大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法的發(fā)展及設(shè)備需求

丁航行，任鳳玉

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

無底柱分段崩落法以安全高效的開采特點(diǎn)，從20世紀(jì)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(shè)備的發(fā)展，無底柱分段法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)在不斷增大，大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采已成為目前無底柱分段法的主要發(fā)展趨勢。生產(chǎn)實(shí)踐表明，加大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅可增大開采強(qiáng)度與生產(chǎn)效率，而且可降低采礦成本與改善安全生產(chǎn)條件，因此，在應(yīng)用無底柱分段崩落法的鐵礦山，尤其在露天轉(zhuǎn)地下與深部開采中，對大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采的需求越來越迫切。然而，在目前生產(chǎn)條件下，許多厚大礦體與急傾斜中厚礦體，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)遠(yuǎn)沒有增大到理想程度，尚需進(jìn)一步增大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與礦石回采率的最大化。為此，急需研究大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法的發(fā)展方向，探討采礦工藝與設(shè)備的協(xié)同發(fā)展問題，以加快我國采礦技術(shù)的現(xiàn)代化步伐。

1 厚大礦體大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采

我國厚大礦體應(yīng)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(zhuǎn)入地下開采，厚大礦體應(yīng)用無底柱分段崩落法開采的礦山越來越多，此類礦體應(yīng)用無底柱分段崩落法開采的特點(diǎn)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(jìn)路斷面，適合于采掘設(shè)備的大型化，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)也是越大越好。

瑞典Kiruna鐵礦為目前應(yīng)用大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采最成功的礦山，該礦是無底柱分段崩落采礦法的發(fā)源地，也是在國際上應(yīng)用無底柱分段崩落法采礦中一直起引領(lǐng)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(jié)構(gòu)參數(shù)的變化過程中如表1所示，進(jìn)入20世紀(jì)90年代末，分段高度增到28.5～30m(圖1)。目前該礦正在試驗(yàn)分段高度30m，進(jìn)路間距37m的雙進(jìn)路采場結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加大幅度地提高了采礦強(qiáng)度，降低了采準(zhǔn)工程量和采礦成本，目前該礦年產(chǎn)鐵礦石約2300萬t，井下職工勞動生產(chǎn)率19500t/人·a。

表1 Kiruna鐵礦參數(shù)改進(jìn)沿革

圖1 Kiruna鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展

Kiruna等國外鐵礦大結(jié)構(gòu)參數(shù)成功的應(yīng)用，使得國內(nèi)許多礦山相繼開展了試驗(yàn)研究和應(yīng)用(表2)。梅山鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)逐步從10m×10m(分段高度×進(jìn)路間距)，改進(jìn)到15m×20m，一次崩礦量達(dá)到了3600t，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[4]。北洺河鐵礦實(shí)施大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法后，采準(zhǔn)系數(shù)由原來的3.6m/kt減小到2.07m/kt，由此節(jié)約了大量的采準(zhǔn)工程量，提高了產(chǎn)能。在礦床地質(zhì)與水文地質(zhì)條件均比較復(fù)雜的條件下，實(shí)現(xiàn)了比設(shè)計(jì)提前1年達(dá)產(chǎn)，創(chuàng)造了國內(nèi)地下大型金屬礦山投產(chǎn)后一年零7個(gè)月即達(dá)產(chǎn)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(zhuǎn)地下開采，地下應(yīng)用無底柱分段崩落法采礦，設(shè)計(jì)分段高度18m，進(jìn)路間距20m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù)后，無底柱分段崩落法的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效率都得以大幅度增加，已成為高強(qiáng)度開采方法。

表2 國內(nèi)代表性礦山采場結(jié)構(gòu)參數(shù)表

結(jié)構(gòu)參數(shù)的加大引發(fā)了對高性能鑿巖和裝藥設(shè)備的需求，針對大結(jié)構(gòu)參數(shù)高效開采，目前鑿巖設(shè)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(qiáng)。通過爆破模擬試驗(yàn)得出，增大炮孔直徑，有利于生產(chǎn)中調(diào)整與控制爆破方向[5]，而炮孔直徑的加大對鑿巖設(shè)備的功率提出了要求，在國外比較有代表性的該類型設(shè)備如Atlas Copco生產(chǎn)的Simba W469液壓鑿巖臺車，鉆鑿直徑115mm的扇形炮孔，實(shí)際鉆孔能力可達(dá)10萬m/a；同時(shí)當(dāng)鉆孔越來越深時(shí)，炮孔極易發(fā)生偏斜，偏斜較大時(shí)，嚴(yán)重影響著爆破效果。近年來，國外根據(jù)多年研究，取得一些進(jìn)展[6]。Sandvik公司研制了復(fù)合釬具組，Atlas Copco公司研制成了綜合鑿巖設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高精度鑿巖，24m深炮孔，炮孔偏斜在0.5°以內(nèi)[7]。在這些方面，國產(chǎn)的鑿巖設(shè)備與國際先進(jìn)水平仍有很大的差距，未來改進(jìn)空間較大。

而目前限制大結(jié)構(gòu)參數(shù)在國內(nèi)進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙是裝藥設(shè)備，大量礦山還是采用上世紀(jì)70年代開發(fā)的風(fēng)動裝藥器裝填粉粒狀炸藥，該類型裝藥器勞動強(qiáng)度極大，裝藥效率和密度低，藥粉灑落嚴(yán)重，污染井下作業(yè)環(huán)境。并且當(dāng)上向孔孔深超過20m時(shí)，裝藥非常困難；孔深達(dá)到30m左右時(shí)，幾乎無法裝填炸藥[8]。隨著井下無軌設(shè)備的發(fā)展，出現(xiàn)了井下裝藥車，該設(shè)備集原料運(yùn)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(yōu)點(diǎn)。國外有瑞典、芬蘭、加拿大、美國和俄羅斯等國家生產(chǎn)各種型號的裝藥車，在地下礦山應(yīng)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(zhuǎn)、安放和抓取輸藥軟管，往炮孔中拔送，同時(shí)整個(gè)裝藥系統(tǒng)作業(yè)均可實(shí)現(xiàn)遙控作業(yè)。由于技術(shù)含量較高，現(xiàn)在國內(nèi)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(jìn)展，但仍然存在一些問題，如品種規(guī)格數(shù)量少，工作可靠性差，返藥情況普遍存在，現(xiàn)場制備炸藥指標(biāo)不夠等。由于這些問題的存在，目前還沒有得到推廣應(yīng)用。為滿足大結(jié)構(gòu)參數(shù)高效開采的需求，裝藥車還得在裝藥設(shè)備與炸藥匹配、加強(qiáng)裝藥能力和裝藥密度、返藥的控制、輸藥管機(jī)械化、炸藥配方的可靠性和多樣性等方面進(jìn)行深入的研究[10]。

總體來說，在厚大礦體應(yīng)用無底柱分段崩落法開采中，國內(nèi)礦山的結(jié)構(gòu)參數(shù)已有了長足的發(fā)展。但隨著采礦設(shè)備的進(jìn)步，大結(jié)構(gòu)參數(shù)仍有很大的發(fā)展空間。目前制約采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步增大的瓶頸環(huán)節(jié)是裝藥車，研發(fā)適合我國礦山條件的裝藥車，是厚大礦體進(jìn)一步增大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的當(dāng)務(wù)之急。

2 急傾斜中厚礦體大結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jìn)路充分卸壓，而且隨采深增大，采動壓力不斷增大，為此采準(zhǔn)工程的穩(wěn)定性問題，往往成為礦山生產(chǎn)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(shí)通常將沿脈回采進(jìn)路布置在礦體的中部，結(jié)果造成較大的礦石貧化率。為降低礦石貧化率，需要改進(jìn)采場結(jié)構(gòu)，采用圖2所示的進(jìn)路布置形式，使崩落體和殘留體的總體形態(tài)，與放出體形態(tài)接近。

圖2 回采進(jìn)路布置形式的改進(jìn)

改進(jìn)采場結(jié)構(gòu)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(dāng)分段高度15m時(shí)，采用改進(jìn)的采場結(jié)構(gòu)后，上盤側(cè)炮孔最大深度約32m(圖3)。上盤側(cè)進(jìn)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(wěn)定性。但需要鉆鑿炮孔的深度大，從而對鑿巖和裝藥設(shè)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(yīng)于較小斷面的巷道內(nèi)作業(yè)。

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(fā)體積較小而功率較大的采掘設(shè)備，其中掘進(jìn)臺車和鏟運(yùn)機(jī)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(fā)。現(xiàn)今Atlas Copco公司生產(chǎn)的Boomer K41X、Boomer S1 D、Boomer M1 C，Sandvik公司產(chǎn)的DD210、DD311等型掘進(jìn)臺車，均可適宜掘進(jìn)3.0m×3.0m的巷道斷面；中深孔鑿巖臺車有Sandvik公司產(chǎn)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(dá)到32m的要求；鏟運(yùn)機(jī)可供選擇的類型較多，Sandvik公司產(chǎn)的LH203、LH307、LH203E和LH306E等型號，Atlas Copco公司生產(chǎn)的EST2D、ST1030等型號，出礦能力較強(qiáng)，需要斷面也較小。

3 結(jié)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(diǎn)，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(shè)備的投入使用，加大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)已成為主要發(fā)展趨勢。

2) 對于厚大礦體，目前制約大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采的主要瓶頸是裝藥設(shè)備，結(jié)合國內(nèi)礦山條件，應(yīng)大力發(fā)展裝藥臺車。

3) 對于急傾斜中厚礦體，大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采的發(fā)展對設(shè)備依賴程度更大，受采動地壓與采場結(jié)構(gòu)的限制，對掘進(jìn)、中深孔鑿巖和裝藥設(shè)備的體積與功率都提出了的更高的要求，需要選擇或開發(fā)體積較小功率較大的采掘設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)的探討[J]．礦業(yè)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(jī)理研究與應(yīng)用[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(shè)備的發(fā)展概況及趨勢[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，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(yè)研究與開發(fā)，2010(6)：93-95．

[9]趙昱東．介紹國內(nèi)外幾種主要裝藥設(shè)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(jī)械現(xiàn)狀和發(fā)展[J]．爆破器材，1990(5)：24-28．