自然崩落法的岩石力学工作与矿石崩落块度

２００３　年　８　月　中国有色金属学会第五届学术年会论文集 Aug ．　２００３　

收稿日期：２００３－０７－２１　

作者简介：张东红（１９６４－），男，山西省平陆县人，高级工程师，主要从事矿山地质工作．

　

自然崩落法的岩石力学工作与矿石崩落块度　

张东红　

（山西垣曲铜矿峪矿地测科，山西　垣曲县　０４３７０６）　

　

摘 要：介绍了运用自然崩落法采矿工艺时开展岩石力学工作的方法，在总结铜矿峪矿５号矿体８１０中段矿石崩落块度的基础上，主要分析了影响矿石崩落块度的因素，提出了降低大块的措施。　关键词：自然崩落法；崩落块度；岩体构造；节理裂隙　

Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　Ｂｌｏｃｋ　Ｃａｖｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ｏｒｅ－ｃａｖｅｄ　Ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　

Ｚｈａｎｇ　Ｄｏｎｇ－ｈｏｎｇ　

（Ｇｅｏｌｏｇｉｃ　ｓｕｒｖｅｙ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｏｎｇｋｕａｎｇｙｕ　Ｍｉｎｅ，Ｙｕａｎｑｕ　Ｃｏｕｎｔｙ　，Ｓｈａｎｘｉ　０４３７０６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｒｏｃｋ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｗｏｒｋ　ｗｈｉｌｅ　ｕｓｉｎｇ　ｂｌｏｃｋ　ｃａｖｉｎｇ　ｍｉｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｅ－ｃａｖｅｄ　ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｎ　８１０　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　５＃

　ｏｒｅ　ｂｏｄｙ　ｉｎ　Ｔｏｎｇｋｕａｎｇｙｕ　Ｍｉｎｅ，　ｍａｉｎｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｆｆｅｃｔ　ｏｒｅ－ｃａｖｅｄ　ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｏｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｏｖｅｒｓｉｚｅｄ　ｆｒａｇｍｅｎｔｓ．　

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：　Ｂｌｏｃｋ　ｃａｖｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ；　Ｃａｖｉｎｇ　ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ，　Ｒｏｃｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　Ｊｏｉｎｔ　ｆｉｓｓｕｒｅｓ

自然崩落采矿是依靠岩体内部自然力的变化来破坏各种结构面和结构面的岩桥，形成与岩体分离的脱离体，并在重力作用下自然落矿。在这一动力学过程中，原岩应力及各种采矿工程（拉底、割帮等）所产生的次生应力场的大小及作用方式是矿体发生破坏的先决条件，而矿体中不连续面的存在，特别是它们的数量、分布规律、空间结合的特点，是确定矿体崩落难易程度、崩落块度大小和形状的决定性影响因素。　

结构面是岩体中没有或具有低抗拉强度的力学不连续面的总称。它包括原生结构面、构造结构面及次生结构面。因此它是节理、层面、片理面、劈理面、劈理面断层等的总称。　

在论证是否要应用自然崩落法采矿以及怎样布置工程时，必须对开采对象及其影响范围内的岩体构造、原岩应力进行全面调查，研究岩体构造面的几何参数、空间分布规律、结构面表面的力学性质等，便于进行可崩性论证，预测矿石崩落块度和进行巷道稳定性分析。　

１ 岩体构造调查成果　

岩体构造调查的重点是研究岩体结构面的空间分布情况（产状、位置）和表面状态、性质等，进而统计出节理分组情况、间距以及岩体质量指标等反映岩

石力学性质的特征值。　

坑道工程调查要测量节理的空间位置，记录节理的产状、持续性、粗糙度、张开度、充填物、渗水性和岩性。调查结果：５号矿体节理倾向丰度较高的区域为２６０°～３２０°和１１０°～１７０°，

分

别

第一组和第二组，其平均倾角分别为５９．１和５５．７

。

节

理

频

率

和

平

均间

１。节理面粗糙度统计见表２。　

表１　节理频率及平均间距统计表　

结构面频率（条／ｍ２）　平均间距（ｃｍ）　标高（ｍ）　最小 最大　平均　最小　最大　平均　８１０　６．１　１１．９　８．４　８．４　１６．３　１１．８　６９０　

３．５　

６．２　

４．７　

１６．１　

２８．６　

２１．２　

　

表２ 节理面粗糙度统计表　

标高（ｍ）　平面形（％）　波浪形（％）　台阶形（％）　８１０　７７．６　２０．０　２．４　６９０　

７３．８　

２４．８　

１．４　

　

节理张开度类型以闭合节理为主，占节理总数的６９．９％，张开节理占２９．４％，愈合节理很少。钻探岩芯调查主要研究节理分布数量、节理面特征、统计ＲＱＤ值和破碎带情况，并取部分岩心进行岩石物理力学性质研究。通过钻孔岩心调查，　５号矿体节理密度为３．３４条／ｍ，ＲＱＤ值的平均值为７２．７３％。　

会议文集　张东红：　自然崩落法的岩石力学工作与矿石崩落块度　８７　

２ 原岩应力分析及岩石力学性质　

原岩应力场主要由岩体自重应力和构造应力相互叠加而成。铜矿峪矿床赋存于弧形复向斜构造的南翼－正常翼，区内构造以断层为主，最大的一条断层为近

南北向的平移正断层，其次为一系列走向东西向的中

小规模的断裂构造，反映区内主构造应力应为南北向的挤压力为主，局部地段可能存在较大的东西向挤压。原岩应力测量结果表明，最大主应力大小为１０～１４ＭＰａ，方位为６０°～８０°，倾角为±１０°。　

自然崩落法采矿范围内岩石的主要含矿岩性为变石英晶屑凝灰岩，其次为变石英斑岩，主要含铜矿物为黄铜矿、斑铜矿等，矿化以浸染－细脉浸染型为主。蚀变以硅化、黑云母化、绢云母化为主。围岩主要是绢云母石英（片）岩、绿泥石石英片岩等。含矿岩石和围岩稳固系数属稳固或中等稳固。各类岩石的物理力学性质见表３，岩石的粘结力和内摩擦角分别为１８ＭＰａ、４３°，结构面的粘结力和内摩擦角分别为０．１４ＭＰａ、３０°。　

表３ 各类岩石的物理力学性质表　

岩石名称　抗压强度（Ｍｐａ）　抗拉强度（Ｍｐａ）　泊松比　

变石英晶屑凝灰岩　９６．９～１０９．３　４．１９～７．１６　０．２４４　

变石英斑岩　８９．８～１３５．７　９．５３～１１．８３　０．２３　

变质基性浸入体　８６．８～１２２．６　５．３９～６．４８　０．２９５　

绢云母石英岩　７１．３～１１３．２　６．１６～８．３８　０．１８～０．２１５　绿泥石石英片岩　９７～１１２　４．１２～９．２１　０．２８　

　

３ 崩落矿石块度的影响因素分析　铜矿峪矿５号矿体８１０中段采用自然崩落法采矿以来，出矿过程中大块率高是一个十分突出的问题。由于崩落矿石块度偏大，二次破碎频繁，底部结构破坏严重，造成耙道出矿效率低，二次破碎火药消耗量大，成本相对增高，影响了经济效益。　

岩体是由岩石和构造面构成的复杂地质体。由于自然条件的差异和人为因素的影响，岩体在崩落过程中产生的块度不同。影响崩落矿石块度的因素可分为两个方面，即自然因素和人为因素。　

自然因素主要包括岩体的构造密度、空间分布状态、发育程度；构造面的状态、充填物类型；岩石蚀变程度、矿化程度；岩体及岩石的抗拉、抗压、抗剪强度；内聚力、内摩擦角；孔隙度；地下水及原岩应力等。因此，自然因素直接控制着岩体的原始块度组成。　

人为因素影响着崩落矿石块度和出矿块度，主要包括崩落高度；拉底的速度、步距；割帮与否；放矿速度与放矿的均匀程度等。　

３．１ 拉底对崩落矿石的影响　

岩体崩落是通过采矿工程破坏岩体的原始稳定状态，　即使岩体所处的原岩应力场发生变化，形成次生应力场并进一步破坏岩体的结果。次生应力的大小和影响范围受制于每次拉底的速度、面积大小、形状、方向等，并随拉底的推进不断发生变化。次生应力的大小、作用时间、作用过程直接影响着崩落矿石的块度组成。应力大且对矿体的作用时间长，则矿体被破坏得彻底，形成的块度就小。　

铜矿峪矿的岩石比较坚硬，流变性不明显，软弱结构面的粘结力小，大多数节理、裂隙面的抗拉强度极小，在应力作用下，破坏将首先沿软弱结构面，特别是大的构造进行，并且可能会起到解除完整岩石的应力作用。因此，要使崩落矿石的块度减小，就必须减小崩落沿较大的构造面进行的机会。在拉底速度一定的情况下，减小每次拉底面积、增加拉底次数，可以使由拉底引起的次生应力变化较小，避免矿体在较大应力的作用下沿较大构造面破坏，使矿体所接受的应力作用有一个较缓慢增强的过程，这样许多微小裂隙在矿体崩落前有较充裕的时间接受应力作用，并逐步延伸扩展，充分切割矿体。　

延长二次应力对矿体作用时间的另一种手段就是不断改变拉底部位。底部结构应力实测表明，二次应力主要集中于拉底推进线前方约１０　ｍ左右的地段，不断改变拉底部位可以使一定范围内的矿体较长时间地处于二次应力的作用之下，避免二次应力叠加过快而超出岩体的强度。减缓局部地段的崩落速度，以达到减小崩落矿石块度的目的。　

３．２ 割帮工程对崩落矿石块度的影响　

割帮工程是为了加强崩落而采取的强制性措施。铜矿峪岩体的崩落状况表明，在没有任何割帮工程实施的情况下，崩落速度远远超出原来的设想，岩体中许多大断裂带的存在，本身也削弱了水平应力的作用，在崩落过程中起到了促进大块岩石崩落的不利作用。因此割帮工程的实施将进一步加剧崩落的速度，为大块岩石的产生提供更多的机会。因此，在崩落能够满足生产需要或围岩不大量侵入矿石堆的情况下，可以不实施割帮。　

３．３ 放矿对崩落矿石块度的影响　

在崩落未进行到地表之前，岩体在崩落拱脚主要　

（下转第１１３页）　

会议文集　张伟宁，等：钽铌湿法冶炼废水处理技术的实验研究　１１３　

理工艺以降低运行费用。　

（２）制取ＮＨ４ＨＳＯ４、ＮＨ４ＨＦ２过程中，介质对不锈钢设备腐蚀比较严重。　

参考文献：

［１］　张显贵．合成氨厂氨氮排放水处理技术探讨［Ｊ］　．中国清洁生产，１９９８，（１２）：　１７～１８．

［２］　王有显．中型煤制合成氨－尿素厂水污染治理现状及存在问题［Ｊ］．中国清洁生产，Ｖｏｌ４　２０００，（１４）：　１１～１２．　

［３］　毛悌和．化工废水处理技术［Ｍ］．．北京：化学工业出版社，２００１． ［４］　Ｊｏｈｎ　Ｐｉｐｅｒ．　Ｔａｎｔａｌｕｍ　ａｎｄ　Ｎｉｏｂｉｕｍ［Ｍ］　．Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９７．　［５］　Ｍｉｌｌｅｒ　Ｇ　ｌ．　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔａｎｔａｌｕｍ　ａｎｄ　ｎｉｏｂｉｕｍ　ｄｕｒｉｎｇ　ｌａｓｔ　ｙｅａｒ［Ｍ］　．ＴＩＣ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　ＮＯ　９２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，１９９７：１１～１２．　［６］　周红霞．中小型氮肥厂氨氮治理探讨［Ｊ］．中国清洁生产，１９９８，（１６）：３３．　

［７］　王肇信，幸良佐，曾芳屏．钽铌冶金学［Ｍ］．　北京：稀有金属冶金学会，１９９８：２３２～２５４

［８］　Ｂａｉｌａｒ　Ｊ　Ｃ．　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ［Ｍ］　．　Ｌｏｎｄｏｎ　：Ｐｅｒｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，　１９７３，ｌ２　Ｌｏｎｄｏｎ　

［９］　天津化工研究院编．无机工业手册（上册）［Ｍ］．．北京：化工工业出版社，１９９６：８３３～８４２．　

［１０］　化学工业出版社编．中国化工产品大全（上册）　［Ｍ］．　北京：化工工业出版社，１９９６：３４８～３４９．　

☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆　

（上接第８７页）　

是剪切破坏，在拱的顶部则主要是拉张性破坏。实验表明，铜矿峪岩体中大多数节理裂隙面的抗拉强度极小，因此，在应力场作用下，破坏将首先沿软弱结构面，特别是较大的构造面进行，结果是多数较小的节理裂隙不能充分发挥其对岩体的破坏作用，致使崩落产生大块，并且崩落的规模越大，大块产出率越高。　

在崩落至地表后，矿石的崩落主要依靠重力作用进行。在水平应力对将崩落矿石的夹制作用逐渐减弱的情况下，松散矿石对其的夹制作用比较明显。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，放矿速度快，则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。所以，在拉底推进线附近，放矿速度应尽可能地放慢，利用松散矿石的夹制作用，延缓将崩落矿石的岩移速度，使其能被应力充分作用破坏，达到降低崩落块度的目的。放矿速度的设定应以松散矿石不阻碍崩落为基础，避免松散矿石和将崩落矿石之间出现较大的空间，使崩落不能单纯依靠大构造面进行。　

放矿对崩落矿石块度的影响，不仅表现在放矿速度的大小上，放矿的均匀程度也有一定的影响。不同类区岩体中，由于节理裂隙的密度不同，因此形成的原始块度也不同，节理裂隙密集的三、四类岩体在崩落中产生的矿石块度相对较小，出矿也就显得较容易，如果矿石块度较小的放矿点和矿石块度较大的放矿点之间的放矿速度相差较大，就容易出现“管状”崩落现象或“钟乳石”现象。如果因崩落过早进行到地表而使水平应力的作用减弱，“钟乳石”会因周围矿石的崩落而失去依托，容易整体崩落而产生大量的大块。另外，崩落矿石在放矿过程中会产生相互摩擦、碰撞现象，从而使矿石的块度不断变小。这种现象主要出现在大块矿石对小块矿石或尺寸相当的矿石之间。放矿的不均匀性容易造成矿石大范围横流，调查发现，水平移动距离可达５０　ｍ以上，使原本较集中的大块矿石四处扩散，从而减小了大块之间相互碰撞和摩擦，产生进一步破碎的机会。　

４ 结 论　

节理裂隙的发育程度、空间分布状态决定了岩体软弱结构面对岩体的切割程度，即决定了岩体的原始块度。岩体及岩石的物理力学性质反映了岩体或岩石在应力场中被破坏的难易程度。二次应力场的影响范围、应力的大小决定了矿石被破碎的程度。　

拉底、放矿、割帮等人为因素，是对大自然因素的综合利用。科学、合理的拉底速度、步距以及放矿速度、放矿均匀程度等直接影响着崩落矿石及出矿矿石的块度组成，是降低崩落矿石块度及放矿矿石块度的最重要的手段和方法，也是自然崩落法应用成败的关键。