无底柱分段崩落法现状及发展趋势

郭 雷，熊靓辉

（1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.青海西部资源有限公司，北京 100012）

无底柱分段崩落法现状及发展趋势

郭 雷1，熊靓辉2

（1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.青海西部资源有限公司，北京 100012）

介绍了国内外无底柱分段崩落采矿法应用和研究的现状，并进行了分析和评述，指出了无底柱分段崩落法应用和研究的发展趋势。

无底柱分段崩落；分段高度；进路间距；放矿理论

1 前言

无底柱分段崩落法开采具有机械化程度高、开采强度大、作业效率高、采矿成本相对较低和生产安全等优点[1～2]。我国于60年代初从瑞典引进无底柱分段崩落法[3～4]，由于其显著的优点，在金属矿山获得迅速推广，特别是在铁矿山的应用更为广泛，目前应用无底柱分段崩落采矿法采出的铁矿石量约占总量的70%左右[5]。现在，我国许多露采金属矿山将转入地下开采，如唐山首钢马兰庄铁矿和大石河铁矿孟家沟采区露天开采即将结束，其深部资源将采用地下开采，设计的主要采矿方法均为大间距高分段的无底柱分段崩落法。随着开采向地下深部的延伸，该采矿法将得到更进一步的应用。所以，有必要对无底柱分段崩落法的应用和研究状况及发展趋势作进一步的探讨。

2 无底柱分段崩落法的应用状况

2.1 国外无底柱分段崩落法的应用情况[6～7]

无底柱分段崩落采矿法的典型方案最早在瑞典Kiruma铁矿山使用。早在1954年，瑞典使用这种方法的矿山就占20%，以后逐年增加，到了60年代初期，使用这种方法的矿山增长到60%。自80年代起瑞典的矿山又开始了加大结构参数应用，最典型的如瑞典基鲁纳铁矿，其分段高度×进路间距由10m×10m→12m×11m→12m×16.5m→20m×22.5m→27m×25m，直到目前的30m×30m；马姆贝格特矿结构参数由原来15m×15m改为20m×22.5m，并采用全液压凿岩台车和重型液压凿岩机，出矿采用大斗容铲运机（6m3铲运机）。

加拿大克莱蒙（Craigmont）铜矿，最先用露天开采，1965年开始应用无底柱分段崩落采矿法进行地下开采。加拿大另一家铜矿格兰杜克（Grauduc）铜矿也采用该采矿方法。澳大利亚芒特—艾萨（Mount-Isa）铜矿、赞比亚穆富利拉（Mufulira）铜矿、扎伊尔喀漠托（Kamoto）铜矿及前苏联某些矿山都曾经或正在应用无底柱分段崩落采矿法进行采矿。

2.2 国内无底柱分段崩落法的应用情况

在国内地下矿山中，自无底柱分段崩落采矿法引进以来，其结构参数分段高度×进路间距由最初的10m×10m逐步加大，如后和睦山铁矿为12m×15m[8]、小官庄铁矿为15m×15m[9]、眼前山铁矿地下开采为15m×15m[10]、北洺河铁矿为15m×18m[11]、梅山铁矿已经达到了15m×20m[12]、大红山铁矿设计采用20m×20m等。中国恩菲参与设计的程潮铁矿，分段高度×进路间距最初为10m×10m，后来改为12m×10m、12m×14m，目前最大为17.5m×15m；金山店铁矿最初为14m×10m，在改扩建工程中为14m×16m；马兰庄铁矿地下开采设计采用18m×20m。

相应地其出矿设备铲运机也由开始时的1.5m3、2.0m3逐步走向大型化。程潮铁矿、金山店铁矿目前正在使用4m3进口铲运机，梅山铁矿、北洺河铁矿等部分矿山也在使用4m3及6m3铲运机。

随着矿山参数的加大及矿山维护技术的提高，在凿岩方面，进口凿岩设备（例如Boomer系列、Simba系列）已经在多家矿山应用；在支护方面，部分矿山也开始使用进口的锚杆台车。先进的凿岩和支护设备的应用取得了很好的效果，为结构参数的进一步加大提供了可能。

2.3 无底柱分段崩落法应用和发展的原因

无底柱分段崩落法在国内外金属矿山得到了广泛的应用，分析其原因，主要有：采矿方法结构简单，不需要留矿柱；易于适应矿体的变化，可以对不同品位和带有夹石的矿体进行选别回采，灵活性大；回采工艺简单，便于使用高效的凿岩、装运设备，实现了机械化，提高了采矿强度和效率；无需大的回采工作面，在巷道中作业安全；劳动生产率较高，矿块生产能力大等。

无底柱分段崩落采矿法的发展，主要体现在其采场结构参数方面的变化，如分段高度、进路间距以及进路的断面等都在逐步朝着大参数改变。相比于国外无底柱分段崩落采矿法采场结构参数，国内的采场结构参数还比较小，还有较大的发展空间。采场参数不断增大主要得益于凿岩设备的不断发展和改进、出矿设备的加大和出矿能力的增加。今后，随着凿岩和出矿设备的发展，无底柱分段崩落采矿法采场结构参数会更大，该采矿法也会得到更大发展。

3 无底柱分段崩落法的研究状况

无底柱分段崩落法是在松散岩层的覆盖条件下进行回采工作的，损失贫化大是该方法存在的主要问题之一。为了改进无底柱分段崩落法的开采效果，降低矿石损失贫化大这一难题，国内外采矿专家、学者和生产矿山做了大量研究工作[13～19]，其方向主要集中在崩落矿岩的流动特性与移动规律研究，以此优化采场结构参数和放矿工艺方法。代表性研究成果有：随机介质放矿理论；椭球体放矿理论；物理模拟实验研究及计算机数值模拟研究等。

3.1 随机介质放矿理论

波兰Jerzy Litwiniszyn、前苏联B.B.库里柯夫、我国的王泳嘉、任凤玉等人，将概率论方法用于分析散体的运动过程，建立了散体运动的随机介质放矿理论[20]。

散体运动的随机介质理论最早由波兰Jerzy Litwiniszyn教授[21]于1956年提出。

1962年，我国东北大学王泳嘉教授[22]根据中心极限定量，将球体介质连续化处理后，巧妙地引人了散体统计常数B，给出了散体移动概率密度方程:

根据概率场表征散体垂直下降速度场的关系，王泳嘉推导了散体移动速度与迹线方程（二次抛线），放出漏斗方程、放出体方程等，形成了较为完整的计算体系。

1972年，前苏联B.B库里柯夫又将平面问题扩展为空间问题。但在上述随机介质理论中，放出体形状为下粗上细与实际不相符合。随后，东北大学任凤玉教授[23]将随机介质方法与散体流动的实际物理过程相结合，对各种边界条件的散体运动过程建立了系统的理论方程：

式中：α，β——与散体的流动性质和放出条件有关的实验常数。

任凤玉教授以式（2）为理论基础方程，推导了散体移动速度场、移动漏斗、放出体方程、颗粒移动迹线和坐标变换方程，继而进行了复杂边界条件下（半无限边界条件及复杂边界条件）散体移动规律研究和放出口对散体移动规律的影响研究，取得了开创性的成果。

放矿随机介质理论运用概率论的方法研究理想散体的移动规律，把崩落的矿岩视为理想的散体，即规格一致、独立存在、不会变形的松散介质，并假设颗粒之间没有凝聚力、摩擦力，颗粒在重力的作用下放出，各颗粒点移动服从一定的概率分布函数。当散体移动时，颗粒由概率较小的位置向概率较大的方向移动。该理论给出的放出体形态与中外研究者的实验室物理模拟实验结果符合良好，解决问题有一定的理论依据和深度，并在实际中得到了广泛的应用。

3.2 椭球体放矿理论[6][20]

椭球体放矿理论是在实验的基础上，通过抽象假设放出体、移动体和松动体的形状都是椭球体，继而建立的时间最早、研究较多、影响较大的放矿理论。

1938年，前苏联的米纳耶夫在实验研究的基础上首次提出了放出体为一旋转椭球体的概念，引起人们的广泛关注。1952年，马拉霍夫出版了专著《崩落矿块的放矿》一书。书中用大量的实验证实了放出体是旋转椭球体的结论。他提出了放出体过渡的概念，认为散体放出过程是较大的椭球体向较小的椭球体过渡的过程，椭球体表面的颗粒同时到达出矿口。在建立散体运动方程时，他将散体放出中铅直下降速度相等的颗粒构成的形体称为等速体，认为等速体的形状也是椭球体，并提出等速体也存在过渡关系的论断，即认为采场内的颗粒是按着构成等速体的形式移向漏口的，由此得出颗粒移动迹线是一抛物线的结论。

1965年，B.B.库里柯夫出版的《金属矿床的联合开采与二次开采》一书中，对单孔放矿理论有所发展，提出放出漏斗方程以及放出体表面颗粒在放出体移动过程中保持相对高度不变的观点。

20世纪70年代至80年代中期，国内大多数学者对放矿进行了深人地研究，很多工作都体现在进一步完善椭球体放矿理论。1979年刘兴国教授基于放出体的过渡关系提出等偏心率椭球体放矿理论，建立了相应的数学方程，同时应用坐标变换方程解决多漏斗放矿问题，在多孔放矿、定量计算、放矿边界条件研究等方面取得了开创性成果。但经实验证明椭球体的偏心率是变化的，等偏心率放矿理论的计算结果与实验结果相差很大，此后刘兴国教授在变偏心率椭球体放矿理论方面做了大量研究工作，使椭球体放矿理论得到完善，对我国崩落法放矿控制做出了重要贡献。

对于无限边界条件和半无限边界条件，椭球体理论建立了完整的理论体系。但它对于倾斜壁边界条件下散体的移动规律问题难以处理。另外，该理论的放出体形态不灵活（恒为椭球体或椭球缺），实际中因散体流动性质与放出条件的差异，放出体形态呈现多样性。尽管如此，由于其简单实用，该理论体系对指导放矿研究与生产发挥了很大的作用。

3.3 物理模拟实验研究及计算机数值模拟研究[7][24～26]

物理模拟试验方法就是选配与现场崩落矿岩组成和尺寸几何相似、力学性质大体相似的矿岩颗粒，在与现场采场结构和放矿系统几何相似的模型上进行模拟试验，就是在使两者放矿过程达到物理上近似相似的方法。这种试验方法可以直接观察和人为地控制放矿过程，它具有直观、方便的优点。可以用来研究放矿过程的矿岩移动规律，放出体、残留体和矿岩混杂过程，矿石损失贫化发生的过程，以便说明降低矿石损失贫化的关键所在。并可用于优选采场结构参数、放矿方案与放矿制度等。

放矿物理模拟的一个关键问题就是相似问题。要想把模拟试验所得到的数据、规律，推广到实际采场放矿中去，或使实际放矿规律能在模拟试验中再现和预演，那就必需使模拟与实际的放矿现象和规律之间的相似条件得到满足。经多年的实践证明，相似比为1∶30的现场试验方法是一种非常重要的方法，它可以取得物理模拟和数学模拟所需要的原始数据，验证其试验的结果，并可研究生产中的放出体与矿岩的流动规律和矿石损失贫化指标等。

计算机仿真放矿是加拿大D.Jolley于1968年提出的，国内于1978年开始此项研究。北京科技大学、昆明工学院及东北大学在此基础上进行了进一步研究工作，将该法用于解决实际放矿问题，对有底柱与无底柱分段崩落法放矿模拟通用程序进行了研制，并在生产和设计中得到了初步应用。当前的放矿计算机仿真软件大多数维持在20世纪80年代的水平，存在程序适用性差、功能低、操作和显示不方便等问题，已经不能适合当今矿山放矿研究的要求，急需研制一种新的放矿仿真软件。

4 无底柱分段崩落法发展趋势

4.1 无底柱分段崩落法应用的发展趋势

国内外的实践已经证明，高分段、大间距是国内外无底柱分段崩落法发展方向，并已为瑞典基鲁纳铁矿生产实践证明是可行的。增大无底柱分段崩落采矿法采场结构参数优点显而易见：减少矿石损失贫化产生次数和放矿过程中矿岩接触面积，有利于降低矿石损失贫化；增大每次爆破崩矿量，充分发挥铲装运设备能力，减少辅助作业（爆破与通风等）时间，可以提高采矿生产能力；减少采准工程量，降低采矿成本等。要进一步提高无底柱分段崩落法矿山的生产能力和经济效益，必须优化结构参数，走大参数、设备大型化和管理科学化之路。

4.2 无底柱分段崩落法理论研究的发展方向[27]

（1）放矿理论研究中存在的一个突出难题是利用原位（现场）研究目前几乎是无法实现的。受实验仪器和手段的限制，现场测定崩落矿岩散体流动参数对矿山并不具有普遍意义。可见研究测定崩落矿岩流动参数的相应仪器和技术手段是一个急待解决的问题。

（2）放矿理论研究大多采用室内模拟的方法，但问题在于只能保证模拟散体移动场与实际散体移动场在几何上相似，无法做到散体运动上和力学特征上相似，因而室内模拟实验所得的相应参数与现场崩落矿岩散体的流动参数并不相同，需要研究联系二者之间的函数关系，利用现代数学和计算机手段科学地预测实际矿岩流动参数。

（3）放矿理论中对崩落矿岩散体移动中的二次松散（膨胀性）的处理方法可归为两点：一是以无膨胀散体密度场和速度场代替实际散体移动密度场和速度场；二是认为散体密度在松动边界上产生突变，在移动带内密度场为定常场，速度场满足无源场连续流动条件。崩落矿岩散体在放出过程中由于结构变形必发生二次松散现象，因此研究符合实际散体的移动体积变化规律和速度场非常重要。

采矿工作者应在目前研究成果的基础上，使崩落采场放矿的研究，尤其是使放矿计算机模拟的研究方向向纵深发展。把已取得的研究成果推向实际应用，使其在采矿设计与生产技术管理实践中发挥重要作用，优选结果参数、预报损失贫化指标和优化放矿控制。

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Application and developing trend of pillarless sublevel caving

The application and research status of pillarless sublevel caving at home and abroad were introduced and analyzed,and its developing trend was pointed out.

pillarless sublevel caving;height of lift;drift spacing;drawing theory

1672-609X（2010）06-0044-05

TD853.36＋2

B

2010-07-23

郭 雷（1979-），男，河南平顶山市人，硕士，工程师，主要从事矿山工程设计和研究工作。