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东北大学硕士论文摘要 大间距结构参数在上青矿的研究与应用 摘要 板石矿业公司上青矿应用无底柱分段崩落法丌采。原结构参数为1 2 m l o m ， 崩落步距为1 5 m ，随着2 m 3 电动铲运机的应用，一次性崩矿量小、限制设备效率 发挥等矛盾显现出来。为提高矿山生产能力、提高采矿强度、充分发挥设备效率、 降低采矿成本、缩小与国内外同类矿山的差距，上青矿采矿结构参数大型化的要 求己非常迫切。 本文在分析国内外无底柱分段崩落法结构参数演变过程基础上指出，无底柱 分段崩落法结构参数正朝大型化方向发展，继续增大分段高度由于诸多因素的限 制，在我国目前并不适宜推广，而增大进路间距却是减少采准工程量、降低采矿 成本、提高采矿强度和劳动生产率的主要途径。分析了无底柱分段崩落法大帕j 距 结构参数问的关系、爆破堆积体和矿石脊部残留结合体与放出体的吻合关系，提 出了无底柱分段崩落法放出体的空间排列形式，建立了数字模型，指出结构参数 优化的实质是放出体的空间排列问题，排列最密实者为最优，进行了理论计算、 实验室实验，确定了分段高度不变的条件下进路间距取值条件和大间距条件下合 理崩矿步距的取值范围。在现场工业试验中，确定了过渡分段放矿方式，提出了 现行凿岩设备的不合理性，验证了大间距结构参数是适用于上青矿矿体赋存条件 的，并且改善了主要采矿技术经济指标，取得较为可观的经济效益，证明了大间 距结构参数是无底柱分段崩落法的主要发展方向，必然会逐渐被广泛应用到适合 无底柱分段崩落法开采的矿山。 关键词无底柱分段崩落法大间距结构参数放出体分段高度 i i 盘j ! 盘茎塑煎塞 b s 篮咝 s t u d y a n d a p p l i a n c e o f l a r g es p a c es t r u c t u r e p a r a m e t e r sf o rs h a n g q i n gm i n e a b s t r a c t n o n p i l l a rs u b l e v e lc a v i n g m e t h o di s a p p l i e d i n s h a n g q i n g m i n eo fb a n s h im i n e c o m p a n y f o r m e r l y ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r e1 2 m x l o m ，c o l l a p s i n gs p a c ed i s t a n c ei s1 5 m ，w i t h t h ea p p l i a n c eo f 2 m 3e x c a v a t o r , c o l l a p s i n gm i n e r a ls m a l l n e s sf o ro n et i m ea n dl i m i t i n gt h ee f f i c i e n c y o f t h ee q u i p m e n t , t h ep r o b l e mi sa p p e r i n g f o ra d v a n c i n gt h ep r o d u c t i o na b i l i t ya n d m i n i n gi n t e n s i o n ， e x e r t i n ge q u i p m e n te f f i c i e n c y , r e d u c i n gm i n i n gc o s t ，r e d u c i n gt h eg a pw i t ht h eo t h e r si n a n d o u t s i d e sm i n e s ，a p p l y i n gl a r g es p a c es t r u c t 、d r ep a r a m e t e r si ns h a n g q i n gm i n ei sv e r yi m p e r i o u s b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ee v o l u t i o no f t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f n o n p i l l a rs u b l e v e lc a v i n g o fm i n e sb o t hi na n do u t s i d ec h i n a ，t h ep a r a m e t e r so fn o n p i l l a rs u b l e v e l c a v i n gm e t h o di s p r o g r e s s i n gt ol a r g es c a l e i ti sp o i n to u tt h a ti n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l yt h es u b l e v e lh e i g h ti sn o t s u i t a b l e f o ra p p l i c a t i o ni nc h i n ab e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fv a r i o n sf a c t o r sw h i l ei n c r e a s i n gt h e a c c e s ss p a c ei st h em a i nw a yt or e d u c et h ea m o u n to f d e v e l o p i n gw o r k ，r e d u c et h em i n i n gc o s ta n d i n c r e a s et h eo n et i m ec a v e do r ea m o u n ts oa st or a i s et h em i n i n gs t r e n g t ha n dt h el a b o u rp r o d u c t i o n r a t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el a r g es p a c es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h en o n - p i l l a rs u b l e v e lc a v i n g m e t h o dw a sa n a l y z e d ，t h er e l a t i o n s h i po fd y n a m i t i n gp i l eb o d ya n dm i n e r a lr a p h eo d db o d ya n d d r a wb o d y , t h ea r r a n g e m e n tm o d eo f t h eb o d yd r a w no u to f n o n - p i l l a rs u b l e v e lc a v i n gm e t h o di sp u t f o r w a r d t h em a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e d ，p o i n t i n go u tt h eo p t i m i z a t i o no fs y r u c t u r a lp a r a m e t e r s d e p e n d so l l t h ed e n s i t yo fs p a c ea r r a n g e m e n to fd r a wb o d y t h ea c a d e m i ca c c o u n tw a sc a r r i e do u t a n dt h et e s t si nl a b o r a t o r yw e r ec a r r i e do u t ，a n dt h es u b l e v e lh e i g h t ，v a l u eg e t t i n gc o n d i t i o n so f a p p r o a c hs p a c ea n dv a l u eg e t t i n gr a n g eo f r e a s o n a b l ec a v i n gs t e pu n d e rl a r g es p a c ec o n d i t i o nw e r e d e t e r m i n e d t h r o u g ht h ei n d u s t r i a lt e s t s ，c o n f i r mt h eo r ed r a w i n gw a n yf o rd i f f e r e n ts u b l e v e lh e i g h t a n dp o i n to u tt h ei m p e r t i n e n c yf o rc h i s e le q u i p m e n t t h r o u g ht h e s e ，w ek n o wt h a ti ti ss u i t a b l ef o r s h a n g q i n gm i n ea b o u tl a r g es p a c es t r u c t u r ep a r a m e t e r s i tc a ni m p r o v et h em a i ng u i d el i n eo f t e c h n i c sa n de c o n o m y , g a i n i n go b v i o u se c o n o m i cb e n e f i t w ec a ni n c l u d et h a tl a r g es p a c es t r u c t u r e p a r a m e t e r ss h o u l db et h em a i nw a yf o rn o n - p i l l a rs u b l e v e lc a v j n gm e t h o da n dhc a l lb ew i d e l yh s e d k e yw o r d s ；n o n - p i l l a rs u b l e v e lc a v i n gm e t h o d ，l a r g es p a c es t r u c t l i r ep a r a m e t e r s ，d r a w b o d y , s u b l e v e lh e i g h t 2 玎 东北大学硕士论文声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在沦文中作了明确的 说明并表示谢意 学位论文作者签名：曼翱、) 日期：珈n ，g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人同意东北大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索交流 同意 学位论文作者签名：危聱) 日 期：) 憾盒，、i 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 学位论文作者签名：宠妇1 签字日期：埘。l 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无底柱分段崩落法结构参数的应用现状 2 0 世纪6 0 年代中期，无底柱分段崩落采矿法( 以下简称无底柱分段崩落法) 从瑞典引入我国，它以其结构简单、作业安全、机械化程度高、生产效率高等优 点，很快在我国黑色金属矿山被广泛应用，承钢大庙铁矿、邯邢矿山局的符山、 玉泉岭铁矿、鞍钢的弓长岭铁矿等都是用的这种采矿方法【l 】。 无底柱分段崩落法为我国地下铁矿的主要采矿方法，其产量占地采矿量的 8 0 以上，该采矿方法在化工、有色、黄金、建材等行业也有不少应用【2 j 。 一般而言，无底柱分段崩落法的结构参数主要是指分段高度、进路间距和崩 矿步距，只有这三者合理搭配，才能取得最优的经济技术指标。在这三者之中， 分段高度是最缺乏弹性的，一旦确定之后，调整很困难，特别是对生产矿山而苦， 当一个中段已开始回采时，分段高度的调整几乎是没有可能的。分段高度一般根 据凿岩、装药的装备而定( 在一定程度上也反映了该国家的总体科技水平) ；进路 间距相对来说较为灵活些，即使分段中的矿块已经切出，进路间距还是可以改变； 而步距就更灵活了，随时可改变 3 1 。所以本文主要讨论进路间距、崩矿步距和分 段高度的合理搭配问题。 长期以来，受凿岩设备的限制，无底柱分段崩落法的分段高度多为1 0 m 左右， 与此相对应的进路间距也为l o m ，崩矿步距多为1 5 m 左右，即通常使用的 1 0 m x l o m 1 5 m 结构。这样的参数可以说从2 0 世纪6 0 年代无底柱分段崩落法引 进到我国，一直成为无底柱分段崩落法结构的主导。至今仍然没有太大改变，某 些矿山可能在该参数的基础上曾做过部分的改动，但都还局限在小参数、小间距 的范围内，其结果必然造成作业地点分散、采矿效率低下、采准工程量居高不下 等问题，制约了该采矿方法优势的充分发挥旷。 由于1 0 m 1 0 m 结构，崩矿步距在1 5 卜1 8 m 左右，一次崩矿量在6 0 0 t 左右， 使用t 4 g 装运机出矿还勉强可以，随着2 m 3 铲运机等较大型出矿设备的应用，一 次崩矿量偏小，限制出矿设备生产能力发挥。为提高矿山生产能力，提高采矿强 度，结构参数的优化就变得迫切起来【7 】a 明显提高，使得分段高度提高成为可能， 近年来随着凿岩设备的改进，凿岩深度 伴随着分段高度的加大，进路问距以及 东北大学硕士论文第一章绪论 崩矿步距等结构参数势必也将随之调整。为此，我国许多研究院所和高等院校及 矿山企业先后做过大量的研究工作。 1 1 1 我国无底柱分段崩落法的大结构参数的应用 ( 1 ) 河北铜矿高端壁放矿无底柱分段崩落法的试验研究 为增大一次崩矿量，1 9 7 8 年马鞍山矿山研究院和北京科技大学在河北铜矿2 矿体开展了高端壁放矿的无底柱分段崩落法的工业试验研究i 8 1 1 9 1 。 试验中，其端壁高达4 5 m ，出矿进路间距为1 2 5 m 。由于凿岩设备能力的限 制，增设凿岩分段，其分段为1 0 - 1 3 m ，采用三分段凿岩，同时爆破，最下一分 段出矿。从回采单元上看其基本参数为4 5 m 1 2 5 m 。试验结果表明，采用高端 壁后使得一次崩矿量增大到8 0 0 0 t 以上，充分发挥了2 m 3 铲运机的设备效率，取 得了较好的技术经济指标d i 9 1 。 ( 2 ) 浙江漓渚铁矿无底柱双巷菱形高分段崩落法的试验 马鞍山矿山研究院为解决无底柱分段崩落法矿石贫化大、进路通风困难两大 难题，在浙江漓渚铁矿进行了双巷菱形高分段崩落法的试验研究工作【10 1 。 试验中采用分段高度2 4 m ，其中上分段1 4 m ，下分段1 0 m ，迸路间距1 0 m ， 矿块尺寸为5 0 m 5 0 m 。崩矿步距1 8 3 0 m 。上分段主要用于凿岩，下分段既为 凿岩也为出矿和通风之用1 9 1f 1 0 1 。 试验结果表明，其一次崩矿量达到了2 0 0 0 t 左右，回收率达到8 3 5 ，贫化 率为1 3 6 3 ，采矿强度提高了2 5 3 j 1 9 1 “。 上述试验中并没有实现真j 下意义的高分段，因为中间分段作为凿岩分段，只 是放矿实现了高端壁放矿。 ( 3 ) 酒钢镜铁山矿大结构参数无底柱分段崩落法试验 1 9 8 8 1 9 9 2 年马鞍山矿山研究院在镜铁山铁矿首次进行了我国真正意义上的 高分段大参数研究，其分段高度达到了2 0 m ，进路间距分为2 0 m 和1 5 m 。 试验采用s i m b a h 2 5 2 台车和a t l a sc o p c o1 2 3 8 液压凿岩机凿岩，炮孔直径为 f6 4 m m ，炮孔最大深度为3 0 m ，炮孔排距1 8 m ，每排炮孔崩矿量为2 5 0 0 3 0 0 0 t ， 装药采用d z y - 2 0 0 型装药车，出矿采用w a g n e rs t - s e3 8 m 3 电动铲运机，高分段 和机械化，使矿块生产能力大幅度提高， 客观原因，该参数未能在全矿推广应用， 数的优越性川。 采矿成本显著降低。但是后来由于一些 但是试验结果还是充分显示了大结构参 ( 4 ) 梅山铁矿无底柱分段崩落法加大结构参数试验研究 东北大学硕士论文第一章绪论 我国梅山铁矿是著名的大型地下矿山，矿体厚大、集中，矿床储量为2 6 8 亿t ， 采用无底柱分段崩落采矿法。该矿是一个大型盲矿体，呈大透镜状，属于缓倾斜 的极厚矿体。矿体水平面积大，1 9 8 m 以下，矿体长度一般为4 0 0 7 0 0 m ，水平宽 度在3 0 0 m 以上，分层矿量9 8 0 1 7 6 0 万t ，矿石主要成分为磁铁矿、赤铁矿、菱 铁矿，矿体稳固性较好，围岩易于崩落，具有较好的开采技术条件【3 1 9 1 。 梅山铁矿多年来，一直采用小结构参数。1 9 8 7 年梅山铁矿开始着手加大分段 高度和进路间距的研究，决定将分段高度由1 0 m 提高到1 5 m ，进路间距由1 0 m 加大到1 5 m ，并在北采区建立试验矿块，开展试验研究工作。1 9 9 1 年开始由梅山 铁矿组织马鞍山矿山研究院、青岛建筑工程学院、鞍山冶金设计研究院全面开展 高分段大间距无底柱分段崩落法的研究工作。先后采用物理模拟、计算机仿真及 工业试验等科学手段，开展了凿岩爆破参数及崩矿步距的研究、放出体工业试验、 过渡分段方法、大型采掘设备合理配套的研究；同时为提高矿山生产能力，还开 展了多级机站通风系统的研究，以及新技术、新工艺的研究和应用，并采用科学 管理手段，取得了丰硕的成果1 9j 。 经过多年的生产，特别是2 0 世纪9 0 年代梅山铁矿大结构参数无底柱分段崩 落法的研究成功，矿山在无底柱分段崩落法应用方面积累了丰富的实践经验，主 要技术经济指标在国内处于领先水平。 1 9 9 8 年完成新旧参数的过渡，一1 9 8 m 以下全面采用1 5 m 1 5 m 的结构参数， 当年实现了年产铁矿石2 5 0 万t 的达产指标，主要技术经济指标全面刷新【9 j 。 当时试验在北采区1 9 8 m 以上水平进行。矿体走向长约2 5 0 m ，厚3 0 5 0 m ， 倾角达6 0 。，矿体稳定，赋存情况比较理想，且相对于南部矿体，北部矿体矿量 少，回采速度快。试验矿块1 9 8 m 水平以上，其结构参数为1 2 m 1 0 m ，在不改 变分段高度的前提下，进路间距由l o m 扩大到1 5 m 。为了进一步增大参数，又将 一1 5 0 m - 1 9 8 m 区段间的原4 个分段改为3 个分段，段高为1 6 m ，进路间距为1 5 m ， 用1 6 m 1 5 m 的参数代替1 5 m 1 5 m 的参数进行研究。试验前后的主要技术经济 指标见表1 1 p j 。 表1 1 主要技术经济指标对比【9 】 t a b 1 1t h ec o m p a r i s o n o f t h e m a i n t e c h n i ca n de c o n o m i c t a r g e t 指标单位试验前 1 9 9 8 正 掘采比m 1 0 4 t4 02 0 采矿强度 饥m a ) 2 6 54 2 5 8 采矿回收率 8 2 7 4 8 4 1 5 东北大学硕士论文第一章绪论 矿石贫化率 1 4 2 3 1 3 1 2 采矿台车效率1 0 4 m 压 2 8 9 ( c t c - 1 4 1 )5 5 8 n 1 2 5 2 ) 同采出矿效率 1 0 4 “a 1 6 5 3 ( 2 m 3 )3 6 8 0 ( 3 8 m 3 ) 9 3 0 ( 1 4 g ) 2 6 ，9 9 ( 3 0 m 。) 采出矿石品位 4 5 7 54 5 2 9 采出矿石成本 ￥，t4 4 6 8 全员劳动生产率 t ( p 曲 8 6 2 9 1 3 3 1 7 梅山铁矿进行的无底柱分段崩落法1 5 m x1 5 m 高分段大间距的试验研究和全 面推广，对采用端部放矿矿石稳固的厚大矿体，可大大降低采准工程量，降低损 失贫化，大幅度提高开采强度和劳动生产率，在我国地下矿山首次进行了成功的 探索，为推动我国冶金矿山的技术进步、提高经济效益做出了贡献【3 1 1 9 1 。 1 1 2 国外无底柱分段崩落法大结构参数应用概况 瑞典基鲁纳铁矿是使用无底柱分段崩落法的世界最先进的矿山，该矿从1 9 5 6 年到2 0 0 0 年，其分段崩落法的结构参数由小到大，逐渐演变( 表1 2 ) 1 1 2 1 3 1 。 表1 2 基鲁纳铁矿结构参数演变情况【1 2 】 1 3 1 结构参数 1 9 5 6 6 0 年代8 0 年代初期1 9 8 4 - - 1 9 8 8 年1 9 8 9 矩1 9 9 0 定2 0 0 0 芷 分段高度( m ) 7 5 9 0 1 01 21 22 0 五22 73 0 进路间距( m ) 7 5 9 01 0l l1 6 52 2 52 5 _ 崩矿步距( m ) 1 01 5 1 8 2 01 8 2 52 5 0 03 5 3 5 - - 4 0 2 0 0 0 年的计划分段高度3 0 m ，迸路间距未见报导，按报导的一次崩矿量推算 出的进路间距约在3 0 m 左右。可见，随着装备水平的提高，在矿床赋存条件允许 的情况下，分段崩落法的结构参数也在逐步加大，矿石成本逐年下降，生产能力 逐年提高pj 。 瑞典的另一矿山马姆贝尔格特原来使用的分段高度1 5 m 、进路间距1 5 m ，后 来改为分段高度为2 0 m ，进路间距为2 2 5 m ，生产能力和劳动率得到了提高。i l 3 】 表1 2 所示的结构参数变化过程表明，分段高度呈不断增大的趋势，而进路 间距在低分段时比分段高度小，高分段时比分段高度大。 对基鲁纳铁矿增大进路间距的合理性问题。王彦武等人，曾于1 9 8 9 年采用物 理模拟和电子计算机仿真技术进行了研究”4 j ，研究结果表明分段高度一定时，改 东北大学硕士论文第一章绪论 变进路间距，其j f 常分段的矿石回收率存在一个相对平稳区，即矿石回收率基本 保持不变，而且分段高度1 2 m ，进路问距1 6 5 m 是合理的。不会影响矿石回收率 指标的条件下，而且可降低采掘工作量，降低矿石成本。 综上所述，从国内外的实践不难看出，无底柱分崩落法结构参数的大型化， 具有采准工程量少，采矿成本低、可实现采矿作业的集中化、提高采矿效率等优 点，是无底柱分段崩落法的发展趋势。 1 2 无底柱分段崩落法结构参数的研究现状 无底柱分段崩落法结构参数的研究包括结构参数的理论研究、计算机模拟研 究、实验室研究以及工业试验研究。研究目的是为科学合理的确定无底柱分段崩 落法的结构参数提供依据。国内近年主要研究进展，可概括为以下几点： 1 2 1 进路间距等于分段高度的方案并非最佳方案 长期以来无底柱分段崩落法一直使用1 0 m x l o m 的结构参数，这似乎给人们 种感觉，即无底柱分段崩落法的分段高度应等于进路间距。因而无底柱分段崩 落采矿法的结构参数可以在1 0 m l o m 的基础上同步放大到1 5 m 1 5 m 、2 0 m 2 0 m 等，这种参数在生产实践中可以应用，但从梅山铁矿放矿模拟分析来看，分 段高度在2 5 m 之内时，分段高度等于进路间距的结构参数并不是最好的参数组合 【1 5 】。 放矿模拟实验结果见表1 3 1 6 i ，在分段高度为1 5 m 条件下、进路间距变化在 7 - 2 2 m 时，其实验结果明显具有两头好中问差的特征。 表1 3 梅山铁矿放矿模拟实验结果【6 】 t a b 1 3t h et e s t i n gr e s u l to f m e i s h a ni r o nm i n ed r a w i n gs i m u l m i o n 参数h b ，m 贫化率， 同收率， 1 5 71 6 8 29 7 2 1 5 91 8 8 88 9 8 0 1 5 l o 1 5 8 59 1 3 9 1 5 1 11 6 1 88 0 1 0 1 5 1 31 6 1 28 9 0 0 1 5 1 41 2 7 58 8 9 8 1 5 1 61 2 59 1 4 4 1 5 1 81 4 0 1 9 1 0 8 东北大学顾士论文第一章绪论 变进路间距，其正常分段的矿石同收率存在卟相对平稳区，即矿石回收率基本 保持不变，而且分段高度1 2 m ，进路问距1 65 m 是合理的。不会影响矿石回收率 指标的条件下，而且可降低采掘工作量，降低矿石成本。 综上所述，从国内外的实践不难看出，无底梓分崩落法结构参数的大犁化， 具有采准工程量少，采矿成本低、可实现采矿作业的集中化、提高聚矿效率等优 点，是无底柱分段崩落法的发展趋势。 1 2 无底柱分段崩落法结构参数的研究现状 无底柱分段崩落法结构参数的研究包括结构参数的理论研究、计算机模拟研 究、实验室研究以及工业试验研究。研究目的是为科学合理的确定无底柱分段崩 落法的结构参数提供依据。国内近年主要研究进展，可概括为以下几点： 1 2 1 进路间距等于分段高度的方案并非最佳方案 长期以来无底柱分段崩落法一直使用1 0 m x l o m 的结构参数这似乎给人们 一种感觉，即无底柱分段崩落法的分段高度应等于进路间距。因而无底柱分段崩 落采矿法的结构参数可以在1 0 m l o m 的基础上同步放大到1 5 m 1 5 m 、2 0 m 2 0 m 等，这种参数在生产实践中可吼应用，但从梅山铁矿放矿模拟分析来看，分 段高度在2 5 m 之内时，分段高度等于进路间距的结构参数并不是最好的参数组合 b s 。 放矿模拟实验结果见表1 3 n ，在分段高度为1 5 m 条什r 、进路日j 距变化在 7 - 2 2 m 时，其实验结果明显具有两头好中问差的特征。 7 - 2 2 m 时，其实验结果明显具有两头好中间差的特征。 表1 3 梅山铁矿放矿模拟实验结果【6 1 t a b 1 3t h et e s t i n gr e s u l to f m e i s h a ni r o nm i n ed r a w i n gs i m u l a l i o n 参数h b ，1 1 贫化率，同收率， 1 5 7 1 68 29 7 2 1 5 x9 1 88 88 9 8 0 1 5 1 0 1 58 59 1 3 9 1 5 1 1 1 6 1 88 0 1 0 1 5 1 31 6 ，1 2 8 9 0 0 1 5 1 4 1 2 7 58 8 9 8 1 5 1 61 259 1 4 4 1 5 1 8 1 4 0 19 1 0 8 东北大学硕士论文第一章绪论 变进路间距，其j f 常分段的矿石回收率存在一个相对平稳区，即矿石回收率基本 保持不变，而且分段高度1 2 m ，进路问距1 6 5 m 是合理的。不会影响矿石回收率 指标的条件下，而且可降低采掘工作量，降低矿石成本。 综上所述，从国内外的实践不难看出，无底柱分崩落法结构参数的大型化， 具有采准工程量少，采矿成本低、可实现采矿作业的集中化、提高采矿效率等优 点，是无底柱分段崩落法的发展趋势。 1 2 无底柱分段崩落法结构参数的研究现状 无底柱分段崩落法结构参数的研究包括结构参数的理论研究、计算机模拟研 究、实验室研究以及工业试验研究。研究目的是为科学合理的确定无底柱分段崩 落法的结构参数提供依据。国内近年主要研究进展，可概括为以下几点： 1 2 1 进路间距等于分段高度的方案并非最佳方案 长期以来无底柱分段崩落法一直使用1 0 m x l o m 的结构参数，这似乎给人们 种感觉，即无底柱分段崩落法的分段高度应等于进路间距。因而无底柱分段崩 落采矿法的结构参数可以在1 0 m l o m 的基础上同步放大到1 5 m 1 5 m 、2 0 m 2 0 m 等，这种参数在生产实践中可以应用，但从梅山铁矿放矿模拟分析来看，分 段高度在2 5 m 之内时，分段高度等于进路间距的结构参数并不是最好的参数组合 【1 5 】。 放矿模拟实验结果见表1 3 1 6 i ，在分段高度为1 5 m 条件下、进路间距变化在 7 - 2 2 m 时，其实验结果明显具有两头好中问差的特征。 表1 3 梅山铁矿放矿模拟实验结果【6 】 t a b 1 3t h et e s t i n gr e s u l to f m e i s h a ni r o nm i n ed r a w i n gs i m u l m i o n 参数h b ，m 贫化率， 同收率， 1 5 71 6 8 29 7 2 1 5 91 8 8 88 9 8 0 1 5 l o 1 5 8 59 1 3 9 1 5 1 11 6 1 88 0 1 0 1 5 1 31 6 1 28 9 0 0 1 5 1 41 2 7 58 8 9 8 1 5 1 61 2 59 1 4 4 1 5 1 81 4 0 1 9 1 0 8 东北走学硕士论文第一章绪论 1 5 2 01 3 8 49 2 9 8 1 5 2 21 5 1 07 5 2 0 由此证明了两种结构的存在，即当分段高度在一定范围( 2 5 m 以下) 内时， 无底柱分段崩落采矿法的结构参数存在高分段与大间距两种最优的放矿结构。 1 2 2 大间距结构模式及高分段结构模式的理论研究1 5 l 【1 6 】 放矿模拟实验的结果，结构参数有两种趋势，一种是分段高度大于进路间距， 另一种是分段高度小于进路间距。但究其原因，理论上缺少依据，为此梅山铁矿 在这方面做了些工作，提出了有理论依据的定量标准。 梅山铁矿的研究认为“爆破堆积体的形态应尽可能地与放出体体形相吻合” 的实质就是采矿结构参数优化问题，而优化的实质就是放出体空间排列的优化阔 题，密实度大者为优。 “爆破堆积体的形态应尽可能地与放出体体形相吻合”，这一原则是设计采 矿主要结构参数的基本准则，但在具体操作上不易掌握，如把它等价地转换为“纯 矿石放出体互相相切的结构参数为最优”的原则，就很直观了，而且可操作性也 好。 根据这一基本点出发，略去一些次要因素，纯矿石放出体有两种最优的排列 形式，一种为高分段结构形式，一种为大间距结构形式。并通过分析简单的几何 关系，即可得出较为简明的计算方法。 高分段结构形式如图1 1 所示，根据坐标变换，可等价转换成图1 3 的形式， 左右两球相切，上下两球被左右两球分开，且与之相切。设椭球体长轴半径为a 短轴半径为c ，则按椭球体布置进路时，则， 分段高度为：h = 4 3a ( 1 1 ) 进路间距为：b = 2 c ( 1 2 ) 显然，星：娑 ( 1 3 ) b2 c 大间距结构形式如图l ，2 所示，根据坐标变换，可等价转换成图1 4 的形式， 上下两个球体相切，左右两个球体被分开，且分别相切。则， 分段高度为：h = a( 1 4 ) 进路间距为：b = 2 4 3c ( 1 5 ) 东北大学硕士论文第一章绪论 蹴i h = 磊a = 譬 ( 1 s ) 显然高分段结构形式分段高、进路间距小，一般分段高度大于进路间距，而 大间距结构形式进路间距大、分段高度小，一般进路问距大于分段高度。这两种 排列应当说是最密实的排列结构形式，即放出体在整个矿石堆体中所占的空问是 最大的，从理论上分析，大间距和高分段两种结构形式的密实度是等价的。 图1 1 高分段结构形式纯矿石放山体排列 f i g 1 1 t h ed r a w i n g o f fv o l u m ea r r a n g e o fh i g hs u b - l e v e ls t r u c t u r ed i a g r a m 图1 2 大间距结构形式纯矿石放出体排列 f i g 1 2t h ed r a w i n g o f fv o l u m ea r r a n g e o fl a r g es p a c es t r u c t u r ed i a g r a m 图1 3 高分段结构形式 f i g 1 3s t r u c t u r ed i a g r a mo f h i g hs u b 一1 e v e l 图1 4 人间距结构形式 f i g 1 4s t r u c t u r ed i a g r a mo f l a r g es p a c e 1 2 3 加大进路间距是我国当前无底柱分段崩落法结构参数的主要趋 上述的两种结构形式都有节约采准工程量、一次崩矿量大、采矿强度大等优 点，但在具体操作过程中却有很大的区别，相比较之后，大间距结构形式有如下 优点： 东北大学硕士论文第一章绪论 灵活性大，特别对生产矿山而言，要改变分段高度很困难，而改变进路间 距则要容易得多，因此采用的机会较多；因为对于大多数矿山而言，为了持续生 产，一般都必须进行三级矿量的适当储备，亦即矿山在生产过程中已经对多个分 段进行准备，当该工作进行后其分段高度已经被固定而难以改变。当采用大间距 结构进行改造时，可以在已经开始掘进的分段直接加大进路间距而实现大间距采 矿工艺，因此，该工艺在现场推广起来极为简便。 炮孔深度相对较小，由于分段高度较低，凿岩深度较小，因此凿岩效率较 高、精度易保证、炮孔质量较高、装药也较容易，这样爆破质量就可以得到保证， 为后续工序奠定了良好的基础；就经济效益而占，由于炮孔平均深度小于高分段 结构形式，因此凿岩的费用有较大幅度的下降。 减少矿山采准工程量、减少矿石开采成本。由于该工艺在原来参数的基础 上，加大了进路间距，使矿山的干吨采切比减少，减少了每吨采出矿石的工程投 入，从而可以大幅度地减少矿石开采成本。从l o m x l o m 结构参数改为大间距结 构参数，可减少采准工程量3 0 左右，一般而言，采准费用约占原矿成本3 0 左 右，其中的经济效益是不言而喻的。 缓解地压，由于加大了进路间距，间距相对较大，减少了对岩体的削弱破 坏，增大了应力分布区域，减少了应力集中程度，从而简化了矿山采场地压管理。 这为地压较大、矿岩不够稳固的矿山提供了有利条件，并为进一步拉宽进路提供 了条件。 回贫指标进一步优化，由于大间距结构形式是根据采矿结构参数优化而得 到的，其回收率、贫化率指标应优于其他参数。 方便管理，由于大间距结构可减少采区工作面，使工序问协调更加方便， 有利于矿山提高生产管理水平。 基于上述原因，大间距结构形式是种很好的结构模式，应大力推广应用。 我国除了梅山铁矿之外，桃冲铁矿、北铭河铁矿等矿山也已经或正在进行工业应 用。 梅山铁矿的大间距结构应用是在原来1 5 m x l 5 m 结构参数的基础上，通过重新 排列放出椭球体的空间关系及相关放矿模拟实验，于2 0 0 0 年在国内首先进行了试 验与应用，由于该矿所采用的凿岩设备为进口s i m b a 全液压凿岩设备，在凿岩能 力上得到了提高，该矿山所采用的大间距参数是段高x 间距为1 5 m x 2 0 m ，该矿按 此参数在，2 2 8 m 水平北区进行了工程布置，到2 0 0 2 年进行生产出矿，之后在下部 矿体开采中全面应用i l 。 桃冲铁矿是一个年产5 0 万t 的中型矿山，自2 0 世纪7 0 年代改用无底柱分段 东北大学硕士论文第一章绪论 崩落法以来，该矿山的结构参数一直为1 0 m 1 0 m ，直到1 9 9 5 年在放矿模拟的基 础上进行变革，准备在六中段采用1 2 5 m 1 2 5 m 的结构参数，并已经按此参数进 行了分段布置，形成了1 2 5 m 段高的分层结构。但随着放矿技术的发展，为进一 步减少采准工程量，减少矿石开采成本，该矿于2 0 0 1 初进行小参数条件下的大间 距结构研究与应用，通过相关模拟试验表明，在保持分段高度1 2 5 m 不变的情况 下，其进路间距可加大到1 5 - 1 6 m ，该矿在实际应用中采用了1 2 5 m 1 5 m 的大间 距结构形式，并已经在5 3 m 水平之下进行了工程布置；由于该矿采用的是小结构 参数下的大间距结构，其中深孔的最大孔深为1 6 1 8 m ，该深度的炮孔可以在不 改变矿山现有的国产凿岩设备情况下应用，充分发挥了该工艺的优点【6 。 邯邢矿山局的北铭河铁矿在分析研究的基础上也已经采用了1 5 m 1 8 m 的大 间距无底柱采矿工艺。 1 2 4n b 的最优值是变量 无底柱分段崩落法的放出体形念为一扁椭球缺，长半轴a 与横半轴c 之比是 个变量，放出高度越大，“c 越大，根据表1 4 ，a c 一般在2 5 3 5 之i 自 1 6 l 。 表1 4 河北铜矿j 二业放出体参数【6 1 t a b 1 ，4 t h e p a r a m e t e r so f h e b e ic o p p e r m i n ed r a w i n g o f f v o l u m e 放矿高度放出体体长半轴a横、 ，轴c级半轴b流轴角放出体厚 a c ( m )积( m )( m ) ( m ) ( m ) ( t g o ) 度( m ) 1 55 4 6 5 2 3 1 10 0 6 21 72 8 2 1 81 4 28 03 ，o2 o0 0 6 22 82 6 6 2 75 7 01 2 55 03 5 0 0 6 04 82 5 0 3 41 1 6 01 6 ，06 。14 。40 0 5 85 ，72 6 2 4 72 1 4 02 2 5 7 0 5 30 0 5 66 53 2 i 5 02 4 0 02 4 07 25 40 0 5 26 63 3 3 5 52 8 5 0 2 6 0 7 55 6 0 0 4 76 83 4 6 由上可知，不论哪种结构形式，分段高度与进路间距之比的最优值是随a c 变化的，无法得出一个固定值。也就是说，分段高度与迸路间距取决于放出体的 形念。 1 2 5 大间距无底柱采矿法应用前景旧 东北大学硕士论史第一幸绪论 矿山在应用该_ ：【艺时最大闻题是南予加大间距后的炮孔深度随之增加，现有 的凿岩设备能否适用，根据测算，进路间距每增加l m ，其炮孔深度只增加o 5 m 左右对予一般矿山现有参数丽言，进路间距的增加量为5 m 左右，则其孔深增 加量约为2 m ，该增加量对于现有的凿岩设备来说不会产生很大闯题；同时，矿 山在应用该工艺时，可以采取排内微差瀑破的方法而使扇形炮孔的边孔角得到降 低，以减少最深孔的深度，满足凿岩设备的凿岩要求。 从适用条件方面分析，大蜘距无底柱采矿工艺j 以适用于所有的无底柱开采 矿山，该工艺具有减少采准工程量、改善采场地压、应用改造速度快、可以使矿 石开采成本得到大幅度的降低、简化矿山地压管理、在应用中操作简单及适用范 围广等突出优点，因此，该工艺对矿i “具有极大的吸引力，在国内具有极高的推 广应用价值和极广泛的应用前景，必将给无底柱开采的矿山带来巨大的应用效益。 1 。3 上青矿大结构参数的研究背景 目前，国外的无底柱正朝着“两大一高一减少”的方向发展，即采用大结构 参数、装备大型高效设备、高强度开采、减少采准工程量，并且以进路间距大于 分段离度为基本特色，特另4 是在最近2 0 年间结构参数变化( 变丈) 很快，加丈进 路间距在采矿工艺方面的变化不大，因而大结构参数在国外已得到广泛的应用 1 9 1 。 大间距无底辖采矿技术在国外最然已广泛采用，但缺乏相应理论研究的支 撑，而国内矿山大间距无底柱采矿技术理论研究已取得重大突破，以梅山为代表 的部分矿山率先应用，充分显示了理论对实践的指导意义l 驯。 上青矿地下开采采用无底柱分段崩落法，2 0 0 1 年生产能力为4 5 万t ，最终生 产能力将达到1 4 0 万t 。随着铲运机的引进，由于结构参数小，一次崩矿量小的 矛盾凸现出来；再加上与国内外同类矿山相比差距较大。上青矿为提高矿山生产 能力，提高采矿强度，提高设备效率和劳动生产率，降低采矿成本，缩小与国内 外间类矿山问的差距，结构参数大型化的要求己非常追切。 要实现结构参数大型化的方案有两种： ( 1 ) 增大分段高度，进路间距随之增大； ( 2 ) 分段高度不变，增大进路问距。 就上青矿当时状况而言，要增大分段高度比较困难，一方面开拓系统已形成， 增大分段高度要受到斜坡道、电梯井、设备井等限制；另方面由于深孔凿岩使 用y g z _ _ 9 0 型裁岩机，增大分段高度要受到凿岩设备凿深能力限制，而增大进 东北大学硕士论文第一章绪论 路间距在上青矿比较容易实现，所以上青矿当前结构参数大型化的主要方向是增 大进路间距。 2 0 0 1 年，板石矿业公司与马鞍山矿山研究院达成共识，共同着手进行上青矿 大间距结构参数的研究和实验，至此，上青矿大间距采矿结构参数研究与实验工 作得以顺利实施。 1 4 上青矿大结构参数的研究思路及内容 当今国内外无底柱分段崩落法，在技术上发展很快，其主要特点是采场结构 参数大型化、设备大型化、电动化、液压化和管理科学化。但由于上青矿地采受 地质赋存条件( 矿体平均厚度3 0 m 左右) 、开拓方式、装备水平等客观条件限制， 暂时无法全面实现结构