齊大山鐵礦自然崩落法開采的可行性及方案研究

柴青平，張寶金，張振江，白儉，楚長青，荊洪迪，王子介

(1.鞍鋼集團礦業有限公司， 遼寧 鞍山市 114051；2.中國科學院 沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽 110169)

0 引言

自然崩落法是一種不依賴傳統鑿巖爆破的大規模采礦方法，其主要依靠拉底工程誘使礦巖中的應力發生變化，使得礦巖中的結構面擴展形成貫通的裂隙網，并在自重作用下發生自然垮落。它在開采低品位破碎礦體時能夠充分回采資源，具有十分明顯和獨特的優勢[1-12]。

自然崩落法的礦石冒落機理如圖1所示，在可崩性良好的礦巖中，采區大面積拉底后，破壞了原礦體的應力平衡，引起應力重新分布形成新的平衡拱，拱內的礦石在重力作用下不斷脫落。

圖1 自然崩落法礦石冒落機理

應用自然崩落法采礦的現有礦山主要是有色金屬礦山（見表1），該類型礦山的特點是礦體裂隙較為發育，但上下盤圍巖穩固，礦體的可崩性較好，適合使用自然崩落法進行開采，如銅礦峪銅礦和普朗銅礦都已成功采用自然崩落法開采礦石[6-12]。

表1 采用自然崩落法開采的主要礦山

對于礦體穩固而上下盤圍巖不穩固的礦床，自然崩落法并不適用。因為不穩固的圍巖無法為采場提供必要的支撐，且堅硬的礦體無法實現自然崩落。

通過以上分析和實際案例可知，自然崩落法的使用條件為：礦體不穩固，而上下盤圍巖穩固，最理想的條件是礦體為中等堅硬且具有密集的節理和裂隙，當拉底到一定面積之后能自然崩落成大小適中的礦石。礦體厚度應足夠大，一般不小于20～30 m，礦石價值不高，地表允許崩落。

為了使黑色金屬礦適用自然崩落法的使用條件，必須降低礦體的堅固性系數，改變礦體的巖石力學性質，以實現大規模自然崩落法開采。基于此，巖體人工致裂技術逐漸成為研究的熱點。例如由鞍鋼礦業和中國恩菲工程技術有限公司合作，采用水壓致裂技術對眼前山鐵礦開展的水壓致裂礦巖預處理試驗，為自然崩落法在鐵礦山的應用提供了技術支撐[3-6]。

1 齊大山礦自然崩落法開采的可行性研究

1.1 齊大山鐵礦工程背景

齊大山鐵礦為采、選一體的冶金礦山，目前采用露天開采，年設計生產能力為采剝總量5100萬t，原礦處理量1440萬t，鐵精礦480萬t，精礦品位達到67.5%以上。該礦自從1914年開始開采，至今已達百余年，目前礦坑深度已達250余米，繼續采用露天開采將不得不提高剝采比，這將直接影響礦山的經濟效益。且隨著開挖深度的增加，露天礦的邊坡問題也逐漸凸顯。因此，由露天開采轉為地下開采是礦山未來發展的必經之路，而自然崩落法因其獨特的優勢可作為礦山地下開采的備選方案之一。

齊大山鐵礦礦區水文地質條件較簡單，但由于大規模露天采坑的存在，以及采坑上游一些小河溝匯水，未來坑內開采的防水工作是影響礦山安全的重要因素之一。早期坑內開采期間有較大的涌水量，說明礦體局部裂隙相對較發育。

礦體走向長度很大，因斷層切割，沿礦體走向工程地質條件差異很大。從礦體完整性來看，1260線以北（深部1680線以北）和3850線以南礦體被斷層切割更強，構造活動的影響更明顯。低品位礦石和夾石面理更發育，巖石抗壓強度也相對較低，可能構成構造弱帶。從工程地質條件看，1260線以北（深部1680線以北）和3850線以南礦段相對更適用自然崩落法開采。

1.2 齊大山鐵礦礦巖可崩性初步評價

1.2.1 礦巖工程質量評價

鐵礦床屬于整體結構或大塊狀結構，堅硬程度屬較堅硬至堅硬，巖石質量多為好到極好；千枚巖、綠泥片巖、綠泥石英片巖等巖層則屬于厚層狀結構，總體上致密堅硬，巖石質量變化相對簡單，但局部因斷裂等因素而破碎，巖石質量較差。

通過對補勘的18個鉆孔進行RQD統計，結果為絕大多數鉆孔巖石質量為中等至極好，巖體為中等完整至完整。RQD值最小為 85%，大部分為90%～100%。

深部擴界補充勘探表明，最高的磁鐵赤鐵礦天然抗壓強度為101 MPa，赤鐵磁鐵礦天然抗壓強度為78.8 MPa，這與鉆孔巖芯的狀態不太吻合，對比同區域西鞍山鐵礦的巖石物理力學參數試驗結果也偏低，因此還需進一步試驗驗證。

1.2.2 可崩性主要影響因素分析

研究對象主要為 I號礦體，礦體走向長度為4900 m，水平厚度為36.3～267.6 m，平均為146.88 m，厚度變化系數為41.52%。產狀穩定，走向和傾向上表現為舒緩波狀，走向為305°～335°，地表傾向南西，深部傾角陡立呈70°～90°，局部有倒轉現象。從礦體形態與產狀看，除了60線至F3-3礦段（約660線）之間的礦體厚度較小之外，其他區段的礦體無論厚度還是傾角都適合采用自然崩落法開采。

齊大山鐵礦邊坡穩定性研究表明，礦體北部（F3-5斷層以北）礦體完整性較差，南部較好，現場踏勘情況也證實了這種情況。因此初步判斷，礦體北部可崩性較好，南部相對較差。

1.3 可崩性及崩落塊度預測

初步估計礦體的RMR值應在61～80之間，屬于Ⅱ級巖體，可崩性屬可崩，但難度大，且大塊產出率會比較高。斷層破碎帶附近礦體可崩性中等。

根據儲量核實報告中的鉆孔 RQD值的統計分析，1680線以南礦體崩落難度較大。由于1680線以北北端礦體的勘探時間較早，礦體工程地質資料較少，從工程地質平面圖上看，構造比較發育，其可崩性比 1680線以南礦體好，應針對此區礦體布置一些工程，對礦體內的斷層及節理構造進行統計分析，以確定其可崩性。

通過與普朗銅礦、銅礦峪銅礦的礦巖條件進行對比，初步預估齊大山鐵礦中、南端采用自然崩落法的大塊率（大于1.2 m的礦塊）應在25%～45%之間，大塊產出率比較高；北端礦體的大塊率可能在15%～30%之間。在應用自然崩落法的前期研究階段應重點研究減少大塊產出率的方法及措施。

2 自然崩落法創新技術方案

2.1 自然崩落法初步方案

首采區選擇在1680線附近，以1680線為界把礦體分為南北兩部分進行開采，南部的拉底順序為從北向南，北部的拉底順序為從南向北，初步安排兩個區同時開始向兩側拉底。從目前來看，齊大山鐵礦需要采用人工致裂輔助崩落，其中 1680線以南的礦體尤為必要，一方面是增加礦體的可崩性，另一方面是降低崩落大塊產出率。

2.2 人工致裂輔助落礦方案

為了使齊大山鐵礦適于使用自然崩落法，需要使用必要的礦巖預處理技術對礦體進行人工致裂，使其產生致密裂隙實現礦體的自然崩落，具體采用的人工致裂技術可以是高壓水致裂或高壓氣體致裂，具體方案的實施過程如圖2所示。

圖2 自然崩落法人工致裂輔助崩落方案

通過在采場的適當位置打一定數量的水平或扇形鉆孔，然后使用高壓水、高壓氣體以及水氣耦合等方式對礦體進行人工預裂，降低礦巖的堅固性系數，從而改變礦體的可崩性，使礦巖能實現自然崩落。同時，利用微震、超聲波、鉆孔攝像、多點位移計以及測斜儀等儀器技術對采場人工預裂區域進行系統監測，獲得裂隙的分布與延伸范圍，確定人工預裂效果是否達到自然崩落的最優條件，若符合自然崩落的最優條件，則進行開采，若不符合最優崩落條件，則根據獲得的裂隙分布情況確定新一輪鉆孔的位置和數量，繼續進行高壓致裂，直至達到最優崩落條件。

3 結論

為了使齊大山鐵礦實現從露天向地下開采的轉變，需要尋找合適的采礦方法并設計合適的開采方案。通過對齊大山鐵礦現場調查和研究，發現人工致裂輔助的自然崩落法是一個可行的方案。為此，本文從自然崩落法的機理、自然崩落法的應用現狀、齊大山鐵礦礦巖可崩性評價、崩落塊度預測以及人工致裂輔助崩落方案設計等方面進行了論述，以期為現場實際提供可行方案，同時也為其他相似條件礦山提供借鑒。