大结构参数无底柱分段崩落法的发展及设备需求

丁航行，任凤玉

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004)

无底柱分段崩落法以安全高效的开采特点，从20世纪60年代引入我国后，在地下铁矿山获得迅速推广，并很快成为主体采矿方法。近年来，随着采矿设备的发展，无底柱分段法的采场结构参数在不断增大，大结构参数开采已成为目前无底柱分段法的主要发展趋势。生产实践表明，加大采场结构参数，不仅可增大开采强度与生产效率，而且可降低采矿成本与改善安全生产条件，因此，在应用无底柱分段崩落法的铁矿山，尤其在露天转地下与深部开采中，对大结构参数开采的需求越来越迫切。然而，在目前生产条件下，许多厚大矿体与急倾斜中厚矿体，采场结构参数远没有增大到理想程度，尚需进一步增大采场结构参数，以实现经济效益与矿石回采率的最大化。为此，急需研究大结构参数无底柱分段崩落法的发展方向，探讨采矿工艺与设备的协同发展问题，以加快我国采矿技术的现代化步伐。

1 厚大矿体大结构参数开采

我国厚大矿体应用无底柱分段崩落法的矿山较多，如梅山铁矿、大红山铁矿和镜铁山铁矿等，随着大型露天矿转入地下开采，厚大矿体应用无底柱分段崩落法开采的矿山越来越多，此类矿体应用无底柱分段崩落法开采的特点是:回采面积大，在从上往下逐分段开采中，上部分段的回采可以为下部分段卸压，从而允许较大的进路断面，适合于采掘设备的大型化，采场结构参数也是越大越好。

瑞典Kiruna铁矿为目前应用大结构参数开采最成功的矿山，该矿是无底柱分段崩落采矿法的发源地，也是在国际上应用无底柱分段崩落法采矿中一直起引领作用的典型矿山[1-3]。该矿的矿体走向长4km，平均厚80m，深2km，倾角平均70°，采场结构参数的变化过程中如表1所示，进入20世纪90年代末，分段高度增到28.5～30m(图1)。目前该矿正在试验分段高度30m，进路间距37m的双进路采场结构。结构参数的增加大幅度地提高了采矿强度，降低了采准工程量和采矿成本，目前该矿年产铁矿石约2300万t，井下职工劳动生产率19500t/人·a。

表1 Kiruna铁矿参数改进沿革

图1 Kiruna铁矿采场结构参数发展

Kiruna等国外铁矿大结构参数成功的应用，使得国内许多矿山相继开展了试验研究和应用(表2)。梅山铁矿采场结构参数逐步从10m×10m(分段高度×进路间距)，改进到15m×20m，一次崩矿量达到了3600t，取得了显著的经济效益[4]。北洺河铁矿实施大结构参数无底柱分段崩落法后，采准系数由原来的3.6m/kt减小到2.07m/kt，由此节约了大量的采准工程量，提高了产能。在矿床地质与水文地质条件均比较复杂的条件下，实现了比设计提前1年达产，创造了国内地下大型金属矿山投产后一年零7个月即达产的历史记录。眼前山铁矿1号主矿体走向长1747m，厚75～225m，平均133m，倾角75°～90°，正在露天转地下开采，地下应用无底柱分段崩落法采矿，设计分段高度18m，进路间距20m，设计生产能力由露天开采的300万t/a增大到地下开采的800万t/a。由此可见，加大采场结构参数后，无底柱分段崩落法的生产能力与生产效率都得以大幅度增加，已成为高强度开采方法。

表2 国内代表性矿山采场结构参数表

结构参数的加大引发了对高性能凿岩和装药设备的需求，针对大结构参数高效开采，目前凿岩设备已基本满足各种不同深度炮孔的要求，但在凿岩功率和精度控制方面还有待加强。通过爆破模拟试验得出，增大炮孔直径，有利于生产中调整与控制爆破方向[5]，而炮孔直径的加大对凿岩设备的功率提出了要求，在国外比较有代表性的该类型设备如Atlas Copco生产的Simba W469液压凿岩台车，钻凿直径115mm的扇形炮孔，实际钻孔能力可达10万m/a；同时当钻孔越来越深时，炮孔极易发生偏斜，偏斜较大时，严重影响着爆破效果。近年来，国外根据多年研究，取得一些进展[6]。Sandvik公司研制了复合钎具组，Atlas Copco公司研制成了综合凿岩设备，实现了高精度凿岩，24m深炮孔，炮孔偏斜在0.5°以内[7]。在这些方面，国产的凿岩设备与国际先进水平仍有很大的差距，未来改进空间较大。

而目前限制大结构参数在国内进一步发展的主要障碍是装药设备，大量矿山还是采用上世纪70年代开发的风动装药器装填粉粒状炸药，该类型装药器劳动强度极大，装药效率和密度低，药粉洒落严重，污染井下作业环境。并且当上向孔孔深超过20m时，装药非常困难；孔深达到30m左右时，几乎无法装填炸药[8]。随着井下无轨设备的发展，出现了井下装药车，该设备集原料运输、炸药混制、炮孔装填于一体，具有装药效率高，爆破效果好、成本低等优点。国外有瑞典、芬兰、加拿大、美国和俄罗斯等国家生产各种型号的装药车，在地下矿山应用取得了较好效果[9]。其中比较有代表性的是瑞典Nitro Nobel公司的EG-33型自动装药车，最大装药孔深50m，可以举升翻转、安放和抓取输药软管，往炮孔中拔送，同时整个装药系统作业均可实现遥控作业。由于技术含量较高，现在国内可供选择的地下装药车类型较少，主要有北京矿冶研究总院的BCJ系列和长沙矿山研究院研制的JFZ600型等。虽然地下装药车研制取得了一些进展，但仍然存在一些问题，如品种规格数量少，工作可靠性差，返药情况普遍存在，现场制备炸药指标不够等。由于这些问题的存在，目前还没有得到推广应用。为满足大结构参数高效开采的需求，装药车还得在装药设备与炸药匹配、加强装药能力和装药密度、返药的控制、输药管机械化、炸药配方的可靠性和多样性等方面进行深入的研究[10]。

总体来说，在厚大矿体应用无底柱分段崩落法开采中，国内矿山的结构参数已有了长足的发展。但随着采矿设备的进步，大结构参数仍有很大的发展空间。目前制约采场结构参数进一步增大的瓶颈环节是装药车，研发适合我国矿山条件的装药车，是厚大矿体进一步增大采场结构参数的当务之急。

2 急倾斜中厚矿体大结构参数开采

急倾斜中厚矿体由于崩落矿石有较好的移动空间条件，适宜采用无底柱分段崩落法高效开采。但这种矿体条件的分段回采面积较小，一般上分段开采不能为下分段的回采进路充分卸压，而且随采深增大，采动压力不断增大，为此采准工程的稳定性问题，往往成为矿山生产的主要问题之一。此外，受上下盘围岩制约，这类矿体的爆破夹制力较大，需要钻凿较多的炮孔。

为减小炮孔深度，这类矿体回采时通常将沿脉回采进路布置在矿体的中部，结果造成较大的矿石贫化率。为降低矿石贫化率，需要改进采场结构，采用图2所示的进路布置形式，使崩落体和残留体的总体形态，与放出体形态接近。

图2 回采进路布置形式的改进

改进采场结构后，落矿炮孔的深度增大许多。以倾角80°，水平厚度15m矿体为例，当分段高度15m时，采用改进的采场结构后，上盘侧炮孔最大深度约32m(图3)。上盘侧进路承受矿山压力大，适合采取较小的断面尺寸，以利于巷道的稳定性。但需要钻凿炮孔的深度大，从而对凿岩和装药设备提出了较高的要求，不仅要求功率大，而且要求工作空间小，能够适应于较小断面的巷道内作业。

图3 增大分段高度后的炮孔深度

在这种条件下，需要选择或开发体积较小而功率较大的采掘设备，其中掘进台车和铲运机可供选择的型号较多；而中深孔凿岩台车由于工作断面一般较大，可供选择的型号较少；而适宜断面的装药车则更少，需要大力研发。现今Atlas Copco公司生产的Boomer K41X、Boomer S1 D、Boomer M1 C，Sandvik公司产的DD210、DD311等型掘进台车，均可适宜掘进3.0m×3.0m的巷道断面；中深孔凿岩台车有Sandvik公司产的DL311、DL431型和Cubex系列等，需要约3.2m×3.2m的巷道断面，凿岩深度均能达到32m的要求；铲运机可供选择的类型较多，Sandvik公司产的LH203、LH307、LH203E和LH306E等型号，Atlas Copco公司生产的EST2D、ST1030等型号，出矿能力较强，需要断面也较小。

3 结论

1) 我国可获得的资源丰度不足，对高效开采需求迫切，而无底柱分段崩落法以安全高效的开采特点，成为地下铁矿山的主体高效采矿方法，近年随着大功率采掘设备的投入使用，加大采场结构参数已成为主要发展趋势。

2) 对于厚大矿体，目前制约大结构参数开采的主要瓶颈是装药设备，结合国内矿山条件，应大力发展装药台车。

3) 对于急倾斜中厚矿体，大结构参数开采的发展对设备依赖程度更大，受采动地压与采场结构的限制，对掘进、中深孔凿岩和装药设备的体积与功率都提出了的更高的要求，需要选择或开发体积较小功率较大的采掘设备。

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[3]Martinez M A,Newman A M.A solution approach for optimizing long- and short-term production scheduling at LKAB’s Kiruna mine[J].European Journal of Operational Research,2011,211(1):184-197.

[4]范庆霞．梅山铁矿采用大型大间距采场结构参数的探讨[J]．矿业工程，2004，2(2)：25-28．

[5]任凤玉，王文杰，韩智勇．无底柱分段崩落法扇形炮孔爆破机理研究与应用[J]．东北大学学报：自然科学版，2006，27(11)：1267-1270．

[6]Harris E Jerald.Drill accuracy[J].Journal of Explosives Engineering,1999,16(2):18.

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[8]李翀，李文倩，黄小伟．井下上向中深孔粉粒状炸药装药车的研制[J]．矿业研究与开发，2010(6)：93-95．

[9]赵昱东．介绍国内外几种主要装药设备的性能[J]．铀矿开采，1990(4)：46-52．

[10]赵昱东．井下用铵油炸药装药机械现状和发展[J]．爆破器材，1990(5)：24-28．