劉育明，李 文，陳小偉，夏長念，范文錄，顧秀華

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.中國有色工程有限公司，北京 100038； 3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

1 前言

自然崩落采礦法(Block Caving Method)自1895年在美國的一座鐵礦山試驗(yàn)成功以來，經(jīng)過120多年的不斷發(fā)展，目前已在美國、加拿大、澳大利亞、智利、南非、中國等20多個(gè)國家的50多座礦山中成功應(yīng)用[1]。在礦產(chǎn)品需求持續(xù)旺盛及礦山機(jī)械、信息化技術(shù)逐步提升的背景下，智能化大規(guī)模采礦(Intelligence Mass Mining)將是未來地下礦山的發(fā)展方向。自然崩落采礦法的鉆爆采切工程量少，底部結(jié)構(gòu)一旦形成即可連續(xù)出礦，因其生產(chǎn)能力大、成本低且容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化開采等優(yōu)勢(shì)逐漸受到金屬采礦業(yè)的更多關(guān)注[2]，已成為國外開采厚大低品位礦體的首選采礦方法，是唯一能與露天開采相媲美的地下大規(guī)模采礦方法[3]。

自然崩落采礦法的實(shí)現(xiàn)與礦巖條件有著極大的關(guān)系，實(shí)施效果受礦巖可崩性(Caveability)[4]決定。早期業(yè)界認(rèn)為自然崩落采礦法僅適用于礦體松軟破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的礦山，隨著國外一些礦巖條件較好的硬巖礦山(如智利的El Teniente礦、美國的Henderson礦、澳大利亞的Northparkes礦等)成功應(yīng)用自然崩落法，使得該方法的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。在這些硬巖金屬礦山中自然崩落法能夠成功應(yīng)用的關(guān)鍵很大程度上依賴于礦巖預(yù)處理(Pre-conditioning)[5]技術(shù)。目前礦巖預(yù)處理在國內(nèi)自然崩落法礦山中還沒有應(yīng)用研究的報(bào)道，國外一些礦山已開展了相關(guān)研究，在改善礦巖可崩性、降低破碎塊度、減小礦震發(fā)生頻次等級(jí)等方面取得了較好的效果。隨著自然崩落采礦法在國內(nèi)礦山應(yīng)用的增多，未來礦巖預(yù)處理技術(shù)方面的需求將逐漸增多，因此需要研究礦巖預(yù)處理技術(shù)并探索適用于我國礦山條件的技術(shù)方案。

為了促進(jìn)礦巖預(yù)處理技術(shù)在我國硬巖金屬礦自然崩落法開采過程中的成功應(yīng)用，本文將在對(duì)國外礦巖預(yù)處理技術(shù)研究及應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)礦山開采研究現(xiàn)狀提出針對(duì)我國硬巖金屬礦山自然崩落法開采過程中礦巖預(yù)處理的研究思路、工藝方案及效果評(píng)價(jià)完整體系。

2 自然崩落采礦法應(yīng)用現(xiàn)狀

自然崩落采礦法發(fā)源于美國密歇根州北部的鐵礦山，隨后在世界范圍內(nèi)得到了推廣應(yīng)用。表1中列出了國內(nèi)外自然崩落法典型礦山。早期自然崩落采礦法主要用于開采松軟破碎礦體，后來逐漸擴(kuò)大到中等穩(wěn)固以上、節(jié)理中等發(fā)育、應(yīng)力大的堅(jiān)硬礦體[6]，尤其是厚大低品位硬巖金屬礦山。例如：我國的銅礦峪銅礦和普朗銅礦、澳大利亞的Cadia East礦和Northparkes礦、美國的Henderson礦、智利的ElSalvador礦和El Teniente礦等。目前已有包括金、銅、金剛石、鉬、鐵、鎳等多種礦物礦石采用自然崩落法進(jìn)行開采[7]。隨著井下鑿巖、支護(hù)、運(yùn)輸、誘導(dǎo)致裂等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，自然崩落采礦法的適用范圍將更加廣泛。

表1 國內(nèi)外大型自然崩落法典型礦山

我國20世紀(jì)60年代開始研究自然崩落采礦法，最早在易門銅礦獅子山坑和萊蕪馬莊鐵礦進(jìn)行了試驗(yàn)研究，隨后在金山店鐵礦、程潮鐵礦、豐山銅礦、鏡鐵山鐵礦、漓渚鐵礦和四川石棉一礦等開展了試驗(yàn)研究[8]。20世紀(jì)80年代，銅礦峪銅礦引進(jìn)電耙出礦的礦塊崩落法，于1989年底開始拉底，至2000年達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模400萬t/a；二期工程于2013年全面投產(chǎn)并達(dá)產(chǎn)，采用無軌設(shè)備作業(yè)的高效連續(xù)自然崩落法開采，生產(chǎn)能力超過設(shè)計(jì)規(guī)模600萬t/a。自然崩落采礦法在銅礦峪銅礦的成功應(yīng)用積累了豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。普朗銅礦位于云南省西北部迪慶藏族自治州香格里拉縣北東部，為一特大型斑巖銅礦，設(shè)計(jì)采用自然崩落法進(jìn)行開采，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為1 250萬t/a，于2017年3月實(shí)現(xiàn)了試投產(chǎn)，礦山達(dá)產(chǎn)后將是現(xiàn)階段國內(nèi)生產(chǎn)能力最大的地下礦山[9]，自然崩落法在普朗銅礦的成功應(yīng)用將大力提升我國采礦技術(shù)水平。

3 國內(nèi)外礦巖預(yù)處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 礦巖預(yù)處理概念

英國E.T.Brown教授在《Block Caving Geomechanics》[10]一書中對(duì)自然崩落法礦山中應(yīng)用的礦巖預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了定義描述，即礦巖預(yù)處理是一種(或一組)弱化自然崩落法礦山采場(chǎng)礦塊的人工措施，其目的是在礦體內(nèi)部制造人工裂隙改變礦體的結(jié)構(gòu)特征，增強(qiáng)礦體的可崩性使礦體保持持續(xù)穩(wěn)定崩落并達(dá)到期望的破碎塊度。

礦巖預(yù)處理技術(shù)不僅在自然崩落法礦山采場(chǎng)礦塊崩落開始前可以應(yīng)用，對(duì)于一些礦山在崩落中期因成拱(Arching)效應(yīng)[11]而中止發(fā)展時(shí)也可以采用預(yù)處理技術(shù)使殘留礦體繼續(xù)崩落，保障崩落過程的持續(xù)性。礦巖預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用使得硬巖金屬礦山自然崩落法開采成為現(xiàn)實(shí)[12]。目前應(yīng)用較多的礦巖預(yù)處理方法主要有兩種：水壓致裂法和鉆孔爆破致裂法。水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)在自然崩落法礦山中應(yīng)用的更加廣泛，因其在成本方面相比傳統(tǒng)鉆爆法更加低廉。水壓致裂技術(shù)引自于石油工業(yè)領(lǐng)域，早在1947年美國的雨果頓油氣田就開展了儲(chǔ)層水力壓裂增透試驗(yàn)研究，目前水力壓裂技術(shù)與水平井鉆進(jìn)技術(shù)聯(lián)合[13]被廣泛應(yīng)用于非常規(guī)油氣、頁巖氣的開發(fā)。通常水力壓裂作業(yè)包含以下過程[14]：①向目標(biāo)區(qū)域鉆進(jìn)深孔；②在鉆孔特定位置布設(shè)分隔器；③向分隔段注入高壓液體使孔壁巖體產(chǎn)生裂縫。

水壓致裂礦巖預(yù)處理過程中水力裂縫的形成受很多因素的影響，主要有注水壓力、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、原巖所處的地應(yīng)力環(huán)境、天然節(jié)理裂隙等。圖1所示是兩種不同形式的水壓致裂面[14]。圖1a中水壓致裂鉆孔軸向與最小主應(yīng)力方向垂直，多點(diǎn)壓裂后形成的將是擴(kuò)展為平面形式的水壓致裂面；圖1b中的水壓致裂鉆孔軸向與最小主應(yīng)力方向平行，多點(diǎn)壓裂后形成的將是間隔一定距離的水壓致裂面組。圖2所示是水壓致裂縫與礦體中原有天然裂隙間的相互關(guān)系示意圖[14]。圖2a中的水力裂隙與天然裂隙成平行關(guān)系；而圖2b中的水力裂隙與天然裂隙成相交模式。由此可見，天然裂隙與人工裂隙交叉切割礦體，有利于礦體破碎成較小的塊度，這種結(jié)果是自然崩落礦山礦巖預(yù)處理所期望的效果。

圖1 不同形式的水壓致裂縫(面)示意圖

圖2 水力壓裂縫與天然裂隙關(guān)系示意圖

3.2 國外礦山礦巖預(yù)處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)自然崩落法開采礦山還沒有開展礦塊預(yù)處理研究的經(jīng)驗(yàn)，國外一些礦山已開展了礦巖預(yù)處理研究，例如澳大利亞Cadia East礦[5]和Northparkes礦[15]，智利的Salvador礦[16]以及El Teniente礦[17]等，在增強(qiáng)礦巖可崩性、減小二次破碎工程量、降低礦震量級(jí)等方面取得了較好的效果。以下是兩個(gè)國外礦山的案例，通過案例分析可以了解國外自然崩落法礦山在礦巖預(yù)處理技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀。

3.2.1 澳大利亞Cadia East礦

Cadia East礦歸屬于紐克雷斯特礦業(yè)(Newcrest Mining)下屬的卡迪亞河谷公司Cadia Valley Operations(CVO)，設(shè)計(jì)采用盤區(qū)崩落采礦法進(jìn)行開采，由PC1和PC2兩個(gè)盤區(qū)構(gòu)成。PC1盤區(qū)位于地表以下大約1 200m，PC2盤區(qū)大約在地表以下1 450m。兩個(gè)盤區(qū)同時(shí)開采，總的可采量大約為1 073Mt，其中Au的品位為0.60g/t，Cu的品位為0.32%。

根據(jù)Cadia East礦區(qū)復(fù)雜條件以及設(shè)計(jì)的采礦方法及參數(shù)，礦塊高度將超過400m，為了滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)能的需求，需要合理的方式來管理崩落發(fā)生、崩落速率以及崩落傳播、破碎塊度。Cadia East礦在PC1- S1礦體采用了一種強(qiáng)化預(yù)處理方案，見圖3，即下向孔水壓致裂與上向孔爆破致裂相結(jié)合的方法。在拉底工程開始之前進(jìn)行，目的是對(duì)全礦塊進(jìn)行礦巖預(yù)處理。

在Cadia East礦開展這種全礦塊預(yù)處理的優(yōu)勢(shì)在于：崩落傳播速率可提高30%；崩落礦巖破碎塊度大塊率(<2m3)可降低20%；礦震發(fā)生次數(shù)多，但量級(jí)降低；崩落的前鋒應(yīng)力降低；可縮短達(dá)產(chǎn)時(shí)間，3～4年就可達(dá)到22Mt/a。

3.2.2 智利埃爾特尼恩特礦(El Teniente)

埃爾特尼恩特(El Teniente)礦的開發(fā)始于1982年，礦石銅品位低、強(qiáng)度高、破碎性和可崩性一般，是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的地下銅礦山。在復(fù)雜的高應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行采礦活動(dòng)，引發(fā)了片幫、垮塌及巖爆等巖體穩(wěn)定性問題。埃爾特尼恩特礦在借鑒其他礦山經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用水壓致裂礦巖預(yù)處理后最大的礦震量級(jí)不超過2.1。2010年以后在傳統(tǒng)拉底方法的基礎(chǔ)上增加了水壓致裂方法，見圖4，充分利用水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)改善巖體條件，增強(qiáng)礦巖可崩性，使采動(dòng)應(yīng)力對(duì)礦柱的影響降低，減小了礦震災(zāi)害的發(fā)生[18]。

4 礦巖預(yù)處理研究路線及實(shí)施方案

我國雖然還沒有將礦巖預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于金屬礦崩落法礦山的實(shí)際案例，但這種需求是較多的，如銅礦峪銅礦的深部、一些鐵礦山等，一旦成功應(yīng)用，將有利于推動(dòng)自然崩落法在硬巖礦山的應(yīng)用。在總結(jié)分析國外礦山經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者提出了針對(duì)我國礦山開展礦巖預(yù)處理研究流程圖，見圖5所示。

圖3 Cadia East礦PC1- S1礦體強(qiáng)化預(yù)處理示意圖[5]

圖4 El Teniente礦原生礦2010年前后開采方法的變化示意圖

圖5 自然崩落法礦山礦巖預(yù)處理研究流程圖

針對(duì)以上研究流程，對(duì)每一個(gè)過程的具體實(shí)施提出相應(yīng)的方案如下。

(1)礦山巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查。巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查是開展與巖體相關(guān)工程研究必須開展的基礎(chǔ)性工作之一。對(duì)于地下工程，通常揭露地下巖體的方式主要有鉆孔和巷道。通過鉆孔方式，可以對(duì)鉆孔巖芯進(jìn)行編錄，同時(shí)可采用鉆孔攝像系統(tǒng)、鉆孔聲波測(cè)試系統(tǒng)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(探)測(cè)。通過巷道方式，可以采用傳統(tǒng)人工測(cè)線法、統(tǒng)計(jì)窗法，也可以借助現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備如三維激光掃描、3GSM等進(jìn)行測(cè)試分析。通過對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的基距、產(chǎn)狀、持續(xù)性、張開度、粗糙度、充填或膠結(jié)情況、風(fēng)化或蝕變程度、滲水情況等進(jìn)行調(diào)查，然后基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)調(diào)查結(jié)果分別進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和分析，得出礦巖體中優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、發(fā)育情況及特性。

(2)礦巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試。巖石(體)物理力學(xué)參數(shù)是開展巖體工程研究的重要參數(shù)之一，對(duì)于礦巖穩(wěn)定性、可鉆性、可爆性以及可崩性等評(píng)價(jià)具有重要意義。通常采用鉆孔巖芯進(jìn)行室內(nèi)加工制作標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣，然后采用壓力試驗(yàn)機(jī)等裝置開展相關(guān)的參數(shù)測(cè)試，巖石物理力學(xué)試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)提出的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。巖體相關(guān)參數(shù)可根據(jù)前人提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行評(píng)估。

(3)礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量。地應(yīng)力是巖體所處的地質(zhì)環(huán)境中的重要因素，地應(yīng)力測(cè)量工作也是巖體工程研究的重要基礎(chǔ)性工作之一。目前地應(yīng)力測(cè)量方法主要有水壓致裂法、套孔應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法等。

(4)礦巖可崩性評(píng)價(jià)。礦巖可崩性評(píng)價(jià)是判斷是否可以采用自然崩落法開采必須開展的一項(xiàng)工作，礦巖可崩性評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性嚴(yán)重影響著后期采礦方法的應(yīng)用效果。目前在可崩性評(píng)價(jià)方面已有專業(yè)軟件，可充分考慮巖體結(jié)構(gòu)特性、各種工程參數(shù)等因素得出可崩性評(píng)價(jià)結(jié)果。在開展礦巖預(yù)處理后，還將加入預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行綜合可崩性評(píng)價(jià)。

(5)礦巖預(yù)處理方案設(shè)計(jì)。礦巖預(yù)處理目前廣泛采用的方法有兩種，即水壓致裂法和鉆爆致裂法，兩種方法可單獨(dú)使用也可聯(lián)合使用。水壓致裂法即通過向目標(biāo)區(qū)域鉆進(jìn)深孔，隔段注入致裂液加壓使巖體產(chǎn)生裂縫并擴(kuò)展，壓裂液可以是純水、水溶液或其他液態(tài)介質(zhì)，壓裂液中可含或不含支撐劑；鉆爆致裂法即在鉆孔中放置炸藥爆破使巖體產(chǎn)生破裂。根據(jù)礦巖條件選用預(yù)處理方法并開展相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)。鉆孔形式可以是水平孔、豎直孔、傾斜孔；鉆孔布置可以是矩形、梅花形或根據(jù)具體巖體條件調(diào)整；具體參數(shù)可根據(jù)礦巖體條件、預(yù)處理方法以及仿真結(jié)果適當(dāng)調(diào)整。

(6)礦巖預(yù)處理數(shù)值仿真。數(shù)值模擬手段是現(xiàn)階段巖體工程研究中的重要手段之一，與理論研究、試驗(yàn)研究具有同等重要性。礦巖預(yù)處理數(shù)值仿真可通過常用巖土工程分析軟件，如FLAC、PFC、UDEC、RFPA等開展二維或三維數(shù)值仿真試驗(yàn)，對(duì)礦巖預(yù)處理方案進(jìn)行超前驗(yàn)證，并可根據(jù)仿真結(jié)果提出優(yōu)化方案。

(7)礦巖預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施?，F(xiàn)場(chǎng)礦巖預(yù)處理實(shí)施主要包括開拓相關(guān)巷道或硐室、現(xiàn)場(chǎng)礦巖預(yù)處理作業(yè)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)作業(yè)以及相關(guān)的安全保障措施。

(8)現(xiàn)場(chǎng)壓裂過程監(jiān)測(cè)。礦巖預(yù)處理效果的好壞直接關(guān)系礦體能否自然崩落。目前在巖體工程中應(yīng)用較多的監(jiān)測(cè)手段主要有微震監(jiān)測(cè)、電磁監(jiān)測(cè)、測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)等。通過監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以對(duì)礦巖預(yù)處理產(chǎn)生的裂縫方位、擴(kuò)展范圍等情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

礦巖預(yù)處理是硬巖自然崩落法礦山在開采過程中為有效增強(qiáng)礦巖可崩性、減小崩落礦石塊度、降低礦震等級(jí)等開展的一項(xiàng)重要工作?？紤]到國內(nèi)礦山及學(xué)者在這方面的研究還較少，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了礦巖預(yù)處理研究的技術(shù)路線，包括礦巖結(jié)構(gòu)調(diào)查、地應(yīng)力測(cè)量、礦巖可崩性評(píng)價(jià)、礦巖預(yù)處理方案設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真驗(yàn)證優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及過程監(jiān)測(cè)，該研究思路和方案可供國內(nèi)礦山企業(yè)和采礦學(xué)者借鑒參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 沈南山，顧曉春，尹升華.國內(nèi)外自然崩落采礦法技術(shù)現(xiàn)狀[J].采礦技術(shù)，2009，(4): 1-4.

[2] Karekal S，Das R，Mosse L，et al. Application of a mesh-free continuum method for simulation of rock caving processes[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2011，48(5): 703-711.

[3] 劉育明.自然崩落法的發(fā)展趨勢(shì)及在銅礦峪礦二期工程中的技術(shù)創(chuàng)新[J].采礦技術(shù)，2012，(3): 1-4.

[4] Wang L G，Yamashita S，Sugimoto F，et al. A methodology for predicting the in situ size and shape distribution of rock blocks[J].Rock Mechanics & Rock Engineering，2003，36(2): 121-142.

[5] Catalan A，Dunstan G，Morgan M，et al. An Intensive preconditioning methodology developed for the Cadia East panel cave project，NSW，Australia[C].Proceedings of Massmin 2016，2016: 1-15.

[6] 吳少華，雷平喜.國內(nèi)自然崩落法的應(yīng)用和評(píng)價(jià)[J].化工礦物與加工，1996，25(1): 12-15.

[7] 何榮興，任鳳玉，譚寶會(huì)，等.論誘導(dǎo)冒落與自然崩落[J].金屬礦山，2017，(3): 9-14.

[8] 陳清運(yùn)，蔡嗣經(jīng)，明世祥，等.國內(nèi)自然崩落法可崩性研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2005，21(1): 1-4.

[9] 劉華武，馮興隆，梁江波，等.普朗銅礦大規(guī)模開采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2016，(7): 1-5.

[10] Brown E T.Block caving geomechanics[M].Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre，2007.

[11] Laubscher D H.Block caving manual，prepared for international caving study[M].Brisbane: JKMRC and Itasca Consulting Group，Inc，2000.

[12] Someehneshin J，Oraee-Mirzamani B，Oraee K.Analytical model determining the optimal block size in the block caving mining method[J].Indian Geotechnical Journal，2015，45(2): 156-168.

[13] Osiptsov A A.Fluid mechanics of hydraulic fracturing: a review[J].Journal of Petroleum Science & Engineering，2017，156: 513-535.

[14] He Q，Suorineni F T，Oh J.Review of hydraulic fracturing for preconditioning in cave mining[J].Rock Mechanics & Rock Engineering，2016，49: 1-18.

[15] As A V，Jeffrey R，Chaconn E，et al.Preconditioning by hydraulic fracturing for block caving in a moderately stressed naturally fractured orebody[C].Proceedings of MassMin 2004，2004: 535-541.

[16] Chacon E，Barrera V，Jeffrey R，et al.Hydraulic fracturing used to precondition ore and reduce fragment size for block caving[C].Proceedings of Massmin 2004，Santiago Chile，2004: 529-534.

[17] Leiva C E，Durán L.Pre-caving，drilling and blasting in the esmeralda sector of the El teniente mine[J].Fragblast，2003，7(2): 87-104.

[18] Pardo C，Rojas E.Selection of exploitation method based on the experience of hydraulic fracture techniques at the El teniente mine[C].Seventh International Conference & Exhibition on Mass Mining，Sydney，NSW，2016: 97-103.