譚寶會(huì)，胡穎鵬，張志貴，李明潤(rùn)，賈凱躍，梁 博，魯 旭

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

無底柱分段崩落法自20世紀(jì)50年代起源于瑞典Kiruna鐵礦以來，因其具有機(jī)械化程度高、生產(chǎn)效率高、采礦成本低、安全性好以及應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，而被迅速推廣至世界各地[1-3]。該采礦方法于1965年引入我國以后，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)地下金屬礦山(尤其是地下鐵礦)的開采中。盡管無底柱分段崩落法具有一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，但由于該采礦方法是在覆巖下出礦，崩落的礦石與覆蓋層廢石直接接觸，易導(dǎo)致礦石貧損增大，這是其最大的缺點(diǎn)[4]。前人研究發(fā)現(xiàn)，無底柱分段崩落法的礦石貧損與采場(chǎng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(指分段高度、進(jìn)路間距以及崩礦步距)的取值及其配比關(guān)系密切相關(guān)[5]。因此，為了獲得更好的礦石回收效果，學(xué)者們通過物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)無底柱分段崩落法的合理采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了大量研究。此外，近年來隨著采礦機(jī)械設(shè)備的不斷更新以及礦山企業(yè)對(duì)進(jìn)一步提高采礦效率和降低采礦成本的需求日益迫切，在很大程度上推動(dòng)了無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究的快速發(fā)展。

本文調(diào)研了當(dāng)前國內(nèi)外無底柱分段崩落法礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前常用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法，在此基礎(chǔ)上指明了無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定原則，最后探討了確定最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)存在的一些問題，以期為無底柱分段崩落法礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和優(yōu)化提供借鑒。

1 無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式

采用無底柱分段崩落法進(jìn)行采礦時(shí)，采場(chǎng)內(nèi)的回采進(jìn)路需要嚴(yán)格遵守上下分段菱形交錯(cuò)布置的原則，主要的采礦工藝環(huán)節(jié)如中深孔鑿巖、裝藥爆破及鏟裝運(yùn)輸均在回采進(jìn)路內(nèi)完成，圖1展示了典型的無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式。由圖1可以看出，在無底柱分段崩落法采場(chǎng)中，分段高度(H)、進(jìn)路間距(B)和崩礦步距(L)這3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與采礦生產(chǎn)息息相關(guān)。

1、2-上下階段沿脈運(yùn)輸巷道；3-礦石溜井；4-設(shè)備井；5-通風(fēng)行人天井；6-分段運(yùn)輸平巷；7-設(shè)備井聯(lián)絡(luò)道；8-回采進(jìn)路；9-分段切割平巷；10-切割天井；11-上向扇形炮孔。

由于無底柱分段崩落法特殊的菱形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式以及端部出礦方式，在各回采單元(步距、進(jìn)路、分段)回采結(jié)束后會(huì)有脊部殘留、靠壁殘留和正面殘留等殘留礦石產(chǎn)生(見圖2)，使得采場(chǎng)中的部分礦石具有轉(zhuǎn)段或轉(zhuǎn)步距回收的特點(diǎn)，即“前面留、后面收，上面丟、下面撿”，但礦石殘留不等于礦石損失。因此，采用無底柱分段崩落法欲獲得滿意的礦石回收效果，就要使分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距這3個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間構(gòu)成較為合理的配比關(guān)系，從而使采場(chǎng)中的“崩落礦石堆體+殘留礦石堆體”的形態(tài)最大限度地與放出體的橢球形態(tài)相符。這3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)除了會(huì)影響礦石回收效果以外，還直接關(guān)系到無底柱分段崩落法的采礦成本、采礦效率以及作業(yè)安全性等。因此，對(duì)于一個(gè)無底柱分段崩落法礦山而言，采用合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是非常重要的。

1-下盤礦石殘留；2-脊部礦石殘留；3-正面礦石殘留；4-靠壁殘留；5-下盤聯(lián)巷；6-炮排；7-回采進(jìn)路；8-覆蓋巖層；H-分段高度；h—放礦層高度。

1.2 無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展歷程

隨著無底柱分段崩落法的采礦技術(shù)、放礦理論以及配套采礦設(shè)備的迅速發(fā)展，近幾十年來國內(nèi)外無底柱分段崩落法礦山的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷發(fā)生變化。表1給出了瑞典Kiruna鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的演變歷程。從表1可以看出，該礦基本上每隔10～20 年便會(huì)經(jīng)歷一次較大的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變革，經(jīng)過近70年的發(fā)展，其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)已從最初的7.5 m×7.5 m×1.0 m(H×B×L)發(fā)展到當(dāng)前的28.5m×25.0 m×4.0 m。類似的還有瑞典的Malmberget鐵礦，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(H×B)也是經(jīng)歷了15.0 m×15.0 m→20.0 m×22.5 m→30.0 m×25.0 m的發(fā)展過程?？梢哉f，(18～30 m)×(18～30 m)的大結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)成為國外無底柱分段崩落法礦山的主流采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 瑞典Kiruna鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)演變情況

我國無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)展也大致經(jīng)歷了由小到大的過程，如：梅山鐵礦自1965年建礦以來，其主要采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(H×B)經(jīng)歷了10 m×10 m→12 m×10 m→12 m×15 m→15 m×15 m→16 m×15 m→15 m×20 m→18 m×20 m的發(fā)展過程。表2統(tǒng)計(jì)了我國部分無底柱分段崩落法礦山的主要采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。由表2可以看出，目前我國大型無底柱分段崩落法礦山也已經(jīng)發(fā)展到了(18～30 m)×(8～30 m)的大結(jié)構(gòu)參數(shù)階段，最具代表性的有：昆鋼大紅山鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為30 m×20 m，本鋼大臺(tái)溝鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為28.5 m×25.0 m。這些礦山的普遍特點(diǎn)是礦體厚大陡立、礦巖穩(wěn)固，具備使用大結(jié)構(gòu)參數(shù)的先天條件。而對(duì)于一些礦巖破碎或礦體傾角較緩、厚度不大的礦山，目前大多采用的是(12～15 m)×(12～15 m)的中等結(jié)構(gòu)參數(shù)，這主要是考慮到在開采技術(shù)條件不佳時(shí)，采用大結(jié)構(gòu)參數(shù)將會(huì)對(duì)貧損控制、鑿巖爆破及采場(chǎng)穩(wěn)定性等帶來一系列困擾[7]。

表2 我國部分無底柱分段崩落法礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過調(diào)查國內(nèi)外無底柱分段崩落法礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的演變歷程可以看出，無底柱分段崩落法采場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)歷了一個(gè)從20世紀(jì)60年代(8～12 m)×(8～12 m)的“小結(jié)構(gòu)參數(shù)”到20世紀(jì)90年代(12～18 m)×(12～18 m)的“中結(jié)構(gòu)參數(shù)”以及21世紀(jì)后的(18～30 m)×(18～30 m)的“大結(jié)構(gòu)參數(shù)”的發(fā)展過程，且在發(fā)展過程中基本保持了分段高度大于進(jìn)路間距的特點(diǎn)。

2 無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法

2.1 工程類比法

工程類比法是指一個(gè)新的工程在開始前參照已有類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)或施工的方法。工程類比法也是當(dāng)前采礦工程領(lǐng)域的一種常用方法，主要用于采礦方法、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、采礦工藝及參數(shù)以及支護(hù)方法和參數(shù)的確定等[8-10]。在采用工程類比法確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，需要綜合類比礦體產(chǎn)狀、礦巖性質(zhì)、產(chǎn)能規(guī)模、設(shè)備性能等因素。需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于一些開采技術(shù)條件較為復(fù)雜的無底柱分段崩落法礦山(如礦巖破碎，礦體厚度較小、傾角較緩、形態(tài)多變，地下水豐富等)，在利用工程類比法確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，除了要考慮客觀存在的不利開采條件外，還需要重點(diǎn)考慮自身應(yīng)對(duì)復(fù)雜開采條件的施工技術(shù)水平及組織管理能力等。

2.2 理論計(jì)算法

1)基于典型橢球體相交理論的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法

在傳統(tǒng)放礦橢球體(典型橢球體)研究中，認(rèn)為無底柱分段崩落法單個(gè)回采單元的高度應(yīng)為寬度的2.5～3.0倍，其根據(jù)是實(shí)測(cè)工業(yè)放出體的長(zhǎng)軸尺寸為短軸尺寸的2.5～3.0倍，結(jié)合無底柱分段崩落法回采進(jìn)路菱形布置原則，便可形成圖3(a)所示的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)。由于分段高度與進(jìn)路間距的比值約為1.3～1.5，因此在傳統(tǒng)放礦橢球體研究中認(rèn)為分段高度通常應(yīng)大于進(jìn)路間距。此外，由于無底柱分段崩落法崩落礦石具有轉(zhuǎn)段回收的特點(diǎn)，傳統(tǒng)橢球體理論認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)礦石的充分回收，就要使放礦橢球體相交，從而使放出體的形態(tài)盡可能地與“步距崩落礦石堆體+殘留礦石堆體”的形態(tài)相符[見圖3(b)]。

圖3 根據(jù)橢球體相交理論確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方法示意圖

由此，便可參照?qǐng)D3(b)所示的放礦橢球體排列關(guān)系并按照低貧化放礦可能形成的脊部殘留形態(tài)來計(jì)算分段高度與進(jìn)路間距的合理值，對(duì)于崩礦步距則可按照放出體厚度的1/4左右進(jìn)行估算，具體計(jì)算公式[11]如下：

(1)

式中：H為分段高度，m；B為進(jìn)路間距，m；L為崩礦步距，m；hd為進(jìn)路高度，m；wd為進(jìn)路寬度，m；θ為脊部殘留體坡線角度，覆巖下出礦時(shí)取70°；a為放出橢球體長(zhǎng)半軸；b為放出橢球體短半軸；ε為放出橢球體偏心率，ε2=1-b2/a2。

計(jì)算前需先確定合理的分段高度及進(jìn)路尺寸，并通過物理實(shí)驗(yàn)測(cè)定放出橢球體的偏心率，隨后將各參數(shù)代入式(1)便可算得合理的進(jìn)路間距和崩礦步距。按照式(1)對(duì)不同放出橢球體偏心率下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 根據(jù)放礦橢球體相交理論確定的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

此外需要說明的是，目前業(yè)界對(duì)于放出橢球體的相交方式及相交程度尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，放出體的相交狀態(tài)因采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦控制參數(shù)的不同而有所差別，圖4展示了3種不同的放出體相交狀態(tài)。相對(duì)而言，圖4(c)所示的放出橢球體相交狀態(tài)更接近實(shí)驗(yàn)觀察得到的結(jié)果。顯然，采用不同的放出體相交狀態(tài)，最終計(jì)算出的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)也將有所不同。因此，不論采用哪種橢球體相交狀態(tài)進(jìn)行無底柱分段崩落法最佳采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，都只能視為一種近似值。

圖4 幾種放出橢球體相交狀態(tài)示意圖

這種基于橢球體相交理論而提出的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法，其出發(fā)點(diǎn)在于使放出體形態(tài)與“崩落礦石堆體+殘留礦石堆體”形態(tài)最大限度地保持一致，從而確保礦石的回收效果。

2)基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

計(jì)算方法

任鳳玉[12]基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論，從進(jìn)路出礦要充分回收步距崩落礦石及脊部殘留礦石的角度出發(fā)，提出了一種確定合理進(jìn)路間距的方法，認(rèn)為合理的進(jìn)路間距應(yīng)使出礦時(shí)的有效流動(dòng)帶邊界完整地包含步距崩落礦石及其上分段脊部殘留體，同時(shí)又不與相鄰脊部殘留體相交[見圖5(a)]，進(jìn)而由該關(guān)系確定出合理進(jìn)路間距的經(jīng)驗(yàn)公式[見式(2)]。在采用該方法計(jì)算合理進(jìn)路間距之前，需要先確定出合理的分段高度，同時(shí)通過端部漏口放礦達(dá)孔量實(shí)驗(yàn)，測(cè)出垂直進(jìn)路方向的礦石散體流動(dòng)參數(shù)。圖5(b)為達(dá)孔量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖5 任鳳玉[12]提出的進(jìn)路間距確定方法示意圖及達(dá)孔量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(2)

式中，α、β為垂直進(jìn)路方向的散體流動(dòng)參數(shù)，μ與廢石漏斗在進(jìn)路頂板的出露寬度有關(guān)。當(dāng)采用無貧化放礦方式時(shí)，μ≈0；當(dāng)采用低貧化放礦方式時(shí)，μ≈0.1～0.6；當(dāng)采用截止品位放礦方式時(shí)，μ≈0.75。

該方法從實(shí)現(xiàn)崩落礦石回收全覆蓋的角度出發(fā)確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，目前已應(yīng)用于北洺河鐵礦[13]、小汪溝鐵礦[14]、海南鐵礦[15]等礦山的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定(或優(yōu)化)中，并取得了較好的應(yīng)用效果。

3)基于非典型橢球體理論的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

計(jì)算方法

美國著名采礦專家KVAPIL[16]提出了一種基于非典型放礦橢球體理論的無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法，該理論認(rèn)為放出體并非標(biāo)準(zhǔn)的橢球體，而是一種類似“炮彈”形狀的橢球體；該方法的基本原理是在確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，使放出體最大限度地包含步距崩落體和上分段脊部殘留體。

采用該方法確定采場(chǎng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)先確定出采場(chǎng)擬采取的進(jìn)路尺寸和形狀以及分段高度，再由分段高度估算出放出體高度(分段高度一般為放出體高度的2/3)，在此基礎(chǔ)上利用非典型橢球體放礦理論對(duì)進(jìn)路間距和崩礦步距進(jìn)行計(jì)算，該方法的計(jì)算原理及主要參數(shù)含義如圖6所示。

圖6 KVAPIL提出的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法及參數(shù)含義

該方法的計(jì)算公式為

(3)

式中：WT為放出體(非典型橢球體)最大寬度，m；W′為理論放出體寬度，m；γ為有效出礦寬度，m；hT為放出體高度，m；dT為放出體縱向厚度，m。

在利用式(3)計(jì)算進(jìn)路間距和崩礦步距時(shí)，先通過圖7(a)所示的hT(包含進(jìn)路高度)與W′的關(guān)系確定W′的取值，再根據(jù)圖7(b)所示的γ與進(jìn)路尺寸及形狀關(guān)系確定γ，由此便可確定WT，進(jìn)而計(jì)算出進(jìn)路間距和崩礦步距。

圖7 理論放出體寬度及有效出礦寬度確定方法示意圖

以某鐵礦采用該方法確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算演示。某鐵礦已初步確定分段高度為20 m，進(jìn)路寬4.5 m、高4 m，進(jìn)路形狀采用了利于礦石散體放出的直墻近平頂(r=wd/5)形式，礦山崩落的礦石塊度較大且粗糙。根據(jù)以上信息，由分段高度以及圖7(a)所示關(guān)系先確定hT約為30.0 m；再根據(jù)圖7(a)確定W′為11.5 m；由圖7(b)確定γ≈0.5wd，即為2.3 m；通過式(3)求出WT=12 m；根據(jù)B18 m時(shí))，取B=18.0 m；L≤WT/4=3.0 m，取L=3.0 m。由此確定該礦山結(jié)構(gòu)參數(shù)為20.0 m×18.0 m×3.0 m。

國外無底柱分段崩落法礦山常用此方法確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于其基本遵循了放出體形態(tài)與“崩落礦石堆體+殘留礦石堆體”形態(tài)相一致的原則，因此在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的礦石回收效果。

4)基于橢球體相切排列理論的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法

在我國無底柱分段崩落法發(fā)展過程中，曾出現(xiàn)了一種基于“橢球體相切排列理論”的無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法[17]。該理論認(rèn)為傳統(tǒng)放礦理論違背了純礦石放出體應(yīng)該相切的基本原則，進(jìn)而研究了多個(gè)放出體相切的空間排列關(guān)系，認(rèn)為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的實(shí)質(zhì)就是放出體空間排列的優(yōu)化問題，密實(shí)度最大者為優(yōu)。根據(jù)這一理論演化出了兩種最優(yōu)結(jié)構(gòu)模式，一種為高分段結(jié)構(gòu)，一種為大間距結(jié)構(gòu)(見圖8)，同時(shí)分別推導(dǎo)出了高分段和大間距采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算公式。

(a)大間距結(jié)構(gòu) (b)高分段結(jié)構(gòu)

大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式為

(4)

高分段結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式為

(5)

該理論的提出使我國無底柱分段崩落法曾在一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出了所謂的“大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)”和“高分段結(jié)構(gòu)參數(shù)”兩種形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)[18-19]。然而，其應(yīng)用和推廣卻不如人意，甚至已經(jīng)被相關(guān)礦山摒棄，究其原因，主要是根據(jù)這種理論得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)未能在實(shí)際生產(chǎn)中取得理想的礦石回收效果。

圖9是根據(jù)橢球體相切排列理論得出的大間距結(jié)構(gòu)及高分段結(jié)構(gòu)的放出體與實(shí)際礦石堆體(崩落礦石+礦石殘留)的關(guān)系圖。由圖9可知，在大間距結(jié)構(gòu)和高分段結(jié)構(gòu)方案下，有相當(dāng)大比例的殘留礦石甚至部分崩落礦石處于放出橢球體之外，說明該理論實(shí)際上并未遵循“崩落礦石堆體+殘留礦石堆體”與放出體形態(tài)保持一致的原則，這一點(diǎn)也已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí)[20]。如果放出體不能將崩落礦石以及殘留礦石完全包括進(jìn)去，說明這不是一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)方案，更不是最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。

圖9 大間距及高分段結(jié)構(gòu)方案的放出體與殘留體關(guān)系

此外，按照高分段結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式分別計(jì)算了兩種分段高度(15、18 m)在不同偏心率(ε)下的進(jìn)路間距(見表4)。由表4可知，兩種分段高度對(duì)應(yīng)的進(jìn)路間距僅為5～8 m，過小的進(jìn)路間距極易引發(fā)采切工程量偏大和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差等問題，嚴(yán)重影響采礦生產(chǎn)及其經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)際生產(chǎn)中這樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)幾乎不具備應(yīng)用價(jià)值，因此不能稱其為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。

表4 由高分段結(jié)構(gòu)計(jì)算公式得出的進(jìn)路間距

譚寶會(huì)等[20]的研究表明，根據(jù)橢球體相切排列理論確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是對(duì)無底柱分段崩落法放礦過程的一種錯(cuò)誤認(rèn)知，無底柱分段崩落法的放礦過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，崩落礦石的形態(tài)、位置、塊度等會(huì)隨著放礦的進(jìn)行而不斷變化，因此實(shí)際放礦過程中各單元的放出體形態(tài)及大小在時(shí)間及空間上都是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的，且這種影響基本上是單向的(從分段上看是上影響下，從步距上看是前影響后)。放出橢球體的交叉是因?yàn)榈V石的充分回收需要放出體交叉(即崩落礦石的轉(zhuǎn)段或轉(zhuǎn)步距回收)，放出體交叉是在不同時(shí)間上的空間位置交叉，交叉部分正是從其他位置轉(zhuǎn)移至此且需要再次回收的殘留礦石。放出體交叉并不意味著礦石的重復(fù)放出以及貧化的產(chǎn)生，而是崩落礦巖在采場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)規(guī)律的準(zhǔn)確體現(xiàn)[21-22]，也是礦石充分回收的必要技術(shù)措施。

綜上所述，以上幾種方法均是根據(jù)放出體與崩落礦石堆體及礦石殘留體之間的契合關(guān)系來計(jì)算采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的，其根本目的都是希望放出體形態(tài)最大限度地與“崩落礦石堆體+殘留礦石堆體”形態(tài)保持一致。但由于放出體的實(shí)際空間發(fā)育過程及其形態(tài)目前尚未完全探明，因此所計(jì)算出的最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)均只能視為一種近似值。

2.3 物理實(shí)驗(yàn)方法

采用物理實(shí)驗(yàn)方法確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，需要先按照一定的比例制作物理放礦模型，模型的比例尺一般為1∶100或1∶50，并按照現(xiàn)場(chǎng)崩落礦巖塊度比例進(jìn)行放礦散體顆粒配比。物理放礦實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是可對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真還原并開展放礦模擬，通過物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴^察到一些在理論研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中無法觀察到的現(xiàn)象[23-24]，進(jìn)而對(duì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)下的礦巖移動(dòng)規(guī)律和礦石回收指標(biāo)進(jìn)行分析研究，從而確定出理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

考慮到物理實(shí)驗(yàn)方法還具有占地少、成本低、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，該方法是目前確定無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)最常用的一種方法。如：高鋒等[25]結(jié)合某鐵礦實(shí)際開采條件，制作了比例尺為1∶50的立體放礦模型并進(jìn)行了放礦實(shí)驗(yàn)研究，得出該礦最優(yōu)崩礦步距為3.6 m，采用18 m的進(jìn)路間距更有利于提高礦石回收率；劉文勝等[26]針對(duì)眼前山鐵礦東部-213～-303 m礦體，制作了比例尺為1∶100的物理放礦模型并開展了放礦實(shí)驗(yàn)，得出最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為22.5 m×26.0 m×2.3 m；陳烈等[27]針對(duì)某礦實(shí)際開采條件，按照1∶100的比例制作了12 m×15 m×2 m以及15 m×15 m×2 m兩組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的物理放礦模型，并開展了放礦實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，12 m×15 m×2 m的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有更優(yōu)的礦石回收效果；行鵬飛等[28]以某鐵礦為工程背景，通過物理放礦模擬實(shí)驗(yàn)研究了不同崩礦步距下礦石的貧損指標(biāo)，得出當(dāng)崩礦步距為3.7～4.2 m時(shí)，礦石貧損指標(biāo)較好。

目前常用的放礦實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢苑譃槠矫婺Ｐ?單步距多進(jìn)路多分段或單進(jìn)路多步距)和立體模型(單分間立體模型或多分間立體模型)兩類，前者主要用于觀察放礦過程的一些物理現(xiàn)象，后者主要用于參數(shù)優(yōu)化研究和礦石回收指標(biāo)預(yù)測(cè)。相對(duì)而言，立體模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率和可靠度要高于平面模型，但因立體模型實(shí)驗(yàn)工作量巨大，通常是在初步確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，再利用立體模型研究該參數(shù)下的礦石回收指標(biāo)。圖10展示了西南科技大學(xué)采礦技術(shù)與礦山安全團(tuán)隊(duì)近年來制作的一些典型的物理放礦模型，利用這些模型開展放礦實(shí)驗(yàn)得出的研究成果可為礦山實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

圖10 西南科技大學(xué)制作的幾組物理放礦模型

由于物理實(shí)驗(yàn)反映的是一種客觀真實(shí)的放礦過程，這種方法在幾何相似和物理相似等方面具有較好的仿真效果。但該方法在使用過程中也存在一些不足，主要體現(xiàn)在：①目前大多數(shù)研究仍采用精準(zhǔn)度較低的平面模型，無法充分體現(xiàn)采場(chǎng)中各類殘留礦石轉(zhuǎn)段或轉(zhuǎn)步距回收的過程；②當(dāng)前物理模擬放礦難以做到與真實(shí)放礦在力學(xué)上的相似，尤其是難以實(shí)現(xiàn)覆巖壓力、爆破沖擊力以及地下水對(duì)礦巖散體力學(xué)性質(zhì)的影響，后期應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，使物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.4 數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法

近幾十年來計(jì)算機(jī)硬件及軟件技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)卓越的數(shù)值計(jì)算能力也被應(yīng)用于工程問題的計(jì)算和求解之中，其中就包含了采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法研究無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要是從礦石回收效果以及采場(chǎng)穩(wěn)定性兩方面入手，前者大多采用離散元軟件進(jìn)行模擬，后者主要采用有限元軟件進(jìn)行模擬。

早在20世紀(jì)60年代，加拿大的JOLLEY就已提出采用九塊隨機(jī)遞補(bǔ)模型來進(jìn)行放礦仿真計(jì)算的方法，該方法主要是從塊體隨機(jī)移動(dòng)概率的角度模擬放礦過程，其原理見圖11(a)。在隨后的幾十年里，學(xué)者們又在隨機(jī)介質(zhì)放礦理論的基礎(chǔ)上，從移動(dòng)場(chǎng)相似的角度出發(fā)，用散體移動(dòng)概率密度方程反求模塊遞補(bǔ)概率值，從而提高了這種模擬方法的可靠性[29]。但該方法考慮更多的是塊體的隨機(jī)移動(dòng)概率，而忽略了放礦過程中礦巖散體力學(xué)性質(zhì)對(duì)放礦過程的影響。

近年來，各類力學(xué)計(jì)算軟件相繼出現(xiàn)，使得巖體力學(xué)行為模擬的仿真度大幅提升，所獲得的模擬結(jié)果也更接近真實(shí)情況，其中最具代表性的是ITASCA公司研發(fā)的顆粒流離散單元法軟件(Particle Flow Code，PFC)和有限差分法軟件(Fast Lagrangian Analysis Code，F(xiàn)LAC)，圖11(b)展示了采用PFC3D軟件模擬得到的無底柱分段崩落法端部出礦放出體形態(tài)。

圖11 數(shù)值模擬放礦效果示意圖

目前這些數(shù)值計(jì)算軟件已被廣泛應(yīng)用于模擬放礦過程和確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如：趙穎龍等[30]基于大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)理論，采用PFC3D軟件對(duì)某礦進(jìn)行了模擬研究，得出該礦采用30.0 m×25.0 m×5.5 m的結(jié)構(gòu)參數(shù)可獲得較優(yōu)的礦石回收效果；舒平[31]結(jié)合某鐵礦礦體賦存狀況及生產(chǎn)條件，運(yùn)用PFC3D軟件對(duì)9組結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了放礦模擬，得出該礦最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為14 m×16 m×3 m；丁航行等[32]針對(duì)梅山鐵礦18 m×20 m的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用PFC3D軟件對(duì)6組崩礦步距方案進(jìn)行了放礦模擬，得出最優(yōu)的崩礦步距為2.2 m。此外，郭輝文等[33]從采場(chǎng)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，采用有限元軟件FLAC3D分析了龍首礦西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場(chǎng)分別取12 m×15 m和15 m×15 m兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的采場(chǎng)穩(wěn)定性問題，結(jié)果表明，采用15 m×15 m的結(jié)構(gòu)參數(shù)可使采場(chǎng)具有更好的穩(wěn)定性。

總體而言，數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法具有成本低、應(yīng)用靈活、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且能進(jìn)行大量不同參數(shù)方案和大范圍放礦案例的實(shí)驗(yàn)研究，因此該方法是未來最具潛力的一種研究手段。但是，當(dāng)前研究中也存在一些不夠完善之處，如：建立的數(shù)值模型往往在邊界條件、力學(xué)參數(shù)設(shè)定等方面與實(shí)際情況存在較大偏差；數(shù)值實(shí)驗(yàn)過程和計(jì)算結(jié)果很容易受人為因素控制，模擬結(jié)果的可信度有待進(jìn)一步提升。此外，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合的散體放礦數(shù)值計(jì)算(如考慮滲水狀態(tài)下的放礦過程)以及覆巖壓力和構(gòu)造應(yīng)力條件下的放礦模擬也是未來該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法主要是通過在礦山實(shí)地測(cè)定放出體形態(tài)，將放出體形態(tài)與崩落礦體(包括殘留體)的形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)與礦石回收效果之間的關(guān)系。目前測(cè)定放出體形態(tài)的主要手段是標(biāo)志物回收法，即提前在炮排崩落范圍內(nèi)按照一定的規(guī)則埋放一系列標(biāo)志物，然后在放礦過程中對(duì)這些標(biāo)志物進(jìn)行回收，根據(jù)所回收的標(biāo)志物原始空間位置及對(duì)應(yīng)的放出礦量，便可繪制出實(shí)際的放出體形態(tài)。

早在1971年，瑞典的Timmergruvan鐵礦就通過在中深孔炮排崩礦范圍內(nèi)安置標(biāo)志物的方法測(cè)定了實(shí)際放出體的形態(tài)，圖12(a)展示了該礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的放出體形態(tài)。從圖12(a)中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的放出體并非標(biāo)準(zhǔn)的橢球體，而是一種不規(guī)則的類橢球體。澳大利亞的Ridgeway金礦在2002-2005年也進(jìn)行了放出體形態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，相對(duì)于放礦方式和地質(zhì)參數(shù)，中深孔的爆破參數(shù)對(duì)于礦石的回收效果有更為顯著的影響[34]。

近年來，我國的梅山鐵礦[35]采用安置標(biāo)志物的方法對(duì)礦山18.0 m×20.0 m×2.6 m結(jié)構(gòu)參數(shù)下的放出體進(jìn)行了測(cè)試，得到的放出體形態(tài)見圖12(b)，研究結(jié)果表明，在該結(jié)構(gòu)參數(shù)下，進(jìn)路間距與分段高度之比偏大，導(dǎo)致礦石回收效果不理想，繼而提出將采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化為22.0 m×20.0 m×2.4 m，并開展了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，最終使采場(chǎng)礦石回采率由85.47%提升至90.64%，貧化率由11.52%降至9.95%。

圖12 礦山實(shí)測(cè)的放出體形態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法能否成功的關(guān)鍵在于標(biāo)志物是否能被最大限度地識(shí)別并回收，標(biāo)志物回收得越充分，所能獲取的信息就越多，最終據(jù)此得到的放出體形態(tài)也就越精準(zhǔn)。鑒于此，在制作標(biāo)志物時(shí)應(yīng)遵循3個(gè)基本要求：①要便于安裝，且要保證在爆破和放礦過程中不被破壞；②應(yīng)具有與散體礦巖類似的流動(dòng)性，能夠隨著放礦的進(jìn)行被放出；③要便于識(shí)別和篩分。

Ridgeway金礦所采用的標(biāo)志物是由外徑42 mm、壁厚4 mm的橙色空心鋼管制成，長(zhǎng)度為250 mm，為了使標(biāo)志物的密度盡可能接近礦巖密度，在管中填滿了水泥，同時(shí)在鋼管外壁焊刻4個(gè)字母作為每個(gè)標(biāo)志物唯一的身份識(shí)別代碼[見圖13(a)]。最后在出礦過程中通過磁性分離以及人工肉眼識(shí)別相結(jié)合的手段來篩選和回收這些標(biāo)志物，該標(biāo)志物的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是當(dāng)標(biāo)志物埋入礦堆較深時(shí)，很難被識(shí)別和篩分出來。

為了提高標(biāo)志物的識(shí)別效率和識(shí)別性能，梅山鐵礦[36]在現(xiàn)場(chǎng)放出體測(cè)定試驗(yàn)中制作了一種基于無線射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)的標(biāo)志物[見圖13(b)]，該標(biāo)志物是將RFID電子標(biāo)簽連帶供電電池一并封裝在特制的防爆PP-R空心管材中(其外徑為50 mm、內(nèi)徑40 mm、長(zhǎng)度200 mm)，每一個(gè)標(biāo)志物都具有唯一的電子標(biāo)簽編碼，同時(shí)在爆堆附近及溜井附近巷道壁上安裝RFID電子標(biāo)簽閱讀器及攝像頭，以識(shí)別被放出的標(biāo)志物。經(jīng)測(cè)試，這種標(biāo)志物在礦堆中的埋深為0.1～0.5 m時(shí)能夠被有效識(shí)別，但當(dāng)其埋深超過1 m時(shí)便難以識(shí)別。

圖13 用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定放出體形態(tài)的標(biāo)志物

綜合來看，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法具有數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)果對(duì)于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化也更具指導(dǎo)性，但這種方法工程量較大，尤其是標(biāo)志物的安裝和篩分過程復(fù)雜且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，成本較高。這種方法還需對(duì)以下幾個(gè)方面展開研究：①繼續(xù)研發(fā)高識(shí)別性能的標(biāo)志物或識(shí)別技術(shù)，從而進(jìn)一步提升標(biāo)志物的識(shí)別效率和精準(zhǔn)度；②進(jìn)行多分段的標(biāo)志物回收實(shí)驗(yàn)，即觀察未能在本分段回收的標(biāo)志物，是否會(huì)以殘留礦石的方式在下分段得到回收，以及出礦至何種程度才會(huì)被回收；③研發(fā)可以記錄移動(dòng)軌跡的標(biāo)志物，從而掌握標(biāo)志物在礦堆中的位移跡線。此外，進(jìn)一步研發(fā)更為簡(jiǎn)便高效的現(xiàn)場(chǎng)放出體測(cè)定技術(shù)或方法也是需要重點(diǎn)考慮的方向之一。

3 無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定原則

在確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)系統(tǒng)地考慮分段高度、進(jìn)路間距以及崩礦步距這3個(gè)參數(shù)之間的匹配關(guān)系。在無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)中，分段高度的確定相對(duì)獨(dú)立和簡(jiǎn)單，因此可以率先確定，繼而根據(jù)放出體形態(tài)與“崩落礦石堆體+脊部殘留體”形態(tài)應(yīng)保持一致的原則確定進(jìn)路間距。當(dāng)分段高度和進(jìn)路間距確定之后，便可確定崩礦步距，相對(duì)于分段高度和進(jìn)路間距，崩礦步距的調(diào)整對(duì)生產(chǎn)影響最小，因而易于優(yōu)化。最終，這3個(gè)主要參數(shù)理想的匹配關(guān)系是，可以使放出體形態(tài)與“崩落體形態(tài)+各種殘留體”形態(tài)無論是在垂向上還是在縱向上(即沿進(jìn)路方向)均能夠最大限度地吻合，從而實(shí)現(xiàn)礦石的充分、低貧化回收。

3.1 分段高度的確定原則

一般來說，分段高度越大，采準(zhǔn)系數(shù)就越小，一次崩落的礦量也就越多，生產(chǎn)強(qiáng)度隨之增大，而采礦成本則隨之降低。但是分段高度的選取受制于鑿巖設(shè)備的能力，即合理的分段高度必須在鑿巖設(shè)備的能力范圍內(nèi)。近年來，隨著鑿巖設(shè)備的不斷更新，尤其是鑿巖深度更大和精度更佳的液壓鑿巖臺(tái)車的出現(xiàn)，為無底柱分段崩落法礦山分段高度的提升創(chuàng)造了更大的可能性，如：大紅山鐵礦引進(jìn)SimbaH1354液壓鑿巖臺(tái)車后，分段高度由20 m提升至30 m；酒鋼鏡鐵山鐵礦在引入SimbaH-252液壓鑿巖臺(tái)車后，分段高度由15 m提升至20 m。

盡管液壓鑿巖臺(tái)車的出現(xiàn)提升了分段高度，但液壓鑿巖臺(tái)車存在一個(gè)最佳鑿巖深度范圍，在該范圍內(nèi)鑿巖效率和精度都較高，鑿巖深度一旦超出該范圍，則效率和精度都將降低。對(duì)于無底柱分段崩落法的扇形炮排來說，中心孔的深度最長(zhǎng)，一般可達(dá)到分段高度的1.5～1.8倍，即其長(zhǎng)度隨著分段高度的增加而成倍增加，一旦炮孔的深度超過設(shè)備的最佳鑿巖深度時(shí)，鑿巖效率和精度將大幅下降，可能引發(fā)頻繁的懸頂、隔墻、大塊等問題。同時(shí)，目前國內(nèi)大部分礦山依舊采用的是人工把管的風(fēng)動(dòng)裝藥器(如BQF-100型風(fēng)動(dòng)裝藥器)，若炮孔過深，不僅裝藥強(qiáng)度大，且裝藥質(zhì)量也無法保證。此外，當(dāng)?shù)V巖較為破碎時(shí)，炮孔深度越大，炮孔發(fā)生變形、堵孔、錯(cuò)孔的概率也就越大，不僅增加了后期疏孔和補(bǔ)孔的工作量，還很容易影響裝藥和爆破質(zhì)量。因此，合理的分段高度應(yīng)該與礦巖性質(zhì)、鑿巖設(shè)備和裝藥設(shè)備能力等相匹配。

無底柱分段崩落法具有特殊的菱形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使得分段礦石具有轉(zhuǎn)段回收的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明，無底柱分段崩落法單分段的礦石回收率僅為30%左右，兩個(gè)分段的礦石回收率可達(dá)60%，分段數(shù)目越多，礦石回收效果越佳[37]。所以在確定分段高度時(shí)還需要考慮礦體的垂向回采空間，通常在沿礦體延深方向上布置的分段數(shù)目不得少于3個(gè)，以保證礦石回收率。因此在確定合理的分段高度時(shí)，需要綜合考慮采場(chǎng)產(chǎn)能、設(shè)備能力、礦巖性質(zhì)、礦體規(guī)模等因素。

3.2 進(jìn)路間距的確定原則

當(dāng)合理的分段高度確定后，就可據(jù)此確定進(jìn)路間距，既可通過工程類比法來確定進(jìn)路間距，也可以通過式(1)-式(3)來計(jì)算合理的進(jìn)路間距。除此之外，在確定進(jìn)路間距時(shí)還需充分考慮礦山的地壓管理需求，一般來說，大間距有利于降低應(yīng)力集中、提高進(jìn)路穩(wěn)定性以及減少采準(zhǔn)工作量。因此，若礦體穩(wěn)固性較差、地壓大，則進(jìn)路間距可適當(dāng)取大值，反之則取小值。如：龍首礦西二采區(qū)在確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)進(jìn)路間距時(shí)，采用式(2)計(jì)算出合理的進(jìn)路間距為12.84～15.14 m；但考慮到西二采區(qū)礦巖松軟破碎，為減小應(yīng)力集中和采動(dòng)地壓對(duì)回采進(jìn)路穩(wěn)定性的影響，最終取15 m作為設(shè)計(jì)進(jìn)路間距[38]。

3.3 崩礦步距的確定原則

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)放礦理論[12]可知，放礦時(shí)采場(chǎng)內(nèi)每一個(gè)顆粒的跡線在出礦口都有相應(yīng)的位置，因而通過在出礦口觀察廢石最先出露的位置，便可判別廢石來自哪個(gè)方向。當(dāng)崩礦步距過小時(shí)，正面廢石會(huì)最先出露，廢石漏斗在到達(dá)出礦口時(shí)與進(jìn)路頂板眉線相隔一段距離，四周礦石流將廢石流包圍，即出現(xiàn)俗稱的“包餡”現(xiàn)象，此時(shí)礦巖界面移動(dòng)過程如圖14(a)所示；而當(dāng)崩礦步距過大時(shí)，則表現(xiàn)為頂部廢石最先流到出礦口，此時(shí)頂部廢石在出礦口眉線部位呈薄層流出，由于流軸偏離端壁一段距離，加之在端壁上方的靠壁殘留礦石投入移動(dòng)，使頂面廢石到達(dá)出礦口時(shí)不緊貼出礦口眉線，而是隔著一層很薄的礦石層，廢石混雜礦石流出，但此時(shí)廢石流出速度較慢，廢石在端部口出露的部位較高[見圖14(b)]。合理的崩礦步距應(yīng)是正面廢石和頂部廢石同時(shí)達(dá)到出礦口，而且廢石出露的時(shí)間較晚，一旦出露則以較快的速度流出，從而在出礦口占據(jù)較大的斷面，此時(shí)放礦作業(yè)很快會(huì)達(dá)到截止品位。

圖14 不同崩礦步距下礦巖接觸面移動(dòng)過程

在實(shí)際生產(chǎn)中，很難一次性將崩礦步距確定至最佳值，通常是先初選一個(gè)崩礦步距，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)其逐步優(yōu)化。初選崩礦步距時(shí)，應(yīng)綜合考慮崩落礦量、爆破效果、礦石回收效果、眉線保護(hù)等因素，運(yùn)用工程類比法或理論計(jì)算法選定初始值。根據(jù)初選值設(shè)計(jì)1～2個(gè)分段的中深孔爆破參數(shù)，待覆蓋層形成后在正?；夭蓷l件下，按上述方法觀察進(jìn)路端部廢石的出露信息，再對(duì)崩礦步距進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，直至獲得最滿意的回采效果，此后便可按照最佳崩礦步距進(jìn)行后續(xù)分段的設(shè)計(jì)和施工。

4 最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)探討

4.1 當(dāng)前常用結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法的不足

分析上述常用的無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法可以看出，當(dāng)前的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定(或優(yōu)化)方法基本上都是以能否實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的礦石回收指標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，甚至是將礦石回收指標(biāo)作為評(píng)判最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。然而事實(shí)是，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅會(huì)影響礦石的回收指標(biāo)，同時(shí)也關(guān)聯(lián)到采切工程量、采場(chǎng)產(chǎn)能、采礦效率、采礦安全性等多個(gè)采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，單一的礦石回收指標(biāo)最佳并不能說明整個(gè)礦山的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也處于最佳狀態(tài)。因此，無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的尋優(yōu)絕不單單是尋找可獲得最優(yōu)礦石回收指標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而是尋求一個(gè)可使整個(gè)無底柱分段崩落法采礦系統(tǒng)處于最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.2 頻繁調(diào)整采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)帶來的問題

當(dāng)前有一部分礦山頻繁對(duì)其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以尋求理想中的“最優(yōu)”參數(shù)，而事實(shí)上，當(dāng)一個(gè)無底柱分段崩落法礦山的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(主要是分段高度和進(jìn)路間距)確定后，在非必要情況下切勿頻繁對(duì)其進(jìn)行更改，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整會(huì)對(duì)礦山的開拓、運(yùn)輸、采準(zhǔn)與切割、裝藥爆破以及設(shè)備適應(yīng)性等方面產(chǎn)生巨大影響，尤其是進(jìn)路間距的改變，更是破壞了上下分段回采進(jìn)路菱形交錯(cuò)布置的基本結(jié)構(gòu)，勢(shì)必嚴(yán)重影響礦山的生產(chǎn)管理和礦石回收效果。因此，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整必須非常慎重且不能過于頻繁。

4.3 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)過大可能帶來的問題

目前國內(nèi)外無底柱分段崩落法礦山的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)均有不斷增大的趨勢(shì)，盡管采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的加大在降低采準(zhǔn)系數(shù)、提高產(chǎn)能和采礦效率等方面起到了正面作用，但并非越大越好，必須意識(shí)到過度加大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可能造成的負(fù)面影響。其實(shí)，早在2008年著名采礦學(xué)者W.Hustrulid和R.Kvapil[31]就已提出當(dāng)時(shí)的無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)過大(主要指分段高度和進(jìn)路間距均大于25 m)，過大的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)給礦石回收以及礦山管理帶來了不利影響，主要體現(xiàn)在切割拉槽難度增大、炮孔維護(hù)難度增大、裝藥難度增大、大塊率提高、懸頂事故頻率增加以及出礦管理難度加大等方面；而這些現(xiàn)象在我國礦山也已出現(xiàn)，如大紅山鐵礦在將分段高度增大至30 m后，炮孔的變形和堵孔現(xiàn)象隨之發(fā)生，導(dǎo)致礦山懸頂事故頻率明顯增加[39]。

綜上所述，對(duì)于無底柱分段崩落法礦山而言，并沒有絕對(duì)最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)不能單以礦石回收指標(biāo)最佳作為唯一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，而要綜合考慮礦體產(chǎn)狀、礦巖力學(xué)性質(zhì)、礦山規(guī)模、設(shè)備能力以及技術(shù)管理水平等諸多因素，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一旦確定，在非必要情況下切勿頻繁對(duì)其進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)需要注意的是，礦山在追求大結(jié)構(gòu)參數(shù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，也必須充分考慮如何消除結(jié)構(gòu)參數(shù)過大可能帶來的一系列負(fù)面影響。

5 結(jié)論

a.隨著采礦技術(shù)、放礦理論以及配套采礦設(shè)備的迅速發(fā)展，無底柱分段崩落法采場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)已從最初的(8～12 m)×(8～12 m)的“小結(jié)構(gòu)參數(shù)”發(fā)展至目前的(18～30 m)×(18～30 m)的“大結(jié)構(gòu)參數(shù)”，而且在發(fā)展過程中基本保持著分段高度大于進(jìn)路間距的原則。

b.目前確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法主要有工程類比、理論計(jì)算、物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等方法，各方法有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境，但無論采用何種方法，只有遵循了放出體形態(tài)與“崩落礦石堆體+殘留礦石堆體”形態(tài)一致的原則才能獲得良好的礦石回收效果。

c.在確定無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)從整個(gè)采礦系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)的角度出發(fā)，同時(shí)應(yīng)盡量避免頻繁調(diào)整采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和盲目追求大結(jié)構(gòu)參數(shù)。