大結構參數無底柱分段崩落法的發展及設備需求

丁航行，任鳳玉

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110004)

無底柱分段崩落法以安全高效的開采特點，從20世紀60年代引入我國后，在地下鐵礦山獲得迅速推廣，并很快成為主體采礦方法。近年來，隨著采礦設備的發展，無底柱分段法的采場結構參數在不斷增大，大結構參數開采已成為目前無底柱分段法的主要發展趨勢。生產實踐表明，加大采場結構參數，不僅可增大開采強度與生產效率，而且可降低采礦成本與改善安全生產條件，因此，在應用無底柱分段崩落法的鐵礦山，尤其在露天轉地下與深部開采中，對大結構參數開采的需求越來越迫切。然而，在目前生產條件下，許多厚大礦體與急傾斜中厚礦體，采場結構參數遠沒有增大到理想程度，尚需進一步增大采場結構參數，以實現經濟效益與礦石回采率的最大化。為此，急需研究大結構參數無底柱分段崩落法的發展方向，探討采礦工藝與設備的協同發展問題，以加快我國采礦技術的現代化步伐。

1 厚大礦體大結構參數開采

我國厚大礦體應用無底柱分段崩落法的礦山較多，如梅山鐵礦、大紅山鐵礦和鏡鐵山鐵礦等，隨著大型露天礦轉入地下開采，厚大礦體應用無底柱分段崩落法開采的礦山越來越多，此類礦體應用無底柱分段崩落法開采的特點是:回采面積大，在從上往下逐分段開采中，上部分段的回采可以為下部分段卸壓，從而允許較大的進路斷面，適合于采掘設備的大型化，采場結構參數也是越大越好。

瑞典Kiruna鐵礦為目前應用大結構參數開采最成功的礦山，該礦是無底柱分段崩落采礦法的發源地，也是在國際上應用無底柱分段崩落法采礦中一直起引領作用的典型礦山[1-3]。該礦的礦體走向長4km，平均厚80m，深2km，傾角平均70°，采場結構參數的變化過程中如表1所示，進入20世紀90年代末，分段高度增到28.5～30m(圖1)。目前該礦正在試驗分段高度30m，進路間距37m的雙進路采場結構。結構參數的增加大幅度地提高了采礦強度，降低了采準工程量和采礦成本，目前該礦年產鐵礦石約2300萬t，井下職工勞動生產率19500t/人·a。

表1 Kiruna鐵礦參數改進沿革

圖1 Kiruna鐵礦采場結構參數發展

Kiruna等國外鐵礦大結構參數成功的應用，使得國內許多礦山相繼開展了試驗研究和應用(表2)。梅山鐵礦采場結構參數逐步從10m×10m(分段高度×進路間距)，改進到15m×20m，一次崩礦量達到了3600t，取得了顯著的經濟效益[4]。北洺河鐵礦實施大結構參數無底柱分段崩落法后，采準系數由原來的3.6m/kt減小到2.07m/kt，由此節約了大量的采準工程量，提高了產能。在礦床地質與水文地質條件均比較復雜的條件下，實現了比設計提前1年達產，創造了國內地下大型金屬礦山投產后一年零7個月即達產的歷史記錄。眼前山鐵礦1號主礦體走向長1747m，厚75～225m，平均133m，傾角75°～90°，正在露天轉地下開采，地下應用無底柱分段崩落法采礦，設計分段高度18m，進路間距20m，設計生產能力由露天開采的300萬t/a增大到地下開采的800萬t/a。由此可見，加大采場結構參數后，無底柱分段崩落法的生產能力與生產效率都得以大幅度增加，已成為高強度開采方法。

表2 國內代表性礦山采場結構參數表

結構參數的加大引發了對高性能鑿巖和裝藥設備的需求，針對大結構參數高效開采，目前鑿巖設備已基本滿足各種不同深度炮孔的要求，但在鑿巖功率和精度控制方面還有待加強。通過爆破模擬試驗得出，增大炮孔直徑，有利于生產中調整與控制爆破方向[5]，而炮孔直徑的加大對鑿巖設備的功率提出了要求，在國外比較有代表性的該類型設備如Atlas Copco生產的Simba W469液壓鑿巖臺車，鉆鑿直徑115mm的扇形炮孔，實際鉆孔能力可達10萬m/a；同時當鉆孔越來越深時，炮孔極易發生偏斜，偏斜較大時，嚴重影響著爆破效果。近年來，國外根據多年研究，取得一些進展[6]。Sandvik公司研制了復合釬具組，Atlas Copco公司研制成了綜合鑿巖設備，實現了高精度鑿巖，24m深炮孔，炮孔偏斜在0.5°以內[7]。在這些方面，國產的鑿巖設備與國際先進水平仍有很大的差距，未來改進空間較大。

而目前限制大結構參數在國內進一步發展的主要障礙是裝藥設備，大量礦山還是采用上世紀70年代開發的風動裝藥器裝填粉粒狀炸藥，該類型裝藥器勞動強度極大，裝藥效率和密度低，藥粉灑落嚴重，污染井下作業環境。并且當上向孔孔深超過20m時，裝藥非常困難；孔深達到30m左右時，幾乎無法裝填炸藥[8]。隨著井下無軌設備的發展，出現了井下裝藥車，該設備集原料運輸、炸藥混制、炮孔裝填于一體，具有裝藥效率高，爆破效果好、成本低等優點。國外有瑞典、芬蘭、加拿大、美國和俄羅斯等國家生產各種型號的裝藥車，在地下礦山應用取得了較好效果[9]。其中比較有代表性的是瑞典Nitro Nobel公司的EG-33型自動裝藥車，最大裝藥孔深50m，可以舉升翻轉、安放和抓取輸藥軟管，往炮孔中拔送，同時整個裝藥系統作業均可實現遙控作業。由于技術含量較高，現在國內可供選擇的地下裝藥車類型較少，主要有北京礦冶研究總院的BCJ系列和長沙礦山研究院研制的JFZ600型等。雖然地下裝藥車研制取得了一些進展，但仍然存在一些問題，如品種規格數量少，工作可靠性差，返藥情況普遍存在，現場制備炸藥指標不夠等。由于這些問題的存在，目前還沒有得到推廣應用。為滿足大結構參數高效開采的需求，裝藥車還得在裝藥設備與炸藥匹配、加強裝藥能力和裝藥密度、返藥的控制、輸藥管機械化、炸藥配方的可靠性和多樣性等方面進行深入的研究[10]。

總體來說，在厚大礦體應用無底柱分段崩落法開采中，國內礦山的結構參數已有了長足的發展。但隨著采礦設備的進步，大結構參數仍有很大的發展空間。目前制約采場結構參數進一步增大的瓶頸環節是裝藥車，研發適合我國礦山條件的裝藥車，是厚大礦體進一步增大采場結構參數的當務之急。

2 急傾斜中厚礦體大結構參數開采

急傾斜中厚礦體由于崩落礦石有較好的移動空間條件，適宜采用無底柱分段崩落法高效開采。但這種礦體條件的分段回采面積較小，一般上分段開采不能為下分段的回采進路充分卸壓，而且隨采深增大，采動壓力不斷增大，為此采準工程的穩定性問題，往往成為礦山生產的主要問題之一。此外，受上下盤圍巖制約，這類礦體的爆破夾制力較大，需要鉆鑿較多的炮孔。

為減小炮孔深度，這類礦體回采時通常將沿脈回采進路布置在礦體的中部，結果造成較大的礦石貧化率。為降低礦石貧化率，需要改進采場結構，采用圖2所示的進路布置形式，使崩落體和殘留體的總體形態，與放出體形態接近。

圖2 回采進路布置形式的改進

改進采場結構后，落礦炮孔的深度增大許多。以傾角80°，水平厚度15m礦體為例，當分段高度15m時，采用改進的采場結構后，上盤側炮孔最大深度約32m(圖3)。上盤側進路承受礦山壓力大，適合采取較小的斷面尺寸，以利于巷道的穩定性。但需要鉆鑿炮孔的深度大，從而對鑿巖和裝藥設備提出了較高的要求，不僅要求功率大，而且要求工作空間小，能夠適應于較小斷面的巷道內作業。

圖3 增大分段高度后的炮孔深度

在這種條件下，需要選擇或開發體積較小而功率較大的采掘設備，其中掘進臺車和鏟運機可供選擇的型號較多；而中深孔鑿巖臺車由于工作斷面一般較大，可供選擇的型號較少；而適宜斷面的裝藥車則更少，需要大力研發?，F今Atlas Copco公司生產的Boomer K41X、Boomer S1 D、Boomer M1 C，Sandvik公司產的DD210、DD311等型掘進臺車，均可適宜掘進3.0m×3.0m的巷道斷面；中深孔鑿巖臺車有Sandvik公司產的DL311、DL431型和Cubex系列等，需要約3.2m×3.2m的巷道斷面，鑿巖深度均能達到32m的要求；鏟運機可供選擇的類型較多，Sandvik公司產的LH203、LH307、LH203E和LH306E等型號，Atlas Copco公司生產的EST2D、ST1030等型號，出礦能力較強，需要斷面也較小。

3 結論

1) 我國可獲得的資源豐度不足，對高效開采需求迫切，而無底柱分段崩落法以安全高效的開采特點，成為地下鐵礦山的主體高效采礦方法，近年隨著大功率采掘設備的投入使用，加大采場結構參數已成為主要發展趨勢。

2) 對于厚大礦體，目前制約大結構參數開采的主要瓶頸是裝藥設備，結合國內礦山條件，應大力發展裝藥臺車。

3) 對于急傾斜中厚礦體，大結構參數開采的發展對設備依賴程度更大，受采動地壓與采場結構的限制，對掘進、中深孔鑿巖和裝藥設備的體積與功率都提出了的更高的要求，需要選擇或開發體積較小功率較大的采掘設備。

[1]White Lane.New haulage level at kiruna,Sweden,has massive capacity and a design for long Life[J].Engineering and Mining Journal,1978,179(6):171-179.

[2]Henry Emmanuel,Dahner-lindqvist C.Footwall stability at the LKAB's Kiruna sublevel caving operation,Sweden[J].Australasian Institute of Mining and Metallurgy PU,2000(7):527-533.

[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]范慶霞．梅山鐵礦采用大型大間距采場結構參數的探討[J]．礦業工程，2004，2(2)：25-28．

[5]任鳳玉，王文杰，韓智勇．無底柱分段崩落法扇形炮孔爆破機理研究與應用[J]．東北大學學報：自然科學版，2006，27(11)：1267-1270．

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

[7]趙昱東．液壓鑿巖設備的發展概況及趨勢[J]．現代礦業，2010(4)：11-16．

[8]李翀，李文倩，黃小偉．井下上向中深孔粉粒狀炸藥裝藥車的研制[J]．礦業研究與開發，2010(6)：93-95．

[9]趙昱東．介紹國內外幾種主要裝藥設備的性能[J]．鈾礦開采，1990(4)：46-52．

[10]趙昱東．井下用銨油炸藥裝藥機械現狀和發展[J]．爆破器材，1990(5)：24-28．