某礦山無(wú)底柱分段崩落法模擬實(shí)驗(yàn)的各分段廢石混入特征

趙峰輝 張曉峰 宋 超 陳瓊羽

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司）

目前我國(guó)金屬礦產(chǎn)資源供需矛盾明顯，尤其是鐵礦石，原材料對(duì)外依存度在65%以上［1］。在社會(huì)快速發(fā)展的背景下，我國(guó)對(duì)鐵礦資源的需求量將逐漸增加，鐵礦資源原材料供需問題將愈加嚴(yán)峻。為解決這一問題，礦山企業(yè)可采取優(yōu)化采礦工藝等措施提高礦石產(chǎn)能，滿足社會(huì)需求。無(wú)底柱分段崩落法能夠?qū)崿F(xiàn)礦石高效、低成本開采，是鐵礦床開采的常用方法之一［2-4］。在針對(duì)采礦工藝的改進(jìn)過程中，礦山工作人員須先了解該方法的礦巖運(yùn)移規(guī)律及廢石的混入特征，才能對(duì)其工藝進(jìn)行優(yōu)化。

無(wú)底柱分段崩落法為覆蓋巖下出礦，這既是該法開采的特點(diǎn)，也是造成礦石損失貧化的原因。為提高礦石產(chǎn)量、降低損失貧化，丁航行等［5］根據(jù)中厚傾斜礦體放礦時(shí)下盤礦巖運(yùn)動(dòng)緩慢、殘留礦石量多這一特點(diǎn)，提出導(dǎo)流放礦技術(shù)，有效解決了贊比亞謙比希銅礦損失貧化大這一問題；邵安林等［6］分析了覆蓋巖層運(yùn)移規(guī)律，探究了廢石混入對(duì)損失貧化的影響；孫浩等［7］采用PFC3D數(shù)值模擬技術(shù)，進(jìn)行了放礦口尺寸及間距、崩落礦石層高度和放礦方式的正交模擬試驗(yàn)，研究多放礦口條件下礦巖的移動(dòng)規(guī)律，重點(diǎn)分析了單分段放出體的變化特征以及多分段下4種因素對(duì)礦石回收率的影響。上述研究在各個(gè)角度分析了覆蓋巖下放礦的礦巖運(yùn)移規(guī)律。在無(wú)底柱分段崩落法放礦過程中，廢石的混入是導(dǎo)致?lián)p失貧化的主要原因［6］，但目前針對(duì)不同分段下廢石混入特征研究較少，僅分析單分段下廢石混入規(guī)律有一定的局限性。為進(jìn)一步探究無(wú)底柱分段崩落法放礦下廢石的混入特征，采用多分段放礦物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析各分段下每鏟中廢石混入量變化特征及其來源，分析了廢石混入量變化原因，提出改善放礦效果的生產(chǎn)建議，對(duì)降低損失貧化、優(yōu)化采礦方法具有一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)多分段放礦模型結(jié)構(gòu)，放礦實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)部長(zhǎng)1.2 m、寬0.2 m，高1.8 m，按照相似比1∶50模擬三分段采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，各分段高均為20 m、進(jìn)路間距為20 m，模型結(jié)構(gòu)及礦石、廢石裝填效果如圖1所示。礦石、廢石都來自某地下鐵礦，實(shí)驗(yàn)條件盡可能做到與礦山放礦生產(chǎn)條件一致或相似。

選用磁鐵礦礦石材料模擬礦石，其粒徑在5～16 mm，粉礦（粒徑小于5 mm）以及大塊礦石（粒徑大于16 mm）均占礦石總量的5%。選用石英礦材料模擬廢石，其粒徑在8～16 mm，大塊廢石（粒徑大于16 mm）占廢石總量的5%。礦石裝填范圍為長(zhǎng)1.2 m，寬0.06 m（模擬崩礦步距3 m），高1.2 m，其余部分裝填廢石；正面廢石裝填范圍為長(zhǎng)1.2 m、寬0.12 m、高1.2 m；頂部廢石（覆蓋巖）裝填范圍為長(zhǎng)1.2 m，寬0.2 m，高0.4 m。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

首先，封堵各個(gè)進(jìn)路口，按照結(jié)構(gòu)參數(shù)向模型內(nèi)填裝礦石和廢石；其次，打開第一分段進(jìn)路口，由左側(cè)進(jìn)路開始，模擬斗容為4 m3的鏟運(yùn)機(jī)出礦，3個(gè)進(jìn)路依次循環(huán)出礦，記錄單次出礦時(shí)每鏟內(nèi)廢石和礦石放出量；再次，當(dāng)某個(gè)進(jìn)路內(nèi)連續(xù)3次單鏟內(nèi)廢石質(zhì)量占礦巖總量的70%以上時(shí)停止出礦，當(dāng)?shù)谝环侄?個(gè)進(jìn)路口全部達(dá)到截止品位后，封堵各進(jìn)路口，打開第二分段的進(jìn)路口，開始第二分段出礦；當(dāng)?shù)诙侄胃鬟M(jìn)路口放礦均達(dá)到截止品位后，開始第三分段出礦；最后，分析放礦過程中各分段廢石放出量及變化特征，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程分析廢石來源。由于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，第二分段存在2個(gè)完整進(jìn)路和2個(gè)形態(tài)一半的進(jìn)路。為減小誤差，僅分析第二分段中完整進(jìn)路出礦過程中的廢石混入特征，其他進(jìn)路正常出礦，但不作進(jìn)一步分析。

2 各分段廢石混入特征

2.1 第一分段廢石混入特征

隨著放出礦巖總量的增加，每次出礦時(shí)，第一分段每次鏟出礦巖中廢石含量變化如圖2所示。

第一分段各進(jìn)路的平均放出礦巖總量在8 800 g左右，廢石混入總量在2 630 g左右，最終貧化率約30%。由圖2可知，隨著放出礦巖量的增加，每次鏟出礦巖中廢石含量呈增加趨勢(shì)，與單分段廢石混入規(guī)律［8］一致，經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段放礦開始到放出礦巖量達(dá)到2 000 g時(shí)，此階段出礦過程中沒有廢石的混入，此時(shí)進(jìn)路口處及其上方的礦石被放出；第二階段，放出礦巖量超過2 000 g到放礦量到達(dá)4 500 g之前，此時(shí)廢石開始混入，且隨著放出礦巖量的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，此部分廢石均來自正面，頂部廢石沒有被放出；第三階段為放出礦巖量超過4 500 g直到放礦截止，放出礦巖量超過4 500 g后，每鏟內(nèi)廢石含量波動(dòng)明顯，其增長(zhǎng)速度整體明顯增加，這說明頂部廢石開始混入。在正面廢石、頂部廢石雙重混入情況下，出礦時(shí)貧化現(xiàn)象明顯。

2.2 第二分段廢石混入特征

隨著放出礦巖總量的增加，第二分段每次鏟出礦巖中廢石含量變化特征如圖3所示。

第二分段出礦時(shí)，各進(jìn)路平均放出礦巖總量在30 500 g左右，廢石含量在14 000 g左右，最終貧化率為46%。隨著放出礦巖總量的增加，每次鏟出礦巖中廢石含量先快速增加、后呈緩慢增加趨勢(shì)。前期與第一分段變化特征相同，放出礦巖總量在達(dá)到2 000 g之前沒有廢石混入；超過2 000 g后，每次出礦時(shí)廢石含量開始明顯增加；當(dāng)放出礦巖總量在達(dá)到8 000 g左右，廢石含量增加速度減緩，且隨著放出礦巖量的增加，其增速呈降低趨勢(shì)。

第二分段廢石混入特征與第一分段有較大的差異性，其原因在于第二分段須回收第一分段放礦后的脊部殘留體礦石，脊部殘留體礦石大多位于第二分段進(jìn)路上方，脊部殘留體內(nèi)礦石距離第二分段進(jìn)路口最遠(yuǎn)可達(dá)40 m（2個(gè)分段高度），導(dǎo)致放礦截止時(shí)僅有較少頂部廢石移動(dòng)至出礦進(jìn)路口。第二分段截止放礦時(shí)，礦巖形態(tài)如圖4所示。

由圖4可知，第二分段截止放礦時(shí)，僅有少量上部廢石停留在第二分段進(jìn)路口上方，未形成放礦漏斗。因此，第二分段放礦過程中，廢石的混入主要來自于該分段的正面廢石。根據(jù)廢石混入量變化規(guī)律可知，廢石中期混入速度快是因?yàn)檎娴V巖被放出，正面廢石受到擾動(dòng)下落；而后期廢石混入速度變慢，可能是因?yàn)殡S著放礦的進(jìn)行，進(jìn)路中心軸線礦巖運(yùn)動(dòng)較快，進(jìn)路上部礦石被大量放出，進(jìn)而減緩了廢石的混入速度。由于每次鏟出礦巖中廢石含量增速的降低，延長(zhǎng)了到達(dá)截止品位的時(shí)間，增加了放出礦巖總量，也造成了最終放出廢石總量占比進(jìn)一步增大，因此也導(dǎo)致第二分段最終貧化率顯著增大。

2.3 第三分段廢石混入特征

隨著放出礦巖總量的增加，第三分段每次鏟出礦巖中廢石含量變化特征如圖5所示。

由圖5可知，第三分段廢石混入特征與第二分段相同，每次鏟出礦巖中廢石含量呈先快速增加、后緩慢增加的趨勢(shì)。放出礦巖總量在達(dá)到2 000 g前，廢石未混入；超過2 000 g后，每鏟廢石含量增長(zhǎng)速度明顯；放出礦巖總量超過8 000 g后，廢石含量增長(zhǎng)速度減緩。各進(jìn)路平均放出礦巖總量在25 500 g左右，廢石含量在10 700 g左右，最終貧化率為42%。

第三分段廢石混入特征變化原因與第二分段變化原因相同，因?yàn)榈诙侄畏诺V截止后脊部殘留體內(nèi)礦石阻礙了頂部廢石下落，延長(zhǎng)了放礦時(shí)間，增加了放礦總量。正面廢石是第三分段放礦過程中放出廢石的主要來源。

3 對(duì)礦山生產(chǎn)的建議

（1）礦山在進(jìn)行第一分段回采時(shí)，可適當(dāng)提高該分段高度以延緩頂部廢石混入速度，同時(shí)延長(zhǎng)該分段下各進(jìn)路到達(dá)放礦截止品位的時(shí)間，進(jìn)而增加放出礦石量。

（2）除第一分段外，正面廢石的大量混入是各分段放礦貧化嚴(yán)重的主要原因。因此，在礦山實(shí)際生產(chǎn)過程中，若出現(xiàn)嚴(yán)重的貧化現(xiàn)象時(shí)，礦山可適當(dāng)增加崩礦步距。該方法可以增加正面廢石與放礦口間的距離，降低正面廢石混入速度，減少放礦截止時(shí)的正面廢石放出量。此外，提高進(jìn)路口寬度［9］和邊孔角角度［10］等都可以降低放出體縱向短軸軸長(zhǎng)的發(fā)育速度，從而降低正面廢石的放出量。

（3）除第一分段外，各分段放礦截止時(shí)，進(jìn)路口上方礦石未完全放出，導(dǎo)致大量的礦石殘留。針對(duì)這一問題，礦山可盡量提高進(jìn)路口上部礦石及廢石的下降速度或延長(zhǎng)礦巖下降時(shí)間，最大限度地回收礦石。具體措施有調(diào)整進(jìn)路口大?。?1］、提高放礦截止品位、降低分段高度等。

4 結(jié) 論

（1）各分段放礦時(shí)，放出礦巖量超過2 000 g后，隨著放出礦巖量的增加，正面廢石、頂部廢石依次混入，每次鏟出礦巖中廢石含量整體呈增加趨勢(shì)；第二、三分段下每鏟廢石含量呈先快速增加、后緩慢增加趨勢(shì)。

（2）第一、二、三分段的最終貧化率分別為30%、46%、42%，放出礦巖量分別為8 800、30 500、25 500 g。第一分段下放礦，正面廢石首先混入，當(dāng)放出礦巖量超過4 500 g后頂部廢石開始混入。第二、三分段主要為正面廢石混入，頂部廢石由于進(jìn)路上方脊部殘留體礦石的阻礙，在放礦截止前混入較少。

（3）礦山在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以提高第一分段的分段高度以延緩頂部廢石混入速度，增加礦石產(chǎn)量。除第一分段外，礦山可采取適當(dāng)增加崩礦步距、提高進(jìn)路口寬度和邊孔角角度等措施降低正面廢石的混入速度，改善放礦貧化問題；提高放礦截止品位、降低分段高度等措施可以增加進(jìn)路口上方礦巖下降速度，有助于礦石的回收。