且当覆盖层废石块度小于矿石块度时，废石在移动过程中就容易穿过矿石缝隙超前到达出矿口，从而造成矿石提前贫化。由此可见，覆盖层废石块度对崩落法的矿石回收指标有着显著的影响作用。

以龙首矿西二采区下向分层胶结充填法转无底柱分段崩落法为工程背景，系统研究了冒落胶结充填体及扇形中深孔崩落矿石的块度分布规律，及其在放矿散体移动场中的二次破碎机理及特性，并提出了防止冒落胶结充填体过早破碎及提前混入矿石的控制方法，同时在现场开展了工程实践，取得了良好成效，可为类似矿山提供参考与指导。

1 工程背景

1.1 生产概况

金川龙首矿西二采区矿体赋存标高为1 058～1 671 m，走向北27°西，倾向南西，倾角70°～80°，厚度28～200 m，沿走向全长463 m，矿体及围岩均较破碎，矿区地压以水平构造应力为主。尽管矿石品位低，但矿石价值较高，因此矿山采用了下向水平分层进路式胶结充填法进行采矿，为扩大产能，实行双中段同时回采。截止2016年3月，上部中段已由1 642 m水平回采至1 613 m水平，形成了厚约30 m的胶结充填体；下部中段已由1 546 m水平回采至1 496 m水平，形成了约50 m厚的胶结充填体。由于近年来全球矿业经济不景气，矿产品价格持续走低，采用高成本的胶结充填法回采低品位矿石使得矿山濒临亏损。为了突破生产困境，矿山决定采用生产成本低、采矿效率高的无底柱分段崩落法替换现行的下向分层胶结充填法，并率先在上部中段进行工业试验。根据采矿条件，上部中段共布置4个回采分段，分别位于1 595 m、1 580 m、1 565 m及1 546 m水平。在无底柱分段崩落法正常回采前，先利用诱导冒落法形成覆盖层，即通过1 595 m首采分段的采矿在胶结充填体下形成大规模的连续采空区，诱导上部胶结充填体及顶板围岩冒落形成覆盖层。图1给出了矿山无底柱分段崩落法采场布置形式。

1.2 问题的提出

经现场取样测试，胶结充填体的抗拉强度仅为0.5 MPa，抗剪强度为2 MPa，抗压强度为4.8 MPa，可见其单体强度十分低，大约仅为矿岩体强度的1/10～1/20，同时由于充填沉缩、离析分层以及不完全接顶等因素的影响，胶结充填体内部还存在着复杂的裂隙和层理面，进一步降低了胶结充填体的强度。在以往的工程案例中，诱导冒落的对象大多是矿岩体，在预测冒落块度时有先例可以参考，而本次诱导冒落的对象是在材料组成、强度和结构等方面均与矿岩体有着较大差异的胶结充填体，因而在本次研究中需要率先探明以下两个问题：

（1）由于胶结充填体强度较小，若其在初始冒落时产生了大量尺寸过小的块体甚至直接冒落成粉，则小块胶结充填体就可能在放矿过程中快速穿过矿石缝隙率先到达出矿口，造成矿石提前贫化，甚至导致无底柱分段崩落法在矿山的应用失败。

（2）即便胶结充填体的初始冒落块度较为理想，但因其强度较小，若在放矿散体移动场中受外力作用而过早或过度发生破碎（破碎后的块度称之为次级块度），产生大量的小块或者粉末，也可能会造成矿石的提前贫化。

文献调研结果表明，以上问题几乎没有工程先例可以参考和借鉴，因此需要在工程实施前对胶结充填体的冒落块度及其在放矿过程中的二次破碎特性进行深入分析和研究，并制定相关的矿石贫化防治措施，确保无底柱分段崩落法在矿山的成功应用。

2 胶结充填体及矿石破碎性能对崩落法应用的影响

2.1 胶结充填体的初始冒落块度统计与分析

目前对于初始冒落块度组成的研究方法有筛分法、测量法、图像处理法、软件模拟法等。筛分和实际测量是最准确的研究方法，但操作起来相对复杂、成本较高，对生产的影响也较大［9］；图像处理法是通过采集有代表性的图片为样本，统计分析获得冒落块度数据，相对简单而且对生产影响小，所得数据也较为准确，但处理工作量大［10］；软件模拟主要是借助三维节理软件系统对原岩块度进行预测［11］，对冒落块度的测量和预测研究比较少。为了获得科学、可靠的数据，本次以矿山充填采场顶板胶结充填体因地压活动而发生冒落后的散块为研究对象，采用图像处理法对胶结充填体的初始冒落块度组成进行了研究。现场冒落的胶结充填体散块见图2所示。

为了使所采集的数据更具代表性，在充填采场选择了3处顶板胶结充填体发生冒落的地点采集图像并进行矢量化处理。最后根据图像矢量化处理结果测算出不同尺寸块体的占比，结果见表1所示。

通过现场实际观测和统计分析发现，胶结充填体在空场条件下自然冒落的块体呈不规则形态，且以大块（＞0.6 m）和中等块度（0.3～0.6 m）居多，占比达59%，次中块（0.3～0.1 m）占23%，小块（＜0.1 m）占18%。现场调查结果表明，虽然胶结充填体的强度要比矿岩体低，但其在发生自然冒落时并不会产生大量的粉状物，更不会全部冒落成粉。

2.2 冒落胶结充填体的次级块度组成研究

2.2.1 冒落胶结充填体在放矿散体移动场中的破碎机理及过程分析

在首采分段回采过程中，由于采空区顶板滞后回采工作面一段距离而发生冒落，因此冒落下来的胶结充填体基本不受本分段出矿影响而存留于采场之中，此时冒落胶结充填体的块度几乎不受放矿散体移动场影响，而后续冒落体挤压和中深孔爆破冲击的作用影响范围也不会很大，因而在这一阶段可认为冒落的胶结充填体保持初始块度不变。而当下部分段开始回采出矿时，冒落胶结充填体将随放矿而发生下移运动。冒落胶结充填体在移动过程中不仅受到块体之间的挤压、碰撞及研磨作用，还将受到放矿散体移动速度场中的剪切破坏作用，这是因为在放矿过程中，越靠近出矿口部位的散体移动速度越快，而离出矿口较远部位的散体移动速度较慢，因此在放矿散体移动速度场中不同部位的散体流动速度是不一致的，散体流速差异较大的界面上将产生剪切力，就可能使强度较小的胶结充填体发生剪切破坏，而且速度差越大，剪切力越大［12，13］，此外，越靠近出矿口流轴的散体移动速度越快，块体之间的碰撞挤压作用也更明显。因而，放矿截止时间越晚，胶结充填体就越靠近流速较快的放矿口部位，所受的各种破坏作用也就越明显。由于无底柱分段崩落法以步距为最小回采单元，在生产过程中步距放矿循环数量大，因此覆盖层胶结充填体将频繁受到放矿散体移动场中的各种破坏作用。图3给出了放矿过程中覆盖层胶结充填体的流动过程。

2.2.2 冒落胶结充填体二次破碎性能研究

（1）实验目的及意义。要研究冒落胶结充填体散块在放矿散体移动场中发生破碎后的块度变化规律，最可靠的办法就是在现场进行实地测量，但现场测量通常具有滞后性，当发现胶结充填体散块的二次破碎性能不理想时，已经造成不可逆转的损失。因此需要提前对冒落胶结充填块体的次级块度组成进行研究和预测。本次采用物理实验的手段来揭示冒落胶结充填体的二次破碎性能以及二次破碎后的块度组成，这对于掌握冒落胶结充填体是否会造成矿石提前贫化，以及可能造成的贫化程度具有重要意义，同时可根据实验结果提前制定矿石损失贫化控制方法。

（2）实验原理及过程。冒落胶结充填体散块在放矿过程中因受到周围块体的不断碰撞、挤压及研磨等作用而发生二次破碎，这种破碎作用与其在破碎机中受的挤压、研磨破碎作用基本类似，因而本次物理实验研究采用颚式破碎机对冒落胶结充填体进行机械破碎，以模拟冒落胶结充填体在放矿移动场中的破碎过程。实验前先从现场取样50 kg，通过人力对其粗破至能够放入破碎机，粗破后块体命名为实验样品1，然后利用颚式破碎机对实验样品1进行中破，中破的目标块度尺寸控制在4.5 cm左右，利用4组网格尺寸分别为4.5 cm×4.5 cm、3 cm×3 cm、1.5 cm×1.5 cm、0.5 cm×0.5 cm的格筛对中破后的样品进行筛选，再按照现场实测的块度比例进行级配，配好的胶结充填体样品块度与实际中初始冒落块度相似比为1∶20，称之为实验样品2。随后将实验样品2放入破碎机再次进行细破，目标块度控制在0.9 cm左右，细破后的目标块度与实际中胶结充填体的初始冒落块度相似比为1∶100，完成后利用4组网格规格分别为0.9 cm×0.9 cm、0.6 cm×0.6 cm、0.3 cm×0.3 cm、0.1 cm×0.1 cm的格筛对破碎料进行筛分分级，最后分别对每一级的物料进行称重并记录，实验步骤见图4所示。

图5展示了实验过程，为了确保实验数据科学、可靠，共进行了2次实验，分别命名为实验1和实验2，每次实验用料25 kg。在实验中重点观察胶结充填体散块在破碎过程中是否会产生大量的粉状物，并对破碎前后的样品块度变化规律做分析。

（3）实验结果。本次实验结果见表2所示。根据表2统计结果可知，与初始冒落块度组成相比，胶结充填体散块经过破碎机模拟的采场放矿破碎行为后，大块（＞0.6 cm）比例由29%降低为18.4%，减小10%，中块（0.3～0.6 cm）比例由30%变为30.1%，基本保持不变，次中块（0.1～0.3 cm）比例由23%变为26%，增加3%，小块（＜0.1 cm）比例由18%增加至25.5%，增长7.5%。实验结果表明，冒落胶结充填体散块在放矿过程中经过二次破碎后，大块比例将得到减小，中块和次中块的比例变化不明显，小块比例将得到一定程度的增加，但增幅不大，更不会全部变为小块或粉末。

2.3 扇形炮孔崩落矿石块度及其次级块度研究

由于金川矿区过去一直采用的是下向分层进路式胶结充填法，充填采场内采用浅孔落矿，其崩落矿石块度及块度组成与无底柱分段崩落法扇形中深孔崩落的矿石块度及块度组成有本质上的差异，故无法直接采用充填法浅孔崩落矿石块度参数作为崩落法扇形中深孔崩落矿石块度及块度组成的参考数据。为了更精确地预测西二采区无底柱分段崩落法扇形中深孔崩落的矿石块度及块度组成，此处通过采集若干类似矿山（即采矿方法相同、结构参数相近的矿山）扇形中深孔实际崩落的矿石块度组成情况，作为西二采区无底柱分段崩落法扇形炮孔崩落矿石块度组成的参考数据，相关统计结果见表3所示。

分析表3中3个无底柱分段崩落法生产矿山的实际崩落矿石块度及块度组成情况可以发现，扇形中深孔爆破崩落的矿石，超过0.6 m的大块占比十分微小（2.1%），即便是块度在0.3～0.6 m间的中等块度比例也很低（9.3%），而0.3 m以下的次中块及小块比例相对较高（88.6%），几乎占据了崩落矿石的绝大部分。而且需要强调的是，西二采区矿石松软破碎、节理裂隙发育，其强度和完整性均要远小于以上几座铁矿山矿体的强度和完整性，由此可以预测西二采区矿石在利用扇形中深孔崩落后的块度将更小。此外，由于冒落的胶结充填体位于崩落矿石上方，崩落矿石将会比冒落胶结充填体受到更频繁、更剧烈的爆破冲击作用以及放矿挤压破碎作用，因此崩落矿石的次级块度可能会更小。

根据以上分析可知，无底柱分段崩落法扇形炮孔崩落的矿石平均块度要远小于自然冒落的胶结充填体平均块度，甚至也小于在放矿散体移动场中经过二次破碎的胶结充填体块度。在此情况下，冒落的胶结充填体提前渗入到崩落矿石中造成贫化的可能性和比例将进一步降低。

3 防止冒落胶结充填体过早破碎及提前混入矿石的措施

3.1 爆破技术及管理措施

（1）减小崩落矿石块度。冒落胶结充填体是否会提前渗入矿石造成贫化，不仅取决于其自身的块度，还与崩落矿石的块度有关。只有当胶结充填体块度小于矿石块度时，在放矿过程中废石才有可能提前渗入矿石而造成贫化，而当胶结充填体块度大于矿石块度时，就不易混入矿石造成贫化，也就是说只要保持崩落矿石的块度小于冒落胶结充填体的块度就可以有效阻止废石提前混入矿石。因而，在实际生产中可以通过调控中深孔的爆破参数来控制崩落矿石的块度，利用炸药使矿石充分破碎，从而使崩落矿石的平均块度小于覆盖层冒落胶结充填体的平均块度。

（2）提高爆破质量。在无底柱分段崩落法生产过程中一旦发生悬顶、隔墙、推排以及大块堵漏等事故，将严重影响到矿石的流动性以及放出体的正常形态，从而可能导致覆盖层废石被提前放至出矿口。因此在实际生产中一旦发现有以上事故的出现，就应立即采取措施对其进行处理，防止因矿石流动不畅而引发覆盖层废石提前混入矿石。

3.2 放矿控制及管理措施

3.2.1 多分段组合式放矿

由于越靠近放矿口，矿岩散体所受的挤压、碰撞和剪切等破坏作用也就越剧烈，因而要防止冒落胶结充填体在放矿散体移动场中过早破碎成小块，就要尽可能地延缓胶结充填体到达放矿口的时间。基于这一思路，并结合矿山崩落法采场4个分段各自的生产需求设计出以下放矿方式：

（1）1 595 m分段。该分段的主要目的和任务并不是采矿，而是通过采矿形成连续采空区诱导顶板胶结充填体安全高效冒落形成覆盖层。根据相关经验公式［14］计算，要在矿山预防空区顶板冒落带来的气浪冲击危害，至少需要在首采分段空区底板预留7.5m厚的松散矿石作为安全缓冲垫层，此时出矿比例需要控制在崩矿量的45%以内，以确保出矿口始终处于封堵状态，因此首采分段属于总量控制出矿。

（2）1 580 m分段。由于矿区水平应力相对较大，对胶结充填体冒落有一定限制作用，因此无法完全排除首采分段结束后仍有局部地段（如9行勘探线附近矿体厚度最小部位）的顶板没有完全冒落下来的情况发生。因此从保证生产安全和延缓覆盖层废石到达出矿口时间的角度考虑，第二分段的崩落矿石也不全部放出，而是继续采用总量控制的方式进行出矿，同时考虑到产能需求，第二分段的出矿比例可增加至80%。

（3）1 565 m分段。在前2个分段回采结束后，基本可以保证其上部的胶结充填体及覆岩已经完全冒落，在采场中形成了预留崩落矿石+冒落胶结充填体+冒落覆岩的覆盖层。因此，第三分段可以视作正常条件下的矿石回收，其主要任务就是充分有效、高质量地回收矿石，同时避免放矿过程中覆盖层废石与矿石过度混杂，因而该分段采取低贫化放矿。由于第一、二分段通过总量控制放矿后在采场中留下了相当数量的崩落矿石隔离层，隔离层在放矿过程中可以有效阻隔覆盖层废石提前混入，这也为第三分段实施低贫化放矿创造了极大的便利。本分段在出矿时一旦发现废石正常到达出矿口，就可立即停止出矿，由于冒落胶结充填体与矿石的色差及密度差异明显，便于低贫化放矿管理。

（4）1 546 m分段。是矿山上部中段无底柱分段崩落法采场的最后一个回采分段，因而该分段是采场中矿石回收的最后机会，同时也不必再考虑冒落胶结充填体是否会过早破碎及过度混杂的问题，因此在该分段采用截止品位放矿方式，以实现矿石的充分回收。

由此，便在矿山上部中段无底柱分段崩落法采场构建了一种组合放矿方案，这种组合放矿方案可极大限度地延迟覆盖层胶结充填体达到放矿口的时间，避免覆盖层冒落胶结充填体在放矿散体移动场中发生过早破碎和过度矿岩混杂，有效减少矿石损失与贫化。

3.2.2 单分段多点位均衡出矿

在无底柱分段崩落法中，同一分段内通常会有多条进路在同时进行采矿，此时应尽可能地使这些进路按阶梯式均匀退采扩展采空区，同时在同一进路内，各步距严格按照比例进行出矿，出矿时铲运机在进路断面上按照左—中—右三点均衡出矿，避免出矿欠量或过量，从而使覆盖层均匀下沉，保持矿废界面的相对平整。

此外，由于放矿作业的特殊性和复杂性，在实际生产中也要不断提高技术人员及现场工人的专业素质及技能，做好出矿记录、管理及交接工作，加强现场管理及考核，确保现场工作按序开展。

4 工程实践

2019年5月底矿山在1 595 m水平9行勘探线以东施工了18条垂直矿体走向的回采进路，进路间距为15 m。为使顶板胶结充填体及时冒落，并保持具有平整的矿岩分界面，采取阶梯式退采模式均匀扩展采空区，1 595 m首采分段的初始回采位于4#～6#进路部位，这3条进路同时退采，然后逐步均匀扩展工作面，首采分段出矿比例严格控制在45%以内。1 595 m首采分段工程布置及回采顺序见图6所示。

1 595 m首采分段正排炮孔爆破后矿石块度见图7（a）所示，可以看出崩落的矿石以中小块为主，其尺寸大多在0.3～0.6 m之间，出矿过程中很少发现有大于0.6 m的矿石块体。在2019年8月15日矿山对5#进路的第25排和第26排炮孔同时装药爆破，爆破后按照2排炮孔崩矿量的45%进行出矿控制，在出矿至第75铲时有冒落的胶结充填块体被放出，这些被放出的胶结充填块体尺寸较大，最长边大多超过了0.6 m，有的块体最长边甚至超过了2 m，见图7（b）所示。由此可以证明，首采分段采空区顶板胶结充填体基本在没有人为控制的情况下安全地发生了冒落，表明回采范围内的覆盖层正在安全高效地形成，同时现场情况也再次说明，空场条件下胶结充填体自然冒落的块度的确要远大于崩落矿石的块度，矿—废块度组成达到理想预期。

西二采区在2020年1月结束了1 595 m首采分段的回采作业，并于2020年5月28日开始了第二分段1 580 m水平的回采工作，1 580 m水平初始回采面选择在5#～9#进路位置，按照扇形中深孔排面崩矿量的80%进行控制出矿。从现场情况来看，第二分段扇形炮孔崩落的矿石块度基本为0.3～0.6 m之间，见图8（a）所示，回采进路在出矿至炮排崩矿量的80%时矿堆上几乎没有出现冒落的胶结充填体。在个别进路中，由于前一排中深孔爆破后眉线被破坏导致后排炮孔被埋，在清理炮孔过程中使前一排出矿量达到了110%～130%，此时有个别冒落胶结充填体被放出，见图8（b）所示，可见在第二分段被放出的冒落胶结充填体仍然保持了较大的块度，很容易与矿石区分被挑拣出来。1 580 m第二分段的实际生产情况表明，冒落的胶结充填块体在经过2个分段的放矿作用后，仍能保持较大块体形态，这不仅打消人们担心胶结充填体会直接冒落成粉的疑虑，也说明冒落的胶结充填体在放矿散体移动场中并不会被过度粉碎，这为西二采区崩落法的矿石损失贫化控制创造了有利条件。