急倾斜薄矿脉崩落法开采矿岩散体流动规律研究

安 龙，李元辉，徐 帅

(东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

急倾斜薄矿脉在世界范围内分布广泛，主要在黄金矿山和有色金属矿山，其具有的贵重金属属性，使得该类矿体的产量虽小，但在世界采矿工业中占有重要的地位[1]。急倾斜薄矿脉受其矿体产状制约，一般多采用浅孔留矿法、分层充填法和削壁充填法进行开采。当该类矿体断裂构造发育围岩碎裂时，受开采卸荷和爆破扰动影响，采场顶板及上下盘围岩极易发生失稳垮落，为采场施工人员带来安全隐患的同时，也造成了极大的矿石损失和贫化。针对这一开采难题，国内外学者开展了大量的研究，基于围岩加固的理念，提出了相应的长锚索预加固技术，但是该类技术对矿山的生产成本、施工质量、工序的复杂性等都提出了更高的要求，使得该类技术难于在矿山进行推广应用[2]。基于中深孔开采的理念，发展了长锚索预锚固的分段充填法及水平孔落矿的爬罐天井中深孔采矿法，采用中深孔开采能够有效保证施工人员的安全，但是如何解决回采过程中顶板及上下盘围岩的垮落，是该类方法所面临的难题。安龙等[3]从崩落的矿岩散体可有效支撑上下盘围岩角度出发，针对急倾斜薄矿脉破碎矿体的开采技术条件，提出沿矿体走向布置的无底柱分段崩落法开采方案。无底柱分段崩落法采用中深孔落矿保证了施工人员的作业安全，崩落的矿岩散体可充填采空区，还可有效避免上下盘围岩的垮落，见图1。该方法的提出为该类矿体的安全高效开采提供了新的思路，但采用无底柱分段崩落法开采，崩落的矿石在覆盖岩下放出，矿岩散体的流动规律将直接影响回采矿石的损失和贫化，而当前关于倾斜壁边界窄小空间条件下的散体流动规律研究较少[4-5]。为此本文针对急倾斜薄矿脉的矿体产状，开展相似物理模型试验研究，分析放出体形态特征，探讨倾斜壁边界窄小空间条件下的散体流动规律，为急倾斜薄矿脉破碎矿体崩落法开采提供理论和数据支撑，促进放矿理论体系的完善。

图1 无底柱分段崩落法开采示意图Fig.1 The process of sublevel caving method

1 急倾斜薄矿脉崩落法开采相似模型试验

1.1 工程背景

本文以内蒙古某金矿为工程背景，其矿区内矿体为典型的急倾斜薄矿脉破碎矿体，矿体沿走向和倾向的连续性较好，矿体厚度变异性小，受区域构造运动影响，矿岩体均破碎，矿体以绢云母化、绿泥石化蚀变岩为主，围岩主要为斜长角闪片麻岩。矿体的平均倾角为65°，平均水平厚度为3 m。采用无底柱分段崩落法开采，中段高40 m，分段高13～14 m，采场沿走向长50 m。

1.2 相似性分析

崩落矿岩散体的重力流动是一个极为复杂的过程。因此开展相似模型试验，首先要对现场工况进行一定程度上的简化和合理假设：①无底柱分段崩落法矿岩散体的流动是一种缓慢移动的非黏性材料的重力流动行为；②矿岩散体材料是非均质的，但各向同性；③散体的流动发生在一个三维空间中；④矿岩散体流动过程中的二次破碎不予考虑；⑤孔隙流体动力学对散体流动的影响不予考虑。

在以上假设基础上，开展现场原位条件与室内模型试验的相似性研究。通过相似理论分析可知，为使得室内相似模型试验与现场原位开采条件几何相似、运动学相似和动力学相似，模型的相似系数λ应满足以下条件：①矿体的几何尺寸、出矿巷道尺寸、矿岩散体的大小与级配等应满足几何相似；②相似模型试验中所采用的矿岩散体的重力加速度和密度指标与现场原位矿岩散体相同，即λg=λρ=1；③时间相似系数λt与长度相似系数满足以下关系：λt=λl1/2；④应力相似系数λσ、λσ与长度相似系数相等，即λσ=λτ=λl；⑤两模型中的剩余摩擦角相同，即λΦr=1；⑥尽量增大墙体的摩擦系数，一般使墙体的摩擦角等于散体材料的内摩擦角，即Φw=Φ。在以上理论分析的基础上，参考Power和Castro的试验结果，验证了本试验所做简化和假设的合理性[6-7]。

1.3 相似模型试验

根据某金矿急倾斜薄矿脉破碎矿体的赋存条件，为了准确模拟原位条件下矿岩散体的流动规律，本试验采用大几何相似比λl(1∶25)来制作试验模型。模型的高度为140 cm，厚度25 cm，宽度24 cm，倾角65°，整体呈平行六面体形态，可装填近300 kg矿石。矿体的宽度为3 m，对应的装矿宽度为12 cm。考虑物理模型的实际尺寸，为分析不同分段高度条件下的放出体形态，本试验散体物料的装填高度尽可能高，矿岩散体装填高度为110 cm，矿石散体70 cm，覆盖岩散体40 cm。试验模型的设计与实物如图2所示。

试验用的矿石散体采用来自矿山现场的绢云母化蚀变岩，试验用的覆盖层散体采用磁铁矿。根据相似性分析与矿山现场原位调查结果可知，当制作的试验用散体物料的性质满足以下条件即可达到重力放矿模拟试验的相似性要求，并按照以下要求制作试验用散体材料。条件如下：①散体物料的直径范围为0.12λl～0.375λlm；②散体的剩余摩擦角应在35°～40°范围内；③散体物料的容积密度应在2.0×103kg/m3左右，孔隙度近似为10%；④散体颗粒的粒级组成如图3所示。

图2 相似试验模型Fig.2 Similar test model

图3 散体材料粒级组成Fig.3 Granular composition of granular materials

试验中为了便于分选和观察，采用不同颜色区分矿石、废石和标志颗粒，灰色颗粒为矿石，黑色颗粒为覆盖岩石，黄色颗粒为标志颗粒。出矿巷道的位置依据沿走向的无底柱分段崩落法进路布置方式，紧靠下盘边壁布置，矿岩散体装填高度为110 cm，矿石散体70 cm，覆盖岩散体40 cm。标志颗粒分层摆放，为提高试验精度，每10 cm摆放一层标志颗粒共摆放8层，见图4。待模型装填完毕后，自底部放矿口，采用人工方式进行放矿。放矿过程中记录放出的标志颗粒编号及对应的放出矿量和累计放出矿量，当顶部的覆盖层散体自放矿口放出时，停止放矿工作。

2 相似模型试验结果

图4 散体物料装填和标志颗粒摆放Fig.4 Bulk material filling and markingparticle placement

图5 放出体的三维形态Fig.5 The three-dimensional shape of the isolatedextraction zone

放出体的确定是矿岩散体流动规律研究的基本内容，为了准确表达出放出体的三维形态，基于相似物理模型试验结果，采用样条函数空间内插的方法，建立放出体的三维模型。该方法的应用，保证了放出体空间上的边界特征及相邻曲面之间的连续与光滑，提高了空间内插点的精度。所得到的试验三维放出体形态如图5所示。定义放出体的高度方向为Z轴，垂直矿体走向方向为X轴，矿体的走向方向为Y轴。分别绘制沿矿体走向不同X轴位置处的剖面图以及垂直矿体走向不同Y轴位置处的剖面图，见图6和图7。

从图6和图7中可以看出，在倾斜边壁窄小空间条件下放矿，其放出体形态不再是对称形体，也不再是椭球体或椭球体缺，随着累计放出矿量的增加，受倾斜边壁和窄小空间的限制，改变了矿岩散体的运动轨迹，导致放出体形态发生变异。由图6可以看出，受倾斜边壁影响，放矿过程中矿岩散体的流轴迅速向矿体上盘壁面靠近，放出体呈“侵入状”沿上盘壁面迅速发育。由图7可以看出，在该方向上放出体形态与传统的端部放矿放出体形态相类似。当放出体高度达到70 cm时，放出矿量为6 628 g，放出体沿走向方向最大宽度为11.7 cm。

图6 垂直矿体走向的放出体剖面Fig.6 The isolated extraction zone sectional view of vertical orebody strike

图7 沿矿体走向的放出体剖面Fig.7 The isolated extraction zone sectional view of strike along the ore body

3 崩落矿岩散体的流动规律

3.1 放出体宽度的确定

试验中放出体宽度与累计放出矿量间的曲线关系如图8所示。随着放出矿量的增加，放出体宽度也随之增大，但放出体宽度的增长率随之降低。根据传统的底部放矿和端部放矿试验结论可知，当放出体高度达到一定值时，放出体宽度将不再继续增加[8]。因此，可将放出体宽度与累计放出矿量间的关系总结如下：①当累计放出矿量增加时，放出体宽度值也随之增大，但放出体宽度的增长率逐渐降低；②放出体宽度与累计放出矿量间的关系满足负指数函数关系；③单漏斗放矿条件下放出体宽度存在极大值。

图8 放出体宽度与累计放出矿量的关系Fig.8 The relationship between the width of isolatedextraction zone and the cumulative amount ofdrawing ore

图9 放出体高度与累计放出矿量的关系Fig.9 The relationship between the height of isolatedextraction zone and the cumulative amount ofdrawing ore

3.2 放出体高度的确定

试验中放出体高度与累计放出矿量间的曲线关系如图9所示。随着放出矿量增加，放出体高度逐渐增加，但放出体高度的增长率相应降低。根据放出体宽度存在极大值的结论可以推论，当放出体宽度不变时，放出体高度的增长率保持恒定，因此放出体高度与累计放出矿量之间满足负指数函数和线性函数的关系。当累计放出矿量较小时，其满足负指数函数的关系；当累计放出矿量达到一定值时，放出体宽度不变，放出体高度与累计放出矿量间呈线性函数关系。

3.3 崩落矿岩散体移动区域划分

依据以上试验结果可知，在倾斜边壁窄小空间条件下，崩落矿岩散体的移动规律受放矿口与倾斜边壁的相对位置关系影响，放矿过程中一部分散体物料被倾斜边壁阻隔，使得矿岩散体放出后其上部的补给源增加了斜壁方向的体积流，以维持放矿的持续进行。根据放矿过程中放出体的发育特征，可以将放矿过程中散体的移动区分为三个部分：放矿口控制区、过渡区和倾斜边壁控制区，见图10和图11。图10中用ZL和ZD来表示三个区域的具体范围。

图10 放矿过程中的散体移动区域划分Fig.10 Classification of broken rock movingareas during ore drawing

图11 放矿过程中的散体移动区域确定Fig.11 Determination of broken rock movingareas during ore drawing

1) 放矿口控制区：该区域内散体的移动仅受放矿口控制，与传统的端部放矿条件下矿岩散体的移动规律类似。由放出体的发育特征可以确定，本试验中ZL=10 cm，即在放矿口之上10 cm范围内为放矿口控制区。

2) 倾斜边壁控制区：在该区域内，矿岩散体的流动主要受倾斜边壁以及窄小空间条件控制，该区域内散体流动的主要特征是当每一层面上散体颗粒移动概率最大的点距离斜壁面的距离相同时即可认为该层面处于倾斜边壁控制区。根据试验结果可知，本试验中ZD=32 cm，即当距离放矿口高度为32 cm时，其上部区域散体的流动仅受倾斜边壁以及窄小空间条件控制，属于倾斜边壁控制区。

3) 过渡区：在该区域内矿岩散体的流动既受到下部放矿口的影响，又受到倾斜边壁的影响，但是随着离放矿口距离的增加，散体流动受放矿口的影响越小，受倾斜边壁的影响越大。在本试验中过渡区的范围为10 cm

根据崩落矿岩散体的移动区域划分可知，当放出体高度超过过渡区后，随着累计放出矿量的增加，矿体下盘侧的损失矿量也逐渐增大。因此，在急倾斜薄矿脉条件下采用无底柱分段崩落法开采，分段高度不宜超过其过渡区。在本试验中，对应的现场原位分段高度为10 m。

4 结 论

1) 倾斜边壁窄小空间条件下放矿，受倾斜边壁影响，放矿过程中矿岩散体的流轴迅速向矿体上盘壁面靠近，放出体发生变异，呈“侵入状”沿上盘倾斜边壁发展。

2) 得到了放出体宽度与累计放出矿量间的关系。随着累计放出矿量的增加，放出体宽度按负指数函数关系增大，并存在极大值。

3) 得到了放出体高度与累计放出矿量间的关系。随着累计放出矿量的增加，放出体高度先按负指数函数增大，当放出体宽度达到极大值时，放出体高度按线性函数增大。

4) 依据不同累计放出矿量所对应的放出体形态特征，将放矿过程中的矿岩散体流动区域划分为放矿口控制区、过渡区和倾斜边壁控制区三个典型区域，并由试验得到了放矿口控制区范围为Z<10 cm，过渡区范围为10 cm≤Z<32 cm，倾斜边壁控制区范围为Z≥32 cm。