自然崩落采矿法研究及应用_朱忠华.pdf

收稿日期2019-10-17 基金项目金属矿山安全与健康国家重点实验室开放基金项目 （编号 2018-JSKSSYS-01） ， 湖南省博士后日常经费资助项目 （编号 2018SBH05） ， 南华大学科研启动项目 （编号 2016XQD28） 。 作者简介朱忠华 （1981） ， 男， 讲师， 博士。通讯作者代碧波 （1982） ， 男， 博士研究生。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 自然崩落采矿法研究及应用 朱忠华 1 代碧波 2， 3 陶干强 1 冯兴隆 41 （1. 南华大学资源环境与安全工程学院， 湖南 衡阳 421001； 2. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 3. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司 ， 安徽 马鞍山 243000； 4. 云南迪庆有色金属有限责任公司， 云南 迪庆 650002） 摘要自然崩落法是一种高技术含量的地下开采方法， 在国外有较好的应用。为更好推广应用自然崩落采 矿法， 对自然崩落法进行综合评述， 包括自然崩落法适用条件和优缺点， 放矿理论、 矿岩流动特性、 放矿控制、 放矿 生产计划、 放矿管理等方面， 以及自然崩落法国内外的应用现状。可以得出 前期放矿理论研究， 以矿岩流动概率 密度函数和放出体形态为主， 对矿岩流动过程中品位的变化考虑不足； 放矿计划以均匀放矿为目标， 没能实现日出 矿品位均衡， 放矿管理不能进行放矿反馈控制和主动控制。自然崩落法发展趋势是放矿过程考虑出矿品位均衡， 使用数据库管理及系统集成， 实现放矿可视化、 信息化、 智能化。 关键词自然崩落法放矿理论放矿计划放矿管理放矿控制 中图分类号TD853.36文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-001-11 DOI10.19614/ki.jsks.201912001 Research and Application Overview of Block Caving Zhu Zhonghua1Dai Bibo2， 3Tao Ganqiang1Feng Xinglong42 （1. School of Resource Environment and Safety Engineering， University of South China， Hengyang 421001， China； 2. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 3. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 4. Yunnan Diqing Nonferrous Metal Co.， Ltd. ， Diqing 650002， China） AbstractThe block caving is a high-tech underground mining ，which has been applied well in foreign countries. In order to better promote the application of block caving mining ， a comprehensive review on it is made， in- cluding its application conditions，advantages and disadvantages，ore drawing theory，ore flow characteristics，ore drawing control，ore drawing schedule，ore drawing management and other aspects，as well as its application status at home and abroad. It can be concluded that in the early stage of ore drawing theoretical research，the probability density function of ore and rock flow and the of ore drawing body are the main factors，taking less consideration on the ore grade change in the process of ore and rock flow； It aims at uni ore drawing in the ore drawing plan， which fails to achieve the daily grade bal- ance of ore drawing，and the ore drawing management cannot approach the ore drawing feedback control and active control. The development trend of the block caving is to consider the ore grade balance in the ore drawing process，and to use database management and system integration to realize visualization， inatization and intelligence of ore drawing. KeywordsBlock caving， Ore drawing theory， Ore drawing plans， Ore drawing management， Ore drawing control Series No. 522 December2019 自然崩落采矿法， 也称矿块崩落法。该采矿方 法的矿岩体在拉底空间上， 依靠自身重力、 次生构造 应力作用， 在其软弱结构面的基础上产生崩落， 并进 一步发展失稳， 通过底部结构出矿使上部的矿岩持 续崩落， 直至上一个阶段或崩透地表 ［1］。该方法节省 了大量的凿岩爆破工作与费用， 特别适合低品位厚 大矿床开采， 是一种成本低、 效率高、 安全性好的地 下大规模采矿方法 ［2］。该方法要求矿岩体可崩性和 专题综述 1 ChaoXing 金属矿山2019年第12期总第522期 崩落块度较好， 且要求地表允许崩落， 适用条件较为 严苛， 但由于生产能力大， 开采成本低， 该方法在国 外得到广泛应用 ［3-6］， 在国内正处于推广应用阶段。 自然崩落法开采涉及到的关键技术主要包括 放矿 理论、 矿岩工程质量与块度预测、 崩落矿岩流动、 放 矿控制、 放矿计划编制、 放矿管理等 ［7］， 笔者前期对自 然崩落法放矿优化控制和放矿管理进行了研究 ［7-9］， 本文在前期研究基础上对自然崩落法的研究及应用 进行综合评述。 1 自然崩落采矿法研究现状及发展趋势 1. 1放矿理论 放矿理论主要研究放矿过程中崩落矿岩散体移 动规律， 包括散体移动概率密度场与移动速度、 散体 移动迹线、 放出体形态与方程、 放矿漏斗、 散体位置 变换与放出量及达孔量关系等。前苏联学者在放矿 理论方面做了初步研究， 建立了椭球体放矿理论 ［10］， 并用放矿理论说明和解决了一些矿山生产实际问 题， 并由该理论推导出了降落漏斗方程， 运用该理论 确定崩落采矿法合理结构参数和降低矿石损失贫 化。但是， 该理论在实际应用方面存在不足， 主要表 现在未能很好地说明倾斜矿体和薄矿体放矿、 端部 放矿和导流放矿， 此外该理论也未能很好解释漏斗 间相互影响和干涉的现象。 随机介质理论首先由波兰学者Litwiniszyn J引入 岩层移动领域 ［11］。该理论应用统计学和概率论的方 法， 将松散介质的运动视为随机过程， 将散体抽象为 随机移动的连续介质， 建立了移动漏斗深度函数微 分方程， 对矿区地表沉陷预计和崩落散体研究产生 了较大影响 ［12］。 我国的放矿研究起步较晚， 始于 20 世纪 70 年 代， 但此后国内学者进行了大量的研究， 形成了椭球 体放矿理论、 类椭球体理论、 随机介质放矿理论及倒 水滴理论 ［13-16］， 使得我国放矿理论研究整体处于世界 领先水平。其中椭球体放矿理论建立的时间最早、 影响最大。该放矿理论认为放出体、 移动体和松动 体的形态均为椭球体。刘兴国教授研究了端部放矿 的放出体、 残留体形态及矿岩界面的移动过程， 认为 放出体为近似椭球体， 并建立了放出体方程、 矿岩颗 粒移动方程和移动迹线方程 ［13］； 此外他认为变化的 放矿椭球体偏心率将导致移动迹线与椭球面过渡理 论的矛盾， 由此建立了等偏心率放矿理论， 但该理论 的等偏心率假设有悖于放矿实际情况。此后刘兴国 又研究了变偏心率椭球体放矿理论。李荣福教授在 试验研究的基础上建立了变偏心率截头椭球体放矿 理论， 并从该理论出发得到变偏心率完整椭球体理 论。但变偏心率截头椭球体理论方程比较复杂， 应 用不便， 而变偏心率完整椭球体理论的放出体与实 际不符， 不能给出实际放出速度分布和移动边界， 应 用上具有局限性 ［16-18］。 椭球体放矿概念比较清晰， 容易掌握， 运用比较 方便， 通过一定的理论检验， 说明和解释了矿山生产 中的一些实际问题， 但仍存在一些问题难以解决。 为此李荣福于1994年通过试验和理论研究创立了类 椭球体放矿理论， 并得出了放出体表面方程， 丰富了 放矿理论 ［16-17］。 在随机介质放矿理论方面， 王泳嘉教授提出了 球体颗粒移动递补模型， 认为相邻两球体以相同的 概率递补其下部空位， 并以此建立了球体颗粒移动 概率场 ［13］。王泳嘉根据移动概率场与散体垂直下降 速度场， 推导了散体移动速度与迹线方程、 放出漏斗 方程和放出体方程， 首次建立了随机介质放矿理 论 ［18］， 进一步解释了放矿问题的本质， 也诠释了椭球 体放矿理论无法合理解释的一些问题， 比如 ①放出 体问题， 随机介质放矿理论认为同时达到漏口的各 颗粒， 其从开始移动到抵达漏口时的概率总和相等， 将这些颗粒点连接起来便得到散体移动中的放出体 曲线； ②移动漏斗问题， 随机介质放矿理论通过散体 移动速度推导出移动漏斗方程和放出体表面母线方 程， 合理解释了放矿理论中的核心问题。任凤玉教 授在前述基础上， 对随机介质放矿理论进行了深入 的研究， 分析了散体移动概率分布和崩落矿岩移动 规律， 其提出的崩落矿岩移动速度场与试验结果符 合程度较好， 且移动速度场放出中的参数容易测定， 对放矿研究及应用起到了较好的推动作用 ［14-19］。 总体来说， 前期放矿理论研究， 以矿岩流动概率 密度函数和放出体形态为主， 对矿岩流动过程中品位 的变化考虑不足， 这是以后研究中应该考虑的问题。 1. 2矿岩工程质量评价与矿岩流动特性 自然崩落法要求矿岩体要有较好的可崩性和崩 落块度， 即矿岩体在拉底后能够依靠重力产生持续崩 落， 并且崩落矿岩具有较好的块度尺寸及分布， 这也 是自然崩落法的适用条件之一。自然崩落法矿岩工 程质量评价主要包括矿岩可崩性评价和块度预测。 矿岩可崩性对自然崩落法的选择、 回采顺序、 割 帮预裂与拉底方式、 拉底面积、 放矿控制与出矿方 式、 安全生产等都有决定性的影响 ［20-21］， 是应用自然 崩落法时考虑的重要条件。影响岩体可崩性主要有 地质与力学因素和工程因素 ［22］。地质因素包括岩体 内节理、 裂隙以及断裂等结构弱面的发育程度及其 空间展布特征、 矿体位置及其产状等； 力学因素包括 2 ChaoXing 2019年第12期朱忠华等 自然崩落采矿法研究及应用 原岩应力场的大小与分布， 岩体及岩石的力学强度 以及变形特征， 弱面的剪切性能及其变形特征等； 工 程因素是指拉底、 割帮、 预裂等工程的尺寸、 形状以 及布置形式。研究矿岩可崩性的方法主要有RMR法 （Rock Mass Rating） 、 地质强度指标法、 Laubscher崩落 图法和 Mathews稳定图法 ［21， 23］。冯兴隆在全面分析 国内外岩体工程质量评价方法的基础上， 建立了矿 岩可崩性评价指标体系， 确定了影响工程岩体质量 的6个关键指标参数 ［1］。 崩落矿岩块度预测及评价是自然崩落法的重要 研究内容。矿岩块度决定放矿漏斗尺寸， 影响放出体 形态、 放矿间距和设备选型 ［24］。矿岩块度评价就是对 矿岩块体尺寸和分布进行有效测定。在矿岩块度研 究方面， 杨啸使用节理网络模拟和分形理论对金川Ⅲ 矿区进行了矿岩块度预测 ［25］； 江飞飞使用BCF块度预 测分析系统对黄山铜镍矿厚大矿体崩落块度和分布 规律进行了预测 ［26］； 李响在实测节理空间几何参数基 础上， 采用Monte Carlo法对某大型镍矿矿区节理空间 进行了模拟 ［27］； 冯兴隆根据金川矿区现场不连续面参 数调查结果， 生成不连续面综合数据库， 使用三维建 模技术确定构成岩块的节理面， 进而计算岩块体积并 判断岩块形状， 完成了崩落块度预测， 并对影响矿岩 块度预测的因素进行了分析 ［28］。 进行矿岩可崩性评价和块度预测， 需要通过岩 石力学试验和地质调查获得一些岩石力学和地质条 件等基础数据， 然后使用可崩性评价和块度预测方 法进行矿岩工程质量评价。评价结果的准确性与基 础数据和评价方法密切相关。近些年来， 计算机技 术、 神经网络以及交叉学科等在众多领域得到较好 应用， 显示了良好的效果和前景 ［29-30］， 也将在矿岩工 程质量评价方面得到较好的发展和应用。 自然崩落法的特点是崩落矿石和覆岩直接接 触， 在覆岩下出矿。崩落矿岩的流动直接影响放出 体形态和矿石损失贫化， 进而影响放矿点间距和矿 山企业的经济效益。 以往的研究中， 椭球体放矿理论认为放出体为 一近似椭球体， 而随机介质理论认为矿岩颗粒移动 服从具有统计规律的随机概率。一些放矿实验揭示 了一定模型比例下的矿岩流动特性， 但囿于数据处 理的限制， 只得到二维状态下的矿岩流动规律 ［31］； 文 献 ［32］ 研究了自然崩落法高阶段多漏斗放矿矿岩流 动， 从放矿水平布置出发， 提炼出多漏斗放矿仿真模 型， 得到了三维条件下矿岩流动规律， 确定了放矿底 部结构优化方法。随机介质放矿理论研究中重要的 一环是矿岩流动概型的确定， 其直接决定矿岩体流 动， 流动概型可以在放矿理论的指导下， 用放矿试验 进行修正。 颗粒流方法通过离散单元来模拟颗粒介质的运 动及其相互作用 ［33］， 将研究对象划分为颗粒单元， 通 过颗粒单元间的相互作用来表征研究对象的宏观应 力响应。PFC是一款颗粒流软件， 可进行流动模型参 数预测和相似条件下的流动模拟 ［34-35］； PFC2D模拟试 验可以部分代替室内试验 ［36］。有学者将PFC2D用于 自然崩落法放矿研究， 实现了崩落矿岩颗粒的流动 模拟 ［37-38］， 但是PFC2D缺乏对岩性、 品位等属性的描 述， 更谈不上进行技术经济评价， 离矿山的实际需求 还有一定差距。 自然崩落法矿岩流动研究的发展方向是三维可 视化模拟， 并考虑矿岩属性 ［32］， 其难点在于不规则崩 落块体的几何表达及其在流动中的相互作用方式的 确定。 1. 3放矿生产计划 自然崩落法放矿生产计划是在根据生产目标和 约束条件进行放矿排产， 以保证高效、 安全、 持续地 放矿。放矿计划按计划周期长短可分为中长期放矿 计划和短期放矿计划。中长期放矿计划是对一定时 期内放矿的总体规划， 一般为一年或几年的计划； 短 期放矿计划则是一个月或者一个季度的计划， 是长 期计划的具体分期实现。 评价自然崩落法开采的技术经济指标主要是矿 石回收率和贫化率， 以往放矿计划主要是根据生产 计划控制每个放矿点在单位时间内的放矿量， 通过 保证矿岩接触面平稳下降达到降低矿石损失贫化的 目的， 对放矿品位没有很好的控制， 是一种被动的放 矿。更好的放矿计划既要能满足矿量和损失贫化的 要求， 还要满足出矿品位的要求， 是一种主动的放 矿。在放矿计划编制方面， 文献 ［39］ 提出了一种强 鲁棒性的自然崩落法生产计划优化方法， 该方法为 降低求解规模， 在进行长期计划编制时采用分步方 法， 每步用混合整数线性规划方法求解， 得到最优 解。胡柳青将地下矿生产计划的基本对象设置为任 务， 并给任务设置属性， 通过各种属性达到自动化优 化的目的 ［40］。童光煦从方法论的角度， 综合评价了 矿山生产计划编制方法， 指出了不足之处及改进方 法 ［41］。胡乃联等研究了地下矿生产计划编制过程中 矿石质量控制问题， 给出了2个能适应不同要求的线 性规划模型及其求解方法 ［42］。陈孝华等人将人工神 经网络、 专家系统以及CAD和运筹学的优化技术有 机结合， 研制了矿山采掘计划编制的人工神经网络 专家系统 ［43］。李海其论述了采掘计划计算机编制系 3 ChaoXing 金属矿山2019年第12期总第522期 统的设计目标、 基本结构与功能及所采用的数学模 型， 并将研究成果应用在铜矿峪矿， 取得较好效 果 ［44］。曾庆田等人依托DIMINE数字矿山软件系统， 实现了以三维地质建模和精确采矿设计为基础， 以 生产场地、 生产者能力、 采矿工艺技术为约束的地下 矿生产计划编制 ［45］。李志国等人为综合评价配矿效 果， 建立磷矿堆场多目标优化配矿模型， 并采用改进 的遗传算法进行求解， 在稳定矿石品质的同时最大 限度利用了原矿资源 ［46］。许国伟等人基于SURPAC 软件， 在乌山铜矿应用中开发了一种智能配矿软件， 提高了供矿质量 ［47］。姚旭龙等人建立了基于免疫克 隆选择算法的地下矿山配矿数学模型， 并结合国内 某地下锌矿实际生产， 使用Java编程实现优化解算， 具有一定的科研和实用价值 ［48］。易丽萍和吴丽春等 人研究了露天配矿优化方法， 分别用线性规划方法 和0-1整数规划方法实现露天矿山的合理配矿 ［49-50］。 但是目前的放矿计划编制未能较好地和放矿控 制结合， 放矿计划主要是以实现均匀放矿为目标， 没 能实现日出矿品位均衡， 而这对降低选厂的选矿成 本具有重要意义。 1. 4放矿控制与放矿管理 放矿控制在自然崩落法矿山生产中具有举足轻 重的地位。总的来说， 放矿控制可以从均匀放矿原 则、 出矿品位均衡原则、 降低损失贫化原则及放矿速 度控制原则来考虑。 在放矿控制方面， 周益龙采用最优化方法进行 研究放矿问题， 采用VB语言编写放矿控制程序， 并 用数据库管理数据 ［51］。王长军建立了动态最佳经济 出矿的基本模型， 采用盈亏平衡分析法确定最佳出 矿截止品位， 进行了基于动态最佳经济出矿品位的 放矿方案优化研究 ［52］。徐海针对凡口铅锌矿的资源 现状与现实开采条件， 建立了矿山资源开采线性规 划模型， 提出了确定现实产能的合理资源范围［53］。 王树琪根据铜矿峪矿 10多年自然崩落法的生产实 践， 对放矿控制与管理进行了系统论总结， 为自然崩 落法采矿理论研究和矿山生产提供了一定的借 鉴 ［54］。赵守鹏等人针对Laubscher品位估值法不能计 算任意放矿阶段出矿品位的不足， 提出了连续品位 预测模型［55］。王新华、 潘长良在自然崩落法相关研 究的基础上， 研究了放矿排产优化问题， 给出了正向 优化和逆向优化的数学模型， 为均匀放矿提供了一 种理想的实现方法 ［56］。 自然崩落法放矿控制的发展方向是考虑矿岩品 位属性， 并和放矿管理及计算机模拟相结合， 将实际 出矿信息反馈， 进行放矿反馈控制和主动控制。 放矿管理是自然崩落法矿山生产过程中的一个 重要环节， 其内容主要包括 生产数据自动采集与传 输、 实时分析， 井下铲运机自动计量， 设备智能跟踪 与定位等。科学的放矿管理技术， 是自然崩落法采 矿顺利实施的重要保障。 在放矿过程智能化管理方面， 刘宏发针对柿竹 园矿进行了多金属井下铲运机自动计量系统的设 计 ［57］， 结合铲运机装载量电子秤技术、 无线射频技 术、 2.4GWIFI技术、 组网技术等， 完成了多金属井下 铲运机自动计量系统的设计与开发， 实现了无人值 守自动计量和远程实时监控。吕江柱将出矿系统分 解为矿车对位、 装矿控制、 调度指挥和出矿计量4个 部分 ［58］， 分别用排队论、 概率论方法研究调度指挥和 矿车对位2个子系统， 确定了调度算法， 并根据矿车 对位的分析结果配置了相应的传感器和检测装置。 战凯等详细分析和评述了地下遥控铲运机的遥控和 精确定位技术 ［59］， 阐述了在我国研发这2种技术必要 性， 并以数字矿山无线通讯系统为基础， 研究了地下 遥控铲运机的智能化具体实现， 初步建立了我国无 人采矿装备的技术开发体系和平台。 放矿管理的发展趋势是将采集设备与数据库连 接， 将实际放矿数据存入数据库， 并和计划数据进行 对比分析 ［60］， 为放矿控制与生产调度提供依据， 这涉 及数据采集与传输、 设备跟踪定位以及放矿数据模 型和数据结构设计、 数据分析等， 是一个多学科融合 的问题。 1. 5放矿试验与模拟 放矿实验包括物理实验和计算机仿真模拟， 其 中物理试验分为物理模拟试验和现场工业试验。物 理模拟试验就是根据物理和几何相似原则， 制作放 矿系统模型， 并选配与采场崩落矿岩物理力学性质 类似、 级配尺寸相当的矿岩颗粒材料进行试验。该 方法便于观察和控制放矿过程， 直观易操作， 可用来 指导采场结构参数优选、 放矿方案设计与放矿制度 制定等。根据研究问题性质不同， 放矿物理模型分 为单体模型、 平面模型和立体模型3种。不少学者进 行了放矿物理试验研究。Castro R等人通过大型三 维物理模型研究了单漏斗放矿时无粘性矿石的流动 机制， 得出放出带主要受放矿量和放矿高度的影 响 ［3］； Trueman R 和 Castro R 在相同的模型上研究了 相邻放矿体的相互作用， 得出当放矿点间距大于隔 离放矿松动区宽度时， 自然崩落法多漏斗放矿松动 区不会相互影响 ［4］； Melo F研究了颗粒流动的运动学 模型， 以描述颗粒材料从漏斗放出的位移场 ［5］； 此外， Melo F和Vivanco F通过自然崩落法比例模型， 比较 4 ChaoXing 2019年第12期朱忠华等 自然崩落采矿法研究及应用 了放出体和松动体的发展过程 ［6］； 王述红等人针对白 银铜矿进行了1 ∶ 100相似比的物理模拟实验， 测得无 边界约束条件下浸染状和块状矿石的散体流动性能 参数 ［61］。原野等人对大厂铜坑开展了相似比为1 ∶ 20 的放矿物理试验模拟， 分别考虑平面放矿和斜面放 矿物理模拟试验， 以矿石损失贫化率为考核指标， 得 出该矿斜面放矿优于平面放矿方案的结论 ［62］。朱志 根等人则根据矿岩流动特性分析， 进行放矿贫化模 拟实验， 得到了矿岩块度非均匀性对放矿贫化的影 响关系 ［63］。陶干强研究了中厚倾斜矿体无底柱分段 崩落法导流放矿机理， 并进行了1 ∶ 25的放矿试验， 取 得了积极成果 ［64-65］。 现场工业试验包括现场松散矿岩物理力学性质 试验以及现场放矿试验。现场物理力学试验主要测 定容重、 松散性、 孔隙度、 压实度、 湿度、 块度、 自然安 息角、 外摩擦角、 内摩擦角和黏聚力等松散介质物理 力学性质， 为放矿规律的进一步研究提供基本参数。 现场放矿试验则是在崩落法矿山出矿点进行实际出 矿操作， 记录和分析出矿数据， 为后续放矿研究提供 真实的第一手资料， 并取得物理模拟和计算机模拟 所需要的原始数据。但现场工业试验具有自身的局 限性， 因为现场地质、 水文、 地压、 爆破和矿岩性质等 条件较恶劣， 不便于放矿现场工业试验长期持续进 行， 因此有必要重视有限的现场工业放矿试验研究 和总结放矿实践经验， 加强放矿管理， 并尽可能地寻 找可能的替代方法。 在放矿计算机模拟方面一些学者以随机介质理 论为基础， 编程模拟崩落矿岩的移动概率场 ［8， 65-66］， 或 者利用软件如MIDAS、 FLAC3D等对矿区开采进行数 值模拟与计算， 进而确定合理的放矿方式及放矿步 距 ［67］。杨才亮设计了无底柱分段崩落法放矿的计算 机模拟流程， 使用Visual Basic 6.0语言编写了放矿计 算机随机模拟程序 ［68］。柳小波、 孙豁然等在放矿理 论的基础上， 使用面向对象编程语言， 开发了一种新 的崩落法放矿模拟软件 ［69］。杨鹏、 童光煦等人采用 改进的空位扩散随机介质理论建立了放矿计算机辅 助管理系统， 并在程潮铁矿崩落法放矿管理中得以 应用， 提高了放矿的管理水平 ［70］。李昌宁通过对放 矿过程中非均匀崩落散体受力与稳定平衡分析， 认 为放矿是一个散体力学平衡与失稳相互交替循环的 动态过程， 并据此建立了FHLB2D模型［71］。但以往国 内在放矿计算机模拟研究方面仍然以矿岩流动模拟 为主， 未能实现三维可视化环境下的放矿控制与管 理， 对矿岩品位及岩性等属性的考虑也不足， 更不能 进行技术经济评价 ［72-73］。近年来数字矿山技术的快 速发展为放矿控制与放矿管理的深入研究提供了条 件 ［74-75］。基于劳布斯彻的放矿理论而开发的PC-BC 软件， 在1999年由Gemcom公司商品化推向市场， 目 前已经广泛用于铜、 金、 金刚石等自然崩落法矿山， 世界上多个自然崩落法矿山和咨询公司都是PC-BC 的用户， 尤其是在澳大利亚Northparkes矿的Lift 1的 应用使该软件得到了很大的发展 ［76］。该软件利用地 质矿块模型， 可计算不同阶段的可采矿量， 并根据拉 底速度、 下降速度、 新增放矿点进行生产计划编制， 但是对放矿智能化管理方面显得不足。近年来国内 的自然崩落法放矿系统iOreDraw在优化控制和智能 化管理方面取得了突破， 是一体化的的智能放矿管 理系统， 并在普朗铜矿得到较好应用 ［77-79］。 前期自然崩落法放矿模拟取得了一些进展， 但 是在三维可视化、 数据库及系统集成方面研究欠佳， 但计算机模拟可以对放矿过程和放矿计划编制进行 事前模拟， 是自然崩落法放矿的研究的重要手段和 方向。 1. 6其他方面 开采环境评价和出矿底部结构稳定性也是自然 崩落采矿法的重要研究内容。随着自然崩落法放矿 的进行， 崩落过程向上发展直到崩通地表， 使地表产 生移动、 变形、 开裂、 沉降、 塌陷等， 影响生态环境。 对地表沉陷预计， 常用随机介质理论以及在此基础 上发展的概率积分方法 ［80］。通过概率积分法可以计 算得到地表的沉陷值、 倾斜值以及相应的破坏面积 和破坏程度。此外， 地表移动的实时监测和测量也 是应对开采沉陷的有效手段 ［81］。地表沉陷预计精度 可能不高， 但是是事前预计； 而实时监测精度较高， 但却是事后工作。 放矿过程伴随着矿岩崩落和流动， 是一个动态 过程， 矿岩崩落可产生较强的冲击地压， 导致底部结 构失稳 ［82］。底部放矿结构的稳定性直接关系到崩落 的矿岩能否顺利出矿。底部放矿结构的稳定性与岩 石力学性能、 底部结构参数及放矿控制密切相关。 2自然崩落采矿法应用 1895年， 自然崩落采矿法在美国密执根州苏必 利尔湖铁矿区皮瓦贝克 （Pewabic） 铁矿首次试验成 功 ［83］。此后， 自然崩落法在美国当时一些被认为经 济上无开采价值的大型低品位斑岩铜矿床中得到广 泛应用， 并逐渐发展成为一种高效率、 高产量和低成 本的地下采矿方法。当时的回采过程是先空场采 矿， 后将矿块边界近乎随意切割， 然后在运输水平进 行拉底， 且为了安全起见留有足够的不规则矿柱， 最 后爆破矿柱， 让矿块自然崩落。当矿石达到足够破 5 ChaoXing 碎的情况下， 采用板桩掘进法和木支柱形成回采平 巷系统。在出矿道出现废石时， 停止出矿， 以顺序后 退式爆破木支架再恢复出矿， 直至后退到2条中央采 矿巷道。而在科罗拉多州的克莱马克斯铜矿， 用耙 矿巷道代替格筛水平， 矿石通过一系列放矿点直接 经溜矿点耙入下面的运输矿车。目前由于井下无轨 采矿设备的发展， 一些自然崩落法矿山采用无轨设 备代替电耙出矿， 如亨德森矿在生产区全部采用铲 运机， 使得出矿效率和出矿能力更高。 自然崩落法自成功应用以来， 已有100多年历史。 起初它只适用于节理裂隙较发育的软弱破碎矿体， 目 前由于可崩性研究、 块度预测及放矿理论研究取得巨 大进展， 该方法已能成功用于节理裂隙发育的硬岩体， 且因其生产能力大， 便于生产组织管理， 作业安全， 开 采成本低， 自然崩落法在美国、 智利、 加拿大、 南非、 澳 大利亚、 菲律宾、 赞比亚、 俄罗斯等国家得到广泛应用， 并取得了良好效果 ［83-84 ］。目前世界上有50多座矿山成 功应用自然崩落法采矿， 分布如图1所示， 典型的有美 国的克莱迈克斯矿、 圣曼纽尔矿、 享德森矿， 智利的特 尼恩特矿、 萨尔瓦多矿， 菲律宾的菲勒克斯矿等， 其中 生产能力最大的是智利的特尼恩特矿， 日产量达11.2 万t， 国外典型自然崩落法开采如图2所示。 金属矿山2019年第12期总第522期 6 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 我国对自然崩落法的研究起步较晚， 但是发展 较为迅速。20世纪60年代初我国曾在易门铜矿狮山 分矿和山东莱芜铁矿马庄矿试验过阶段自然崩落 法， 开采松软破碎矿体， 但都未能得到推广应用。70 年代又在金山店铁矿试验了2个矿块， 分别用电耙和 铲运机出矿， 尽管试采成功， 但矿块尺寸和段高较 小， 试验结果不理想。1984年， 中条山有色金属公司 引进矿块崩落法， 用于开采铜矿峪矿低品位的蚀变 斑岩型铜矿床， 并在1989年建成投产， 目前年生产能 力已达600万t ［85］。自然崩落法的成功应用使长期亏 损的铜矿峪矿重获生机， 成为中条山有色金属公司 的主力矿山。此外， 云南铜业普朗铜矿采用自然崩 落法开采 ［86］， 于2017年3月顺利投产， 年处理原矿石 1 250万t， 是目前国内最大的自然崩落法矿山； 该矿 采用先进设计理念， 配置自然崩落法放矿管理系 统 ［7， 77］， 按安全生产六大系统要求设计， 是一座智能 化水平较高的现代化矿山， 普朗铜矿应用现场如图3 所示。 2019年第12期朱忠华等 自然崩落采矿法研究及应用 3结语 自然崩落法是一种特殊的大规模采矿方法， 具 有较高技术含量和广阔的应用前景； 本文对自然崩 落法进行综合评述， 介绍了自然崩落法特点、 研究现 状、 发展趋势及应用现状； 放矿过程考虑出矿品位均 衡， 使用数据库管理及系统集成， 实现放矿可视化、 信息化、 智能化是自然崩落法的发展趋势。本文为 自然崩落法的进一步推广应用提供较好的借鉴和参 考。 参 考 文 献 冯兴隆.自然崩落法矿岩工程质量数字化评价及模拟技术研究 ［D］ . 长沙 中南大学， 2010. Feng Xinglong. Study on Digital Assessment and Simulation Tech- nology at Rock Mass Engineering Quality of Block Caving［D］ . Changsha Central South University ， 2010. 唐业茂， 曾晓文.自然崩落采矿法技术应用探讨 ［J］ . 有色金属 矿山部分， 2010， 62 （3） 9-11. Tang Yemao， Zeng Xiaowen.Discussion on the application of block caving mining ［J］ . Nonferrous Metals Mining Section， 2010， 62 （3） 9-11. Castro R， Trueman R， Halim A. A study of isolated draw zones in block caving mines by means of a large 3D physical model ［J］ . In- ternational Journal of Rock Mechanics Mining Science， 2007， 44 （4） 860-870. Trueman R， Castro R， Halim A. Study of multiple draw-zone inter- action in block caving mines by means of a large 3D physical model ［J］ . International Journal of Rock Mechanics Mining Science， 2008， 45 （7） 1044-1051. Melo F， Vivanco F， Fuentes C， et al. Kinematic model for quasi stat- ic granular displacements in block caving Dilatancy effects on drawbody shapes［J］ . 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