某金矿无底柱分段崩落法无岩覆盖层形成及低贫化放矿方案数值分析

罗才严汪 朝

（1.陕西凤县四方金矿有限公司；2.西安建筑科技大学资源工程学院）

无底柱分段崩落法因其高效率、低成本、结构工艺简单、回采作业安全、生产能力大等优点，在国内外金属矿山得以广泛应用［1］。近年来，高分段、大结构已然成为该方法的主流发展趋之一，进一步加大了其推广和应用前景［2-5］。然而，该方法所伴随的覆盖层形成问题和高贫化问题限制着其发展。其中，覆盖层形成问题尤其体现在硬岩顶板矿山，增大了矿山生产工程量和开采成本；而高贫化问题主要是因为崩落法在松散岩石覆盖层下进行出矿，并且大都采用截止品位控制放矿。

针对无底柱分段崩落法所在的2点突出问题，国内外学者广泛开展理论和试验研究，其中具有代表性的是无岩覆盖层开采理论［6-7］和低贫化放矿理论［8-9］。这2种理论及其有效组合不但提高了矿石出矿品位，减少了废石混入，而且节省了强制放顶费用，保障了矿山快速投产与达产，为矿山创造了较好的直接经济效益，在国内许多矿山尤其是硬岩顶板矿山得以广泛应用。

陕西某金矿属于急倾斜厚大矿体，采区工程地质岩组以半坚硬围岩—坚硬岩石为主，设计采用无底柱分段崩落法开采。该矿属于典型的硬岩顶板矿山，强制放顶较大程度上影响矿山生产进度和经济效益。同时，矿山现行放矿方案为截止品位放矿，迫切需求新的放矿方案降低矿石损失贫化。为解决矿山覆盖层形成难题和高贫化问题，需要对覆盖层形成和低贫化放矿方案进行设计，并利用数值模拟对方案作为验证和优化。

1 覆盖层形成方案

无岩覆盖层开采技术是指在无底柱分段崩落法开采过程中不专门开展强制放顶，而是依靠岩石的自然冒落形成所需要的覆盖层。为此，首先对矿山开展岩体工程质量评价工作，同时依据分析结果开展矿体可崩性评价和工程跨度计算分析，以此判别硬岩顶板冒落时的所需条件，最后进行矿山中段回采规划，制定矿山覆盖层形成方案。

1.1 岩体质量评价

开展岩体质量评价工作的目的在于确定矿区岩体极限暴露面积，为无底柱分段崩落法覆盖层形成方案设计提供参考。调查结果分析显示，矿区有2组节理发育，其产状分别为35°∠75°、308°∠80°。根据岩石判断准则，采用RMR、MRMR等方法进行岩体质量及可崩性评价，综合得出岩体稳固性较好，可崩性较差，同时结合工程跨度分析计算，确定采区岩体极限暴露面积范围为30～1 169.64 m2。

1.2 覆盖层形成方案

基于无岩覆盖层开采理论，结合矿区岩体质量评价，确定覆盖层形成方案如下。

（1）尽快回收1 340，1 390 m中段残留矿柱，未能回收矿体采用中深孔爆破回采，扩大矿岩暴露面积，诱导其塌落。

（2）1 290 m中段回采时，第2、3分层崩落矿体先作覆盖层；第1分层及以下中段矿体崩落后正常出矿。

（3）随着下部矿体回采，上部空区面积逐渐增大，当超过岩体极限暴露面积时，发生自然塌落，当1 340 m中段上部矿岩发生大面积崩落且覆盖层厚度达到2倍分段高度时，可将1 290 m中段2分层、3分层矿石放出。

（4）若顶板暴露面积过大仍未发生塌落，可适当采用爆破诱导冒落。

2 崩落法放矿方案

低贫化放矿是综合考察多个分层的矿石回收情况，上部分层残留矿石可减轻岩石混入并兼顾覆盖层功能。本次放矿管理主要针对1 240 m水平以下中段进路出矿，通过设计多组第1、2分层放矿贫化率和放矿截止品位，同时保持第3分层的放矿贫化率和放矿截止品位不变，拟定8种放矿方法（表1），其中包含现行截止品位放矿方案和无贫化放矿方案。

注：“—”表示按照矿山截止品位出矿。

3 覆盖层形成方案数值分析

3.1 数值模型建立

仿真计算软件选择二维有限元分析软件Phase2。鉴于计算研究范围内矿岩均属弹塑性介质，本构模型可选用摩尔-库伦破坏准则。

依据覆盖层形成方案，主要模拟分析1 290，1 340，1 390 m中段回采后顶板的稳定性。同时，结合矿区矿体赋存环境，参考各中段平面图、勘探线剖面图及投影图，确立模型及采区范围（图1）。整个模型尺寸为1 650 m×500 m（长×高）；1 290 m中段回采54A～80线，长度为470 m；1 340 m中段回采59A～79A线，长度为344 m；1 390 m中段回采59A～74A线，长度为264 m。

模型的矿岩力学参数、初始应力场及边界条件均根据矿山实际情况选取，考虑篇幅影响，不作详细阐述。

3.2 顶板稳定性数值模拟与分析

依据矿山实际开采过程，模拟过程分8个步骤完成，分别模拟各阶段回采作业，详细过程见表2。

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3.2.1 应力分析

初始应力平衡后，模型最大主应力为0～21.6 MPa；最小主应力为0～6 MPa，如图2所示。

1 390 m中段59A～69线矿体回采后，顶板开始出现应力集中，σ1最大值达10.45 MPa，σ3最小值呈现负值（-2.8 MPa），预示顶板开始出现拉应力；1 340 m中段59A～68线矿体回采后，空区周围应力进一步发生变化，上覆岩层荷载往采场四周积聚，最大值达19 MPa，顶底板的最大主应力值都较小。同时，采场顶底板承受张拉荷载强度进一步增大（极值为-3.6 MPa）。

随着stage4～stage8对应各中段矿体的依次回采，最大主应力逐渐增高，最大值达34 MPa；最小主应力极值从-3.6 MPa变化至-6 MPa（图3），且运算至stage 5时，拉应力极值（-4.8 MPa）超出岩体的抗拉屈服强度（-4.4 MPa），采场顶板将出现片帮、垮塌等现象，且结合采场拉、压应力极值变化趋势（图4、图5）分析易知，随着后续矿体回采，采场顶底板片帮、垮塌趋势逐渐加快。

3.2.2 位移分析

待模型完成初始平衡并进行位移“清零”后，便可逐一完成各步骤的回采模拟，记录分析各步骤位移变化情况如图6所示。

顶板沉降位移记录结果显示，伴随各阶段矿体回采，采场上覆岩层失去矿岩支撑，顶板沉降变形在上覆岩层荷载作用下持续增大。从沉降位移极值变化曲线来看（图7），顶板沉降位移整体呈逐步增大趋势，但其增长速率与顶板暴露面积增长速率呈正相关分布，例如，1 390 m中段59A～69线矿体回采时，顶板暴露面积变化最大，对应顶板沉降位移极值增长量达30 cm，后续各中段矿体依次回采后，顶板暴露面积增长幅度均小于stage2，因而顶板沉降位移增长幅度同样变缓。从数值上看，顶板沉降变形量持续增大，最大值达到52.5 cm，同时在拉应力荷载作用下，顶板发生自然塌落。

综合上述应力、位移分析结果可知，1 340，1 390 m中段残留矿柱完成回收作业后，采空区顶板开始出现片帮、垮塌等现象，表明硬岩顶板开始自然崩落。1 290 m中段第2、3分层凿岩爆破后未放出奇石可作为有效矿石覆盖层，后续可利用顶板冒落及厚度监测系统，对已冒落岩石及覆盖层厚度进行准确把握，进而指导第1～3分层的出矿计划及管理。因此，模拟分析结果验证了覆盖层形成方案可行。

4 崩落法放矿方案数值分析

4.1 放矿数值模型建立

放矿数值模拟采用PFC2D软件，选取某一放矿工作面的垂直剖面建立放矿模型，如图8所示。模型共5个分段，宽121 m，高83.5 m，废石覆盖层厚度为33.4 m。采矿结构参数为16.7 m×22 m（分段高度×近路间距），进路尺寸为3 m×3 m，边孔角为55°，模型侧面、底面边界固定。

鉴于模型尺寸较大，若一次性生成全部模型，计算量过大，故采用分段建模与分段放矿方式，详细流程参考文献［10］。

4.2 低贫化放矿数值分析

崩落法放矿过程中，若单方面追求高回收率，往往会伴随高贫化率。工程实际中为了反映综合放矿效果，采用回贫差作为综合放矿指标。

根据拟定8种放矿方案（表1），逐一对放矿过程进行仿真模拟，并对各方案放矿结果进行数据处理，结果如图9、图10所示。

从曲线图中可以得出以下几点：

（1）矿石回收率、贫化率均受分段位置、放矿方案影响，具体表现：以放矿方案为单一变量时，各分段矿石回收率、贫化率均呈变幅波状变化；以分段为单一变量时，各方案下矿石回收率、贫化率整体趋势排序均为第1分段＜第2分段＜第3分段。经分析可知，矿石回收率、贫化率呈现前述变化主要受截止品位影响，因各方案之间截止品位存在差异（第1、2分段截止品位较高，第3分段截止品位为入选品位），导致第3分段回收矿量超过其本身爆破矿量，同时加大了废石混入。

（2）从整体趋势来看，第2、3分段的回贫差值相似，均在90.0%左右，而第1分段回贫差明显小于第2、3分段。同时，依据各方案综合回贫差曲线可知，8组放矿方案综合回贫差排序为方案7＜方案3＜方案5＜方案6＜方案2=方案4＜方案8＜方案1，其中，方案1综合回贫差最大（79.8%），放矿效果最好，方案7综合回贫差最小（72.2%），放矿效果最差。

综上所述，根据回贫差越大，方案越优的原则，方案1为最佳低贫化放矿方案，即第1分段放矿的截止品位为1.79 g/t，第2分段为1.79 g/t，第3分段为1.00 g/t。

5 结语

（1）基于无岩覆盖层开采理论及矿区岩体工程质量评价结果，提出了适合矿区的“矿石+岩石”组合覆盖层形成技术方案。经数值模拟验证，1 340，1 390 m中段残留矿柱回采完成后，硬岩顶板开始自然崩落，1 290 m上部2个分层矿石暂留于空区，下分层可在“矿石+岩石”组成的覆盖层下继续开采，同时给予岩石顶板充足冒落时间。

（2）低贫化放矿工艺是解决无底柱分段崩落法放矿贫损问题的有效途径之一，研究依据低贫化放矿理论制定8组3个分层综合控贫损放矿技术方案，并借助现代数值计算软件PFC2D模拟分析各方案出矿贫损情况，优选出最佳方案，即第1、2、3分段放矿的截止品位分别控制为1.79，1.79，1.00 g/t。

（3）本次研究着重于解决无底柱分段崩落法的覆盖层形成和高贫损问题，研究成果可经由现场工业试验进一步细化和完善，以期为国内外同类型矿山企业提供一定的理论依据和工程实例借鉴。