自然崩落法矿岩崩落块度研究现状与趋势

陈晓云, 范文录, 夏长念, 李 光, 刘育明, 陈小伟, 张洪昌

(1.鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司, 辽宁 鞍山 114001； 2.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

自然崩落法是依靠岩体自重作用且受岩体内部节理裂隙弱面影响下矿岩发生自然冒落的采矿方法，因此其成本低，生产能力大[1]。在地下矿山开采中，自然崩落法和传统的无底柱或有底柱分段崩落法相比，除了拉底和形成底部结构需要凿岩爆破外，其余的矿岩不需凿岩爆破，因此大大减少了炸药消耗量和采切工程量，生产效率高，劳动强度大大降低，采矿成本低，它是在生产成本上唯一能与露天开采相媲美的地下采矿方法[2]。此外，由于自然崩落法的放矿是高中段均匀下降放矿，其矿石贫化率和损失率均比无底柱分段崩落法要小。因此，国内一些铁矿山也尝试使用自然崩落法来代替无底柱崩落法，目前鞍钢矿业公司眼前山铁矿已开展自然崩落法试验研究，有望成为首家拟采用自然崩落法开采的铁矿山。

矿体在崩落过程中的矿岩块度对自然崩落法的成功应用起着很大的决定性作用，这是因为矿岩崩落块度很大程度上影响到自然崩落法的生产成本和盈利程度。矿岩崩落块度对设计工艺参数的影响通常包括放矿点的尺寸和间距、设备的选择、放矿控制程序、放矿速度和成本等，因此矿岩崩落块度预测是自然崩落法开采矿山前期可行性研究的重点内容。

2 自然崩落法崩落块度研究方法

目前矿岩崩落块度预测是以岩体构造调查结果为基础进行统计分析，再结合地应力、矿岩强度、节理力学性质等影响因素建立块度模型，求出矿石块度组成。在崩落过程中预测岩体块度要求掌握岩体的自然块度以及岩块在放矿过程中的破碎过程。通常认为矿岩块度分三个层次：自然块度、初始块度和出矿块度。自然块度是在采矿活动发生之前自然存在于岩体内的块度，完全由岩体内不连续面网络控制；崩落开始后，因弱面存在，且在应力作用下矿岩发生破坏，这个阶段形成初始块度；矿岩崩落后在放矿流动过程中，受挤压摩擦作用，岩块会发生进一步破碎，这个过程中产生的块度称作出矿块度[3]。

目前国内外测量矿岩块度的方法主要有物理测量法和预测法[4]。常用的矿岩块度测量方法主要有筛分法、不合格大块计数法、矿堆直接测量法和二次爆破岩块统计法。预测矿石块度的方法可分为三类：间接法、图像法和节理网络模拟法。

2.1 物理测量法

1)筛分法

筛分法是让岩块通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以质量百分数表示的块度分布。在自然崩落法矿岩崩落过程中因生产成本和工作效率影响，筛分法的应用受到限制。

2)二次爆破雷管消耗计数法

该方法通过统计分析对大块进行二次爆破所消耗的雷管数量来对矿岩崩落效果进行描述。所以该法只能给出不合格的大块率，而不能对矿岩整体崩落块度进行描述。

3)直接测量法

即对放矿口处放出的岩块直接进行物理测量，这种方法工作量较大，效率不高，且安全性差。为减少以上缺陷，国外某矿业学院提出了直线测量方法。其实质是在崩落矿堆上设置若干条测量直线，再分别测量每条直线上不同尺寸块度岩块所占直线长度，之后建立数学模型来计算各级崩落块度。

根据物理测量法的特点可知，测量法需要在矿山投产后生产实践中才能实施测量，因此物理测量法显然不能满足自然崩落法矿山的要求。对于拟采用自然崩落法开采矿山而言，矿岩块度直接影响了矿山生产效率和成本，因此，矿岩崩落块度在很大程度上决定了自然崩落法的可行性，所以在矿山设计过程中就需要较精准掌握矿岩崩落块度的分布。

2.2 预测法

1)经验法

经验法是通过获取岩体的特性参数(如岩石RQD值、岩体RMR值等)来对矿岩崩落块度定性评价的一种预测方法，是一种经验的崩落块度预测方式。如根据矿岩RMR值，将矿岩质量划分为五类，若RMR值越大，岩体稳固性越好，但矿岩可崩性越差，同时矿岩崩落块度越大。

2)图像预测法

随着高清摄像技术及电脑图像处理技术发展，图像法开始引入矿山矿岩的块度评价应用中，并且可对矿岩崩落块度进行预测。图像分析过程有三个阶段——采样、图像采集和图像分析。采样过程是从需要分析矿岩块度中选择有代表性的图像；图像采集应获取保证分析质量的图片；图像分析过程则是使用一定的分析方法从图像中来确定矿岩的崩落块度，从而实现矿岩崩落块度预测，图像分析处理示例如图1所示。

图1 块度预测图像分析法

图像预测法目前大多还属于崩落后预测技术，即根据崩落矿堆图像对矿岩块度进行预测，而不能在矿岩崩落前实现块度的预测，其技术还有待进一步发展。

3)节理网络模拟法

节理网络模拟法是通过统计分析岩体的节理构造空间分布特征和节理构造面条件来获得岩体的节理构造分布规律，再使用蒙特卡罗技术来模拟节理裂隙对矿岩的分割，同时结合矿岩崩落和矿石流动摩擦等力学知识，来预测不同阶段的矿岩块度分布[5]。如图2所示为利用节理网络模拟法预测的矿岩块度分布曲线。图中1、2、3曲线分别代表不同节理密度条件下的矿岩块度分布预测曲线。

图2 矿岩块度分布预测曲线

使用节理网络模拟法进行矿岩块度模拟的基础是建立节理概念模型，节理概念模型则直接影响矿岩块度模拟的准确性，所以国内外相关学者进行了大量研究，并且提出了一系列模型。Snow(1965)提出了第一个节理概念模型，即直交模型，该模型用来进行水文方面的模拟。后来众多学者提出了相对更完善的模型，如泊松区域模型，棋盘模型，分级模型以及地质统计法等，这些概念模型都能用来对岩体原始节理网络进行较为准确的模拟。

Dr D H Laubscher在与A R Guest和P J Bartlett合作提出BCF(Block Cave Fragmentation)系统，Dr G SEsterhuizen完成系统编程。BCF系统是专门应用于自然崩落法开采矿山矿岩各级块度的系统，应用广泛。该系统用简化的技术来确定原始块度，并用经验法则来预测崩落块度和放出块度。该系统首先在南非的一家矿山进行了应用，后来又进行了改进，并用于南非Palabora铜矿矿岩崩落块度研究。

BCF系统对矿岩块度预测包括两个阶段：

(1)根据岩石强度、节理产状、间距等统计数据和区域应力计算初始块度。

(2)通过考虑块体的高宽比、块体强度、崩落压力、崩落过程中成拱作用产生的应力、出矿速率及出矿高度等计算出矿块度。

3 国内矿岩块度预测研究现状

国内较多学者在矿岩块度预测研究方面也做了大量研究工作，赖顺华和童光旭(1988)在论文“节理岩体计算单元生成与崩落块度预测”总结了岩体节理倾角和间距的分布规律，编制了节理岩体计算单元生成程序，介绍了块度预测的二维模型与方法[6]；邬爱清和周火明(1998)结合三峡相关工程的开挖施工，对开挖典型区域的岩体节理进行调查和统计，并进行数据分析，建立了岩体三维节理网络模型，并与块体理论相结合对三峡的高边坡工程进行了稳定性研究；王渭明等(1997，2000)将岩体的节理网络模拟方法用于地下井巷工程危石预测和评价，同时结合块体理论和相关公式提出了巷道危石的预测模型；陈祖煜等基于三维节理网络模拟，将岩体节理结构面构建到模型空间，再根据岩体内节理构造面空间位置关系和结构面与岩桥相互作用下的岩体失效破坏机制，来确定抗剪力最小的节理- 岩桥组合等。

在前人研究基础上，并结合自然崩落法在普朗铜矿及铜矿峪矿的应用经验，刘育明领衔的中国恩菲工程技术有限公司自然崩落法团队以鞍钢眼前山铁矿为依托，团队成员深入矿山现场，进行了大范围的矿山节理裂隙调查研究工作，同时运用了先进的三维激光扫描技术进行节理构造调查和建模。团队创新了岩体结构面调查方法，构建了眼前山节理构造三维模型，通过节理结构面模型对眼前山铁矿矿岩崩落块度进行了预测，在矿岩可崩性评价和矿岩块度预测研究中做了大量创新性工作，为自然崩落法实施提供了重要的技术支撑。

4 结论

综上所述，矿岩崩落块度预测仍是自然崩落法矿岩块度研究的趋势，而矿岩块度预测的方法及节理模型的构建和节理岩体的破坏机理则是研究的重点。由于自然崩落法在我国矿山应用不多，国内相关研究与国外相比存在一定的差距，仍有许多问题亟待解决，这是挑战，同时也是一个非常值得关注和抓住的机遇。

自然崩落法矿岩崩落块度研究是一个复杂程度

较高的课题，由于岩体内部节理裂隙无规律展布及其内部不可见性，这就增加了岩体节理统计分析和节理裂隙网络建模的难度，同时影响矿岩崩落块度的因素较多。因此，今后矿岩崩落块度预测重要发展方向是通过相关的技术交叉融合(如物探技术与图像分析技术)来实现对岩体节理构造的精准探测，从而来精准构建岩体节理构造面三维模型，其次是对表征节理岩体崩落破坏的本构模型的创建与理论研究仍是今后基础研究的重点。

自然崩落法的优势毋庸置疑，在众多学者的研究和技术攻关下，矿岩崩落块度预测技术会不断成熟，也必定能为自然崩落法在铁矿山的应用上开花结果提供强有力支撑。