基于PFC2D的無底柱分段崩落法放礦數(shù)值模擬

魏建海 黃興益 戈 超 何皇兵 舒湊先

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司；2.湖南有色股份黃沙坪礦業(yè)分公司；3.北京安科興業(yè)科技股份有限公司)

基于PFC2D的無底柱分段崩落法放礦數(shù)值模擬

魏建海1黃興益1戈 超2何皇兵1舒湊先3

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司；2.湖南有色股份黃沙坪礦業(yè)分公司；3.北京安科興業(yè)科技股份有限公司)

針對某鐵礦采用無底柱分段崩落法開采時采場回采率低與貧化率大的問題，考慮端壁傾角與崩礦步距2個因素，對采場放礦方案進(jìn)行了PFC2D數(shù)值模擬，選擇回貧差最大的數(shù)值模擬試驗方案進(jìn)行了采場現(xiàn)場放礦試驗，取得了較好的效果。

PFC2D數(shù)值模擬 無底柱分段崩落法 回采率 貧化率

近年來，無底柱分段崩落法在我國金屬礦山特別是在鐵礦山得到了廣泛應(yīng)用，在回采進(jìn)路巷道中進(jìn)行鉆眼、爆破和出礦是該方法的最基本特點(diǎn)。在崩落的覆蓋圍巖下，爆破崩落的礦石借助重力或振動力由回采進(jìn)路巷道一端的近似V形槽中進(jìn)入回采進(jìn)路巷道，放出礦石形成的橢球體易受尚未崩落巖體端壁的影響，一旦橢球體的軸線發(fā)生偏斜，易引起礦石的貧化和損失，因而有必要嚴(yán)格控制放礦過程[1-2]。大量學(xué)者對無底柱分段崩落法的端部放礦進(jìn)行了深入研究，成果豐碩[3-5]。隨著計算機(jī)及粒子流理論的迅速發(fā)展，PFC軟件被廣泛用于無底柱放礦數(shù)值模擬，有助于解決復(fù)雜邊界條件下的放礦問題[6-7]。為此，本研究以某鐵礦為例，采用PFC2D軟件對該礦采場放礦方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 工程背景

某鐵礦采用無底柱分段崩落法開采，回采進(jìn)路間距20 m，分段高度20 m，端壁傾角90°，以單排炮孔進(jìn)行崩礦，崩礦步距1.5～1.8 m，采場回采率73.5%，貧化率26.5%。進(jìn)路間距、分段高度在開拓與采準(zhǔn)工程施工時已被確定，在生產(chǎn)中難以調(diào)整。端壁傾角也在很大程度上影響了放礦結(jié)果，且崩礦步距、端壁傾角可在生產(chǎn)中靈活調(diào)整與優(yōu)化。通過優(yōu)化崩礦步距及放礦端部傾角，盡可能提高采場回采率并降低貧化率。

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

端壁傾角是指回采進(jìn)路中扇形炮孔的排面與水平面的夾角，有前傾與垂直2類。前傾布置時傾角取70°～85°，由于端壁傾角在很大程度上受到崩礦步距的影響，因而端壁傾角可分別取80°、85°、90°。崩礦步距與放礦步距密切相關(guān)，最優(yōu)崩礦步距是指在分段高度及回采進(jìn)路間距已確定的條件下確定的最佳放礦步距，計算公式為

式中，ω為最優(yōu)崩礦步距，m；K為礦石碎脹推移系數(shù)，取1.2～1.25；hd為分段高度,m；hD為回采進(jìn)路高度，m；m為礦石流水平厚度，0.8～0.9 m；α為中間移動角，(°)。

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

本研究中，試驗因素為端壁傾角和崩礦步距，該2個因素的水平數(shù)均為3，根據(jù)正交試驗設(shè)計的原理，以端壁傾角為第一因素，在崩礦步距3.2 m固定不變的情況下，在3類組合(組合一：崩礦步距3.2 m、端壁傾角90°，組合二：崩礦步距3.2 m、端壁傾角85°，組合三：崩礦步距3.2 m、端壁傾角80°)中選擇出最優(yōu)組合(即回貧差最大的組合)，令最優(yōu)組合的端壁傾角固定不變，進(jìn)行崩礦步距另外2個水平(3.4，3.6 m)的組合試驗，選擇出最優(yōu)組合，共進(jìn)行5次不同組合的數(shù)值模擬試驗。

3.2 模型構(gòu)建

以端壁傾角90°、崩礦步距3.4 m的組合放礦方案為例，選取垂直于礦體走向的覆蓋巖層、巖體和回采進(jìn)路剖面構(gòu)建計算模型(圖1)。該組合放礦方案的PFC2D二維數(shù)值模擬顆粒單元如圖2所示，圖中上部顆粒為廢石顆粒，代表廢石的覆蓋巖層區(qū)域；下部顆粒為礦石顆粒，代表礦體區(qū)域。

圖1 方案計算模型(單位：m)

圖2 PFC2D二維計算顆粒單元

3.3 計算參數(shù)

模型計算中采用20%單一瞬時截止品位的放礦模式，換算成礦石顆粒與廢石顆粒個數(shù)百分比為不大于1∶4時截止放礦。放礦過程：放出一定數(shù)量的純礦石，之后出現(xiàn)廢石產(chǎn)生貧化，貧化率隨著放出總顆粒數(shù)的增大而增大，在大量廢石顆粒混入后，當(dāng)次放出的礦石顆粒品位降至截止品位時停止放礦。

(1)顆粒粒徑。為更好地模擬采礦現(xiàn)場放礦的礦石塊度與廢石塊度大小，確保兩者均勻性一致，生產(chǎn)的二維顆粒半徑應(yīng)為一變化值。結(jié)合該礦實際生產(chǎn)情況，模型計算中顆粒半徑設(shè)定為0.1 m。

(2)顆粒密度。礦石顆粒、廢石顆粒球體容重分別為3.6×104，2.7×104kN/m3，模型計算過程中涉及的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型計算的相關(guān)參數(shù)

3.4 模擬結(jié)果

依據(jù)設(shè)計方案，崩礦步距3.2 m、端壁傾角85°組合方案的回貧差最大，因此，端壁傾角85°為最優(yōu)值；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行端壁傾角85°與崩礦步距為3.4，3.6 m的2種組合方案的模擬分析。經(jīng)PFC模

擬計算，最終選定了端壁傾角85°、崩礦步距3.4 m的組合方案。各組合方案的模擬放礦結(jié)果見表2。

表2 各組合方案的模擬放礦結(jié)果

4 現(xiàn)場試驗

依據(jù)經(jīng)數(shù)值模擬優(yōu)化推薦的方案(崩礦步距3.4 m、端壁傾角85°)進(jìn)行采場放礦試驗。結(jié)果表明：回采率為78.5%，貧化率為21.5%，與模擬試驗給出的放礦回收指標(biāo)有一定的出入，原因是：①二維模型無法完全反映三維礦體空間的實際情況，對于端部廢石的混入未能充分考慮，從而提高了采場回采率；②現(xiàn)場生產(chǎn)放礦試驗時，礦體中存在一定厚度的夾石，對于貧化率的增加有較大影響。

5 結(jié) 語

采用無底柱分段崩落法在露巖下放礦，損失率和貧化率較高，為此，以某鐵礦山為例，運(yùn)用PFC軟件進(jìn)行多組合放礦方案優(yōu)選，綜合考慮礦山管理與施工的實際情況，最終選定端壁傾角85°、崩礦步距3.4 m的放礦組合方案，并針對試驗結(jié)果與模擬試驗結(jié)果存在一定出入的原因進(jìn)行了分析，為類似礦山提供參考。

[1] 余正方.大紅山鐵礦二期大參數(shù)放礦試驗[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(2)：14-16.

[2] 史俊美，鄭建明，趙繼平.五道羊岔鐵礦低貧損開采優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(2)：137-138.

[3] 汪 亮，喬登攀.底部放礦的放出漏斗與放出體方程[J].云南冶金，2006(6)：3-7.

[4] 陶干強(qiáng)，楊仕教，任鳳玉.隨機(jī)介質(zhì)放礦理論散體流動參數(shù)試驗[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009(2)：3464-3470.

[5] 楊才亮，馬建軍.崩落法放礦計算機(jī)隨機(jī)模擬的研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2014(6)：57-59.

[6] 朱煥春.PFC及其在礦山崩落開采研究中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006(9)：1927-1931.

[7] 王培濤，楊天鴻，柳小波.無底柱分段崩落法放礦規(guī)律的PFC2D模擬仿真[J].金屬礦山，2010(8)：123-127.

魏建海(1967—)，男，高級工程師，650000 云南省昆明市白塔路208號。