無底柱分段崩落法放礦方式的PFC3D的數(shù)值模擬

簡永軍

（中國鋁業(yè)股份有限公司貴州分公司礦業(yè)公司，貴州 貴陽 551413）

無底柱分段崩落法自20世紀(jì)60年代引入我國地下金屬礦山以來，憑借其效率高，機(jī)械化程度高，安全性好等特點(diǎn)，在我國金屬礦山和化工礦山開采中廣泛應(yīng)用。盡管該方法有很多比較突出的優(yōu)點(diǎn)，也會(huì)存在很多嚴(yán)重的問題，礦石的損失和廢石的混入就是現(xiàn)在困擾礦業(yè)界的兩個(gè)較嚴(yán)重的問題[1]。損失率和貧化率的控制究其原因還是放礦方式和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇是否適合。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國無底柱分段崩落法礦山的礦石損失率一般為20%～30%，貧化率在20%～35%之間，與外國水平先比之下一般要高出5%～10%。因此，專家提出很多設(shè)想和方案，如放礦控制的改善、提高施工質(zhì)量、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及放礦方式的選擇等等，有效的改善礦石的損失貧化問題。

PFC（Particle Flow Code）的基本原理來源于分子動(dòng)力學(xué)，基本構(gòu)成為圓盤（二維）和圓球顆粒（三維），從微觀角度解釋了顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性和行為。通過軟件內(nèi)置的fish語言，PFC能解決動(dòng)態(tài)問題也能解決靜態(tài)問題；既能參數(shù)預(yù)測，也能通過礦山實(shí)際情況和原始資料來進(jìn)行實(shí)際模擬，基本上能代替實(shí)驗(yàn)室物理放礦實(shí)驗(yàn)。也可以通過fish語言來控制放礦方式（廢石放出數(shù)量和礦石放出數(shù)量關(guān)系），建立數(shù)值模型，從而模擬三種放礦方式的放礦效果，優(yōu)選出適宜我國金屬礦山的放礦方法及方式。

1 三種放礦方式的基本概念

截止品位放礦：在放礦過程中，當(dāng)放出礦石品位達(dá)到預(yù)期品位時(shí)停止放礦，若繼續(xù)放出則出現(xiàn)虧損時(shí)的出礦貧化，以此品位作為放礦截止品位來控制放礦，以達(dá)到步距采礦盈利額最大。

低貧化放礦方式：在放礦過程中，當(dāng)放出廢石時(shí)就停止放礦，基本上每個(gè)步距放出礦石都為純礦石，分段內(nèi)殘留的礦石留到下一步距或下一分段放出，這種放礦方式比截止品位放礦具有更大的發(fā)展前景。所謂的低貧化放礦只是無貧化放礦理論針對礦山不同情況而建立的一種具體應(yīng)用形式2（關(guān)于無貧化放礦在礦山應(yīng)用的若干問題），在理論上的依據(jù)完全來自于無貧化放礦理論，因此，從嚴(yán)格意義上來講，低貧化放礦并不能成為一種獨(dú)立的放礦方式。但是現(xiàn)在許多專家學(xué)者已經(jīng)將低貧化放礦和無貧化等同起來，究其原因?yàn)閮烧咴诜诺V過程和管理方式上的一致性。

無貧化放礦方式：無貧化放礦并不等于廢石的零混入，其基本的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是只要?dú)埩舻V石具有再次回收機(jī)會(huì)的，能在下一分段或者下一步距中回收的，就沒有必要花費(fèi)很大的代價(jià)（貧化）提前回收。張志貴教授在《無底柱分段崩落法無貧化放礦》一書中提出：如果無貧化放礦在目前地下金屬礦山中沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用的話，一是因?yàn)榈V山地質(zhì)條件和礦石賦存條件的限制，二是因?yàn)榈V山及設(shè)計(jì)研究院對無貧化放礦的認(rèn)識(shí)不足。

2 PFC3D顆粒流軟件簡介

PFC3D（particle flow code 3 dimensions）即三維顆粒流模擬程序。該軟件是基于離散單元法對圓盤（PFC2D）和球形顆粒（PFC3D）介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及顆粒間的相互作用進(jìn)行模擬的軟件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和放礦理論的深入研究，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性得到很大提升甚至質(zhì)的飛越，憑借其省錢、省力、省時(shí)及快速的特點(diǎn)，可在較短時(shí)間內(nèi)對不同實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行模擬，因此受到許多放礦研究者的喜愛。

顆粒流模型不限制球體大小數(shù)量，可用來模擬大位移、大變形、散體間的相互運(yùn)動(dòng)及碰撞問題及巖石裂隙繁育發(fā)展等問題。該模型主要解決的問題可以歸結(jié)為以下幾個(gè)問題：

①巖石、土體及邊坡中松散介質(zhì)的流動(dòng)問題；②地震及建筑倒塌問題；③散體的混合、運(yùn)輸問題；④蠕動(dòng)、屈服、大變形等問題；⑤流-固耦合問題；⑥單軸、三軸抗壓強(qiáng)度問題。

PFC3D數(shù)值模擬過程中作了如下的基本假設(shè)：

①顆粒為圓形盤（二維）或球體（三維）；②顆粒單元為剛性體；③接觸為點(diǎn)接觸；④接觸特性為柔性接觸，顆粒之間的重疊量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于球體的半徑；⑤在接觸處有粘結(jié)強(qiáng)度。

3 模型建立

本次數(shù)值模擬設(shè)計(jì)箱體空間尺寸為36m x 6m x 60m（長x寬x高），進(jìn)路尺寸組合為4m x 4m（寬x高），炮孔排面傾角為60度。在PFC3D顆粒流軟件中通過wall命令和ball命令模擬現(xiàn)場中的墻體和礦石（球體為黃色）廢石（球體為紅色）。

在PFC3D軟件程序中必須使用計(jì)算機(jī)接口語言-fish語言，編寫各個(gè)命令子程序?qū)Ψ诺V命令流進(jìn)行調(diào)用。

4 顆粒參數(shù)選取

顆粒半徑的選?。涸赑FC顆粒流程序中，同一模型同一巷道尺寸，球體大小的均勻或者不均勻?qū)ΦV石的損失貧化影響較小，而在軟件中，顆粒的變化會(huì)使得計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大降低，因此，為了提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，滿足模型計(jì)算的要求的條件下，選取礦石顆粒的半徑（radius）為0.25m，廢石顆粒的半徑為0.5m。顆粒密度的選取：廢石顆粒密度（density）選取2.5x103Kg/m3,礦石顆粒密度選取為3.3x103Kg/m3。

摩擦系數(shù)選?。焊鶕?jù)礦山現(xiàn)場的實(shí)際情況，爆破后礦石和廢石呈松散狀態(tài)，他們之間的粘結(jié)已被破壞，但是仍舊存在較小的摩擦力，因此，顆粒與顆粒間和顆粒與墻體的摩擦系數(shù)選取分別為0.1和0.3，使得數(shù)值模擬更加符合現(xiàn)場放礦。具體參數(shù)如下：

表1 顆粒參數(shù)表

5 結(jié)果分析

分別建立礦石回收率、廢石混入率及采出品位技術(shù)指標(biāo)對比可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)礦巖混入情況可以殘留體分為三種：正面殘留、貼壁殘留和脊部殘留三種，而有些殘留礦石會(huì)無法放出，造成永久損失，從而造成礦產(chǎn)資源的直接浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

（2）截止品位放礦方法的礦石回收率比低貧化放礦方法的礦石回收率要高，但是隨著礦石開采深度的加深，低貧化放礦法的礦石回收率越來越接近，甚至?xí)谀骋粋€(gè)分段超過截止品位法的礦石回收率。究其原因在于：在第一分段即首分段放礦的時(shí)候，放出的礦石皆為純礦石，有些礦石仍然存在第一分段中，從而形成礦石貧化層，在下一分段的礦石回收率就大大增加。

（3）低貧化放礦法的廢石混入率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于截止品位法，并且隨著放礦的進(jìn)行和開采深度的加深，截止品位放礦法的巖石混入率會(huì)越來越高，而低貧化放礦法的巖石混入率會(huì)越來越低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于：截止品位放礦法在第一分段截止放礦的時(shí)候，放出的礦石就有大量的廢石混入里面，留在采場內(nèi)礦石和廢石也混合嚴(yán)重，導(dǎo)致下一分段也會(huì)出現(xiàn)礦巖混合嚴(yán)重問題，以此類推，到最后分段巖石混入率到達(dá)極限混入狀態(tài)。同理，低貧化放礦的廢石混入率會(huì)越來越低?？偠灾拓毣诺V法將會(huì)有效地解決礦山高損失高貧化高混入的嚴(yán)重問題。

（4）綜上所述，雖然采用截止貧化放礦法的回收率會(huì)得到大大的提升，但是放出礦石卻早早就進(jìn)入了貧化，而低貧化放礦法由于有礦石貧化層的保護(hù)，放出礦石基本上都為純礦石，這為礦山后期選礦大大節(jié)約了選礦資金和成本，給礦山帶來豐盈的收入。

6 結(jié)論

（1）采用PFC3D顆粒流軟件建立了礦山實(shí)際放礦模型，實(shí)現(xiàn)了礦山放礦全過程的再現(xiàn)，能有效代替實(shí)驗(yàn)室物理放礦實(shí)驗(yàn)，對研究礦廢石的流動(dòng)規(guī)律具有重要的意義。

（2）就目前國內(nèi)外的大部分金屬礦山來看，礦石損失貧化情況極為嚴(yán)重，也是一直困擾礦業(yè)界的難題之一。降低選礦成本、增加礦石回收率，減少廢石混入率，推行低貧化放礦法勢在必行。