1、刍议自然崩落采矿技术的应用摘要:自然崩落法既是一种高能力、低成本的采矿方法,目前全世界自然崩落法的日产量已超过 50 000 t,同时也是一种技术含量高的采矿方法，具有广泛的应用前景。本文首先介绍了自然崩落采矿法的实质及应用背景，进而结合典型案例阐述了自然崩落采矿法的发展历程和研究现状，最后指出了自然崩落采矿法存在的主要问题以及在我国的应用前景。以供同行参考。 关键词:自然崩落法;采矿技术;应用 中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号： 引言 自然崩落法包括矿块崩落法、盘区崩落法、倾斜出矿崩落法和前端崩落法,是一种大规模和低成本的采矿方法。在不少国家,该采矿方法的工艺已趋于成熟,
2、被广泛地应用于厚大矿体的开采。采用这种方法开采,可以获得比较好的经济效益。 与其它采矿方法不同,该法无法进行分层凿岩和分步骤的爆破使矿体崩落,仅依靠采场底部的拉底空间使矿体自然崩落,它的主要缺点是,投产之前要进行大量的采准切割工作,准备时间较长,基建投资较多,还需大量的前期可行性研究工作,否则,一旦失败,该采矿方法具有的不灵活性将给资源开采带来严重的后果。 1、自然崩落采矿法实质及应用背景 自然崩落法采矿,其原理就是利用地球内部的应力,上覆岩石的重力、地质构造运动产生的残余应力和矿山井巷工程所引起的应力集中和分散,同时也利用岩体中裂隙,在矿房底部进行较大的水平面积拉底,并且沿矿块四周用一些垂直
3、的和水平的巷道,削弱其与四周的联系,破坏矿石整体的应力平衡,使采区内的矿石在阶段的整个高度上自然崩落,并通过合适的底部结构放出、运走,保证崩矿的连续进行,自然崩落法的采矿模型见图 1。在这一动力学过程中,原岩应力及各种采矿工程(拉底、割帮等)所产生的次生应力场的大小及作用方式是矿体发生破坏的先决条件,而矿体中不连续面的存在,特别是它们的数量、分布规律、空间结合的特点,是确定矿体崩落难易程度、崩落块度大小和形状的决定性影响因素。 图 1 自然崩落法采矿模型 自然崩落法是一种技术含量高、低成本、高效率的地下采矿方法,生产工艺先进,具有一定规模效益,但同时又是一种优缺点非常明显的采矿方法。自然崩落法
4、对矿岩物理性质要求较高,在应用时对矿体开采技术条件的要求相当严格,需要很高的生产管理水平,而且应用这种方法比使用其它方法更具风险性。所以,自然崩落法的应用有其特有的应用条件: (1) 裂隙、节理或构造发育的大型块状矿床或厚度很大的倾斜或急倾斜矿体; (2) 矿化较均匀,矿体内夹石含量不宜多; (3) 矿体必须是易于破碎的岩体; (4) 矿石无结块和自燃的危险; (5) 覆盖层要能随矿石一道崩落,否则会因空顶过高而突然冒落,引起强烈冲击波的危害; (6) 覆盖岩石最好能破碎成较大的块度,而矿石破碎的块度较小; (7) 地表允许塌陷。 自然崩落法的典型应用 自 1895 年自然崩落法在美国试验成功
5、以来,经过 100 余年的不断发展,目前已在美国、加拿大、智利、印尼、南非、菲律宾等 20 多个国家的 50 多座矿山得到了应用,国内外应用自然崩落法采矿的主要矿山见表1。最大生产能力为智利特尼恩特矿的日产 11.2 万 t。我国中条山有色金属公司铜矿峪矿年产量为 400 万 t,目前已基本完成年产 600 万 t 二期扩建工程,是我国地下金属矿山规模最大的矿山。 铜矿峪铜矿 铜矿峪矿系大型斑岩铜矿床,矿体赋存于中条山北段下元古界降县群铜矿峪变质火山岩的中上部,为火山- 气液成因的沉积变质铜矿床。矿区围岩为绢云母石英片岩、绢云母石英岩、石英绿泥石片岩及含矿岩石非含矿部分。含矿岩石为变质花岗闪长
6、斑岩和基性侵入体。矿体和围岩产状大致一致,走向北东倾向北西,倾角 4050,呈似层状或透镜状产出。铜矿峪矿床储量较大,经勘探提交矿石量为 8 亿多 t,金属量 200 多万 t,铜金属元素单一。铜矿峪矿 1958 年 2 月开始建设, 1975 年正式投产。原采用有底部结构分段强制崩落采矿法,年 生产能力只有 80 万 t,采矿成本高,亏损严重。1984 年铜矿峪矿采用自然崩落法对铜矿峪矿进行技术改造,初步设计的开采范围是 5#矿体810930 m 中段的中西部,最大开采境界走向长 600 m,水平厚 80240 m,采高 40120 m。地质储量 2604 万 t,平均地质含铜品位 0. 6
7、39% ,设计日产量为 13100 t,其中自然崩落法部分为 11100 t,边部矿体 2000 t,边部矿体继续采用有底部结构分段崩落法开采,出矿方式采用电耙出矿。2000 年矿山实际生产能力已达设计产量 400 万 t/ a,做到了扭亏为盈。铜矿峪矿自然崩落法首采区的拉底工作于 1989 年 10 月份开始,为确保初始崩落和持续崩落,拉底严格遵循了由 NE 向 SW 推进原则,拉底“开刀”的部位选在矿体东部地质构造密集的四类岩区及部分三类岩体中进行,以后逐步扩展(见图 2) 。底部结构见图 3,中段运输水平以上 3 m 为耙矿水平,耙道底板以上 7. 5 m 布置拉底巷道。运输水平以下 1
8、0 m 为主进、回风水平。底部结构主要设计参数:沿走向交错布置的电耙道间距为 20 m,对称漏斗平面布置网度为 10 m 10 m,指状漏斗直径为 3 m,斗穿出矿口规格宽高为 2.5 m 1.37 m,拉底高度为 6.5 m。 图 2810 采区回采顺序 图 3 底部结构 3、自然崩落采矿法存在的主要问题 采矿工程实践表明,自然崩落法是具有较大风险的一种采矿方法。直至目前,国内外采矿界对该采矿方法仍处于研究和探索之中。随着高价值、高品位的富矿开采日趋减少,人们必将面临更多的开采条件差、矿石品位低的贫矿资源开发。因此,适用于低品位矿产资源开发的自然崩落法也就越来越受到人们的关注。自然崩落采矿法
9、潜在的主要问题有以下几个方面。 (1) 地质资料。准确、合理的崩落法采矿设计与风险预测需要建立在充分、准确的地质资料基础之上。因为围岩和矿体稳定性(或可崩性)准确评价,矿体形态、规模和大小以及矿石品位的空间分布是进行合理采矿设计的前提。而采矿设计和分析是依据有限的地质勘探资料。因此,地质数据的局限性和不准确性是导致自然崩落法采矿风险的重要因素之一。(2) 矿岩崩落的连续性。矿岩崩落的连续性主要取决于矿块拉底面积、拉底方向、拉底速率、矿岩体的稳定性、岩体结构特征以及放矿控制决策等多种因素。由此可归结为两个方面:一是围岩和矿体的自稳性,矿区断裂构造、节理裂隙、岩石性质、原岩应力和地下水等工程地质条
10、件和水文条件是影响围岩和矿体稳定的主要因素,因此,需要对影响矿岩体稳定性因素进行详细调查、详细分析与合理性评价,由此对矿岩体的自稳性或可崩性进行准确预测,为诱导和控制矿岩自然崩落的工程设计提供依据;二是采矿诱导应力,通过适当的采矿拉底、切槽等采矿工程,足以使矿岩产生张拉、压剪破坏的采动诱发应力是自然崩落法采矿设计可控制的主动因素。 (3) 崩落块度。矿块崩落的块度是影响自然崩落法的又一重要因素。矿石的块度决定放矿漏斗尺寸和放出体形态,直接关系到放矿间距、设备选型和生产能力。例如,当出现过多的大块,不仅处理悬顶潜藏安全隐患,而且还导致放矿点二次频繁爆破,影响底部结构的稳定性、采矿生产的连续性以及
11、采矿生产规模。 4、应用展望 自然崩落法自从 1895 年在美国 Pewabic 铁矿问世以来,迄今已有100 多年的历史,国际采矿界积累了丰富经验。 我国在 20 世纪 60 年代才开始酝酿运用自然崩落矿山的应用。铜矿峪矿应用自然崩落法进行高中段大面积覆盖岩下放矿管理,在国内尚属首次,唯一可借鉴的只有国外一些特大型矿山生产管理的经验,这种采矿方法在目前很大程度上还存在于经验的基点上。这就需要更多的人不断去探索,使之更趋于理性程序化,人们更容易去掌握它。自然崩落法的试验、生产在我国仅仅是刚刚开始,鉴于实践经验的不足和管理水平的落后,矿山不能盲目地选择应用自然崩落法,而要根据矿山的实际情况,慎重研究分析是否可用该法。 参考文献 1 郭金峰. 我国地下矿山开采方法的进展及发展趋势 J . 金属矿山, 2000, (2) : 48. 2 王福坤. 自然崩落法在中厚矿体中的应用研究 J . 矿业研究与开发, 1994, 14 (3) : 2124.
