某礦無(wú)底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

何文俊

(金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司，甘肅酒泉 736101)

采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅直接影響到開(kāi)拓、采準(zhǔn)以及回采的工程量，而且還影響到投資、成本和礦山企業(yè)的效益等［1］。合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是獲得較好的開(kāi)采效果的前提和基礎(chǔ)。尤其針對(duì)采用崩落法的礦山，其損失貧化的管理意義更加重要［2，3］。

某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(kāi)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20 m，進(jìn)路間距20 m。為保證一、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400 m以下兩個(gè)水平將分段高度提高到30 m。因此，為滿足礦山生產(chǎn)能力的需要，有必要對(duì)礦山現(xiàn)有采礦方法的崩礦步距、進(jìn)路間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

目前，針對(duì)進(jìn)路間距等相關(guān)參數(shù)的研究，主要集中在模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)典型采場(chǎng)試驗(yàn)、軟件模擬等手段［4］，考慮到現(xiàn)場(chǎng)典型采場(chǎng)試驗(yàn)的耗時(shí)耗力等缺點(diǎn)，本文將模型試驗(yàn)與軟件模擬相結(jié)合的方法，首先用相似模擬試驗(yàn)進(jìn)行崩礦步距的確定，在確定好崩落步距之后，再在已有的崩礦步距情況下，進(jìn)行分段高度及進(jìn)路間距參數(shù)的優(yōu)化。

1 崩礦步距優(yōu)化

崩礦步距的確定主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)手段模擬采礦現(xiàn)場(chǎng)放礦，在滿足幾何相似與力學(xué)相似的前提下，建立相似模型，從而使得模型放礦過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)放礦過(guò)程達(dá)到相似物理模型的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

根據(jù)礦山現(xiàn)有的采礦方法，采用高分段(分段高度為30 m)端部放礦，本次采用立體模型試驗(yàn)。通過(guò)立體試驗(yàn)對(duì)不同放礦步距下的回采率及貧化率等指標(biāo)進(jìn)行分析，得到高分段下最優(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0.2 m，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1所示。

圖1 模型正面圖

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20 m。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5.04 cm、6.16 cm、6.72 cm、7.56 cm，進(jìn)路寬度擬取4.2 cm×4 cm和4.9 cm×4 cm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1。

表1 立體試驗(yàn)結(jié)果匯總表

綜合分析各立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕厥章省⒇毣屎蛷U石混入率指標(biāo)，當(dāng)進(jìn)路間距為20 m時(shí)，在所有的立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，放礦步距為6.72 cm，進(jìn)路尺寸寬4.2 cm高4 cm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%。本次試驗(yàn)合理放礦步距應(yīng)在6.72～7.56 cm。

依據(jù)其他礦山經(jīng)驗(yàn)，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，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4.8～5.4 m。

2 進(jìn)路間距的優(yōu)化

進(jìn)路間距的確定主要通過(guò)PFC3D軟件進(jìn)行相關(guān)模擬確定。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)［5，6］。

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20 m、25 m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30 cm×20 cm與30 cm×25 cm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，BALL功能生成大小不等的球來(lái)模擬礦石與廢石，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。如圖2所示。

圖2 PFC3D放礦模型結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

從圖2可以看出，放礦顆粒受周?chē)鷫w的約束，隨著放礦的進(jìn)行，通過(guò)按照一定規(guī)律解除墻體對(duì)顆粒的約束，從而達(dá)到放礦模擬的目的。

為與實(shí)驗(yàn)室物理模型的相同，數(shù)值模型所設(shè)定放礦順序與其一致，即高度上從上到下，各分段內(nèi)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，如圖3為分段放礦模擬的過(guò)程圖，從圖3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3 PFC3D放礦過(guò)程(第五分段)

根據(jù)放礦口放出的礦石及廢石的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回采率與貧化率的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 軟件模擬試驗(yàn)結(jié)果

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，30 cm×25 cm參數(shù)組合模型的回貧差要高于30 cm×20 cm參數(shù)組合模型，從模擬結(jié)果可以得知，高變分段參數(shù)組合30 m條件下，進(jìn)路為25 m時(shí)可以取得較優(yōu)的指標(biāo)。

3 小結(jié)

1.以某鐵礦放礦生產(chǎn)實(shí)踐為背景，將實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)與PFC3D軟件數(shù)值模擬相結(jié)合，得到了放礦步距及進(jìn)路尺寸參數(shù)組合、進(jìn)路間距值等參數(shù)，對(duì)礦山放礦工作具有重要意義。

2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)室相似模擬立體放礦試驗(yàn)得到了該鐵礦高變分段下合理放礦步距指標(biāo)為6.72～7.56 m，合理的崩礦步距為4.8～5.4 m。

3.通過(guò)PFC3D建立數(shù)值放礦模型，實(shí)現(xiàn)了放礦全過(guò)程的動(dòng)態(tài)再現(xiàn)，得到了無(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25 m。

［1］ 解世俊.金屬礦床地下開(kāi)采［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006.

［2］ 劉興國(guó)，周驥.放礦理論基礎(chǔ)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995.

［3］ 王昌漢.放礦學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1982.

［4］ 劉振東.無(wú)底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［D］.衡陽(yáng):南華大學(xué)，2011.

［5］ 錢(qián)志軍，徐長(zhǎng)佑.自然崩落法礦體崩落過(guò)程的數(shù)值模擬［J］.化工礦山技術(shù)，1993，22(1):21 －24.

［6］ 王連慶，高謙，王建國(guó)，等.自然崩落采礦法的顆粒流數(shù)值模擬［J］. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(6):557 －561.