大结构参数无底柱分段崩落法在缓倾斜中厚矿体中的应用

张志贵 陈星明 叶 青 李英碧 谭宝会

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳621010;2.非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室，四川 绵阳621010;3.四川锦宁矿业有限公司，四川 冕宁615602)

大顶山矿区是四川锦宁矿业有限公司(原四川省泸沽铁矿)铁矿石生产的主要采区，其主要开采对象为1#、2#号矿体。矿体形态属典型的缓倾斜中厚矿体，倾角一般在10° ～50°之间，厚度在6 ～30 m 之间，平均厚度为11.4 m，平均品位46%左右。矿山主要采用无底柱分段崩落法进行开采，其主要结构参数分别是分段高度10 m，进路间距10 m，崩矿步距1.8 m。由于历史的原因，大顶山矿区已经在2 540 m 以下水平按照15 m 的分段高度准备开拓及采准工程。自2 450 m 水平矿山开始实施由设计院提出并设计了15 m×12.5 m 的大结构参数无底柱分段崩落法方案。

一般认为，无底柱分段崩落法主要应用于矿石稳固的厚大、急倾斜矿体，其经济、高效、安全的优点才能充分显现。然而，当矿体开采条件较差特别是当矿体倾角比较缓、厚度又不大时，采矿方法结构参数的改变将显著影响矿石的回收效果，其中分段高度对矿石回收效果的影响最为显著。如果结构参数不合理，将直接导致矿石损失贫化的显著增加，严重恶化矿山开采的技术经济效果。显然，大顶山矿区在并不理想的矿体条件下采用15 m×12.5 m 大结构参数存在很大风险。为此，对缓倾斜中厚矿体条件下大结构参数无底柱分段崩落法的可行性问题以及保证矿石回收的技术措施进行了比较深入的理论分析和实验研究。

1 缓倾斜中厚条件下影响矿石回收的主要因素分析

当垂直走向布置进路的无底柱分段崩落法用于缓倾斜中厚矿体条件时，其分段矿石的回采与回收具有明显的区段特征，不同位置的崩落矿石层高度以及崩落矿石与崩落废石的接触状态不断发生变化。在分段矿体上盘三角矿段，崩落矿石位于崩落废石的下部且其高度不断增加;而在分段矿体下盘三角矿段，则情况正好相反，崩落废石位于崩落矿石的下部且崩落矿石层的高度不断减小。对于中间矿段，虽然崩落矿石层高度基本不变，但其上部的脊部残留高度也有变化。

理论计算及实验结果表明，缓倾斜中厚矿体条件下垂直走向布置回采进路的无底柱分段崩落法，其分段上盘及中间矿段负担的回采矿量仅占分段回采矿量的30% ～50%，大部分分段回采矿量位于矿体下盘范围。同时，矿体上盘及中间部位负担的回采矿量直接位于回采巷道的正上方，中间没有崩落废石的阻隔，具有良好的回收条件，在回收上不存在大的问题，实际发生在这个范围的矿石损失很小。而位于矿体下盘范围内的回采矿量(包括脊部残留)会因为下分段回收工程前移以及下盘崩落废石阻隔等原因出现回收困难的问题，容易造成大的损失与贫化。显然，下盘回采矿量占分段回采矿量的比例越大，可能造成的损失就越大。这表明，下盘回采矿量占分段回采矿量比例的大小，一定程度上反映出缓倾斜中厚矿体无底柱分段崩落法可能产生矿石损失大小的趋势。因此，通过研究下盘回采矿量占分段回采矿量比例大小的影响因素，可以间接了解影响矿石回收的因素。图1 为根据理论计算结果绘制出的下盘回采矿量占分段回采矿量比例随各种主要影响因素变化的曲线图。

由图1 可见，矿体的赋存条件以及采矿方法结构参数对下盘回采矿量占分段回采矿量比例都有显著的影响。矿体的厚度越小、倾角越缓，下盘回采矿量占分段回采矿量的比例越大，可能造成的损失就越大。在矿体的赋存条件一定情况下，结构参数的增加，将使下盘范围内回采矿量占分段回采矿量的比例显著增加。在矿体厚度不大、倾角较缓的情况下，下盘范围内回采矿量比例一般都在50%以上。随着结构参数的增加，这个比例还将显著增加60% ～70%。也就是说，较大结构参数可能会造成比较小结构参数更大的矿石损失。

图1 各因素对下盘回采矿量占分段回采矿量比例的影响趋势Fig.1 The influence of various factors on the proportion of the footwall mining ore quantity in sublevel stoping ore quantity.

当然，分段回采矿量比例的大小，仅仅只反映了可能造成矿石损失大小的一个趋势，并不代表可能造成损失的实际数值。分段下盘范围的回采矿量并非全部都会成为损失矿量，损失矿量的大小还直接与下盘退采范围以及出矿允许贫化程度有关。退采范围越大，出矿允许贫化程度越高，下盘矿石损失就越小。在一定的出矿允许贫化程度下，下盘的退采范围就成为影响甚至决定缓倾斜中厚矿体矿石回收率高低最为关键的因素，退采范围与下盘损失的关系见图2 所示。

图2 缓倾斜矿体下盘退采的位置及其残留矿石情况示意Fig.2 The schematic diagram of gently inclined footwall ore mining retreat location and residual ore

据了解，目前生产矿山通常采用边界品位法或边际盈亏平衡法确定出下盘退采范围，确定出的退采范围大致在下盘三角矿体1/3 ～2/3 范围左右即图2 所示的A1—A2之间，很少有退采到A3位置的情况。很显然，退采范围以外的下盘残留矿石成为下盘永久损失。如前所述，由于实际发生在矿体上盘及中间部位的损失很小，下盘范围内回采矿量的回收效果，基本上反映了缓倾斜中厚矿体条件下无底柱分段崩落法整体的回收效果。换句话说，通过比较下盘残留损失的大小，可以判断不同结构参数无底柱分段崩落法在缓倾斜中厚矿体条件下的应用效果。

实际上，不同退采范围造成的下盘残留损失可以通过图2 所示的空间几何关系以理论计算的方式得出，表1 为锦宁矿业大顶山矿区2 种结构参数条件下不同退采位置的下盘理论计算损失率(限于篇幅的关系，计算过程从略)。图3 是根据上述计算结果绘出的曲线图。图3 更直观地反映出不同结构参数条件下不同退采位置的下盘矿石损失情况。

分析表1 和图3，可以得出如下一些有价值的结论:

(1)结构参数加大后，位于下盘的回采矿量已经超过分段回采矿量的50%;毫无疑问，大结构参数方案下盘回采矿量的回收更为关键。

(2)在退采的初期，大结构参数方案的下盘2 个损失率明显高于原结构参数方案。随着退采的进行，两方案下盘损失率差距显著缩小。当退采到上分段回采进路与矿体下盘交界处即图2 所示A3位置时，2个方案损失率基本相同，都在10%左右。

表1 不同结构参数条件下不同退采位置的下盘理论计算损失率Table 1 Theoretical calculation of the loss rate of footwall ores in different mining retreat positions under condition of different structural parameters

图3 大顶山矿区2 种结构参数方案不同退采位置的下盘矿石损失率Fig.3 The footwall ore loss rate at different mining retreat position with two kinds of structural parameter in Dadingshan Mine

这表明，只要下盘退采充分，大结构参数方案也可以获得与原较小结构参数方案相近的矿石回收效果。可以说，这个发现从理论上证明了无底柱分段崩落法大结构参数方案在缓倾斜中厚矿体条件下也具有可行性，为大结构参数方案在缓倾斜中厚矿体中的应用提供了重要的理论依据。

2 大结构参数方案的实验模拟研究

为进一步验证理论分析及计算结果的可靠性，深入研究结构参数改变对缓倾斜中厚矿体无底柱分段崩落法矿石回收效果的影响以及大结构参数在大顶山矿区矿体条件下应用的可行性，我们设计制作了多种结构参数的物理放矿实验模型并进行了系列的物理模拟实验。

2.1 实验模型及装料

实验模型分为单分间立体模型和单分间多区组合模型，实验相似比为1∶ 50，矿体倾角40°，矿体垂直厚度为20 m。单分间立体模型在垂直方向共设置3 个放矿分段，分别模拟缓倾斜矿体上盘三角矿体(Ⅰ)、中间矿段(Ⅱ)以及下盘三角矿体(Ⅲ)的3 个典型矿段的回收情况(见图4)。根据多次实验结果证实，单分间立体模型的实验结果基本上可以代表单分间多区组合模型的结果。因此，为减少实验工作量，实验模拟主要采用了单分间立体放矿模型(简称单体模型)。根据大顶山矿区的实际情况，共设计了10 m×10 m×2 m、15 m×10 m×2 m、15 m×12.5 m×2 m 以及10 m ×12.5 m ×2 m 等4 种不同结构参数进行实验研究。

图4 缓倾斜矿体无底柱分段崩落法的垂直分区回采方案Fig.4 The vertically-zoning stoping scheme of pillarless sublevel caving under condition of gently inclined orebody

实验矿石采用来自大顶山矿区的磁铁矿石，矿石粒度为3 ～10 mm，松散密度为2.81 g/cm3;废石采用粒度为5 ～12 mm 的白云岩颗粒，松散密度为1.67 g/cm3。模型实验共设计了4 组实验，截止放矿时工作面废石比例实际控制为80%左右。

考虑到缓倾斜矿体矿石回收的特殊性，根据前述理论分析的结果，模型实验下盘退采范围确定为上分段回采进路与矿体下盘交界处，即采用所谓的“垂直分区回采”方案(见图4)，实现所谓的“下盘残留全覆盖”。实验结果列于表2 中。

表2 不同结构参数单分间立体物理单体模型实验结果Table 2 The experiment result of the threedimensional physical model of single partition with different structural parameters

2.2 实验结果与数据分析

分析表中2 实验数据，可以得出如下一些结论:

(1)在充分回采下盘三角矿体的情况下，15 m ×12.5 m ×2 m 大结构参数方案的实验回收率超过88%，与原有10 m×10 m×2 m 结构参数方案基本相当。这表明，缓倾斜矿体条件下大结构参数方案仍可获得较为满意的回收效果。

(2)从回收率指标看，15 m ×12.5 m ×2 m 参数方案的回收指标优于10 m×12.5 m×2 m 方案，稍逊于15 m×10 m×2 m 和10 m×10 m×2 m 方案，但综合采切及爆破工程量减少等因素考虑，可以认为大顶山矿区新的参数方案基本可行。但前提是，矿山必须保证大结构参数条件下良好的采切工程质量与炮孔质量，确保良好的爆破效果。

(3)随着参数的加大，在下盘三角矿体范围回采出的矿石量已经占到总回收量的50% ～60%。这表明，在参数加大的情况下必须更加重视下盘三角矿体的及时充分回收。同时，在上下盘三角矿体部位实行分采分运，可使岩石混入率降低3 ～6 个百分点，说明在矿山实施分采分运是十分必要的。

(4)实验发现，能够通过增大放出量而提高回收率的最有效部位是矿体下盘三角矿体部分。在矿体上盘及中间部位增大放出量，多数情况下是无效贫化。不仅不能增加矿石回收，还将显著恶化下分段的矿石回收效果，得不偿失。

(5)在充分退采的情况下，加大分段高度对矿石回收率的不利影响远不如人们预期的那样显著。相反，进路间距的增加倒是显著影响了矿石回收。

需要说明的是，由于担心缓倾斜中厚矿体条件下矿石回收不充分，实验过程中实际出矿的允许贫化程度都比较大，导致实验最终的岩石混入率都超过了40%。因此，为进一步了解在较低贫化的情况下大结构参数方案的矿石回收效果，我们又进行了3 次补充实验，分别对目前矿山主要采用的10 m×10 m×2 m、15 m×10 m×2 m 结构参数以及即将在2 450 m 水平开始采用的15 m ×12.5 m ×2 m 等3 组结构参数在较低贫化情况的放矿效果进行了模拟实验，其中10 m×10 m ×2 m 参数方案采用了单分间立体组合模型。实验仍采用截止品位放矿方式，但截至放矿时出矿口的岩石比例由80%降至70%左右，相关实验数据结果统计并分析如表3 所示。

表3 实验结果统计Table 3 Results of experiment

实验结果表明:

(1)当大结构参数的总岩石混入率从40%以上降低至30%左右时，3 种结构参数的矿石回收率仍维持在80%以上，虽然较原来的矿石回收率低5 ～7 个百分点，对于缓倾斜中厚矿体情况来讲，仍是一个可以接受的指标。

(2)从回收率来看，实验结果仍保持于前面实验结果相同的趋势，即10 m×10 m×2 m 结构参数的回收率指标略优于15 m×12.5 m×2 m，但差距并不显著。如果考虑增加进路间距在减少回采进路等方面带来的效益，15 m×12.5 m×2 m 结构参数方案总体上应该是优于10 m ×10 m ×2 m 方案或基本相当。因此，15 m×12.5 m×2 m 结构参数方案对于大顶山矿区来讲应该是一个可行的方案。

3 结 语

(1)理论分析及放矿实验结果都表明，缓倾斜中厚矿体条件下的无底柱分段崩落法也有增加结构参数的可能。在充分退采下盘的情况下，15 m×12.5 m×2 m 的大结构参数方案也可以获得与10 m ×10 m×2 m 方案相近的回收效果。因此，15 m×12.5 m×2 m 结构参数方案对于大顶山矿区来讲应该是一个可行的方案。

(2)实验放矿的结果较好地验证了理论计算的可靠性，两者不仅在趋势上高度一致，甚至在数值上也有一定的符合度。因此，理论计算可以在一定程度上代替放矿实验来预测不同结构参数条件下不同退采范围的下盘损失。但在目前情况下，理论计算还不能对放矿产生的贫化进行较为精确的计算。

(3)研究表明，在缓倾斜矿体条件下，分段高度对矿石回收的不利影响远不如人们过去认为的那样大，只要下盘退采充分，加大分段并不会造成更多的下盘损失。但是，进路间距的增加，却肯定会增加矿石在下盘的损失。这部分增加的损失主要是因为进路间距增加导致不能通过继续退采回收的下盘残留矿量增加造成。不过，进路间距的增加，增加了进路间柱的厚度，为通过上分段进路间柱中的辅助进路回收下盘残留矿石创造了更好的条件，从而可以使这部分矿石得到更加充分的回收。

(4)只要针对大结构参数条件采取适当的技术措施，缓倾斜中厚矿体条件下一定程度加大结构参数并不会造成过大的矿石损失和贫化，大结构参数方案仍具有较好的可行性。当然，结构参数的增加，必然会对采矿工艺特别是凿岩爆破造成一定的影响，如何确保采切工程以及爆破质量，成为影响大结构参数条件下矿石回收的关键因素，必须予以高度重视。同时，对于缓倾斜中厚矿体来讲，结构参数特别是分段高度的增加也不能超过一定限度。否则，即便是退采到上分段回采巷道与矿体下盘交界处或以内，也会出现因下盘崩落废石层过高导致上部矿石无法有效回收的情况发生，此时下盘残留矿石就很难得到充分回收。

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