基于橢球體放礦理論的后和睦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

李國(guó)平 董亞寧

（1.姑山礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限公司）

無(wú)底柱分段崩落法是和睦山鐵礦-200 m中段后和睦山礦段主體的采礦方法，也是未來(lái)深部（-200~-300 m）推薦的采礦方案［1-3］。在目前的回采過(guò)程中，由于無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)布置不合理，導(dǎo)致2條進(jìn)路之間的脊部部分礦石在下一分段難以放出。為盡可能回收脊部殘留礦石，礦山在-162.5 m水平原有2條進(jìn)路之間增加1條進(jìn)路。由于增加進(jìn)路后，進(jìn)路之間的間距縮小，礦柱所受壓力增大，為防止進(jìn)路變形影響設(shè)備通行，新增進(jìn)路規(guī)格加大至3.4 m×2.8 m。增加進(jìn)路后，進(jìn)路之間的間距由原來(lái)的12 m變?yōu)? m，相鄰2條進(jìn)路之間脊部礦柱寬度僅為2.7 m。由于進(jìn)路間距過(guò)小，進(jìn)路間脊部礦柱變薄，進(jìn)路所受地壓增大，安全性變差。因此，必須在總結(jié)當(dāng)前進(jìn)路間距使用效果的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析，優(yōu)化無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)路間距，為-200 m中段其他分段和深部-200~-300 m各分段采場(chǎng)布置提供科學(xué)依據(jù)，從根本上解決困擾礦山的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)難題。

本研究以優(yōu)化后的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)［4-5］可以獲得良好的礦石回收效果為目標(biāo)，基于崩落礦石的流動(dòng)規(guī)律，分析多漏斗放礦［6-7］時(shí)的松動(dòng)橢球體形態(tài)，找到導(dǎo)致問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因。在分析后和睦山礦段無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算，確定最佳采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 橢球體放礦理論［8-10］

崩落礦巖散體放出過(guò)程中的整體流動(dòng)研究，主要是放出橢球體理論的研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際放礦經(jīng)驗(yàn)及室內(nèi)石子放出試驗(yàn)，該部分礦石在原有空間中的形狀為橢球體，隨著礦石從底部的放出，不同放礦水平會(huì)形成放礦漏斗，如圖1所示。

1.1 崩落礦巖散體整體流動(dòng)特性［11-12］

1.1.1 放出體

通過(guò)底部放礦結(jié)構(gòu)放出的松散礦石體積量為Q，該部分礦石稱為放出體，放出體在原采場(chǎng)中為橢球體形狀，如圖2所示，且其體積為

式中，Q為放出體體積，m3；a為橢球體長(zhǎng)半軸，m；b為橢球體短半軸，m；ε為橢球體偏心率。

為了應(yīng)用方便，用被截橢球體高度h和放礦漏斗半徑r來(lái)表示a和b，則

1.1.2 松動(dòng)體

由圖3可知，當(dāng)采場(chǎng)放出礦石量Qf后，上部松散的礦石松動(dòng)并填補(bǔ)放出空間，礦石的松散系數(shù)取Ke，第n次礦石放出后剩余空間即

由此得出

式中，nQf為放出散體Qf后的剩余空間。

松動(dòng)橢球體與放出橢球體之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

由式（8）可得二次松散系數(shù)

1.2 多漏斗放礦時(shí)相鄰漏斗的相互關(guān)系研究

后和睦山礦段屬于多個(gè)放礦出口同時(shí)放礦，研究在這種條件下進(jìn)行放礦時(shí)崩落礦巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以有效地解決采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。實(shí)踐證明，多漏斗進(jìn)行放礦時(shí)，相鄰漏斗的松動(dòng)橢球體有不相互影響、相切和相交3種情形。

相鄰松動(dòng)橢球體相交漏斗脊部殘留的礦石量最小，其中多漏斗放礦與崩落礦石層高度h、漏斗軸線間距l(xiāng)d和漏斗口直徑d有關(guān)。增大h和d，減少ld，能夠提高礦石回收率。

1.2.1 相鄰松動(dòng)橢球體不相互影響

如圖4所示，在相鄰松動(dòng)橢球體相互不影響的情況下，可得

式中，ld為放礦漏斗軸線間距，m；Bs為松動(dòng)橢球體短半軸，m；B為放出橢球體短半軸，m；R為放出漏斗最大半徑，m。

1.2.2 相鄰松動(dòng)橢球體相切

如圖5所示，在相鄰松動(dòng)橢球體相切情況下，可得

1.2.3 相鄰松動(dòng)橢球體相交

如圖6所示，在相鄰松動(dòng)橢球體相交情況下，可得

2 后和睦山礦段脊部殘留的原因分析

由表2可得，放出橢球體短半軸b的取值范圍是2.95~3.98 m。由于放出體短半軸與松動(dòng)橢球體短半軸bs的關(guān)系為bs=2b，則bs的范圍是5.90~7.96 m。后和睦山礦段目前使用的進(jìn)路間距l(xiāng)d為12 m，計(jì)算出的松動(dòng)橢球體短半軸bs主要滿足式（10）、（11），即相鄰松動(dòng)橢球體為1.2.1節(jié)和1.2.2節(jié)2種狀態(tài)，只有10-2#進(jìn)路的橢球體形態(tài)滿足式（12）。由此可知，調(diào)整進(jìn)路間距使放礦體相交才能提高后和睦山礦石回收量。

2.1 放礦層高度h確定

放礦層高度是一個(gè)十分重要的計(jì)算參數(shù)，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式確定。放礦層高度的計(jì)算公式為

式中，h為放礦層高度，m；T為分段高度，m；S為脊部高度，m。

后和睦山礦段分段高度為12.5 m，根據(jù)自然安息角確定的脊部高度為7.2 m，帶入公式可得放礦層高度為19.7 m。

2.2 純礦石放出量Q'f確定

純礦石放出量的計(jì)算公式為

式中，Q'f為純礦石放出量，m3；N為出礦斗數(shù)，斗；V為鏟運(yùn)機(jī)容積，取1.5 m3；K為不裝滿系數(shù)，取0.8。

部分進(jìn)路的純礦石放出量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

?

2.3 放出橢球體參數(shù)確定

根據(jù)式（5）可求得偏心率ε的表達(dá)式

式中，r為放礦口（進(jìn)路）寬度的一半，1.6 m。

將所求的ε帶入式（3）和式（4）中可得放出橢球體長(zhǎng)半軸a和短半軸b。放出橢球體長(zhǎng)半軸a和短半軸b的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由此可得各個(gè)進(jìn)路的放出橢球體形態(tài)。

3 基于松動(dòng)橢球體的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 分段高度

?

根據(jù)放礦理論得知，最大純礦石放出體的短軸長(zhǎng)度正好等于回采進(jìn)路間礦柱的寬度，而它的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度加上2/3進(jìn)路高度可以稱之為極限高度，合理的分段高度應(yīng)為極限高度之半。

由表2可得，橢球體長(zhǎng)半軸a的取值范圍是10.28~10.70 m。由于后和睦山礦段進(jìn)路高度為2.8 m，故合理的分段高度取值范圍是12.15~12.57 m。因此，目前后和睦山礦段采用的12.5 m分段高度是合理的。

3.2 回采進(jìn)路間距

由表2可得，放出橢球體短半軸b的取值范圍是2.95~3.98 m，根據(jù)公式，L=2b/1.2+M=8.42~10.13 m（M為進(jìn)路寬度，3.5 m），進(jìn)路間距取8~10 m。

3.3 崩礦步距

根據(jù)最優(yōu)放礦步距的計(jì)算公式計(jì)算，放礦步距以Y=atanδ+0.77b=2.23~3.11 m（δ為軸偏角，取3°）為宜。合理崩礦步距一般比放礦步距小0.5 m，因此，后和睦山礦段崩礦步距以1.7~2.6 m為宜。

綜上所述，最終推薦選用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù):分段高度為12.5 m，進(jìn)路間距為8~10 m，進(jìn)路規(guī)格為3.5 m×3.1 m（寬度×高度），崩礦步距為1.7~2.6 m，端壁角為90°，邊孔角為45°。

4 結(jié)論

（1）計(jì)算得出后和睦山礦段無(wú)底柱分段崩落法松動(dòng)橢球體短半軸bs的范圍是5.90~7.96 m，由此可知，后和睦山進(jìn)路間距過(guò)大，通過(guò)計(jì)算，進(jìn)路間距取8~10 m能后提高礦石的回收率。

（2）最終推薦選用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù):分段高度為12.5 m，進(jìn)路間距為8~10 m，進(jìn)路規(guī)格為3.5 m×3.1 m（寬度×高度），崩礦步距為1.7~2.6 m。