无底柱分段崩落法结构参数选取的影响因素

蔡序淦，门建兵，黄德福

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031；2.江西省安全生产监督管理局，江西南昌 330001）

无底柱分段崩落法结构参数选取的影响因素

蔡序淦1，门建兵1，黄德福2

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031；2.江西省安全生产监督管理局，江西南昌 330001）

无底柱分段崩落法因其生产灵活、机械化程度高、生产能力大、开采成本低等优点在国内外金属矿山中有着广泛的应用。其中,采场结构参数的选取对矿山采矿规模和生产成本有着重要的影响。通过对无底柱分段崩落法的特点及其在国内外典型矿山中的应用现状的介绍,分析了采场结构参数对矿山采矿规模和生产成本的影响，并从矿岩性质和采矿设备等方面论述了选取结构参数时受到的制约因素。

无底柱分段崩落法；结构参数;矿体赋存条件;矿岩性质;采矿设备

无底柱分段崩落法是一种利用分段进路沿走向或垂直走向对矿体进行切割，然后采用中深孔凿岩,并可在进路内实行机械化出矿的采矿方法。该采矿方法具有组织方便、生产灵活性大、安全程度高(作业空间小)、机械化及自动化程度高、生产能力大、开采成本低等特点，自20世纪60年代中期首次从瑞典引入我国以后,在国内地下金属矿山中应用相当广泛,尤其在黑色矿山中得到极大的推广。目前,国内应用比较典型的矿山有梅山铁矿、镜铁山矿、程潮铁矿、大红山铁矿、通钢板石沟铁矿等。

1 国内外典型矿山的应用现状

由于无底柱分段崩落法的凿岩、装药、出矿等一系列工作均可采用无轨机械化设备在进路中完成,因此该方法为实现矿山的规模化开采提供了条件。该采矿方法见图1。

图1 无底柱分段崩落法

为使采矿方法能进一步提高出矿效率和减少采准工程量,同时降低贫化、损失指标,近年来,随着大型高效采掘运输设备的应用,国内外典型矿山均朝着增大采场结构参数的方向发展。最典型的如瑞典基鲁纳铁矿,其分段高度×进路间距由10 m×10 m→12 m×11 m→12 m×16．5 m→20 m×22．5 m→27 m×25 m,直到目前的30m×30m；马姆贝格特矿结构参数由原来15 m×15 m改为20 m×22．5 m,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(6 m3铲运机)[1-2]。国内相关矿山做了大量工业试验研究,其中最突出的是梅山铁矿。该矿结构参数优化列入国家“十五”科技攻关项目,其最初结构参数高度×宽度(下同)为10 m×10 m、15 m×15 m,经过现场多次实验调整优化,现在为15 m×20 m的大间距结构。采场使用的凿岩台车型号有SimberH252、SimberH254、SimberH1354,回采出矿相配套的设备是容量为4．6 m3的TORO400E和TORO007、TORO009以及容量为6 m3的TORO1400E型铲运机。该矿结构参数优化后取得了较好的经济效果。国内部分采用无底柱分段崩落法矿山的基本情况见表1。

表1 国内部分采用无底柱分段崩落法矿山的基本情况

2 结构参数对采矿规模和成本的影响

无底柱分段崩落法得以广泛应用的原因主要有：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[3]。但由于我国很多矿山结构参数仍局限在小参数、小间距的范围内,其结果造成这些矿山存在采矿效率低下、采准工程量大等问题,制约了该采矿方法优势的充分发挥。

试验研究及工业生产实践证明,采场结构参数对无底柱分段崩落法矿山的采准、切割工程量以及矿石回收指标、劳动生产率、采矿成本等方面有重大影响[4]。一般来说,规模较大的矿山宜根据矿山爆下矿岩的重力自流参数情况酌情采用大结构参数,因为只有选择了大结构参数才能有条件选择较大的凿岩、出矿设备,进而实现集中化、高强度开采。大结构参数一方面能增大一次崩矿量,减少工作循环数,提高生产能力,同时还能节省采准工程量。矿山的采准成本约占采矿成本的30%[5]，因此以60 m的中段高度为例,15 m段高比12 m段高能节省一个分段的工程量,效益相当可观。如某矿山早期结构参数为12 m ×15 m,千吨采切比为11．5 m/kt,后来发展到15 m×15 m的结构参数,千吨采切比降为7．5 m/kt,显著地降低了采矿成本。

3 影响结构参数选取的因素分析

3.1 矿体赋存条件及矿岩性质的影响

采场爆下矿岩的重力自流参数是直接影响放矿椭球体宽度、厚度和放矿高度的主要因素，也是合理选取采矿结构参数的主要影响因素。不同矿山爆下矿岩爆破粒度和级配不同,大部分矿山爆下的矿岩粒度都由大块、小块和粉料组成,有的还含沙子、泥土和粘土等。因此，各个矿山的颗粒形状、粗糙度、摩擦角、密度和粒度的强度、湿度各有区别,所有这些因素对粒料或块料的流动性产生质的影响[6]。一般来说,较大块料的流动性相对较差,其椭球体宽大,体积也大,适合采用宽进路(分段高度小于进路间距);较小块料的流动性相对较好，其椭球体瘦小,适合采用高分段（分段高度大于进路间距）。但目前尚无理论或实际的经验数据精确度量椭球体尺寸及物料的流动性。此外,矿体的赋存条件也影响结构参数的选取,如缓倾斜,且厚度＜30 m的矿体就不宜选择15 m以上的分段高度,否则将极大地影响损失、贫化指标。

从现有经验表明,在一定矿体产状等赋存条件下，如欲达到一定的采矿出矿指标,各矿山的矿块结构参数应有一个最优值,且不宜超过一个极限值。

3.2 采矿设备对结构参数的影响

无底柱分段崩落法的结构参数还很大程度上受到采矿设备的制约，其中主要是受凿岩和装药设备的制约。众所周知,国内的凿岩设备尚未形成体系,很多矿山仍然在采用落后的中小型风动凿岩设备,如采用YGZ80、YGZ90、CTC141等。该类设备的缺陷是凿岩深度普遍较低,只适宜钻凿17～18 m以下中深孔,与之相匹配的进路高度和宽度约为12 m。20世纪90年代后,我国逐步引进了阿特拉斯和山特维克等国外先进凿岩设备,才使这一局面逐步改善。此外,当炮孔深度达到20 m以上时,采用人工送管方式装药已不适应。目前,国内还没有可靠的机械化装药设备。有不少矿山采用国外的装药设备,但效果也不甚理想。如武钢程潮铁矿采用瑞典的ANOL-150装药器,但却碰到了静电、返粉、堵管等问题,在生产推广中仍遇到不少麻烦。现在不少矿山采用国产BQF系列装药器,在常规结构参数中基本能适应,但对于大结构参数,如分段高度和进路间距＞12 m,则效率较为低下。出矿设备虽不直接影响结构参数的选取,但不同的结构参数宜配合相应规格的铲运设备。设备太小，则一次爆破矿石积压时间过长,出矿循环时间过长,生产能力得不到提高。设备过大,则一次崩矿量无法满足铲装要求,造成出矿设备闲置的情况。

4 结语

无底柱分段崩落法受传统放矿理论的影响,国内过去一般都采取10m左右的小规格参数。国外却普遍朝着大结构参数(主要为宽进路)、大型设备方向发展。但并不是每个矿山都适合采用大结构参数,不同的矿石性质需采取不同的矿块结构。该采矿方法在设计阶段暂无法直接对其结构参数进行量化,各矿山应做工业化放矿实验,在此基础上,再在生产中逐步校核,根据不同的出矿效果,逐步优化结构参数。

[1]孙光华,吕广忠．我国无底柱分段崩落法的发展方向[J]．河北理工学院学报,2007,29(2):4-6．

[2]安宏,胡杏保．无底柱分段崩落法应用现状[J]．矿业快报,2005(9): 6-9．

[3]郭雷,熊靓辉．无底柱分段崩落法现状及发展趋势[J]．中国矿山工程,2010,39(6):44-48．

[4]陶干强,刘振东,任凤玉,等．无底柱分段崩落法采场结构参数优化研究[J]．煤炭学报,2010,35(8):1269-1272．

[5]金闯,董振民,范庆霞．梅山铁矿大间距结构参数研究与应用[J]．金属矿山,2002(2):7-9．[6]于润沧．采矿工程师手册[M]．北京:冶金工业出版社,2009．

Affecting Factor of Selection of Structure Parameters on Non-pillar Sublevel Caving Method

CAI Xugan1,MEN Jianbing2,HUANG Defu3(1.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China;2.Jiangxi Administration of Work Safety,Nanchang,Jiangxi 330001,China)

Non-pillar sublevel caving method is widely used in metal mine at home and abroad due to the advantages of production flexibility,high mechanical level,large production capacity and low mining cost and so on.Selection of structure parameters of mining site has important effect on mining scale and production cost.According to the characteristic of non-pillar sublevel caving method and introduction of application of method in domestic/overseas typical mines,the paper analyzes the effect of structure parameters on mining scale and production cost and discusses constraints on selection of structure parameters from the aspects of ore/ rock characteristic and mining equipment.

Non-pillar sublevel caving method;structure parameters;ore body occurrence condition;ore/rock characteristic; mining equipment

TD853.36+2

B

1004-4345(2014)03-0004-03

2013-08-01

江西省科技支撑项目(20111BBE50031)。

蔡序淦(1982—),男,工程师,主要从事矿山设计与咨询工作。