罗卜岭铜钼矿自然崩落法安全开采方案研究

刘 欢 任凤玉 付 毅 邱胜光

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.紫金矿业集团股份有限公司，福建龙岩364200）

自然崩落法起源于19 世纪末美国密歇根州Menominee Ranges 铁矿，随后在美国的Pewabic 铁矿首次得到应用与发展［1］。经过100 多年的不断发展，该方法已在美国、智利、印度尼西亚、南非、澳大利亚、加拿大等20 多个国家的矿山中得到了应用与研究［2］。20 世纪60 年代以前，自然崩落法主要用于开采松软破碎不稳固的矿体，随着岩体力学、岩体可崩性、散体移动规律、支护技术、自然崩落法开采工艺等技术和理论的不断发展与完善，以及无轨自行设备的普遍使用，该方法已被用于开采坚硬稳固的厚大矿体，如Palabora 铜矿、Premier 金刚石矿、Northparks E26 铜金矿等［3］。目前，针对低品位破碎软岩、低品位硬岩或其它难以用常规方法实现经济开采的大规模矿床，自然崩落法是一种有效选择。

我国于20 世纪60 年代在云南易门铜矿、山东莱芜铁矿开展过自然崩落法的采矿试验，用于开采松软破碎矿体［4］。20 世纪80 年代以来，国内许多科研单位分别在金山店铁矿［5］、镜铁山铁矿［6］、漓渚铁矿［7］、丰山铜矿［8］、金川三矿［9］、黄山铜镍矿［10］、铜矿峪铜矿［11-12］、普朗铜矿［13-14］等矿山开展了自然崩落法的试验研究。虽然我国自然崩落法在工程实践方面取得了一定的进展，但是自然崩落法的试验、生产在我国仅仅处于起步阶段［4］，实践经验和生产管理等方面仍有许多不足，国内可供参考、借鉴的矿山工程经验较少，自然崩落法在我国矿山的应用还有许多亟待解决的技术难题。

自然崩落法是一种大规模和低成本的采矿方法［15］，具有生产能力大、便于组织管理、作业安全、开采成本低、易于实现自动化等优点，是唯一能与露天矿开采经济效益相媲美的高效地下采矿工艺［4］。然而，该方法也是开采技术含量较高且对矿床地质条件要求较严格的采矿工艺之一，要求矿体具有良好的可崩性，在可崩性不能完全满足的条件下，对于厚大矿体，冒落大块的控制与处理技术，就成为事关自然崩落法能否成功应用的关键技术之一。本研究结合罗卜岭铜钼矿矿床条件，在岩体可崩性分级及可崩性三维空间模型构建的基础上，研究冒落块度的控制与处理方法，进而设计出自然崩落法安全开采方案。

1 地质概况

罗卜岭铜钼矿属斑岩型矿床，主要矿石矿物为黄铜矿和辉钼矿。铜钼矿化主要赋存于中寮岩体（似斑状花岗闪长岩）上部的四坊岩体（花岗闪长岩）和罗卜岭岩体（花岗闪长斑岩）内，并受（弱）钾化—绢英岩化蚀变带和（弱）绿泥石化—绢英岩化蚀变带控制。根据金属矿物组合、矿化特征及空间分布位置，区内共划分出4个矿体，自下而上分别为Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号和Ⅳ号矿体，矿体形态如图1所示。矿体空间上基本为隐伏矿体（局部出露地表），最高出露标高561 m，最低见矿标高-345 m，矿体控制长度约2 885 m，宽约1 000 m，展布面积约2.14 km2。矿体空间形态总体呈马鞍状向外侧展布，中部矿体平缓，北西和南东侧矿体产状较陡，倾角主要为50°～60°；北东侧矿体产状逐步变缓，倾角小于40°；南西侧矿体近似水平［16］。矿体RQD 值较大，平均约77%。矿区构造应力以水平应力为主，侧压力系数为1.31～1.76。

2 岩体可崩性分级

在矿山开采设计阶段，判定岩体可崩性对于自然崩落法开采方案设计及实施尤为关键［17］，也是矿山达到预期经济效益的重要保证［18-19］。目前，可崩性分级方法众多，不同方法确定的可崩性影响因素及其判定的相互作用关系不同。Barton 等提出的Q 分级法［20-21］，突出了影响因素的相互作用关系，是近年来普遍应用的分级方法。该法综合了岩石质量指标值（RQD）、结构面组数（Jn）、结构面粗糙度系数（Jr）、结构面蚀变影响系数（Ja）、结构面裂隙水折减系数（Jw）和应力折减系数（SRF）等6 个方面因素的影响，计算公式为

以图2 中数据为数据源，以块体模型作为Q 值数据的空间载体，采用距离幂次反比法完成整个矿体空间内未知块体模型的Q 值估值。最小选择样品数为5和最大选择样品数为15，得到矿体Q 值的空间分布见图3。由该图分析可知：Q 值随空间位置变化而发生相邻级别变化，变化幅度不大，这一特点有利于冒落进程与冒落块度控制。

3 自然崩落法安全开采方案

罗卜岭铜钼矿床地质储量大，矿石品位较低，需要规模效益，矿山拟定了5 万t/d 的生产目标。有利的开采条件是矿体规模大，不利的条件是矿体形态比较复杂，厚度与倾角变化大，矿岩可崩性差异大，RQD 值较大，构造应力以水平应力为主。为适应矿体的多态变化、满足安全高效开采需求，需要改进自然崩落采矿法以及实现分区开采。

3.1 底部结构及拉底方法改进

罗卜岭铜钼矿RQD 值大，预计自然崩落法初始冒落块度较大，底部结构需要有足够的放矿能力，方可放出较大块度的矿石。此外，矿石层高度最大达508 m，一个出矿口需放出矿石量近40 万t，为此底部结构还需要有足够的稳定性，需采取强有力的支护和加固措施，且应尽可能减少二次破碎。底部结构工程平面布置形式如图4 所示，穿脉出矿巷道间距30 m，与穿脉巷道成50°角掘进装矿进路，出矿进路采用分支鲱骨式布置方式，从聚矿巷两端铲运矿石，聚矿巷间距15 m。

自然崩落法常用的出矿底部结构和拉底工程如图5（a）所示，本研究采用前进式拉底方式，拉底水平设在出矿水平之上16 m，一般拉底超前20～30 m 为宜，可卸掉聚矿巷压力。在两条出矿巷道之间的上方布置两条平行的拉底巷道，拉底巷道间距为13～17 m。图5（a）所示的标准拉底形式适合于节理裂隙发育的矿体，当节理裂隙不发育时，矿体初始冒落时易产生大块，给生产处理造成困难。为降低初始冒落大块的尺度与大块率，可利用采动压力与散体移动场破碎大块。

利用采动压力与散体移动场破碎大块的方法原理为，根据矿体节理裂隙发育程度，通过增大拉底工程的爆破范围，改善采空区顶板矿体的应力状态，增大采动压力的作用时间，使矿体裂隙扩张，减小初始冒落的大块块度，并利用放矿散体移动场的挤压破碎作用，进一步降低大块尺寸与大块率。具体做法是，根据拉底巷道揭露的矿体节理裂隙发育程度确定拉底方式，当节理裂隙发育时，采用图5（a）所示的标准拉底方式；当矿体节理裂隙中等发育时，拉底工程采用图5（b）所示的炮孔布置形式，改善采空区顶板围岩的应力状态；当矿体节理裂隙不发育时，采用图5（c）所示的双层拉底方式，增加一层拉底巷道，在改善采空区顶板围岩应力状态的同时，利用两个分段的放矿进一步降低大块块度与大块率，保障自然崩落法顺利生产。

3.2 分区开采方案及首采区确定

在地质剖面图上，根据岩体可崩性、矿体形态、矿体底板位置及拉底工程对矿体待崩落范围的控制程度等，确定底部采准工程位置。将底部采准工程接近于同一水平的区域连在一起，构成一个分区；同时，将矿体底板标高变化大的部位也连在一起，作为特殊采区，由此得出如图6所示的分区方案。

首采区选择的原则为：①矿体开采条件好，水平投影面积大、厚度大，应用自然崩法开采的采准系数较低，经济效益较好，以便快速回收开拓投资；②能够快速卸掉矿床构造应力（水平压力），克服矿床水平压力大的不利影响，便于采场地压管理；③一旦个别采场底部结构遭受地压破坏，便于在其下部布置底部结构，回收存于采场内的矿石。按照该原则，选择图6中No.1分区作为首采区，该分区拉底巷道适合布置于-216 m 水平，出矿巷道布置在-232 m 水平，其底部结构位置较低，便于卸掉构造应力。首采区矿体水平面积261 674 m2，周长2 639 m，水力半径为99.16 m。首采区稳定数N 为0.15～1.28（按Q 值转换），由Mathews 稳定图得出首采区矿体发生崩落时的水力半径为16～52 m，首采区水力半径为99.16 m，表明首采区位于崩落区内。

4 结 论

（1）基于岩芯数据建立的罗卜岭铜钼矿Q值三维空间模型，直观显示出Q 值随空间位置变化平缓，相邻矿体可崩性变化幅度不大，这一特点有利于冒落进程与冒落块度控制，加之矿体规模大而微节理发育，适合进行自然崩落法开采。

（2）罗卜岭铜钼矿RQD 值大，预计自然崩落法初始冒落块度较大，采用采动压力与散体移动场破碎大块的方法，提出了针对不同节理裂隙发育程度的拉底方法，从而保障自然崩落法顺利生产。

（3）根据矿体形态与可崩性空间分布，应用改进的自然崩落法，可分为6 区开采，以适应矿体形态变化大、地下开采产能要求高的需求。首采区应选择在位置较低、规模较大的第一采区，以便快速增大产能与卸掉构造应力。