大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

孫東東，張治強,2，常 帥,2，路增祥,2，趙 野

(1.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源高效綜合利用工程技術(shù)研究中心， 遼寧 鞍山 114051；3.撫順罕王傲牛礦業(yè)股份有限公司，遼寧 撫順 113001)

無底柱分段崩落法是一種安全、高效、機械化程度較高的采礦方法，在國內(nèi)外金屬礦山地下開采中應(yīng)用非常廣泛[1-3]。隨著礦山對開采強度的提高、開采技術(shù)水平及礦山機械的發(fā)展，高分段大間距成為無底柱分段崩落采礦法重要的研究和發(fā)展方向。

無底柱分段崩落采礦法的顯著缺點是礦石損失貧化大，為此相關(guān)學(xué)者進行了大量的研究。張國建等研究了崩落體、放出體及松動體三者的關(guān)系對礦石回采指標(biāo)的影響[4-5]；李文增等[6]和任鳳玉等[7]根據(jù)崩落體理論及隨機介質(zhì)放礦理論的研究成果，闡述了崩落體、殘留體與放出體三者形態(tài)之間的關(guān)系及對礦石回采效果影響，以此提出結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案；范慶霞通過工業(yè)試驗及爆破參數(shù)試驗，提出了通過優(yōu)化爆破參數(shù)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的思路[8]；吳榮高等通過建立回貧差目標(biāo)函數(shù)求極值的方式來確定崩礦步距的最優(yōu)值[9]；王云鵬等建立了以單位工業(yè)儲量盈利最大化和單位精礦盈利最大化為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為崩礦步距的確定提供依據(jù)[10]；李彬等[11]和安龍等[12]應(yīng)用PFC顆粒流軟件進行數(shù)值模擬，得到礦巖顆粒流動狀態(tài)及模擬出放出體等形態(tài)，進而得出礦石回收率等回采指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。

毛公鐵礦采場采用分段高度為20 m、進路間距為18 m的大結(jié)構(gòu)參數(shù)，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了廢石的提前混入，礦石損失貧化大，回收率遠遠低于設(shè)計值的現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，本文比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下礦石回采指標(biāo)，進而優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低礦石損失貧化。礦山生產(chǎn)實際中分段高度和進路間距在前期采準(zhǔn)已經(jīng)形成，生產(chǎn)過程中難以改變，而崩礦步距靈活可變[13]，本文借助崩落體形態(tài)與放出體形態(tài)的匹配關(guān)系分析崩礦步距對礦石回收指標(biāo)的影響機理，并根據(jù)相似原理建立物理模型[14]，模型可模擬多分段、多崩礦步距、多回采進路條件下連續(xù)放礦，應(yīng)用物理模型，進行崩礦步距為一排炮孔(1.8 m)和崩礦步距為兩排炮孔(3.6 m)兩種條件下的模擬放礦實驗，并對崩礦步距與礦石回采指標(biāo)之間的關(guān)系進行分析。

1 崩落體形態(tài)與放出體形態(tài)的匹配關(guān)系

根據(jù)橢球體放礦理論可知，在截至品位條件下放礦，崩落體形態(tài)和放出體形態(tài)的匹配關(guān)系決定了礦石的回采指標(biāo)。崩落體的形態(tài)好壞可用崩落體放出系數(shù)表示，崩落體放出系數(shù)即為放出體體積與崩落體體積之比，放出系數(shù)越大說明崩落體的形態(tài)就越好。崩落體形態(tài)和放出體形態(tài)的匹配關(guān)系對放礦的影響如圖1所示。當(dāng)崩礦步距適中時，放出體形態(tài)與崩落體形態(tài)基本吻合，放出系數(shù)最大，礦石幾乎全部放出，如圖1(a)所示；當(dāng)崩礦步距較小時，崩落體形態(tài)偏“瘦”，放出系數(shù)較小，崩落體形態(tài)不能與放出體形態(tài)很好的吻合，端部廢石會提前到達出礦口，達到截止品位，導(dǎo)致頂部礦石殘留，如圖1(b)所示；當(dāng)崩礦步距較大時，崩落體形態(tài)偏“胖”，放出系數(shù)較小，崩落體形態(tài)不能與放出體形態(tài)很好的吻合，頂部廢石會提前到達出礦口，導(dǎo)致端部礦石殘留，這部分殘留的礦石和混入的廢石會直接影響礦石的回采指標(biāo)，如圖1(c)所示。

圖1 崩落體與放出體匹配關(guān)系

在生產(chǎn)過程中，崩礦步距直接影響著崩落體的形態(tài)，進而影響崩落體形態(tài)與放出體形態(tài)的吻合程度。混入廢石多少及殘留礦石可否在相鄰分段放出會直接影響各分段的礦石回采指標(biāo)。為了進一步研究崩礦步距對礦石回采指標(biāo)的影響，進行了實驗室物理模型實驗。

2 實驗室物理模型實驗

2.1 模型的建立

以礦山實際結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)相似原理制作物理模型，模擬比為1∶50。毛公鐵礦分段高為20 m，進路間距為18 m，回采進路尺寸為4.2 m×4.2 m(寬×高)。本模型設(shè)計了3個分段，分段高為400 mm，每分段設(shè)計3條進路及5個崩礦步距，進路間距為360 mm，炮孔排距為36 mm；巷道尺寸寬、高分別為84 mm、84 mm，實驗?zāi)Ｐ鸵妶D2。

2.2 實驗過程

實驗所用礦石取自毛公鐵礦采場，現(xiàn)場取樣統(tǒng)計礦石粒徑及各類粒徑礦石所占比例，如表1所示。

按相似原則確定實驗所需的礦石粒徑及粒徑配比，見表2。按照表2所給粒徑配比，將礦石裝入模型的各個分段，每個分段的裝填高度為400 mm。礦石裝填完畢后，裝入600 mm高的石英石作為覆蓋巖層，圖3為礦巖裝填后的模型情況。

圖2 實驗?zāi)Ｐ?/p>

表1 現(xiàn)場礦石顆粒級配組成

粒徑/m0～0．250．25～0．50．5～1比例/%304030

表2 實驗礦石顆粒級配組成

圖3 礦巖裝填后模型

共進行了兩次放礦實驗，第一次實驗崩礦步距為一排炮孔(1.8 m)，第二次實驗崩礦步距為兩排炮孔(3.6 m)；兩次實驗均保持每個分段中各回采進路平行出礦，用小鏟以固定鏟掘深度鏟出礦(巖)，并用電子秤稱出礦(巖)總質(zhì)量，之后利用磁鐵將礦石分選出來，分別對分選的礦石和巖石進行稱重，最后記錄下礦巖總質(zhì)量、礦石量及巖石量，當(dāng)單次出礦混巖率達到70%時停止出礦，開始下一步距的出礦，每個分段出礦結(jié)束后向模型中充填石英石，使覆蓋層高度保持在600 mm左右；重復(fù)此步驟直至最后一個分段的最后一個步距出礦結(jié)束，圖4為出礦結(jié)束后的模型情況。

2.3 實驗結(jié)果分析

分別統(tǒng)計兩次實驗中各分段純礦石放出量，見表3。兩次實驗中各分段純礦石放出量對比圖，見圖5。

分別對兩次實驗各分段的純礦石回收量、礦石回收率、礦巖回收總量、廢石混入量及混巖率進行統(tǒng)計，見表4和表5。

兩次實驗各分段礦石回收率及混巖率的對比圖，如圖6和圖7所示。

圖4 出礦結(jié)束后模型

表3 純礦石放出量

崩落步距1分段出礦量/g2分段出礦量/g3分段出礦量/g一排炮孔(1．8m)18627．42744554170．9兩排炮孔(3．6m)19648．936020．376049．8

圖5 各分段純礦石放出量

表4 崩落步距為一排炮孔(1.8 m)條件下實驗數(shù)據(jù)

分段礦石回收量/g礦石回收率/%礦巖回收總量/g廢石混入量/g混巖率/%144284．544．2873040．928756．439．37281382．558．59126068．444685．935．453136670．6126．31210006．573335．934．92

表5 崩落步距為兩排炮孔(3.6 m)條件下實驗數(shù)據(jù)

圖6 各分段礦石回收率

圖7 各分段混巖率

通過圖5可知，崩礦步距為3.6 m條件下的各分段純礦石放出量均高于崩礦步距1.8 m條件下的各分段純礦石放出量，其中一分段高出1 021.5g(5.48%)，二分段高出8 575.3 g(31.25%)，三分段高出21 878.9 g(40.39%)，各分段純礦石放出量平均高出10 491.9g(24%)。通過圖6可知，崩礦步距為3.6 m的各分段礦石回收率均高于崩礦步距為1.8 m的各分段礦石回收率，其中一分段高出2.77%，二分段高出11.21%，三分段高出41.13%，各分段礦石回收率平均高出約18%，其中兩次實驗的第三分段礦石回收率均超過100%，且第三分段回收率好于第二分段，第二分段好于第一分段，證明散體移動具有空間連續(xù)性，上一分段的部分殘留礦石會在以后的分段中放出。由圖7可知，崩礦步距為3.6 m條件下的各分段的混巖率均低于崩礦步距為1.8 m條件下的各分段混巖率，其中一分段低21.93%，二分段低14.54%，三分段低11.29%，各分段混巖率平均低16%左右。由圖5～7綜合分析可得，崩礦步距為兩排炮孔(3.6 m)條件下的回收指標(biāo)好于崩礦步距為一排炮孔(1.8 m)條件下的回采指標(biāo)。

3 結(jié) 論

1) 研究表明，崩礦步距為兩排炮孔條件下的純礦石放出量、礦石回收率及混巖率等回收指標(biāo)要好于崩礦步距為一排炮孔條件下的回采指標(biāo)，其中各分段礦石回收率平均高出約18%，各分段混巖率平均低16%左右。

2) 在分段高度為20 m、進路間距為18 m結(jié)構(gòu)參數(shù)下，崩礦步距為兩排炮孔(即3.6 m)條件下的崩落體形態(tài)與放出體形態(tài)匹配吻合程度好于崩礦步距為一排炮孔(即1.8 m)條件下崩落體形態(tài)與放出體形態(tài)匹配吻合程度。

3) 實驗表明，放礦過程中，散體移動具有空間連續(xù)性，上一分段的部分殘留礦石會在以后的分段中放出，且3.6 m崩礦步距放出的殘留礦石量多于1.8 m崩礦步距。

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