齐大山铁矿自然崩落法开采的可行性及方案研究

柴青平，张宝金，张振江，白俭，楚长青，荆洪迪，王子介

(1.鞍钢集团矿业有限公司， 辽宁 鞍山市 114051；2.中国科学院 沈阳自动化研究所， 辽宁 沈阳 110169)

0 引言

自然崩落法是一种不依赖传统凿岩爆破的大规模采矿方法，其主要依靠拉底工程诱使矿岩中的应力发生变化，使得矿岩中的结构面扩展形成贯通的裂隙网，并在自重作用下发生自然垮落。它在开采低品位破碎矿体时能够充分回采资源，具有十分明显和独特的优势[1-12]。

自然崩落法的矿石冒落机理如图1所示，在可崩性良好的矿岩中，采区大面积拉底后，破坏了原矿体的应力平衡，引起应力重新分布形成新的平衡拱，拱内的矿石在重力作用下不断脱落。

图1 自然崩落法矿石冒落机理

应用自然崩落法采矿的现有矿山主要是有色金属矿山（见表1），该类型矿山的特点是矿体裂隙较为发育，但上下盘围岩稳固，矿体的可崩性较好，适合使用自然崩落法进行开采，如铜矿峪铜矿和普朗铜矿都已成功采用自然崩落法开采矿石[6-12]。

表1 采用自然崩落法开采的主要矿山

对于矿体稳固而上下盘围岩不稳固的矿床，自然崩落法并不适用。因为不稳固的围岩无法为采场提供必要的支撑，且坚硬的矿体无法实现自然崩落。

通过以上分析和实际案例可知，自然崩落法的使用条件为：矿体不稳固，而上下盘围岩稳固，最理想的条件是矿体为中等坚硬且具有密集的节理和裂隙，当拉底到一定面积之后能自然崩落成大小适中的矿石。矿体厚度应足够大，一般不小于20～30 m，矿石价值不高，地表允许崩落。

为了使黑色金属矿适用自然崩落法的使用条件，必须降低矿体的坚固性系数，改变矿体的岩石力学性质，以实现大规模自然崩落法开采。基于此，岩体人工致裂技术逐渐成为研究的热点。例如由鞍钢矿业和中国恩菲工程技术有限公司合作，采用水压致裂技术对眼前山铁矿开展的水压致裂矿岩预处理试验，为自然崩落法在铁矿山的应用提供了技术支撑[3-6]。

1 齐大山矿自然崩落法开采的可行性研究

1.1 齐大山铁矿工程背景

齐大山铁矿为采、选一体的冶金矿山，目前采用露天开采，年设计生产能力为采剥总量5100万t，原矿处理量1440万t，铁精矿480万t，精矿品位达到67.5%以上。该矿自从1914年开始开采，至今已达百余年，目前矿坑深度已达250余米，继续采用露天开采将不得不提高剥采比，这将直接影响矿山的经济效益。且随着开挖深度的增加，露天矿的边坡问题也逐渐凸显。因此，由露天开采转为地下开采是矿山未来发展的必经之路，而自然崩落法因其独特的优势可作为矿山地下开采的备选方案之一。

齐大山铁矿矿区水文地质条件较简单，但由于大规模露天采坑的存在，以及采坑上游一些小河沟汇水，未来坑内开采的防水工作是影响矿山安全的重要因素之一。早期坑内开采期间有较大的涌水量，说明矿体局部裂隙相对较发育。

矿体走向长度很大，因断层切割，沿矿体走向工程地质条件差异很大。从矿体完整性来看，1260线以北（深部1680线以北）和3850线以南矿体被断层切割更强，构造活动的影响更明显。低品位矿石和夹石面理更发育，岩石抗压强度也相对较低，可能构成构造弱带。从工程地质条件看，1260线以北（深部1680线以北）和3850线以南矿段相对更适用自然崩落法开采。

1.2 齐大山铁矿矿岩可崩性初步评价

1.2.1 矿岩工程质量评价

铁矿床属于整体结构或大块状结构，坚硬程度属较坚硬至坚硬，岩石质量多为好到极好；千枚岩、绿泥片岩、绿泥石英片岩等岩层则属于厚层状结构，总体上致密坚硬，岩石质量变化相对简单，但局部因断裂等因素而破碎，岩石质量较差。

通过对补勘的18个钻孔进行RQD统计，结果为绝大多数钻孔岩石质量为中等至极好，岩体为中等完整至完整。RQD值最小为 85%，大部分为90%～100%。

深部扩界补充勘探表明，最高的磁铁赤铁矿天然抗压强度为101 MPa，赤铁磁铁矿天然抗压强度为78.8 MPa，这与钻孔岩芯的状态不太吻合，对比同区域西鞍山铁矿的岩石物理力学参数试验结果也偏低，因此还需进一步试验验证。

1.2.2 可崩性主要影响因素分析

研究对象主要为 I号矿体，矿体走向长度为4900 m，水平厚度为36.3～267.6 m，平均为146.88 m，厚度变化系数为41.52%。产状稳定，走向和倾向上表现为舒缓波状，走向为305°～335°，地表倾向南西，深部倾角陡立呈70°～90°，局部有倒转现象。从矿体形态与产状看，除了60线至F3-3矿段（约660线）之间的矿体厚度较小之外，其他区段的矿体无论厚度还是倾角都适合采用自然崩落法开采。

齐大山铁矿边坡稳定性研究表明，矿体北部（F3-5断层以北）矿体完整性较差，南部较好，现场踏勘情况也证实了这种情况。因此初步判断，矿体北部可崩性较好，南部相对较差。

1.3 可崩性及崩落块度预测

初步估计矿体的RMR值应在61～80之间，属于Ⅱ级岩体，可崩性属可崩，但难度大，且大块产出率会比较高。断层破碎带附近矿体可崩性中等。

根据储量核实报告中的钻孔 RQD值的统计分析，1680线以南矿体崩落难度较大。由于1680线以北北端矿体的勘探时间较早，矿体工程地质资料较少，从工程地质平面图上看，构造比较发育，其可崩性比 1680线以南矿体好，应针对此区矿体布置一些工程，对矿体内的断层及节理构造进行统计分析，以确定其可崩性。

通过与普朗铜矿、铜矿峪铜矿的矿岩条件进行对比，初步预估齐大山铁矿中、南端采用自然崩落法的大块率（大于1.2 m的矿块）应在25%～45%之间，大块产出率比较高；北端矿体的大块率可能在15%～30%之间。在应用自然崩落法的前期研究阶段应重点研究减少大块产出率的方法及措施。

2 自然崩落法创新技术方案

2.1 自然崩落法初步方案

首采区选择在1680线附近，以1680线为界把矿体分为南北两部分进行开采，南部的拉底顺序为从北向南，北部的拉底顺序为从南向北，初步安排两个区同时开始向两侧拉底。从目前来看，齐大山铁矿需要采用人工致裂辅助崩落，其中 1680线以南的矿体尤为必要，一方面是增加矿体的可崩性，另一方面是降低崩落大块产出率。

2.2 人工致裂辅助落矿方案

为了使齐大山铁矿适于使用自然崩落法，需要使用必要的矿岩预处理技术对矿体进行人工致裂，使其产生致密裂隙实现矿体的自然崩落，具体采用的人工致裂技术可以是高压水致裂或高压气体致裂，具体方案的实施过程如图2所示。

图2 自然崩落法人工致裂辅助崩落方案

通过在采场的适当位置打一定数量的水平或扇形钻孔，然后使用高压水、高压气体以及水气耦合等方式对矿体进行人工预裂，降低矿岩的坚固性系数，从而改变矿体的可崩性，使矿岩能实现自然崩落。同时，利用微震、超声波、钻孔摄像、多点位移计以及测斜仪等仪器技术对采场人工预裂区域进行系统监测，获得裂隙的分布与延伸范围，确定人工预裂效果是否达到自然崩落的最优条件，若符合自然崩落的最优条件，则进行开采，若不符合最优崩落条件，则根据获得的裂隙分布情况确定新一轮钻孔的位置和数量，继续进行高压致裂，直至达到最优崩落条件。

3 结论

为了使齐大山铁矿实现从露天向地下开采的转变，需要寻找合适的采矿方法并设计合适的开采方案。通过对齐大山铁矿现场调查和研究，发现人工致裂辅助的自然崩落法是一个可行的方案。为此，本文从自然崩落法的机理、自然崩落法的应用现状、齐大山铁矿矿岩可崩性评价、崩落块度预测以及人工致裂辅助崩落方案设计等方面进行了论述，以期为现场实际提供可行方案，同时也为其他相似条件矿山提供借鉴。