自然崩落采矿的块度预测技术 (Block Cave Fragmentation)

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1. 引言

崩落采矿法【水力压裂在崩落采矿中的应用(hydraulic fracturing in cave mining)】的成功实施有两个关键因素：一个是底部结构的地压控制【无底柱浅孔留矿法(Shrinkage Stoping)】，另一个是崩落岩石的块度控制【自然崩落法的应用考虑】，其中预测块度尺寸分布是崩落采矿的一个关键决策参数，本文简要回顾了崩落块度的预测技术。

铜矿峪铜矿的自然崩落法

2. BCF软件

在过去30年中，由Dr. Esterhuizen【矿柱强度(Pillar Strength and Design)文献聚合】开发的BCF(Block Cave Fragmentation)软件是工业界流行的块度预测软件，这个软件的理论背景主要是基于Dr. Laubscher【崩落采矿研究的先驱和传奇人物---Dennis Laubscher (1929-2021)】发展的一系列经验关系，基于长宽比高的块体更容易断裂的几何规则循环计算块体断裂的概率，包括对块体的圆度、缓冲效应和拱形效应进行调整。具体原理可参考下面两本自然崩落法的经典著作：

(1) Laubscher (2000) A practical manual on block caving

(2) Brown (2002) Block Caving Geomechanics

经过与现场实测块度尺寸的对比，结果显示BCF能够比较准确地预测大尺寸块度，而在预测小尺寸块度上有较大的误差。

3. Core2Frag

Core2Frag是一个与BCF相似的块度预测软件，由Call & Nicholas, Inc.开发，它可以把钻孔数据转化为岩块的块度，原理以及应用参看：

(2004) Assessment of Primary Fragmentation from Drill Core Data

(2006) Fragment size estimation and measurement in the DOZ block cave

(2006) Geotechnical Characterization and Design for the Transition from the Grasberg Open Pit to the Grasberg Block Cave Mine

(2008) Geomechanics considerations in the Grasberg pit to block cave transition

(2012) Prediction of Fragmentation in Block Cave Mine Design – an update of the Core2Frag Program

4. DFN-BCF

BCF和Core2Frag都存在着相似的局限性，即预测细粒含量(fines content)的能力以及对脉状矿体【脉状岩体的数值模型(model for veined rock mass)】破碎估计不准确，例如在Palabora矿的分析显示[(2011) Impact of Poor Fragmentation On Cave Management]，预测结果与实测结果不符。为了克服这种限制，从2010年开始引入DFN，最近SRK提出了一种DFN-BCF混合方法[(2022) The DFN-BCF Hybrid Method: A New Tool to Assess Fragmentation of Block Caving Mining Projects]，用DFN代替BCF软件的主要块体生成器，获得原始块度和和初级块度，而次级块度应用BCF算法分割这些块体。

5. 3DEC

预测岩石破碎的另一种途径是使用SRM技术[(2014) Simulating the effect of preconditioning in primary fragmentation]【岩石破碎(Rock Fragmentation)的数值模拟(block fragment compute)】,[(2010) A hybrid methodology for secondary fragmentation prediction in cave mines]详细描述了这种模拟途径。

在3DEC中，一个fragment指的是完整连接(bond)的块体或块体的集合，链接点处不发生剪切或拉伸破坏。主要使用如下三个命令计算块度指标：

block fragment computeblock fragment fill-group slot 'fragments'block fragment dump filename 'fragments.txt'

块度信息保存在文件fragments.txt中，包括Fragment, NumBlocks, Volume和 AspectRatio，这些数值也可以使用下面的FISH函数来获取：

block.fragment.volumeblock.fragment.idblock.fragment.blocksblock.fragment.aspectblock.fragment.list

6. ELFEN

为了考虑块体在运动过程中的相互作用，使用ELFEN---有限元和离散元的混合技术估算岩石的块度[(2021) A Hybrid FEM/DEM Approach to Estimating Rock Block Breakage due to Gravity Free-Fall]，模拟自由落体到固定表面的变化情况，合并了冲击面的粗糙度和曲率以及自由落体过程中岩块在空间的运动方向。

7. BCCM估算

也有一些新探索的方法估算块度，例如使用BCCM方法，参看

(2017) A Comminution Model for Secondary Fragmentation Assessment for Block Caving；

(2021) Comparison of normalized and nonnormalized block caving comminution models

8. 结束语

下面所示的铜矿峪铜矿的岩石性质描述来自于铜矿峪铜矿【自然崩落法回顾 (Block Caving)】的报告：

(1) 铜矿峪铜矿4#和5#矿体均存在北西倾向和东南倾向两组优势结构面，北西倾向的节理组与矿体岩层倾向相近，东南倾向的节理组与矿体岩层的倾向近似相反，节理连续性大于1.5m，绝大多数节理面呈闭合型；节理面一般较为平整，多数节理无充填物。

(2) 4#矿体的北西倾向270°~320°，平均倾角65.6°，占50%；东南倾向150°~180°，平均倾角68.1°，占33.3%。5#矿体的北西倾向270°~320°，平均倾角65.0°，占44.6%;东南倾向140°~170°，平均倾角63.6°，占27.6%。

(3) 矿区的最大主应力走向为NE-E方向，平均为56.03°。岩石的单轴抗压强度: 530中段为90.34MPa，410中段为120MPa。

(4) 根据RQD值、节理条件及地下水条件的RMR值和MRMR值，铜矿峪矿岩可崩性属于中等可崩。

在最近两年审阅的40多份地下开采项目申请报告中，一个有趣的发现是：无论岩石的UCS和岩体结构怎样，也无论使用什么样的采矿方法，一个统一的说法是能够保证岩石块体尺寸小于350mm，刚开始我纠结这个问题，如何能够爆破出如此统一准确的块度，后来看得多了，便忽视了这种nobody care的问题。

来源：计算岩土力学

断裂离散元理论 3DEC 控制

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首次发布时间：2023-09-11