我国无底柱分段崩落法结构参数优化研究进展与方向_惠安社.pdf

收稿日期2019-12-26 基金项目 “十二五” 国家科技支撑计划项目 （编号 2013BAB02B08） 。 作者简介惠安社 （1965） ， 男， 副总工程师， 高级工程师。通讯作者路增祥 （1965） ， 男， 执行院长， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 我国无底柱分段崩落法结构参数优化 研究进展与方向 惠安社 1 李明楼 1， 2 路增祥 2 张治强 21 （1. 中国华冶科工集团有限公司辽宁矿业分公司， 辽宁 鞍山 114051； 2. 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051） 摘要无底柱分段崩落采矿法具有结构简单、 安全、 高效和低成本的突出优点， 但覆盖岩下端部放矿的特征 却引发了矿石损失贫化大这一世界性技术难题。围绕该采矿方法分段高度、 进路间距和崩矿步距三大结构参数， 系统归纳和分析了我国应用该采矿方法过程中三大结构参数及其优化研究的发展， 总结了采矿方法结构参数优化 研究过程中存在的问题。在此基础上， 提出今后无底柱分段崩落法采场结构参数优化应在遵循系统性、 协同性和 最优性三大原则的前提下， 聚焦于 ①从整体与系统的角度， 分析研究崩落体、 放出体和松动体之间内在相互关系 与相互影响， 使各种影响因素的特性达到最佳匹配， 促进放矿效果的改善； ②以出矿量最大化、 矿石损失贫化最小 为评判标准， 研究非结构参数对结构参数的影响， 在理清影响结构参数关键因素的基础上， 进一步研究各采矿方法 结构参数对出矿效果的影响规律； ③研发测定崩落矿岩流动参数的相应仪器和技术手段， 实现矿岩散体流动参数 的现场测定， 获得符合实际的崩落矿岩散体移动规律； ④实现无轨出矿设备与采矿方法结构参数的最佳匹配， 进一 步提高采矿生产效率， 降低采矿生产成本， 是无底柱分段崩落采矿方法研究的重要方向之一。 关键词无底柱分段崩落法结构参数优化研究进展研究方向 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-001-11 DOI10.19614/ki.jsks.202003001 Study Progress and Direction of Structural Parameters Optimization of Non-pillar Sublevel Caving in China Hui Anshe1Li Minglou1， 2Lu Zengxiang2Zhang Zhiqiang 22 （1. Liaoning Mining Branch Company， China Huaye Group Company Limited， Anshan 114051， China； 2. School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China） AbstractThe non-pillar sublevel caving has the outstanding advantages of simple structure， safety， high effi- ciency and low production cost， but the characteristics of ore drawing under overlying rock lead to the worldwide technical problem of ore loss and dilution.Based on the three structural parameters of the mining ， such as the sublevel spacing， the sublevel drift spacing and burden， the development of the three structural parameters and their optimization study prog- ress in the process of applying the mining in China is systematically concluded and analyzed， and the problems exist- ing in the study process of the optimization of structural parameters of the mining are summarized.On this basis，it is pointed out that the optimization of stope structure parameters of non-pillar sublevel caving in the future should follow the three principles of systematicness， cooperativity and optimality， and focus on①from the point of view of whole and sys- tem， the internal relationship and influence among caving body， drawing-out body and loosening body are to be analyzed and studied， so that the characteristics of various influencing factors can be matched best and the effect of ore drawing can be im- proved； ②the effect of non-structural parameters on structural parameters need to be studied based on the maximization of ore output and the minimization of ore loss and dilution， and on the basis of finding out the key factors affecting the structural parameters， the influence of structural parameters influencing on ore-drawing effects are need to be studied further； ③the cor- responding instruments and technical means for measuring the flow parameters of caving ore and rock need to be developed to Series No. 525 March 2020 专题综述 1 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 realize the field measurement of the flow parameters of ore and rock dispersion， and the movement law of caving ore and rock dispersion is to be obtained； ④ it is one of the important study directions to realize the optimum match between the equip- ment and the structure parameters of the mining to further improve the efficiency of mining production and reduce the cost of mining production. KeywordsNon-pillar sublevel caving ， Structural parameter， Optimization， Study progress， Study direction 我国自1965年正式引进无底柱分段崩落法典型 方案及其配套的无轨采矿设备后， 1967年在大庙铁 矿投入工业试验， 并于1970年取得全面成功 ［1-3］。随 后， 该方法以其结构简单、 安全、 高效和低成本的突 出优点在金属矿山 ［4-5］、 非金属矿山［6-7］地下开采中得 到了迅速推广和广泛应用 ［8-9］。众所周知， 无底柱分 段崩落采矿法的放矿特点是覆盖岩下端部放矿， 矿 石的损失贫化大是该采矿方法应用实践中的一大技 术难题。为了探索与解决这一问题， 改善无底柱分 段崩落法的放矿效果， 众多研究者进行了大量卓有 成效的研究并取得了丰硕成果。早期的研究表 明 ［10-13］ 重力作用下的崩落矿岩流动特性、 进路宽度 和高度、 端壁倾角、 边孔角和铲取深度等流动条件， 均对放出体形态和大小有影响， 进而影响到矿石的 损失与贫化， 其中采矿方法结构参数对矿石损失贫 化的影响更为直接。 随着人类对矿产资源需求的不断增长和矿山企 业追求生产效率和经济效益期望的不断提升，“三大 两低” 和 “智能化” 已成为世界范围内无底柱分段崩落 采矿法的发展方向。“三大” 表现为生产的大规模、 采 矿方法的大结构参数和出矿设备的大型化， 矿山企业 可借此实现更大的生产能力和更高的生产效率；“两 低” 则反映在矿石的低损失与低贫化两个方面， 使矿 山企业能够实现最大化地回收矿产资源， 进一步降低 生产成本；“智能化” 则可使更多的人力从生产现场解 放出来， 使采矿生产更为安全、 更为经济。 为适应无底柱分段崩落采矿法 “三大两低” 和 “智能化” 的发展方向， 正确选定无底柱分段崩落采 矿法的结构参数， 对于提高该采矿方法的生产效率、 改善出矿效果极为重要。因此， 本研究在系统归纳 和总结我国无底柱分段崩落采矿法结构参数优化研 究成果的基础上， 对今后的主要研究方向进行探讨， 为无底柱分段崩落采矿法的后续研究提供参考。 1无底柱分段崩落采矿法概况 1. 1无底柱分段崩落采矿法典型方案 19世纪50年代， 在瑞典的基律纳铁矿形成了无 底柱分段崩落采矿法的典型方案， 如图1所示。在最 初的典型方案中， 采矿方法的三大结构参数分别为 分段高度9 m， 进路间距10 m， 崩矿步距1.6 m ［14］。到 2008年， 基律纳铁矿的三大结构参数分别为分段高 度 28.5 m， 进路间距 24.7 m， 崩矿步距 2.6 m， 代表了 国外无底柱分段崩落采矿法的最高水平 ［15］。 我国自 19世纪 60年代成功引进无底柱分段崩 落采矿法后， 采矿方法三大结构参数也经历了不断 变化的过程。目前我国部分矿山应用无底柱分段崩 落法采矿的采场结构参数如表1所示。 1. 2无底柱分段崩落法的回采系统 探索放矿过程中崩落矿岩的移动规律， 研究崩 落体、 放出体、 残留体和矿岩的混杂过程， 也即研究 矿石损失贫化发生的过程， 是降低无底柱分段崩落 法回采过程中矿石损失贫化的关键所在。在全面研 究放矿过程及其规律的基础上， 注意矿石堆积体和 放出体相互关系的研究， 进而探明如何有效确定爆 破步距才能最大限度地回收崩落矿石。 2 ChaoXing 2020年第3期惠安社等 我国无底柱分段崩落法结构参数优化研究进展与方向 通过大量研究， 张国建 ［17］从系统的角度思考， 将 无底柱分段崩落法的矿石崩落与放矿过程作为一个 整体， 认为这一过程构成了无底柱分段崩落法的回 采系统， 如图2所示。 在无底柱分段崩落法回采系统中， 崩落体、 放出 体和松动体是回采系统的重要组成部分， 三者相互 依存、 相互关联 ［18］。无底柱分段崩落法矿石崩落与 放矿过程中， 崩落体是放矿的对象， 如果矿石放出过 程中覆盖岩不发生移动， 则矿石放出后在采场中所 形成的空间形态构成了放出体的形态。放矿时， 覆 盖岩在重力作用下不断移动和填充矿石放出后形成 的空间， 造成了一定范围内覆盖岩的松散系数或空 隙率增大， 因而在覆盖岩中形成了松动体， 松动体大 小与放出体大小、 覆盖岩的松散系数和放矿前覆盖 岩的密实度等有关。放矿结束后， 松动体又为下一 循环的崩矿形成了挤压爆破条件， 使新的崩落体在 松动体中发育。因此， 崩落体决定放出体的形态， 放 出体影响松动体的形态， 松动体又影响崩落体的形 态。 张国建和蔡美峰 ［19-20］提出了崩落体的概念， 崩落 体是被爆矿体崩落后在松散覆盖岩层中形成的矿石 松散堆体， 是放矿的对象， 在系统中起着决定性的作 用。当放矿条件一定时， 分段高度与回采进路的位 置不同， 崩落体形态不同， 按照崩落体形态改进采场 结构， 使崩落矿石的放出条件得到根本改善， 可大幅 度降低矿石损失与贫化。这也为采矿方法及其结构 参数优化提供了一个有利的研究方向。 2采矿方法结构参数研究的发展现状 2. 1采矿方法结构参数的应用特点 传统上， 无底柱分段崩落采矿法的结构参数包 括了分段高度、 进路间距和崩落步距， 这三大参数也 是矿业科技工作者研究的主要对象。在该采矿方法 的应用实践中， 大结构参数表现出了下列优势 （1） 增大采场结构参数， 可有效增加单次崩矿 量， 缩短爆破、 通风等辅助作业时间， 提高出矿设备 的作业效率， 因而有利于提高采矿生产能力。 （2） 增大采场结构参数， 可有效减少分段开拓工 程和回采进路数量， 因而有利于降低综合采矿生产 成本 ［21］。 （3） 增大采场结构参数， 可有效减少矿石损失贫 化产生次数和放矿过程中的矿岩接触面积， 因而有 利于降低矿石的损失与贫化。 基于上述原因， 大结构参数的无底柱分段崩落 法已成为该采矿方法应用的重要发展方向， 而且， 这 一事实已被国内外无底柱分段崩落法的应用实践所 证明。 2. 2分段高度与进路间距 随着中深孔凿岩设备和无轨出矿设备性能的不 断提高， 和对采矿方法研究的不断深入， 无底柱分段 崩落法的应用不断趋向更大的分段高度和更宽的进 路间距， 采矿生产效率不断提高。分段高度已从采 矿方法引进时的10～13 m发展到目前的30 m， 进路间 距则从最初的10 m发展到现在的25 m［1， 21-23］。这一 发展过程中， 后和睦山铁矿 ［24］的分段高度进路间 距为12 m15 m， 小官庄铁矿 ［25］为15 m15 m， 北洺 河铁矿 ［26］为 15 m18 m， 梅山铁矿［27］发展到了 15 m20 m。目前， 大红山铁矿II期开采中采用的分段 高度进路间距为30 m25 m ［22］， 成为目前我国分 段高度进路间距最大的矿山。 对于放矿结构参数的研究， 中钢集团马鞍山矿 山研究总院股份有限公司 ［28］在国内较早地开展了物 理放矿试验， 研究了端部放矿时放出体发育过程及 放出体形态与合理参数的关系， 探讨了改善矿石损 失贫化指标的途径。薛毅生等 ［10］研究了无底柱分段 崩落法结构参数与矿石损失贫化的关系， 讨论了改 善无底柱分段崩落法矿石损失与贫化的途径。刘兴 3 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 国 ［13］从无底柱分段崩落法的放出体与残留体形态角 度， 研究了放出体、 残留体以及崩落矿岩的移动对采 矿方法结构参数的影响， 提出了确定合理结构参数 的原则。李广才等 ［29］通过多分段多进路的反复放矿 模拟试验， 研究了符山铁矿无底柱分段崩落法合理 崩矿步距和进路间距， 为工业生产试验提供了依据。 在随后的研究中， 金闯等 ［30］通过研究认为， 无底 柱分段崩落法结构参数优化的实质问题表现在放出 体的空间排列优化方面， 并介绍了梅山铁矿大间距 结构参数的应用情况。张国联等 ［31-32］通过实验室放 矿试验， 研究了小官庄铁矿无底柱分段崩落法大结 构参数， 获得了结构参数与矿石回收指标的关系， 得 出分段高度 15 m情况下， 最佳进路间距为16～17 m， 并以纯矿石放出量最大和回收率最高为标准， 提出 了最佳结构参数确定方法。张志贵 ［33］探讨了无底柱 分段崩落法最优结构参数的定义与确定准则， 表明 结构参数优化从根本上讲是开采系统的优化。乔登 攀等 ［34］基于随机介质放矿理论， 研究了无底柱分段 崩落法矿岩散体速度场的空间分布形式、 散场移动 场内的有效移动带， 并提出了结构参数的近似计算 公式。 为优化采矿结构参数， 刘仁刚等 ［35］和陈发兴 等 ［36］以放矿理论研究为基础， 提出了高分段大间距 采矿理论， 并通过大红山铁矿的采矿生产实践， 将无 底柱分段崩落法的分段高度和进路间距提高到了20 m20 m。余健等 ［37］应用大间距进路放矿理论， 研究 了大红山铁矿无底柱分段崩落采矿法崩矿步距、 炮 孔排距和孔底距的最佳取值组合， 取得了崩落矿石 大块率 3、 放矿贫化率 5和矿石综合回收率 85 以上的效果。对于分段高度和进路间距的研究， 赵 颖龙等 ［38］以某铁矿为工程背景， 以单体放矿椭球体 理论为基础， 结合矿山工业偏心率， 以纯矿石回收量 和回收率最大化为原则， 研究了分段高度、 进路间距 和崩矿步距对放矿效果的影响， 并对试验数据与理 论参数进行了对比， 最终确定了该矿合理的采场结 构参数。陈烈等 ［39］通过放矿模拟试验， 采用低贫化 放矿与截止品位放矿相结合的放矿方式， 研究了某 矿 （分段高度进路间距崩矿步距） 12 m15 m 2.0 m与15m15 m2.2 m两种结构参数方案的矿石 回收效果， 结果表明， 前一方案的放矿效果更优。 采用计算机模拟崩落法放矿， 可以解决与矿石 损失、 贫化相关的许多问题， 如多分段、 多步距的回 采过程， 各分段矿石残留及其回收， 不同的放矿截止 方式， 进路布置方式， 分段高度、 进路间距、 崩落步距 等结构参数优化确定， 为确定合理的采场结构参数， 制定降低矿石损贫的措施提供依据。王昌汉等 ［40］在 国内第一次将计算机模拟方法用于分析实际生产过 程， 研究了中厚倾斜矿体无底柱分段崩落法及结构 参数的优选问题。祁宝明等 ［41］为选择合理的采矿方 法和确定最优的结构参数， 采用计算机模拟放矿方 法， 对无底柱分段崩落法分段高度、 放矿步距和开掘 下盘岩石深度等参数进行了多方案研究， 较好地解 决了方案优化和参数优选的问题。在此之后， 柳小 波 ［42-43］、 杨才亮等［44］和李彬等［45］也围绕放矿与结构参 数优化进行了较多的计算机模拟研究， 并取得了相 应的成果。 近年来， 随着非连续介质分析手段的发展， 基于 离散元的颗粒流程序PFC在放矿与结构参数优化方 面也有了较多的应用， 如， 刘金山 ［46］以石人沟铁矿为 例， 针对6种结构工艺参数方案， 通过PFC2D二维数值 模拟， 研究了矿石回收率与岩石混入率的变化规律， 最后通过灰色决策分析， 得出了该矿无底柱分段崩 落法的最优参数为分段高度12 m、 进路间距16 m和 崩矿步距4～5 m。章林等 ［47］从物理模拟放矿试验和 PFC3D模拟两方面， 研究了大红山铁矿进路间距优选 和放矿步距与进路尺寸组合优选问题， 得到了高变 分段放矿下的合理放矿步距和进路间距。孙浩 ［48］以 梅山铁矿为背景， 基于颗粒元理论研究了崩落矿岩 运移演化机理， 通过PFC放矿数值试验探究了不同 边界条件下， 与崩落矿岩运移规律以及矿石损失贫 化有关的各类问题， 为采场结构参数优化和矿石贫 损指标预测等提供了技术支持。为降低采矿成本， 提高经济效益， 赵颖龙等 ［38］采用PFC3D模拟低贫化放 矿， 用响应面法拟合函数， 分析了回贫差与结构参数 的关系， 得出所研究矿山的分段高度为30 m， 进路间 距为25 m， 放矿步距为5.5 m。 通过系统分析国内对分段高度和进路间距的优 化研究历程和取得的成果， 认为所有的研究均是基 于解决无底柱分段崩落法损失贫化大这一世界性技 术难题的。研究方向主要聚焦于采场内矿岩的流动 性和流动规律， 在此基础上， 以实现最低的损失与贫 化和最大的矿石回收率为目标， 进行采矿方法结构 参数优化和放矿工艺控制。随着研究的不断深入， 先后形成了随机介质放矿理论、 椭球体放矿理论、 类 椭球体放矿理论等， 并且物理模拟试验方法与手段 不断丰富， 计算机数值模拟技术不断成熟， 为无底柱 分段崩落法结构参数优化研究提供了有力支持。 纵观对无底柱分段崩落法分段高度和进路间距 的优化研究， 包括崩矿步距的优化研究在内， 在考虑 其它因素方面不够系统和全面， 忽视了多因素协同 4 ChaoXing 2020年第3期惠安社等 我国无底柱分段崩落法结构参数优化研究进展与方向 作用的效果。因而， 使得个别室内研究成果中的指 标失去了现场应用的可能性， 紧密结合现场实际的 研究结果， 则取得了良好的实践效果。受实验设备 和监测手段的限制， 在采矿现场测定崩落矿岩散体 流动参数， 研究并得到符合生产实际的放矿理论存 在很大困难。目前对放矿理论的研究， 仍局限于室 内放矿试验和计算机模拟技术。这两种方法只能在 几何上保证模拟的散体移动场与实际情况相似， 很 难实现散体运动和力学特征的相似性。因而所得到 的崩落矿岩移动规律难以准确反映现场真实情况。 2. 3崩矿步距 无底柱分段崩落法采矿生产中， 相比于分段高 度和进路间距， 崩矿步距大小则较为灵活。对于端 部放矿条件下的崩矿步距优化， 主要是基于放出体 形态的变化规律研究， 分析放出体与矿石损失贫化 率的关系， 确定不同端壁倾角条件下的最优崩矿步 距。 中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司 ［28］ 是国内较早通过室内试验方法开展崩矿步距优化研 究的单位。周君才 ［49］是国内较早提出多因素综合考 虑合理确定崩矿步距的学者之一。路景胜等 ［50］从模 拟试验和生产实践角度研究了无底柱分段崩落法的 合理崩矿步距， 及其对矿石损失贫化的影响。高永 涛等 ［51］通过物理模型研究了各种矿体倾角下崩矿步 距的确定方法和计算公式。 为提高无底柱分段崩落法的采矿效率和降低矿 石损失与贫化， 随后的研究中， 董振民等 ［52］采用物理 模拟、 放出体工业试验、 现场工业试验等方法， 研究 了梅山铁矿15 m15 m结构参数下放矿步距与矿石 损失贫化指标的关系。周传波 ［53］根据放矿学和数学 理论， 在分段高度和进路间距确定的条件下， 确定了 最优崩矿步距计算方法以及矿石贫损指标的预测方 法， 并在金山店铁矿进行了应用。 郭进平等 ［54-55］从研究无底柱分段崩落法矿石流 动规律角度， 通过端部放矿物理试验， 测定了四方金 矿放出体形态参数， 并在此基础上， 建立了崩矿步距 与矿石回收率、 贫化率之间的函数关系， 最终确定了 该矿的最佳崩矿步距为3.1～3.3 m。高锋等 ［56］针对庙 沟铁矿无底柱分段崩落法的开采实践， 从放出体和 崩落体实现最大程度吻合角度， 进行了崩矿步距和进 路间距的耦合优化研究， 得出该矿的最优进路间距为 16.5～17 m， 最优崩矿步距为3.6 m。王云鹏等 ［57］以单 位工业储量盈利最大化为目标函数， 建立了确定最优 崩矿步距的数学模型， 改变了仅考虑贫化损失指标的 确定最佳结构参数的传统方法， 为崩矿步距优化和实 现矿床开采整体效益最大化提供了新途径。 崩矿步距对提高回采指标有着重要影响， 计算 机数值模拟技术在此方面也有较多的应用 ［58-59］。为 获得大结构参数下端部放矿的最优崩矿步距， 安龙 等 ［59］采用相似材料试验和PFC2D数值模拟相结合的 方法， 研究得出了梅山铁矿结构参数为18 m20 m 下的最优崩矿步距为4.4 m。孙浩等 ［60］基于PFC3D程 序构建了具有矿石散体力学特性的放矿模型， 开展 了18 m20 m高分段、 大间距结构参数下端壁倾角 和最优崩矿步距的研究， 得出了放出体形态变化规 律、 放出体高度与放矿量的关系， 认为该结构参数下 采用85～90的端壁倾角和4.8 m的崩矿步距能够取 得较好的放矿效果。金爱兵等 ［61］采用相似材料模拟 试验和PFC2D数值模拟相结合的方法， 研究了梅山铁 矿18 m20 m大结构参数下， 无贫化放矿、 低贫化放 矿和截止品位放矿3种不同出矿方式时的最优崩矿 步距， 结果表明， 出矿方式对最优崩矿步距取值有一 定的影响。行鹏飞等 ［62］以新疆某铁矿为例， 采用室 内相似材料试验， 通过对矿岩散体流动参数和沿进 路方向放出体形态的研究， 得到了不同崩矿步距下 矿石的损失贫化指标， 而后进行了不同崩矿步距下 的现场出矿标定， 统计分析了各出矿口的矿石放出 量与废石混入情况， 最终得出该铁矿崩矿步距为4 m 时， 矿山可取得较好的损失贫化指标。丁航行等 ［63］ 结合梅山铁矿生产实践， 采用PFC3D建立放矿模型， 对6组崩矿步距方案进行了模拟， 结果表明， 采场结 构参数为18 m20 m时的最优崩矿步距为2.2 m。 系统分析国内对崩矿步距的优化研究成果， 发 现无论是早期还是目前， 所有的研究均呈现出以下 特征 （1） 基于特定的分段高度和进路间距， 研究崩矿 步距与矿石损失与贫化的关系。 （2） 崩矿步距的研究方法从最初的理论分析、 模 拟试验等单一方法， 发展到了目前的理论分析、 物理 试验、 数值模拟、 现场工业试验等多方法综合研究。 （3） 对于最优崩矿步距的判定， 其基本标准是矿 石回收率最大、 损失与贫化最小。 现阶段， 对于崩矿步距的研究存在以下不足 （1） 没有从矿石回收率最大、 损失与贫化最小的 角度， 系统考虑其它采矿方法结构参数， 如分段高 度、 进路间距、 出矿口尺寸等变化对最优崩矿步距取 值的影响。 （2） 没有综合考虑影响采矿方法应用效果的其 它因素， 如矿岩流动特性 ［64］、 覆盖岩松散性、 铲运机 铲入深度等对崩矿步距的影响 ［65］。 5 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 （3） 扇形中深孔挤压爆破的研究成果多聚集于 爆破质量控制 ［66-67］， 对于炮孔布置方式、 装药结构、 最 小抵抗线等与采矿方法结构参数 （如分段高度、 崩矿 步距等） 之间匹配关系的研究较薄弱。 3结构参数优化的原则与研究方向 3. 1结构参数优化的原则 （1） 系统性原则。采矿方法结构参数优化是一 个多因素综合决策问题， 应遵从系统性原则。影响 采矿方法应用效果的诸因素之间存在着非常复杂的 关系， 既相互联系， 又相互影响。应立足于整体， 全 面、 系统分析诸因素对采矿方法及其应用效果的影 响， 衡量其影响程度， 探究其相互影响规律， 是采矿 方法结构参数优化的前提。 （2） 协同性原则。采矿方法结构参数在采矿生 产过程中协调、 协作的相干性， 共同影响着采矿方法 的应用效果。探寻各因素之间的相互影响规律， 检 验其对采矿方法应用效果的贡献度， 整体加强， 同步 优化关联指标， 共同发展， 是采矿方法优化的关键。 （3） 最优性原则。无底柱分段崩落法采场结构 参数优化的核心目的在于使实际采矿生产中， 实现 出矿量最大化、 矿石损失贫化最小。取得最优的出 矿效果， 实现经济效益最大化， 是采矿方法优化的终 极目标。 3. 2结构参数优化的研究方向 （1） 在遵循系统性、 协同性和最优性原则的基础 上， 采用物理试验、 数值模拟和现场工业试验的综合 方法， 理清影响采矿方法应用效果的各个因素， 探寻 诸因素之间相互影响的内在规律， 协同调整采矿方法 结构参数， 是实现采矿方法结构参数优化， 进而达到 最佳应用效果的必由之路。影响无底柱分段崩落法 出矿效果的因素较多， 既有结构参数和非结构参数， 还有与矿岩流动特性相关的其它参数等， 这些参数或 多或少都会影响到最终出矿效果。因而， 系统研究诸 因素的影响， 关注各因素之间的耦合与协同作用效 果， 对于优化采矿方法结构参数至关重要。如进路宽 度与出矿量大小的关系、 出矿量大小与三大结构参数 的关系、 出矿量大小与铲入深度的关系等。 （2） 采场结构参数是影响无底柱分段崩落法损 失贫化的重要参数。以出矿量最大化、 矿石损失贫 化最小为最优出矿效果评价标准， 研究各采矿方法 结构参数对出矿效果的影响规律， 建立起出矿效果 与分段高度、 进路间距和崩矿步距等采矿方法结构 参数之间的数学关系模型， 能够有利于实现采矿方 法结构参数的快速优化。无底柱分段崩落法生产实 践中， 实现每循环的出矿量最大化， 可以有效降低矿 石损失。每循环放矿都应追求最大限度地放出所崩 落矿石， 减少各种形式的矿石残留， 这是降低矿石损 失的重要举措。采场结构参数不匹配， 或结构参数 与其它因素相互影响， 会导致残留在采场内的矿石 不断被下落的覆盖岩层所包裹， 矿岩混杂现象加剧， 残留矿石很难在下分段放矿时被放出， 虽然脊部残 留矿石在下分段放矿时能够被放出， 但也只能是部 分放出， 这些都会造成矿石的永久损失。因而， 每次 放矿时 “出矿量最大化” 应作为检验出矿效果优劣的 标准之一。矿石损失小、 贫化小是无底柱分段崩落 法开采矿山提高生产效益、 降低生产成本所追求的 目标， 在各种研究中通常都作为评判出矿效果优劣 的标准。因此， 在今后无底柱分段崩落法结构参数 研究中， 应以 “出矿量最大化、 矿石损失与贫化最小” 作为出矿效果的评价标准。 （3） 影响无底柱分段崩落法最优出矿效果的因 素除了采场结构参数外， 矿岩流动特性 ［68］、 覆盖岩松 散性、 铲运机铲入深度、 中深孔凿岩爆破参数等非结 构参数对于出矿效果也有着较大影响， 而且， 这些非 结构参数在某种程度上影响着不同的采矿方法结构 参数最优取值。因此， 研究非结构参数对结构参数 的影响， 并理清影响结构参数的关键因素， 对于优化 采矿方法结构参数有着重要作用。从无底柱分段崩 落法回采系统角度分析， 非结构参数还影响着崩落 体、 放出体和松动体的发育。如凿岩爆破参数影响 着崩落体的发育， 进路口尺寸影响着放出体的移动 规律， 进而影响着放出体形态发育等， 这些都会影响 到矿石损失与贫化， 影响到矿石的最大化放出。因 此， 在研究无底柱分段崩落法采场结构参数的同时， 不能忽视对非结构参数的研究， 更要研究二者的协 同作用效果， 以实现各影响因素的最佳耦合效应。 从矿岩工程地质角度分析， 稳定的工程地质条件是 实现大结构参数最优取值的前提， 表现在进路巷道 的稳定能够有效增大进路、 确保端壁稳定和爆破时 不造成对后排扇形孔的破坏。因此， 对于大结构参 数的追求， 不能忽视矿岩工程地质条件的影响。 （4） 根据采矿方法结构参数的优化结果， 建立起 影响采矿方法最优出矿效果关联因素的现场调控体 系， 以便能够根据矿山生产现场出矿效果的变化， 在 崩矿与放矿过程中及时调整相关参数， 实施参数动 态控制技术， 确保放矿效果最优化， 即在达到最大出 矿量的前提下， 实现矿石损失与贫化指标的最小化。 出矿管理制度是无底柱分段崩落法采矿生产现场控 制出矿效果的常用手段， 通常以放矿方式控制为主 要内容。目前的放矿方式主要有截止品位放矿、 低 6 ChaoXing 贫化放矿和无贫化放矿3种。在不同的控制放矿方 式下， 根据现行的采矿方法结构参数， 计算出每循环 的理论最大出矿量， 与生产现场的实际出矿量进行 对比， 根据对比结果， 查找产生变化的原因， 分析其 影响因素并及时进行调控， 能够有效实现放矿效果 最优化。 （5） 目前室内物理试验仍是采矿方法结构参数 优化研究的主要手段之一， 它能够直观、 方便地观察 和人为控制放矿过程。追求采矿方法结构参数、 试 验材料、 试验过程、 出矿方式的相似性， 尽可能使物 理模拟放矿试验与现场采场结构和放矿系统达到相 似， 对于获得与生产现场相似的放矿效果至关重要。 但是， 由于试验边界条件的限制和采矿方法结构参 数诸多影响因素的相互作用， 试验结果与生产现场 的放矿效果会存在较大差异。因此， 在进行室内放 矿试验时， 一是要尽量减少试验边界条件对放矿效 果的影响， 使模拟结果与实际的放矿现象和规律之 间的相似条件得到满足； 二是要尽量考虑采矿方法 结构参数诸多影响因素的协同作用效果。 （6） 室内放矿试验和计算机模拟是研究崩落矿 岩移动规律的常规手段， 但研究结果与现场实际存 在一定的差异。因此， 深入研究二者之间的关系， 或 研发测定崩落矿岩流动参数的相应仪器和技术手 段， 实现采矿崩落矿岩散体流动参数的现场测定， 得 到符合实际的散体移动规律， 对于优化采场结构参 数和放矿工艺， 降低矿石损失贫化和改善无底柱分 段崩落法的放矿效果非常重要。对于放矿过程中矿 石移动规律的研究， 应不断探索新的放矿理论， 在此 基础上， 重点研究放出体的形态 ［69］， 崩落矿石的块度 分布、 含水率， 覆盖岩的散体压力作用等因素对放出 体形态的影响， 建立放出体形态与其影响因素的关 系模型； 研发现场测定崩落矿岩流动参数的相应仪 器和技术手段， 以获得符合实际的矿石移动规律。 （7） 在达到最优放矿效果的前提下， 追求采矿方 法大结构参数， 实现凿岩、 装药、 出矿、 天井施工等设 备与结构参数的最佳匹配， 进一步提高采矿生产效 率， 降低采矿生产成本， 仍是今后一个时期内无底柱 分段崩落采矿方法研究的重要方向。无底柱分段崩 落法大结构参数与大型化设备相互影响、 相互促进， 凿岩、 装药、 出矿、 天井施工等设备的性能对无底柱 分段崩落法大结构参数的发展影响较大。如分段高 度增加， 一方面扇形孔的凿岩深度增加， 影响凿岩效 率和凿岩精度， 装药难度加大； 另一方面， 增加了切 割天井的施工难度， 进路间距加大， 本分段放矿时， 脊部残留矿量增加， 为减少脊部残留， 需增加出矿巷 道宽度， 这又给矿岩工程地质条件或出矿巷道支护 提出了更高的要求； 增加崩矿步距， 可大幅增加循环 出矿量， 但若铲运机满足不了对铲入深度的要求， 则 会造成更大的矿石损失。因此， 目前对于大结构参 数的应用， 要在矿山特定的工程地质条件下， 一是建 立在凿岩、 装药、 出矿和天井施工等设备现状的基础 上， 实现设备与结构参数的最佳匹配， 不能盲目追求 “大” ； 二是研发性能更好的凿岩、 装药、 出矿和天井 施工等设备， 满足大结构参数发展对于采矿设备性 能的需求。 4结论与讨论 （1） 系统总结了我国无底柱分段崩落法分段高 度、 进路间距和崩矿步距三大结构参数及其优化研 究的发展历程， 归纳分析了三大结构参数优化研究 中存在的问题， 提出了今后无底柱分段崩落法采场 结构参数优化研究应按照系统性、 协同性和最优性 三大原则， 综合考虑结构参数、 非结构参数和矿岩流 动特性等因素对采矿方法应用效果的影响。 （2） 建立以崩落体、 放出体和松动体为重要组成 部分的无底柱分段崩落法回采系统， 从整体与系统 的角度， 分析研究崩落体、 放出体和松动体之间的内 在相互关系与相互影响， 使各种影响因素的特性达 到最佳匹配， 能够有效促进放矿效果改善。 （3） 建立以 “出矿量最大化、 矿石损失与贫化最 小” 为无底柱分段崩落法最优出矿效果的评判标准， 研究矿岩流动特性、 非结构参数等对三大结构参数 的影响， 理清影响结构参数的关键因素以及各采矿 方法结构参数对出矿效果的影响规律， 并在生产现 场不