无底柱分段崩落法高分段与大间距结构参数分析

黄 泽,盛建龙,李 迅

(武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北武汉 430081)

无底柱分段崩落法高分段与大间距结构参数分析

黄 泽,盛建龙,李 迅

(武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北武汉 430081)

高分段与大间距排列形式是当前无底柱分段崩落法采矿朝大结构参数发展的方向,但在具体实施中,两者不尽相同。根据已有的工业试验数据和当前国内采矿技术装备水平分析了两种形式各自的优劣,认为大间距排列形式比高分段排列形式更具有优越性,更适于在我国矿山推广应用。

无底柱分段崩落法;高分段;大间距;放出椭球体

无底柱分段崩落法在地下开采中以操作简单、开采强度大、机械化程度高、安全性好、开采成本相对较低等优点得到了大范围的推广应用,尤其在铁矿的开采中,有相当广泛的应用。但长期以来该方法一直受到损失贫化大的困扰。

瑞典基鲁纳铁矿是世界上使用无底柱崩落法最先进的矿山之一,随着装备水平的进步,基鲁纳铁矿在增大其采场结构参数后,生产效率得到提高,现在生产效率保持在 150 t/工班,甚至更高,这一效率在世界范围内也只有少数几个矿山可以相比,与此同时其采矿成本下降,这正是矿石开采所追求的目标。

1 传统放出椭球体排列形式

传统理论着重研究单个放出体,注重于在本分段矿石尽量多的回收,认为以一定的贫化为代价,每个分段矿石回收越多则矿石的总回收率就越高,经济效益就越好。这看似合情合理,却无形中把整体矿石的回收孤立分成了若干独立的单元。现今的理论研究已跳出单个放出体框架,而是研究各放出体上下分段的排列组合问题。特别是在回采进路以菱形布置的无底柱分段崩落法中,上一分段没有回收的脊部残留矿石可以在下一分段回收,其他各类残留矿石也可以在下分段部分回收,或以纯矿形式,或以矿岩混杂形式回收,因而人们不应束缚在传统理论下,而应从全局出发考虑。

传统理论下放出椭球体排列形式如图1所示[1],从图1可以看出椭球体之间有重叠,这些重叠部分分别在 2个不同的椭球体内,那么这部分将在放矿过程中被放出两次,理论上讲第一次放出时是纯矿石,第二次则是纯废石,因为当上一个分段矿体放出后,围岩充填放出椭球体的空间,那么重叠部分在第一次放出后被覆岩充填,在第二次放出时,该部分当然就是废石。显而易见,这就会造成矿石的贫化,而且这是除最上层的分段没有而下面其他各分段都不能避免的,每个放矿椭球体经过这样的贫化,整体上就造成矿石比较大的贫化。

图1 传统放出椭球体排列形式

2 高分段与大间距放出椭球体排列形式

现今的理论认为,结构参数的优化问题就是放出体空间排列的优化问题,放出椭球体密实度大者为优。放出椭球体相切,放出体密实度最大,这样就有 2种最优排列形式:高分段形式和大间距形式,理论上讲这 2种形式是等价的。

高分段与大间距排列并不是以其绝对高度或绝对宽度来划分的,而是按放出椭球体的空间排列形式来区分的。

高分段放出椭球体排列形式如图2所示,分段高与进路间距关系为:

式中:H——分段高度,m;

L——进路间距,m;

a——放出椭球体长轴,m;

b——放出椭球体短轴,m。

图2 高分段放出椭球体排列形式

大间距放出椭球体排列形式如图3所示,分段高与进路间距关系为:

图3 大间距放出椭球体排列形式

当采用高分段或大间距排列形式时,确定分段高与进路间距的关系在于放出椭球体的偏心率 e,根据数学计算,a2=b2+c2,c=a×e,由此看出偏心率 e是确定椭球体长轴和短轴的重要依据,进而根据 (1),(2)式确定采场参数分段高 H和进路间距L,因而偏心率是相当重要的,同一个矿山椭球体偏心率可以视为一定值,通过工业试验或室内试验可以确定放出椭球体偏心率 e。

采场大结构参数最优选择就在高分段或大间距形式下寻求当前条件下最优采场结构参数。我国矿山从国外引进无底柱分段崩落法时,最初参数是 10 m×10 m,当开采装备越来越向大型化发展后,各矿山开始寻求与之相匹配的参数,并展开了一系列的科学实验。如河北铜矿高端壁放矿无底柱分段崩落法的试验研究、浙江漓渚铁矿无底柱双巷菱形高分段崩落法的试验、酒钢镜铁山矿大结构参数无底柱分段崩落法试验、梅山铁矿无底柱分段崩落法加大结构参数试验研究等。经过多年的生产实践,特别是梅山铁矿大结构参数无底柱分段崩落法的研究成功,为采矿界积累了丰富的实践经验,使主要经济指标向好的方面发展 (见表1)。

表1 梅山铁矿放矿模拟试验结果

从表1可以看出,贫化与回收指标有两头好、中间差的现象,这就很好的论证了高分段与大间距排列的合理性[2],即以实验验证了放出椭球体以高分段或大间距形式排列的优越性。

高分段和大间距 2种排列形式,都可以大幅度减少矿山采准工程量,降低矿石开采成本,也都有一次崩矿量大、采矿强度大等优点。但相对于各矿山自身条件,在具体操作过程中这两种方法还是有比较大的区别。

高分段与大间距排列形式优劣比较,大间距排列有如下优点:

(1)大间距排列较高分段排列凿岩、成孔,爆破效率高、质量好、大块少。高分段排列,分段高度每增加 1 m,其凿岩深度也必须增加 1 m,采用大间距排列形式进路间距增加 1 m而凿岩深度只增加 0.5 m。以大间距形式 15 m进路间距,工业试验放矿椭球体偏心率 0.92为例,其分段高度为 11.1 m,相同条件下与此相同剖面积的高分段排列形式,其分段高度为 19.2 m,进路间距为 8.66 m。若上向凿岩深度拟超 2 m,则大间距排列凿岩深度为 13.1 m,而高分段排列凿岩深度为 21.2 m,凿岩深度多 8.1 m。假设两者凿岩方向均偏斜 3度,则孔底距偏移量分别为 0.68 m和 1.10 m,当偏斜方向相向或相背离时,将导致孔底距偏移量叠加,给后继的爆破放矿等工作带来更为不利的影响。大间距排列较高分段排列凿岩深度小很多,因而凿岩效率高,凿岩精度亦高,成孔质量好,为以后的崩矿、矿石回收等工作提供了便利条件,有利于降低矿石的损失贫化。

(2)端部矿石回采时,矿石与围岩相交,其下盘位置存在一个很难回收的区域,通常被称为下盘三角矿体,而该三角矿体随着分段高度的增加而增大,因而采用高分段形式还要面临更多的矿石损失,尤其当矿体倾角较小时,损失更大[3]。

(3)大间距排列形式开采,加大了进路的分布间距,减少了对岩体的破坏扰动和应力集中,改善了地压状况,简化了采场地压管理,特别是地压复杂、围岩破碎的矿山,可以较好解决地压问题,减少地压维护费用,保证安全生产的顺利进行。

(4)大间距排列形式推广起来更简单容易。矿山生产都必须进行三级矿量准备,在矿石开采前已形成一部分开拓、采准巷道,尤其分段高度确定以后很难改变,而进路间距改变起来则要容易得多,只需要在打进路巷道时按大间距排列形式的进路间距开凿巷道就可以了,因而无底柱分段崩落法小结构参数转化成大间距排列的参数开采更容易实现,但在过渡期矿石回收指标可能会有变动。

综上可知,在目前情况下采用大间距排列形式开采,具有更多的有利条件,更符合现阶段我国矿山的生产技术水平。

3 结 论

无底柱分段崩落法传统椭球体排列形式存在重叠现象,使得矿石贫化增加。根据椭球体排列密实度最大为最优的理论,有高分段和大间距 2种排列形式最优,这 2种排列都能很大程度的降低采切比,降低矿石开采成本,降低损失与贫化。但在我国矿山目前技术装备条件下,大间距排列形式比高分段排列形式更具有优越性,应大力加以推广。

[1]董振民,范庆霞,金 闯.大间距无底柱分段崩落采矿法的研究应用[J].宝钢技术,2005,增刊:19-23.

[2]张国联,邱景平.软破矿岩大参数无底柱开采的理论与实践[M].北京:科学出版社,2007.

[3]范庆霞.大间距集中化无底柱采矿新工艺研究[J].矿业快报,2005,(10):7-10.

2010-09-11)

黄 泽 (1985-),男,湖北赤壁人,在读硕士,主要研究方向为无底柱分段崩落法采场结构参数优化,Email:huangze2004@126.com。