普朗铜矿自然崩落法采矿工艺危险源辨识

郭林宁， 孙 伟， 冯兴隆， 刘华武， 侯克鹏

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650000； 2.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 香格里拉 674400)

普朗铜矿为目前国内最大的铜矿山，同时也是国内采用自然崩落法开采的最大的矿山。与传统崩落采矿法不同的是，自然崩落法一旦实施，将极难进行开采方案的变更，同时它也是一种技术含量很高的采矿方法。对普朗铜矿来说，自然崩落法是一种新的采矿方法，在国内矿山也不多见，成功地应用自然崩落法的矿山更是屈指可数。因此对自然崩落法整个开采工艺环节所存在的风险进行辨识，可为后续生产的风险控制提供科学依据。

1 普朗铜矿自然崩落法采矿工艺

普朗铜矿将3 720 m水平以上的200 m矿体作为一个采场，通过在矿体的3 736 m水平进行中深孔拉底爆破，形成拉底空间(高15 m)，使上部矿体在次生应力场的作用下，内部不连续面持续扩张，并在重力作用下进行崩落，崩落矿石通过布置在拉底和出矿水平之间的聚矿槽和3 720 m的出矿进路放出。随着拉底空间的不断扩大和崩落矿石的持续放出，上部矿体连续崩落并不断向上发展，直至覆盖岩层并崩通地表。

2 拉底工艺中存在的危险因素

自然崩落法是通过在放矿点上部进行拉底，直至拉底面积达到足够大，矿石才能形成初始崩落和保持正常的持续崩落。影响拉底的因素主要有：拉底方式(拉底战略)、拉底顺序、拉底推进速度、拉底高度、拉底形状与工艺、拉底巷道施工与支护。

2.1 拉底方式

目前共有4种拉底方式，分别为：后拉底、预拉底、前进式拉底以及亨德森拉底，其中前三种使用较多。拉底方式不合理将会引起以下问题：不能进行有效的崩落矿石；补偿空间不够；引起较大的应力集中，影响出矿水平底部结构工程的稳定；影响施工进度；容易形成岩柱、岩墙。

2.2 拉底顺序

影响拉底顺序的因素主要有：矿体形状；矿体内品位的分布；原岩应力的方向和大小；矿体的强度和空间变化；矿石的构造特征；在拉底矿块附近是否存在已有的崩落区。

拉底顺序不合理可能导致：矿石无序、不可控的崩落；岩体的大面积垮塌、空气冲击波的发生；应力的集中，巷道的严重破坏。

2.3 拉底推进速度

许多因素影响矿山的最优的拉底速度。为了获得较好的经济效益，要求加大拉底速度，但过高的拉底速度对拉底巷道、底部结构、出矿水平巷道造成较大的破坏。拉底速度与矿石崩落速度、出矿速度应一致，如果拉底速度过慢而放矿速度过快就会造成矿石崩落顶板与矿堆空间增大，顶板冒落引起空气冲击波风险增大；拉底过快而放矿速度过慢，则会导致矿石压实，难以放出。

2.4 拉底高度

较大的拉底高度可以限制出矿水平巷道的诱导应力，保证崩落的顺利进行和矿岩的顺利流动。然而由于高拉底必须采用深孔进行拉底爆破，容易形成不规则的顶板，导致崩落效果不好。

2.5 拉底形状与工艺

受爆破施工影响，拉底形状对拉底的难易程度和效果及初始的崩落效果有较大影响。通常存在以下问题：炮孔施工质量差；爆破效果不理想，形成岩柱。

2.6 拉底巷道施工与支护

拉底巷道与出矿巷道相比，服务时间相对较短，不是永久性工程。但是其在崩落过程很重要，必须保证在设计寿命内安全。拉底巷道主要存在以下问题：拉底巷道的支护过于简单，可能在凿岩、打孔工程中造成人员伤害和设备损失；拉底巷道支护过于坚固，可能会难以爆破，造成资金的浪费；爆破下来的支护措施(像喷锚网、钢筋等)可能会划伤皮带，影响矿山运输。

3 出矿工艺中存在的危险因素

出矿工艺环节是自然崩落法采矿中重要的环节之一。普朗铜矿在此工艺环节过程中可能出现大块率过高、卡斗、底部结构失稳、聚矿槽成槽失败等现象。

3.1 大块率过高

矿石崩落块度有三个不同的阶段，即自然块度、初始块度和出矿块度。矿石(岩体)的自然块度是由矿体(岩体)的抗拉、抗压、抗剪强度以及本身的构造密度、空间分布状态、发育程度等矿体自身性质决定的。通过拉底来破坏矿体本身的原岩应力，加大矿体存在的软弱结构面，增加矿体本身不存在的节理裂隙，从而达到初始块度的要求。在放矿过程中，矿石相互碰撞挤压破碎形成出矿块度。在矿石三个不同的块度阶段，块石块度大小不同，一般来说，自然块度大于初始块度，而初始块度又大于出矿块度。

出现大块率过高的原因可能有：

(1)第二阶段矿体没有充分将结构面扩展，导致破碎的岩体块度较大。造成这种情况出现的原因可能为拉底推进速度过快。由于拉底速度过快还会导致崩落的矿石一直与顶板相连，无法使崩落的块石在重力作用下进行破碎达到预测的初始块度值。

(2)随着放矿活动的进行，松散矿石不断移动，矿石的活动带周围出现张力松驰，对将崩落矿石的夹制作用降低，使其出现松动现象，最终滑动崩裂。因此，较快的放矿速度为矿石提供的崩落机会大，崩落矿石受应力作用的时间就短，节理裂隙无法充分发育和贯穿切割，崩落矿石的块度必然大。

3.2 卡斗

卡斗的形成有三种情况：(1)崩落的超大块直接压在底部结构之上，造成底部结构堵塞与卡斗；(2)崩落块度并不足以直接堵塞底部结构，而是适当的块度相互组合堆叠造成底部结构堵塞；(3)由于选矿厂、尾矿库等采矿工艺环节之外的因素出现故障，造成矿山无法正常出矿，矿石存留在采场内无法放出，造成底部结构压死现象。

3.3 底部结构失稳

底部结构属于矿山的咽喉部位，十分重要，一旦底部结构失稳，就会导致整个矿山都无法正常运营，从而造成巨大的经济损失。直接影响底部结构稳定性的因素有：底部结构的矿岩性质及岩石力学参数的准确性；底部结构的支护与施工；卡斗(超大块)对底部结构的破坏；二次破碎的震动影响；铲运机在铲矿运输过程中对底部结构的破坏。目前，普朗铜矿的底部结构不会失稳，然而底部结构的运营时间长达18年，随着生产的进行，底部结构可能无法一直保持稳定状态。

3.4 聚矿槽成槽失败

聚矿槽施工爆破后，不能形成桃形矿柱，出现类似“楼板”现象，从而影响生产效率和出矿进度。造成这种情况的原因有：爆破设计不合理，对拉底层的测量不准确，导致炮孔打穿，无法装药；炮孔布置不合理，现场工人不按设计图打孔；现场工人不按设计进行装药，或设计装药结构不合理；爆破方式不合理；炮孔变形，导致炸药装不进去。

4 普朗铜矿在放矿工艺中存在的危险因素

普朗铜矿放矿过程中主要涉及到溜井井壁的磨损和放矿管理两个方面。

4.1 溜井井壁磨损

主溜井是地下金属矿山最重要的开拓系统工程之一，卸矿过程中矿石对溜井的损伤形式主要表现为对溜井的冲击损伤和摩擦损伤。溜井井壁的磨损与矿石的块度、矿石的运动速度、矿石冲击角度、摩擦系数以及矿石与围岩的力学参数有关。

4.2 放矿管理

放矿管理在普朗铜矿日常工作中是一项十分繁琐的工作，一旦放矿管理不合理则很难实现均衡出矿，可能出现损失贫化，甚至出现冲击地压或压死现象。

5 结语

在普朗铜矿开采之前，国内只有铜矿峪矿山成功采用自然崩落法采矿，因此，普朗铜矿在开采过程中可借鉴的经验较少。普朗铜矿需要在开采过程不断探索、不断学习，因此对普朗铜矿自然崩落法采矿工艺环节进行风险辨识，辨识方向主要是自然崩落法采用的拉底、出矿、放矿三个工艺方面。在拉底工艺方面，影响拉底的因素主要有拉底方式、拉底顺序、拉底推进速度、拉底高度、拉底形状与工艺以及拉底巷道的施工与支护；在出矿工艺环节可能会面临大块率高、卡斗、底部结构失稳以及聚矿槽成槽失败的问题；在放矿工艺环节中面临着溜井井壁磨损以及放矿管理不当的问题。