進(jìn)路寬度對無底柱分段崩落法放礦效果的影響

馬 馳，路增祥,2，宋 超，于志宏，曹 朋，吳曉旭

(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)

無底柱分段崩落法具有安全性高、成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)，在金屬礦山中應(yīng)用廣泛，但該方法為覆蓋巖下放礦，因此礦石損失與貧化較為嚴(yán)重[1]，為解決這一問題，學(xué)者針對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)做了大量的研究工作。進(jìn)路寬度是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，目前我國礦山常用的進(jìn)路寬度在4 m左右，遠(yuǎn)小于國外高水平礦山[2-3]。實(shí)踐證明，進(jìn)路寬度的增加不僅能滿足大型機(jī)械設(shè)備的工作要求，也可以使放礦效果發(fā)生變化。為了解進(jìn)路寬度對放礦效果的影響，黃滾等[4]通過分析進(jìn)路礦柱的穩(wěn)定性，提出了進(jìn)路極限公式，同時(shí)結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化進(jìn)路寬度，認(rèn)為增加進(jìn)路寬度會降低礦柱穩(wěn)定性安全系數(shù)，進(jìn)而提高礦石收益值；喬登攀等[5]分析了進(jìn)路口礦石散體流動速度分布和散體移動概率密度，揭示了散體有效流動范圍以及進(jìn)路寬度對礦石流動性的影響，認(rèn)為采用增大進(jìn)路寬度、全斷面均勻出礦等方法可使礦巖層平穩(wěn)下降，減小了礦石與廢石的接觸面積，提高了放礦效果；陳小偉等[6]認(rèn)為崩落采礦法中放出體形態(tài)與進(jìn)路寬度呈指數(shù)關(guān)系；于志宏等[7]認(rèn)為降低進(jìn)路高度或增大進(jìn)路寬度可以提高礦石回收率、降低貧化率。

上述研究從多個角度對進(jìn)路寬度進(jìn)行了分析，促進(jìn)了無底柱分段崩落法的發(fā)展。為進(jìn)一步系統(tǒng)地探究進(jìn)路寬度對放礦效果的影響，本文以單進(jìn)路放礦實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究無底柱分段崩落法放礦過程中，進(jìn)路寬度對放礦現(xiàn)象、放礦量、貧化率和回收率的影響，探究其變化原因，對優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、改善放礦效果有一定的實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎袡C(jī)玻璃板制作，按幾何比1∶50模擬進(jìn)路間距20 m、分段高度20 m、崩礦步距3 m、進(jìn)路高4 m，覆蓋巖40 m。 進(jìn)路寬度X取值為80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm對應(yīng)實(shí)際寬度4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。實(shí)驗(yàn)材料選用磁鐵礦和石英巖分別模擬礦石、廢石，其粒度組成見表1。

1.2 模型裝填及放礦要求

首先，根據(jù)進(jìn)路寬度X值調(diào)整實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡撞拷Y(jié)構(gòu)；其次，按照指定結(jié)構(gòu)參數(shù)同步裝填礦石與廢石；最后，開始放礦工作，在進(jìn)路口左右交替均勻出礦，每6鏟稱重一次，同時(shí)記錄礦石、廢石質(zhì)量。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)3次廢石量大于70%，停止出礦。

2 進(jìn)路寬度對廢石漏斗、礦巖流動性的影響特征

進(jìn)路寬度分別為4 m、5 m、6 m情況下，初見廢石和截止放礦時(shí)的放礦漏斗正面照片如圖2所示。

廢石侵入前，進(jìn)路寬度越大，廢石漏斗邊際線的頂點(diǎn)下降距離越大，如圖2(a)所示。終止放礦時(shí)，最終邊際線以進(jìn)路口眉線兩側(cè)端點(diǎn)為頂點(diǎn)，隨著進(jìn)路寬度增加，頂點(diǎn)和邊際線向兩側(cè)擴(kuò)展，如圖2(b)所示。從廢石漏斗的變化特征可以看出，增加進(jìn)路寬度，礦巖的擾動范圍隨之增加，更多礦石被放出。

圖1 放礦實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Experimental model of ore drawing

表1 礦巖顆粒級配組成(質(zhì)量比)Table 1 Granularity composition of ore and rock (mass ratio)

圖2 不同進(jìn)路寬度下廢石漏斗演變特征Fig.2 Evolution features of waste rock funnel atdifferent drift width

礦巖流動性方面，出礦過程中進(jìn)路寬度越大，礦巖整體流動性越好。流動性與進(jìn)路口處礦巖拱的穩(wěn)定性有關(guān)。進(jìn)路寬度較小時(shí)，進(jìn)路口眉線處頻繁結(jié)拱，礦巖流動性較差；進(jìn)路寬度較大時(shí)，在進(jìn)路口眉線處礦巖流動性較好。這是因?yàn)榈V巖拱以進(jìn)路側(cè)壁、模型端壁和下部礦巖為支點(diǎn)。進(jìn)路寬度越小，拱的支點(diǎn)間距離越近，礦巖拱比較穩(wěn)定，不容易被破壞；進(jìn)路寬度越大，拱的支點(diǎn)間距離越遠(yuǎn)，礦巖拱受到擾動后越容易被破壞。

3 進(jìn)路寬度對放礦指標(biāo)的影響特征

3.1 進(jìn)路寬度對放出礦石量、廢石量的影響特征

由圖3可知，進(jìn)路寬度的增加，提高了放出礦石量與廢石量，礦石增加量明顯大于廢石增加量。進(jìn)路寬度每增加0.5 m，礦石放出量約增加350 g，廢石放出量約增加180 g。

圖3 不同進(jìn)路寬度下的放出礦石量及廢石量Fig.3 Drawing-out amount of pure ores andwaste rock at different drift width

3.2 進(jìn)路寬度對貧化率、回收率的影響特征

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，放礦過程中，不同進(jìn)路寬度情況下貧化率隨放出礦量的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)放礦量一定時(shí)，隨著進(jìn)路寬度增加，貧化率及其增長速度越來越小，最終貧化率呈小幅度增加趨勢，并呈現(xiàn)出以下特征：①放礦前期，進(jìn)路寬度越大，產(chǎn)生貧化的時(shí)間越晚；②放礦中期，由于正面廢石的侵入，貧化率緩慢增長，在此階段中，進(jìn)路寬度越大，貧化率增長速度越??；③當(dāng)出礦量達(dá)到5 000 g左右時(shí)，頂部廢石開始侵入，在頂部與正面廢石的雙重侵入下，貧化率急劇增加。

圖4 貧化率變化曲線Fig.4 Curve of dilution rate

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，截止放礦停止，回收率隨進(jìn)路寬度變化特征如圖5所示。由圖5可知，隨著進(jìn)路寬度增加，回收率呈增長趨勢，與最終貧化率相比，回收率增加幅度較大。進(jìn)路寬度每增加0.5 m，回收率約提高1.3個百分點(diǎn)。

圖5 回收率變化曲線Fig.5 Curve of recovery rate

4 進(jìn)路寬度影響放礦效果的原因

從放礦漏斗和放礦量的變化特征中可以看出，進(jìn)路寬度的增加導(dǎo)致了更多礦石下落。礦石下落與否與礦巖內(nèi)滑動微面位置有關(guān)，進(jìn)而影響放出的礦巖量。此外，在出礦過程中，進(jìn)路寬度的增加導(dǎo)致礦鏟對進(jìn)路內(nèi)礦石的擾動特征規(guī)律性變化，進(jìn)而影響廢石的侵入速度。

4.1 進(jìn)路寬度對滑動微面的影響

進(jìn)路寬度變化改變了礦巖的被擾動范圍，進(jìn)而改變了礦巖的運(yùn)動狀態(tài)。根據(jù)松散介質(zhì)應(yīng)力極限理論，顆粒是否運(yùn)動與其剪切力和散體介質(zhì)內(nèi)抗剪強(qiáng)度有關(guān)。同一散體介質(zhì)內(nèi)，顆粒所處位置不同，其剪切力也不同。在松散介質(zhì)流動過程中，存在滑動微面使位于該微面的顆粒滿足式(1)[8]。

τn=σntanφ+c

(1)

式中：τn為剪切力，N；σn為法向應(yīng)力，N；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；c為黏聚力，N。

位于該滑動微面上的顆粒處于極限平衡狀態(tài)；滑動微面以內(nèi)，顆粒的剪切力大于抗剪強(qiáng)度，引起顆粒運(yùn)動；滑動微面以外，顆粒剪切力小于抗剪強(qiáng)度，不會引起顆粒運(yùn)動。在無底柱分段崩落法放礦過程中，位于滑動微面以內(nèi)的礦巖向放礦口移動，位于滑動微面以外的礦巖不移動。從模型的正面角度看，滑動微面的兩側(cè)邊界線(以虛直線示意)以進(jìn)路口眉線兩端點(diǎn)為頂點(diǎn)，斜率受內(nèi)摩擦角、邊孔角以及模型結(jié)構(gòu)等影響(圖6)。

由圖6可知，放礦過程中，隨著進(jìn)路寬度增加，該滑動微面邊界線向兩側(cè)平移，滑動微面以內(nèi)的礦巖量隨之增加，由于滑動微面內(nèi)礦石量占比最大，因而大幅提高了礦巖放出量。此外，除了滑動微面位置變化外，進(jìn)路寬度也導(dǎo)致分段內(nèi)礦巖總量發(fā)生了變化。隨著進(jìn)路寬度增加，邊孔角側(cè)壁下降、后移，進(jìn)路邊壁向兩側(cè)移動，分段內(nèi)的礦巖總量隨之增加，其中一部分礦巖在滑動微面以內(nèi)，增加了放出的礦石量。

4.2 進(jìn)路寬度與礦鏟擾動特征的關(guān)系

放礦效果隨進(jìn)路寬度規(guī)律性變化還與礦鏟對進(jìn)路內(nèi)礦巖擾動特征有關(guān)，如圖7所示。

(注：1-滑動微面邊界線(示意)；2-滑動微面變化后增加的礦巖移動范圍(示意)；3-邊孔角、進(jìn)路側(cè)壁；4-結(jié)構(gòu)變化后增加的礦巖總量。)圖6 滑動微面及礦巖總量變化示意圖Fig.6 Diagram of the change of sliding surface andamount of ore and roc

圖7 礦鏟擾動區(qū)域示意圖Fig.7 Diagram of area disturbed by bucket

礦鏟對礦巖的擾動特征影響著礦石的下降速度。左右交替出礦時(shí)，進(jìn)路中間可能存在重復(fù)出礦的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)礦巖被擾動次數(shù)是其他區(qū)域的2倍，由于重復(fù)擾動區(qū)位于進(jìn)路中間，所以對正面、頂部廢石下降速度的影響較大。當(dāng)進(jìn)路寬度較小時(shí)，重復(fù)擾動區(qū)域較大，提高了正面、頂部礦巖的下降速度，縮短了正面、頂部廢石到達(dá)進(jìn)路口的時(shí)間，出現(xiàn)貧化的時(shí)間較早，貧化率增長速度較快；進(jìn)路寬度較大時(shí)，中間重復(fù)擾動的區(qū)域較小或沒有重復(fù)擾動的區(qū)域，頂部和正面廢石侵入速度較小，貧化率的增長速度隨之降低。

5 結(jié) 論

1) 進(jìn)路寬度影響放礦漏斗變化、礦巖的流動性。進(jìn)路寬度較小時(shí)，出礦時(shí)進(jìn)路口出頻繁結(jié)拱，礦巖流動性較差，最終漏斗邊界線間距離較?。贿M(jìn)路寬度越大，出礦時(shí)礦巖拱越不穩(wěn)定，礦巖流動性越好，最終漏斗邊界線間距離越大。

2) 放礦指標(biāo)隨進(jìn)路寬度變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化。增大進(jìn)路寬度，可提高放出礦巖量，其中，礦石放出量明顯高于廢石放出量。隨著進(jìn)路寬度增加，貧化率及其增長速度降低，最終貧化率小幅度增加；進(jìn)路寬度每增加0.5 m，回收率提高約1.3個百分點(diǎn)。

3) 滑動微面、鏟斗對進(jìn)路內(nèi)礦巖擾動特征的變化是進(jìn)路寬度影響放礦效果的主要原因。增加進(jìn)路寬度，一方面會導(dǎo)致滑動微面位置發(fā)生變化，增加了滑動微面內(nèi)的礦巖總量，進(jìn)而提高了礦石放出量；另一方面減小了進(jìn)路內(nèi)鏟斗重復(fù)擾動的礦巖范圍，降低了廢石的侵入速度。