鏟入深度對無底柱分段崩落法放礦效果的影響

路增祥，常貫峰，宮國慧

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源綠色開采工程研究中心，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司弓長嶺井下礦，遼寧 遼陽 111007)

無底柱分段崩落法以其安全、高效、機(jī)械化程度高、開采成本低等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)金屬礦山得到了快速推廣和應(yīng)用，特別是在地下鐵礦山的應(yīng)用更為廣泛，目前應(yīng)用此方法采出的鐵礦石總量已占地下鐵礦石總采出量的80%左右[1-2]。但由于該法是在覆巖下落礦和放礦的，礦石損失和貧化問題突出。為改善無底柱分段崩落放礦效果，降低損失貧化，陶干強(qiáng)等[3]以隨機(jī)介質(zhì)放礦理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了崩礦步距的理論計(jì)算公式，并給出了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與采出率和貧化率之間的計(jì)算公式；吳愛祥等[4]以大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)理論為基礎(chǔ)，利用多分段立體放礦模型，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室放礦試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)放礦數(shù)值模擬，確定了合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；邵安林[5]從覆蓋巖層移動規(guī)律角度研究了廢石移動對損失貧化的影響；任鳳玉等[6]、何榮興等[7]、劉娜等[8]分別從結(jié)構(gòu)參數(shù)、放礦控制點(diǎn)以及回采過程中礦石損失貧化的發(fā)生過程與細(xì)部控制方法等方面，分析了對無底柱分段崩落法損失貧化的影響；張國建等[9-10]研究了無底柱分段崩落法放出體、松動體、崩落體三者關(guān)系，以及覆蓋巖層自然分級現(xiàn)象對損失貧化的影響；喬登攀等[11]研究了端部放礦放出口散體流動速度分布，揭示了端部放礦條件下放出口沿進(jìn)路方向的散體有效流動范圍，指出增大鏟運(yùn)機(jī)的鏟入深度有利于內(nèi)部礦巖的平穩(wěn)流出。

上述研究成果對無底柱分段崩落法的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用，但在放礦過程中鏟運(yùn)機(jī)鏟入深度對損失貧化影響方面的研究卻較少。因此，本文以大結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)研究鏟入深度對端部放礦中放出礦石量、巖石量、礦石回收率及巖石混入率等指標(biāo)的影響，對確定合理的鏟入深度、優(yōu)化鏟運(yùn)機(jī)選型、改善出礦效果有一定的實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)采用自制模型箱裝填物料模擬采場結(jié)構(gòu)(圖1)，采用幾何比為1∶50。模型尺寸為400 mm×400 mm×1 000 mm(長×寬×高)，模型箱中礦石裝填高度為400 mm，模擬分段高度20 m；上部覆蓋巖層裝填高度為400 mm，模擬覆蓋巖高度20 m。分別以52 mm、72 mm和92 mm的礦層厚度模擬2.6 m、3.6 m和4.6 m的崩礦步距，對3種不同崩礦步距，均按7種不同的鏟入深度進(jìn)行放礦實(shí)驗(yàn)。

圖1 模型原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

模型結(jié)構(gòu)與巷道均采用10 mm透明有機(jī)玻璃板與角鋼制作。礦石采用磁鐵礦(黑色)，廢石采用石英巖(白色)，經(jīng)破碎、篩分成所需粒徑組后備用。礦石與廢石顆粒組成見表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)用出礦鏟設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用出礦小鏟以4 m3(鏟斗寬2.5 m)鏟運(yùn)機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出礦礦鏟寬度，其設(shè)計(jì)原理圖見圖2。

圖2中，礦鏟的定位值L由式(1)確定。

L=Lh-x(1)

式中：Lh為模型巷道長度，Lh=210 mm；x為鏟入深度值。

1.4 鏟入深度確定

Janelid和Kvapil[12]根據(jù)Rankine土壓力理論，提出了鏟運(yùn)機(jī)的最優(yōu)鏟入深度的計(jì)算式，見式(2)。根據(jù)出礦巷道高度H，測定出礦巖散體的自然安息角φ，即可根據(jù)式(2)計(jì)算出鏟運(yùn)機(jī)時的最佳鏟入深度。

(2)

式中：x為鏟入深度，m；H為巷道高度，m；φ為自然安息角，°。

已知實(shí)驗(yàn)巷道高84 mm，經(jīng)測定，實(shí)驗(yàn)所用礦石材料自然安息角為38°，由式(2)計(jì)算得到最佳鏟入深度值為66.46 mm。為研究不同鏟入深度對放礦效果的影響，實(shí)驗(yàn)采用的鏟入深度見表2。

表1 礦巖顆粒級配組成

圖2 出礦鏟設(shè)計(jì)原理圖

序號計(jì)算值x/mm模擬值/m礦鏟定位值L/mm146.462.32149256.462.82159366.463.32169476.463.82179586.464.321896106.465.322097126.466.32229

1.5 模型裝填與出礦

裝填模型前，先標(biāo)記崩礦步距大小，然后將隔板豎直放在標(biāo)記處，使模型箱兩側(cè)面標(biāo)記點(diǎn)連線與隔板平行，用以將崩礦步距礦石與正面廢石隔開。裝填時，保持隔板兩側(cè)礦石與廢石同時升高，以確保步距大小不發(fā)生變化。達(dá)到設(shè)計(jì)分段高度時，把礦石頂部與廢石頂部整理平整，然后豎直向上抽出隔板。為了不擾動裝填步距內(nèi)礦石層上表面，裝填頂部廢石之前，先在礦石層表面覆蓋一層廢石，然后繼續(xù)裝填廢石到設(shè)計(jì)高度。

每組實(shí)驗(yàn)出礦前，先調(diào)節(jié)好所需要的礦鏟定位值，出礦過程保持全斷面均勻出礦，鏟取時模擬鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)動方式鏟礦，每次出礦結(jié)束后，將廢石與礦石分離、稱重、記錄，當(dāng)混巖率達(dá)到70%時停止出礦。

2 放礦過程的廢石混入特征

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

從出礦口所在面觀察，按廢石漏斗的演變過程和廢石混入情況，將放礦過程分成廢石漏斗擴(kuò)展、廢石混入和放礦截止三個階段，廢石漏斗的演變過程如圖3所示。

2.1.1 廢石漏斗擴(kuò)展階段

此階段內(nèi)，純礦石逐漸被放出，廢石未混入出礦過程。圖4為鏟入深度為2.32 m時不同崩礦步距放礦口出現(xiàn)廢石時，廢石漏斗發(fā)育情況。

圖3 頂部廢石漏斗演變過程圖

圖4 2.32 m鏟入深度下廢石漏斗擴(kuò)展情況圖

從圖4可以看出，頂部廢石漏斗的發(fā)育情況受崩礦步距影響較大。隨著崩礦步距的增大，頂部廢石漏斗凹陷深度逐漸增大；當(dāng)放礦口出現(xiàn)廢石時，頂部廢石漏斗尚未破裂。各崩礦步距在其他鏟入深度條件下，放礦口出現(xiàn)廢石時，頂部廢石漏斗也均未破裂。

2.1.2 廢石混入階段

隨著放礦的持續(xù)進(jìn)行，放礦口開始出現(xiàn)廢石，從放礦口出現(xiàn)廢石到頂部廢石漏斗破裂這一過程為第二階段。在該階段放礦過程中，廢石混入礦石中被放出，且隨著出礦次數(shù)的增加，混入的廢石量也在增加。

2.1.3 放礦截止階段

廢石漏斗破裂后繼續(xù)出礦，廢石漏斗的邊際線會逐漸下移并發(fā)生破裂，混巖率曲線突然變“陡”，并很快到達(dá)出礦截止的混巖率，此過程為第三階段。漏斗破裂開始后的一段時間內(nèi)，頂部廢石漏斗邊際線呈細(xì)長型，如圖3(b)所示。整個過程可以觀察到廢石漏斗邊際線由水平逐漸向下凹陷成“漏斗”狀，繼續(xù)出礦，漏斗最低點(diǎn)逐漸向下移動，邊際線發(fā)育成細(xì)長型。最終從眉線中點(diǎn)處破裂，并向眉線與巷道兩幫壁交點(diǎn)處移動。

2.2 廢石混入特征

放礦過程中，在廢石漏斗擴(kuò)展的初期階段，放出的為純礦石。隨著放礦漏斗的繼續(xù)擴(kuò)展，廢石開始混入。此時，由于頂部廢石漏斗尚未破裂，可以判斷，混入的廢石均為來自正面的廢石侵入。當(dāng)廢石漏斗破裂后，頂部的廢石開始大量侵入，加劇了放出礦石的貧化。

根據(jù)放礦過程中觀察到的現(xiàn)象分析，從出礦口沿端壁向內(nèi)部延伸，礦巖顆粒流動速度可分為“慢”、“快”、“慢”三個區(qū)，這說明崩礦步距與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不匹配時，崩落礦堆中流動較快的滑移面延伸到了正面廢石中，造成崩落礦石與正面廢石交界面某個高度范圍內(nèi)的廢石過早地侵入到放礦過程，并且這一過程可能會持續(xù)到放礦截止。

因此，造成無底柱分段崩落法放礦貧化的廢石來源有兩個方面：一是端壁正面的廢石侵入；二是頂部廢石漏斗破裂后覆蓋巖的侵入。放礦過程中，前一種情況發(fā)生在頂部廢石漏斗破裂之前，且持續(xù)時間長；而后一種情況發(fā)生在廢石漏斗破裂之后，雖然持續(xù)時間短，但造成礦石損失貧化的程度大。

3 鏟入深度對放礦的影響

3.1 鏟入深度對混巖率的影響

根據(jù)放礦實(shí)驗(yàn)結(jié)果，出礦過程中不同崩礦步距、不同鏟入深度條件下，巖石混入率隨出礦量變化的走勢見圖5。圖5中箭頭所指位置為頂部廢石漏斗破裂的時間點(diǎn)。

圖5 不同鏟入深度下混巖率隨出礦量變化走勢圖

從圖5可以看出：①同一崩礦步距條件下，鏟入深度越小，廢石漏斗破裂的時間越晚，鏟入深度越大，則越早；②同一崩礦步距條件下，廢石漏斗破裂前的廢石混入時間隨鏟入深度的增加而提前，而且，混巖率的增長速率隨鏟入深度的增大而增大。

3.2 鏟入深度對礦石總回收率和總混巖率的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算不同鏟入深度下的礦石總回收率和總混巖率，得到不同崩礦步距、不同鏟入深度下礦石總回收率與總混巖率曲線圖(圖6)。

從圖6可以看出，在放礦達(dá)到截止品位以前，隨著鏟入深度增加，礦石回收率和混巖率總體上呈現(xiàn)出增大趨勢，并表現(xiàn)出以下特征。①不同崩礦步距下，礦石回收率和混巖率的增長速率隨鏟入深度的變化而變化，且礦石回收率增加時，混巖率也在增加；而礦石回收率降低時，混巖率也同時降低。②三種崩礦步距的礦石回收率和混巖率變化曲線，均在某一鏟入深度下，出現(xiàn)了突然降低的曲線拐點(diǎn)，分別是2.6 m崩礦步距時，發(fā)生在4.32 m的鏟入深度；3.6 m崩礦步距時，發(fā)生在3.82 m的鏟入深度；而4.6 m崩礦步距時，礦石回收率的突降拐點(diǎn)發(fā)生在2.82 m的鏟入深度，混巖率的突降拐點(diǎn)則發(fā)生在5.32 m的鏟入深度。這一現(xiàn)象說明鏟入深度與崩礦步距相關(guān)。③鏟入深度較小時，礦石回收率不穩(wěn)定，鏟入深度過大又帶來較高的混巖率。崩礦步距較小時，礦石回收率不高，適當(dāng)增大崩礦步距可以提高礦石回收率。

圖6 不同鏟入深度下礦石總回收率與總混巖率曲線圖

從整個放礦過程看，鏟入深度較小時，出礦過程中觀察到的放礦口礦堆表面只有很薄的一層礦巖流動，且流動具有間斷性，放礦口眉線處頻繁出現(xiàn)結(jié)拱；內(nèi)部礦巖不能及時補(bǔ)充被鏟出礦巖的空缺部分，只有振動或把卡堵的大塊清理后，放礦口內(nèi)部的礦石才會流出，且是突然涌出，流出的礦巖中多伴有大塊礦巖，放礦過程中混巖率增加比較緩慢。隨鏟入深度加大，礦鏟對內(nèi)部礦巖擾動較大，放礦口內(nèi)部礦巖均勻地向外流出，放礦過程中混巖率增加速率會變大。

4 結(jié) 論

1) 不同鏟入深度條件下，放礦口出現(xiàn)廢石時，頂部廢石漏斗底部邊際線均未到達(dá)放礦口，說明正面廢石相對于頂部廢石會較早的侵入放礦過程。

2) 鏟入深度較小時，每次鏟出的礦量較少，混巖率增加速率變化比較平緩，且放礦口頻繁形成結(jié)拱；隨著鏟入深度的增加，每次出礦量增多，混巖率增加速率逐漸增大，放礦口不易形成結(jié)拱。

3) 放礦口礦巖結(jié)拱破壞時，內(nèi)部礦巖會突然涌出，造成放礦口內(nèi)部礦巖不均勻流動，此刻流出礦巖多伴有大塊，這可能是正面廢石較早混入出礦過程的一個影響因素。

4) 鏟入深度較小時，礦石回收率較低，混巖率也低；鏟入深度增大，礦石回收率增加，混巖率也同時增加。當(dāng)放礦過程中鏟入深度一定，在總出礦量相同條件下，崩礦步距越大，巖石混入率越低。

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