無(wú)底柱分段崩落法放礦結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

章 林，陸玉根，孫國(guó)權(quán)

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243000)

崩落礦石在崩落圍巖覆蓋下，借助重力由回采巷道一端的近似“V”形槽中放出，這種放礦叫做端部放礦。無(wú)底柱分段崩落法的放礦屬于端部放礦。由于端壁的阻礙，放出體發(fā)育不完全，是一個(gè)縱向不對(duì)稱、橫向?qū)ΨQ的橢球體缺,如圖1所示。

無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距等，這三個(gè)參數(shù)的不同組合將直接影響最終的回貧指標(biāo)。從近些年來(lái)放礦試驗(yàn)?zāi)M的上下分段多個(gè)放出橢球體排列情況來(lái)看，進(jìn)路間距與分段高度相等，上下左右進(jìn)路爆破排相互對(duì)齊時(shí)，這種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)未必最佳。根據(jù)上下多個(gè)分段進(jìn)路口放礦橢球體排列組合來(lái)看，當(dāng)相鄰橢球體上下左右兩兩相切時(shí)，回收效果最好、貧化最小。這種兩兩相切的排列狀態(tài)分兩種，如圖2、圖3所示，即高分段及大間距采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。這種高分段和大間距采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)并不是以分段高度和進(jìn)路間距值得大小來(lái)確定的，而是根據(jù)放出橢球體平面排列形態(tài)來(lái)劃分的。

1-回采巷道；2-放出橢球體發(fā)育圖；3-放礦漏斗輪廓線圖1 端部放礦橢球體發(fā)育圖

圖2 高分段橢球體排列形態(tài)

圖3 大間距橢球體排列形態(tài)

昆鋼大紅山鐵礦位于云南省玉溪市，是目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的地下冶金礦山之一，地下開采一期設(shè)計(jì)年產(chǎn)能力為400萬(wàn)t/a，設(shè)計(jì)采用高分段、大間距無(wú)底柱分段崩落采礦法及先進(jìn)的無(wú)軌采掘及裝運(yùn)設(shè)備，一期正在采用的分段高為20m，進(jìn)路間距20m。為保證一期、二期生產(chǎn)的正常銜接及更大參數(shù)回采的需要，二期規(guī)劃擬在400m以下兩個(gè)水平將分段高度提高到30m，為此進(jìn)行高變分段參數(shù)下結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選研究，利用實(shí)驗(yàn)室相似模擬放礦試驗(yàn)展開放礦橢球體發(fā)育參數(shù)研究、最優(yōu)放礦步距及進(jìn)路尺寸參數(shù)組合優(yōu)選研究；因?qū)嶒?yàn)室相似模擬放礦試驗(yàn)操作過(guò)程較為復(fù)雜，為彌補(bǔ)其耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)利用PFC3d數(shù)值模擬軟件展開進(jìn)路間距優(yōu)選研究，PFC3d數(shù)值模擬具有靈活快速高效的特點(diǎn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定準(zhǔn)確后，計(jì)算出的模擬結(jié)果同樣也較為準(zhǔn)確。

1 實(shí)驗(yàn)室相似模擬放礦試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)室放礦試驗(yàn)是采用相似模擬的手段模擬采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)放礦，在滿足與現(xiàn)場(chǎng)放礦工作幾何與力學(xué)相似的基礎(chǔ)上，建立相似模型，并使得模型放礦過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)放礦過(guò)程達(dá)到近似物理相似的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)，一般包括單體試驗(yàn)和立體試驗(yàn)。

云南大紅山鐵礦一期采用20m×20m的大結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，分段與進(jìn)路間距都為20m，二期規(guī)劃擬在400m水平以下采用30m×20m的結(jié)構(gòu)參數(shù)，屬于高變分段放礦形式。為進(jìn)一步提高資源回收率，降低貧化，在實(shí)驗(yàn)室利用幾何相似材料制作了高變分段透明放礦模型，通過(guò)單體試驗(yàn)揭示30m×20m結(jié)構(gòu)參數(shù)下放出橢球體的發(fā)育形態(tài)及其發(fā)育規(guī)律。根據(jù)無(wú)底柱分段崩落法現(xiàn)場(chǎng)端壁放礦特征，按與現(xiàn)場(chǎng)1∶100的比例縮小制作試驗(yàn)料箱，試驗(yàn)在采用相似端壁情況下，下部預(yù)留一出礦口(相當(dāng)于采場(chǎng)進(jìn)路)，利用鏟斗將模型內(nèi)礦巖逐步鏟出，同時(shí)，將預(yù)裝入的標(biāo)志顆粒進(jìn)行回收。根據(jù)標(biāo)志顆粒被放出的順序，將不同放出高度下的放出體圈出，因此，可求得端壁條件下各種發(fā)育高度的放出體。

根據(jù)記錄的標(biāo)志顆粒數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出不同出礦口不同高度上的橢球體及橢球體缺發(fā)育的大致形態(tài)，見(jiàn)圖1，并記錄其偏心率及半軸值見(jiàn)表1。

表1 4.2cm×4cm出礦口放出體半軸值及偏心率參數(shù)

立體試驗(yàn)是一種模擬現(xiàn)場(chǎng)多分段多進(jìn)路口放礦的相似模擬試驗(yàn)，通過(guò)立體試驗(yàn)對(duì)不同放礦步距下的回貧指標(biāo)進(jìn)行分析得到高變分段下最優(yōu)放礦步距、崩礦步距及進(jìn)路口參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶磁c現(xiàn)場(chǎng)比例1∶100制作，模型為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu),巷道呈菱形交錯(cuò)布置,共布置5個(gè)分層，每個(gè)分層3到4個(gè)進(jìn)路，進(jìn)路間距為20cm，每個(gè)進(jìn)路布置四個(gè)步距，各步距均采用可抽出式鐵皮制作，模型正面如圖4所示。

圖4 模型正面圖

因大紅山二期屬于高變分段放礦形式，分段高度20m、30m不等，400m水平以下至340m水平為兩個(gè)30m高分段，為了與該高分段放礦形式相適應(yīng)，減少損失貧化，提高生產(chǎn)能力和回收率，進(jìn)路間距取為20m。立體試驗(yàn)在此分段高度及進(jìn)路間距條件下，選擇合適的放礦步距及進(jìn)路參數(shù)組合，放礦步距擬分別取5.04m、6.16m、6.72m、7.56m，進(jìn)路寬度擬取為4.2m×4m和4.9m×4m兩種。選擇放礦橢球體完整的進(jìn)路口放出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，計(jì)算各分段及所有分段的放出礦巖總量、放出礦石量、放出巖石量，并計(jì)算礦石的回收率、廢石混入率及相應(yīng)的回貧差等值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 立體試驗(yàn)結(jié)果匯總

綜合分析各立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕厥章?、貧化率和廢石混入率指標(biāo)，可以得出在變分段高度在20～30m，進(jìn)路間距為20m時(shí)，在所有的立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，放礦步距為6.72m，進(jìn)路尺寸寬4.2m高4m時(shí)回貧指標(biāo)最優(yōu)，此時(shí)的回收率為92.81%，廢石混入率為11.54%，回貧差為81.28%，由于本礦未進(jìn)行工業(yè)放出體試驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)不能換算，本次試驗(yàn)合理放礦步距應(yīng)在6.72～7.56cm，其現(xiàn)場(chǎng)的合理崩礦步距區(qū)間并未得到，但依據(jù)其他礦山經(jīng)驗(yàn)及工業(yè)放出體與實(shí)驗(yàn)室放出體對(duì)比，一般實(shí)驗(yàn)室的放礦步距是現(xiàn)場(chǎng)崩礦步距的1.2～1.4倍，即修正系數(shù)K=1.2～1.4，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，礦山選擇的段高和進(jìn)路間距都比較大，因此選取K=1.4進(jìn)行修正，由此求的本礦現(xiàn)場(chǎng)的合理崩礦步距應(yīng)為4.8～5.4m。

2 PFC3d軟件數(shù)值模擬放礦研究

作為一種新興的數(shù)值分析方法， PFC3d可模擬任意大小球形顆粒的集合體的動(dòng)力學(xué)行為，可以自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)學(xué)上特定分布形式的顆粒集合，顆粒的半徑可以均勻分布(即顆粒半徑都相等)。這里的“顆?！辈⒉恢苯优c介質(zhì)中是否存在顆粒狀物質(zhì)有關(guān)，只是用來(lái)描述介質(zhì)特性的一種方式。比如，顆?？梢源聿牧现械膫€(gè)別顆粒，例如礦石顆粒；也可以代表黏結(jié)在一起的固體材料，如巖石。

PFC3d數(shù)值模擬具有靈活快速高效的特點(diǎn)，與實(shí)驗(yàn)室相似模擬放礦試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力的特點(diǎn)相比，可節(jié)省大量時(shí)間，模擬結(jié)果也較為準(zhǔn)確，本次采用PFC3d數(shù)值模擬軟件展開進(jìn)路間距優(yōu)選研究。大紅山鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)目前為20m×20m(分段高度×進(jìn)路間距)，二期擬采用高變分段放礦形式，分段高度20m、30m不等，即在400m水平以下至340m水平為兩個(gè)30m高分段，為了與該高分段放礦形式相適應(yīng)，減少損失貧化，提高生產(chǎn)能力和回收率，需確定最佳采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，進(jìn)行進(jìn)路間距優(yōu)選，擬分別選取進(jìn)路間距20m、25m進(jìn)行試驗(yàn)比較，以確定最佳進(jìn)路間距。本次實(shí)驗(yàn)分別建立30m×20m與30m×25m兩種參數(shù)組合放礦模型，分別進(jìn)行數(shù)值模擬得到各自不同的回貧指標(biāo)，以比較這兩種參數(shù)組合的優(yōu)劣。

利用PFC3d內(nèi)“墻”功能生成各邊界，如圖5、圖6所示，用PFC3d內(nèi)BALL功能生成大小不等的球來(lái)模擬礦石與廢石，如圖7所示其中灰色(顏色較黑)顆粒代表廢石，白色顆粒(顏色較淡)代表礦石。

圖5 PFC3d放礦模型結(jié)構(gòu)正視圖

圖6 PFC3d放礦模型結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

顆粒受周圍墻體的約束,隨著放礦的進(jìn)行,通過(guò)按照一定規(guī)律刪除墻體來(lái)解除對(duì)顆粒的約束，如第一分段放礦完畢后即刪除第一分段進(jìn)路 口及各漏斗模擬現(xiàn)場(chǎng)爆破，廢石覆蓋層為兩個(gè)分段高度，覆巖對(duì)下部礦石施加荷載促使礦石顆粒流動(dòng),礦石與廢石顆粒之間設(shè)定摩擦系數(shù)及孔隙率以吻合現(xiàn)場(chǎng)放礦。

數(shù)值模型程序設(shè)定的放礦順序與實(shí)驗(yàn)室物理模型的相同，為從上到下，各分段依次從一端向另一端推進(jìn)，各放礦口嚴(yán)格按照設(shè)定好的截止品位出礦，同一進(jìn)路口由里向外分步距放礦，圖7、圖8為分段放礦模擬的過(guò)程圖，從圖7、圖8中可以看出模擬礦石及廢石礦巖接觸面下落形態(tài)呈漏斗狀下落，這與現(xiàn)場(chǎng)較為吻合。

圖7 PFC3d放礦過(guò)程(第三分段)

圖8 PFC3d放礦過(guò)程(第五分段)

為取得各參數(shù)組合模型的回貧指標(biāo)，在進(jìn)行編程時(shí)就嵌入了統(tǒng)計(jì)函數(shù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括每放礦口放出礦石及廢石顆粒個(gè)數(shù)及其各自的質(zhì)量，在完成模擬后程序?qū)⒆詣?dòng)輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

根據(jù)放礦口放出的礦石及廢石質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回貧指標(biāo)的計(jì)算，表3為各模型模擬試驗(yàn)結(jié)果匯總表。

表3 各模型模擬試驗(yàn)結(jié)果匯總

通過(guò)該數(shù)值模擬結(jié)果分析可以看出在高變分段情況下，30m×25m參數(shù)組合模型的回貧差要高于30m×20m參數(shù)組合模型，即在大紅山高變分段參數(shù)組合20～30m條件下，進(jìn)路為25m時(shí)可以取得較優(yōu)的回貧指標(biāo)。

3 結(jié)論

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室相似模擬單體放礦試驗(yàn)研究得出大紅山鐵礦高變分段下放出橢球體缺在不同放出高度下的發(fā)育參數(shù)，包括半軸值及偏心率等(表1、圖1)，揭示了橢球體缺的發(fā)育規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室相似模擬立體放礦試驗(yàn)得到了大紅山鐵礦高變分段下合理放礦步距指標(biāo)為6.72～7.56m，合理進(jìn)路尺寸參數(shù)組合為4.2m×4m。

2)充分利用PFC3d數(shù)值模擬靈活快速高效的特點(diǎn)，建立起大紅山鐵礦數(shù)值放礦模型，用不同的顆粒分別模擬礦石和廢石的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了放礦全過(guò)程的動(dòng)態(tài)再現(xiàn)(圖5～8)，并得到無(wú)底柱分段崩落法放礦不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的損失貧化指標(biāo)，從而優(yōu)選出合理進(jìn)路間距指標(biāo)為25m。

3)本文結(jié)合昆鋼大紅山鐵礦放礦研究實(shí)例，采用實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)、PFC3d軟件數(shù)值模擬展開研究，得到最佳放礦步距及進(jìn)路尺寸參數(shù)組合、進(jìn)路間距值等，對(duì)指導(dǎo)放礦工作具有重要意義。

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