某鐵礦無底柱分段崩落法分段高度的確定

劉國寅，杜德崗，章錦榮，蔣玉清，杜戴光

(昆明坤澤礦業技術有限責任公司，昆明 650224)

隨著現代化采礦工藝的更新及進步，先進的采掘設備逐漸興起，機械化開采減少了勞動力的投入，降低了生產成本。目前，無底柱分段崩落法大多采用大結構參數[1-2]，可減少采切工程量，降低采礦成本，但過大或不合理的結構參數會加大采礦損失貧化率。礦山企業追求低成本和高收益，因此合理的結構參數對礦山生產至關重要。

影響礦山采礦成本及礦石損失貧化指標的主要因素有分段高度、進路間距和崩礦步距[3]。三者存在聯系及制約，它們之間有一個最佳值，能使礦石回收及貧化率達到最佳，任一參數均不能離開另外兩個而單獨存在最佳值。無底柱分段崩落法的結構參數，一般首先確定分段高度，隨之即可確定其它兩者的結構參數[4]。

分段高度的確定不僅僅受鑿巖設備的影響[5]，更應該考慮開采技術條件和礦體穩固性。鑿巖設備直接限制分段高度的大小，而開采技術條件及礦體穩固性會影響鉆孔質量及炮孔成孔率，從而影響爆破效果。爆破效果的好壞直接影響放礦效果，最終影響礦石的損失貧化率[6]。本文礦山水文地質條件和工程地質條件復雜，地下涌水量較大，礦體富水性強、穩固性較差，對礦山開采影響較大。

1 國內礦山無底柱分段崩落法結構參數

國內大型鐵礦大多采用無底柱分段崩落法進行開采，主要特點是鐵礦厚度大，分布范圍廣。采用該方法進行開采具有機械化程度高、生產能力大、采切比小等優點。各礦山的無底柱分段崩落法結構尺寸也不盡相同，其結構尺寸與開采技術條件關系較大。國內部分礦山無底柱分段崩落法結構參數詳見表1[7-10]。

表1 國內部分礦山無底柱分段崩落法結構參數Table 1 Structural parameters of non-pillar sublevel caving method in some domestic mines

從表1可看出，無底柱分段崩落法的分段高度與礦體及上盤圍巖的穩固性有一定的關系，f系數越大，分段高度和進路間距越大，反之則越小。我國使用無底柱分段崩落法的礦山，分段高度一般為8～15 m，實際使用10～13 m的居多。但不同礦山的條件不盡相同，分段高度究竟多高為宜，還有待研究總結。

2 開采技術條件

2.1 水文地質條件

1)地表水對礦床充水的影響

礦區內通過透含水層及導水構造破碎帶的作用，存在相對的水力聯系，構成對深部礦床的間接充水因素。

2)礦體的富水性和導水性對礦床充水的影響

礦石結構疏松，呈多孔狀、蜂窩狀、膠狀、皮殼狀等。常在與矽卡巖接觸部位浸水或滴水，為弱裂隙含水體。礦體的風化程度越高，透水性和富水性越強，近地表的全—強風化礦體一般具有較好的透水性。礦體的節理裂隙越發育，尤其是張性節理的發育密度越大，其透水性和富水性也越強，賦存在斷層破碎帶內的礦體，具有較強透水性和富水性。地下水對礦體的充水影響較大。

2.2 工程地質條件

1)工程地質條件

礦體頂板為全—強風化的軟弱巖組；兩側及底板為透輝石矽卡巖、金云母矽卡巖及硅灰石矽卡巖的軟巖—較軟巖組；礦層屬以似層狀為主軟巖礦床，風化作用強烈，地質構造較發育。工程地質條件屬中等類型。

2)礦巖特性

頂底板巖層結構構造復雜，節理、裂隙發育，質地軟弱，巖石破碎呈細砂狀，穩固性較差。巖層普氏系數f為0.42～2.48，平均1.63。礦層松散、破碎，完整性差，礦石巖芯呈短柱狀、碎塊狀，節理致密，性脆。礦體普氏系數f為1.96～2.75，平均2.36。

3 限制分段高度的因素

分段高度的選取，應全面考慮礦體穩固性、鑿巖設備、采場地壓、爆破質量以及礦石的化學成分和物理性質等[11]。本礦山礦石中的主要化學成分為Fe2O3、Zn、SiO2、Al2O3、FeO、MgO，不含有易凝固或黏結的化學成分，因此可不用考慮礦石化學成分和物理性質。礦體穩固性對采場地壓和爆破質量起著關鍵性作用，因此，影響本礦山分段高度的因素為鑿巖設備和礦體穩固性。

3.1 鑿巖設備

目前，國際國內常用的中深孔鑿巖設備如表2所示[12-14]，平均鉆孔深度為30～32 m。國內最為常用的中深孔鑿巖設備為YGZ90鑿巖機。

依據橢球體放礦理論，繪制出分段高度與炮孔深度的關系，詳見圖1。根據現有中深孔鑿巖設備的平均鉆孔深度，分段高度最高可達20 m。顯然，鑿巖設備不是限制本礦山分段高度的主要因素。

3.2 礦體穩固性

1)礦體穩固性對采場地壓的影響

采場地壓主要在實際生產過程中，對現場進行監測監控，通過監測結果分析論證采場地壓的穩定情況。本礦山礦體穩固性較差，分段高度不宜過低，過低的分段高度會造成鑿巖巷道變形、垮塌。

表2 國內外常用中深孔鑿巖設備Table 2 Commonly used deep-hole drilling equipment at home and abroad

圖1 分段高度與炮孔深度的關系Fig.1 The relationship between the sectional height and the hole depth

2)礦體穩固性對鑿巖爆破的影響

無底柱分段崩落法直接從鑿巖巷道內鑿巖、落礦及出礦，落礦方式為擠壓爆破，崩落的礦石從鑿巖巷道端部放出，爆破效果直接影響礦石的流動性，從而影響放礦效果，最終影響礦石損失貧化。因此，爆破效果對無底柱分段崩落法的損失貧化影響較大。

影響爆破效果的因素很多，主要有爆破參數、施工質量及施工管理。爆破參數可通過生產實踐不斷進行優化，施工管理可通過人為因素進行管控，但施工質量主要受礦體穩固性的限制。本礦山礦巖松散、破碎，穩固性較差，鑿巖施工質量差，炮孔成孔率低，炮孔不規整、變形等。致使裝藥結構發生變化，從而影響爆破效果，造成大塊率高、眉線破壞、推墻及懸頂等，增大了礦石的損失貧化。其實質是爆破效果差，改變了放礦橢球體的位置及大小，增大廢石的混入量及減少礦石的放出量。造成本礦山爆破效果差的主要原因是炮孔施工質量差，應減小炮孔深度，易于快速施工形成炮孔，能對炮孔的完整性進行控制，因此，分段高度不宜過高。

4 分段高度的確定

無底柱分段崩落法的分段高度、進路間距和崩礦步距對礦石損失貧化影響較大，但三者的合理結構尺寸能使損失貧化降到最低。

4.1 分段高度的初選

本礦山地質構造發育，礦體透水性和富水性較強，地表水及地下水對礦體充水影響較大。礦石及巖石結構松散、破碎，穩固性較差，巖石的平均普氏系數為1.63，礦石的平均普氏系數為2.36。利用本礦山礦巖的普氏系數與表1進行比較分析，初步確定分段高度為10 m。

4.2 分段高度的確定

影響本礦山分段高度的主要因素是礦體穩固性。分段高度過高，炮孔深度過大，會引起炮孔變形、損毀，難以對炮孔的完整性進行控制；分段高度過低，會加大采場地壓，造成鑿巖巷道垮塌，同時會增大采切工程量。

對比表1中相類似的生產礦山，比較適宜的分段高度為10 m。近年來，鑿巖設備效率的提高，可適當加大分段高度，減少采礦成本。本礦山構造發育，礦體破碎、富水性強，要求快速鑿巖、爆破，炮孔不宜長時間裸露，鑿巖完畢，應立即進行裝藥爆破，爆破工作必須搶在炮孔變形之前完成。應選用高效率的鑿巖設備，將鉆孔深度控制在鑿巖機最有效的鉆孔范圍內，縮短鑿巖時間，減少炮孔裸露時間。國內目前常使用的中深孔鑿巖設備為YGZ90，其鉆孔深度為30 m，生產實踐表明，該種鑿巖設備鉆孔深度超過20 m時，鑿巖效率急劇下降。

綜上所述：考慮到現代開采技術的提高及先進采礦設備的崛起，分段高度較以往相類似礦山增大2 m，試選用12 m的分段高度，其最大炮孔深度為17.5 m，炮孔深度在鑿巖機的有效鉆孔范圍內。

4.3 實踐與驗證

本礦山按12 m的分段高度進行生產建設，為避免炮孔長時間裸露，造成損毀，采用邊鑿巖邊裝藥爆破的方式。在有斷層破碎帶的區域，根據鉆機的振動及聲音情況，反復進退鉆桿，邊鉆孔邊將孔內巖渣排出，保持鉆孔暢通。在鉆進過程中，孔內巖渣較多，無法排凈時，采用向孔內噴護水泥漿液的方式，待水泥漿液凝固一定的時間后，再進行鉆進，反復交替作業，最終形成鉆孔。

生產實踐表明，12 m的分段高度，鉆孔效率高，能快速成孔，成孔率高，爆破效果好，礦石損失貧化率在合理的范圍內。

5 結論

無底柱分段崩落法的分段高度變化對礦石的損失貧化影響較大，而進路間距在一定范圍內變化，對礦石損失貧化影響不大。因此，應首先確定分段高度，進路間距和崩礦步距依據分段高度確定最佳值，使礦石損失貧化達到最小。

限制分段高度的因素很多，應將開采技術條件和礦體穩固性放在首位，文中礦山礦體穩固性較差，分段高度不宜過大，擬選的12 m分段高度經生產實踐驗證是合理可行的。