眼前山鐵礦礦巖崩落塊度預測研究

李 光, 劉育明, 范文錄, 范立鵬, 陳小偉, 陳曉云, 解治宇, 顧秀華

(1.鞍鋼集團礦業有限公司眼前山分公司, 遼寧 鞍山 114001； 2.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；3.鞍鋼集團礦業有限公司, 遼寧 鞍山 114001)

1 前言

眼前山主要礦體呈厚層狀產出，控制礦體走向延長1 686m，傾向延伸105～895m，平均延伸629m，水平厚度28～225m，平均115m。中、西礦段位于Fm-1斷裂以西部分，其傾向為NE，傾角70°～85°。中、西礦段礦層厚，較為穩定，且礦體近直立成塊狀。在Fm-1斷裂以東礦體傾向SW，傾角74°～86°，局部礦體直立。礦體產狀穩定，礦區構造復雜程度簡單，斷層斷距不大，礦體連續性較好，對礦體穩定程度無影響。根據眼前山鐵礦體的礦體形態與產狀特征，設計采用自然崩落法開采。

自然崩落法的生產總體上是否成功和盈利很大程度上取決于礦體在崩落過程中巖塊的塊度。塊度對設計和工藝參數的影響通常包括放礦點的尺寸和間距、設備的選擇、放礦速度和生產成本等，因此崩落塊度預測成為自然崩落法研究過程中尤為重要的一環[1]。

2 塊度預測方法

礦石塊度預測是以巖體構造調查結果為基礎進行統計分析，再結合地應力、礦巖強度、節理力學性質等影響因素建立塊度模型，從而計算出礦石塊度組成。預測礦石塊度的方法可分為間接法、圖像法和節理網絡模擬法[2-3]。

2.1 間接法

間接法是根據巖體特性參數對崩落礦石塊度進行定性評價的一種方法，是一種比較接近經驗的預測手段。比如根據巖石RQD值的大小，將巖石分為五類，RQD值越大，巖石穩固性越好，可崩性越差，塊度越大。其他還有RMR巖體分級法、MRMR法等[4-5]。

2.2 圖像法

隨著計算機技術及圖像處理技術的發展，從20世紀80年代末開始，圖像分析法逐漸被用來評價礦巖塊度的分布。其基本思想是對礦堆圖像分割后得到礦巖塊體在攝影平面上的二維投影輪廓，然后通過一定的重構技術，實現由二維向三維擴展，獲得三維塊體的塊度分布。圖像法的缺點是對于同一礦巖塊體樣本集合，不同形狀假設所得到的塊度分布有很大的差異，且都與塊度的真實分布有一定的偏差。

2.3 節理網絡模擬法

節理網絡模擬法就是一種根據節理空間展布狀態及節理面條件的統計分析結果，采用Monte Carlo模擬技術模擬節理面對巖體的切割情況，并利用有關崩落和放礦過程的力學知識，預測崩落礦石塊度的分布[6-7]。BCF(Block Cave Fragmentation)系統由Dr D H Laubscher在與A R Guest和P J Bartlett的合作中提出[8-9]，該系統用簡化的技術來確定原始塊度，并用經驗法則來預測崩落塊度和放出塊度。該系統首先在南非的一家礦山進行了應用，后來又進行了改進，并用于Palabora礦山自然崩落法可行性研究。BCF是目前在自然崩落法塊度預測中用的最多的一套系統。

BCF系統對礦巖塊度預測包括2個階段：

(1)根據巖石強度、節理產狀、間距等統計數據和區域應力計算初始塊度。

(2)通過考慮塊體的高寬比、塊體強度、崩落壓力、崩落過程中成拱作用產生的應力、出礦速率及崩落高度等計算出礦塊度。

3 眼前山鐵礦礦巖塊度預測

根據眼前山鐵礦不同區域礦體可崩性評價結果可知，東部礦體由于節理裂隙不發育，可崩性最差，而中部礦體可崩性較好，西部礦體的節理裂隙發育，可崩性最好。因此，采用BCF系統分別對東部礦體、中部礦體和西部礦體崩落塊度進行預測。

3.1 初始塊度預測

根據眼前山鐵礦現場結構面調查成果，不同區域礦體的結構面特征總結如下。

1) 東部礦體

主要有3組優勢節理面，但節理都不發育，尤其是緩傾角節理非常少，產狀為：

① 第一組：產狀22°∠76°，節理密度為0.88條/m；

② 第二組：產狀125°∠81°，節理密度為0.67條/m；

③ 第三組：產狀274°∠33°，節理密度為0.56條/m。

2) 中部礦體

中部礦體主要發育有3組優勢節理面，其產狀基本與東部礦體相近，產狀為：

① 第一組：產狀18°∠73.5°，節理密度為1.2條/m；

② 第二組：產狀113°∠80°，節理密度為1.8條/m；

③ 第三組：產狀253°∠27°，節理密度為0.62條/m。

3) 西部礦體

西部礦體存在三組優勢節理面，三組節理都較發育，產狀為：

① 第一組：產狀24°∠75°，節理密度約為2.5條/m；

② 第二組：產狀110°∠79°，節理密度約為2.0條/m。

③ 第三組：產狀248°∠32°，節理密度約為1.6條/m。

BCF系統初始塊度預測需要輸入的主要參數為以上各節理組信息，具體如圖1所示。

將以上三個區域礦體分別輸入BCF系統中進行預測，所得礦巖初始塊度結果如圖2所示。

根據計算結果可以看出，東部礦體小于2m3的塊度只有6.95%，大塊率很高，平均塊度為3.86m3，最大塊塊度為17.05 m3；中部礦體小于2m3的塊度為69%，大塊率較高，平均塊度為1.25m3，最大塊塊度為4.94 m3；西部礦體小于2m3的塊度達到91.5%，平均塊度為0.658m3，最大塊塊度為3.92m3，整體大塊率低。

圖1 輸入參數截圖

圖2 初始塊度預測寄托

3.2 出礦塊度預測

出礦塊度預測需輸入自然崩落法開采下最大崩落高度，放礦高度，放礦速度等相關參數，將以上參數輸入BCF系統中后，再調入各區域礦體初始塊度結果后運行計算出各區域礦體的出礦塊度結果，如圖3所示為各區域礦體出礦塊度預測結果。

圖3 出礦塊度預測結果

從出礦塊度預測結果可以看出，東部礦體小于2m3的塊度僅為37.8%，平均塊度為2.66m3，最大塊度為16.53m3，大塊率非常高；中部礦體小于2m3的塊度為86.54%，平均塊度為0.717m3，最大塊度為4.03m3；西部礦體小于2m3的塊度達到98.3%，平均塊度為0.281m3，最大塊度為3.06m3。

4 結論

(1)眼前山鐵礦初始塊度預測結果：東部礦體小于2m3的塊度只有6.95%，大塊率很高；中部礦體小于2m3的塊度為69%，大塊率較高；西部礦體小于2m3的塊度達到91.5%，整體大塊率低。

(2)眼前山鐵礦出礦塊度預測結果：東部礦體小于2m3的塊度僅為37.8%，大塊率高；中部礦體小于2m3的塊度為86.54%；西部礦體小于2m3的塊度達到98.3%，平均塊度為0.281m3，最大塊度為3.06m3。

(3)根據預測結果，中部礦體和西部礦體的出礦塊度在正常崩落塊度范圍，但中部礦體大塊率仍較高，建議輔助一定的人工預裂措施后再進行自然崩落；西部礦體自然崩落礦巖塊度很好，大塊率低，采用自然崩落法開采適宜；東部礦體由于節理裂隙不發育，礦巖完整性非常好，若采用自然崩落法開采，大塊率非常高，采用自然崩落法開采時必須采取措施預先改變礦體的崩落條件。

(4)從塊度預測結果發現，各區域礦體礦巖的塊度預測結果與其可崩性呈現良好的對應關系，可

崩性好的礦體，其礦巖塊度大塊率低；反之，大塊率高，這說明BCF系統可以較為準確地進行礦巖塊度預測，可靠性高。