某鐵礦損失貧化控制方法研究*

張東杰，王健多，鄭有偉

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國(guó)石油遼河油田公司，遼寧 盤(pán)錦 124010）

對(duì)于地下金屬礦山而言，崩落法成為其最廣泛的開(kāi)采方法之一[1，2]，如果采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，往往造成較大的礦石損失與貧化[3，4]，對(duì)于礦石損失貧化控制的研究一直是礦山所面臨的問(wèn)題.在礦石損失貧化控制研究方面：宋德林等[5]通過(guò)研究散體流動(dòng)規(guī)律及巖體冒落特征，給出了損失貧化控制方法；賈海波等[6]針對(duì)緩傾斜厚大石膏礦床開(kāi)采過(guò)程中的回采率低等問(wèn)題，提出了誘導(dǎo)冒落與低貧化放礦技術(shù)控制崩落法損失貧化的新方法；高秀航等[7]分析了鹿鳴鉬礦開(kāi)采過(guò)程中礦石損失和貧化的影響因素，探討了降低礦石損失和貧化方法；藺朝暉等[8]根據(jù)順序、強(qiáng)化過(guò)程管理角度，給出了損失貧化控制方法；任鳳玉等[9]提出了分段空區(qū)、崩落與誘導(dǎo)冒落相結(jié)合的殘礦回采方法.在上述研究成果的大紅山鐵礦生產(chǎn)管理模式、合理規(guī)劃施工方案的基礎(chǔ)上，從采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與殘礦回收角度對(duì)某鐵礦崩落法開(kāi)采損失貧化控制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，使該礦崩落法開(kāi)采損失與貧化得到有效控制.

1 工程概況

某鐵礦屬于沉積變質(zhì)磁鐵礦床，礦石年產(chǎn)量400萬(wàn)t，礦體上盤(pán)圍巖為石英巖、下盤(pán)圍巖主要為花崗巖，硬度系數(shù)f＝8～12；礦體呈似層狀，長(zhǎng)約350 m，傾角25°～50°，平均厚50 m，屬于典型的傾斜厚礦體，礦石體重2.85 t／m3，松散系數(shù)K＝1.5，穩(wěn)定性較好.該鐵礦于2006年開(kāi)始由露天轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，整個(gè)礦床從上到下分為上部、中部和下部3個(gè)采區(qū)，采區(qū)間留有安全隔離礦柱，中、下部采區(qū)的分布及礦體開(kāi)采情況見(jiàn)圖1.

圖1 采區(qū)分布投影

該礦采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，分段高度12 m，進(jìn)路間距8 m，開(kāi)采過(guò)程中在上位采區(qū)礦體下盤(pán)邊界殘留了大量礦石無(wú)法回收，礦量損失嚴(yán)重；同時(shí)，中下位采區(qū)在開(kāi)采過(guò)程中，由于其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致礦石損失貧化較大，礦石損失率達(dá)18.8%，貧化率達(dá)14.6%.因此，針對(duì)礦山生產(chǎn)過(guò)程中存在的損失貧化大及下盤(pán)殘留礦量多等問(wèn)題，文章進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，以實(shí)現(xiàn)該礦山安全高效開(kāi)采.

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法

2.1 散體流動(dòng)參數(shù)確定

礦巖散體流動(dòng)參數(shù)對(duì)于合理采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定具有重要影響，可通過(guò)端部放礦實(shí)驗(yàn)獲得，放礦模型如圖2所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)與寬均為40 cm，高100 cm.散體粒徑分布通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲得，見(jiàn)表1.

表1 礦石散體粒徑分布

圖2 端部放礦實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)端部放礦實(shí)驗(yàn)結(jié)果，放出體形態(tài)見(jiàn)圖3.基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論，放出體曲面方程如下：

圖3 放出體形態(tài)

式中：ω＝（α+α1）／2，H為放出體高度，m；α，β為沿進(jìn)路方向散體流動(dòng)參數(shù)；α1，β1為垂直進(jìn)路方向散體流動(dòng)參數(shù)；k為壁面影響系數(shù).

通過(guò)式（1）對(duì)圖3放出體進(jìn)行擬合，得散體流動(dòng)參數(shù)值：α＝1.6242，β＝0.0675；α1＝1.5322，β1＝0.1234.該礦放出體上部寬下部窄，具有較好的流動(dòng)性.

2.2 進(jìn)路間距優(yōu)化

對(duì)于傾角較小的厚礦體，為達(dá)到較好的回采效果，一般采用三分段布置形式，由于大部分分段已經(jīng)開(kāi)段完成，分段高度不易更改，依然為12 m，主要對(duì)其進(jìn)路間距進(jìn)行優(yōu)化.無(wú)底柱分段崩落法上、下分段采用菱形布置，脊部殘留體回收情況如圖4所示.1＃進(jìn)路回收殘留體A，2＃進(jìn)路回收殘留體B.

圖4 殘留體回收

散體的有效流動(dòng)帶寬度計(jì)算式如下：

式中：α1，β1為垂直進(jìn)路方向散體流動(dòng)參數(shù)值；Z為分段高度，m.

根據(jù)圖4和式（2），得到進(jìn)路間距的計(jì)算式：

式中：H為分段高度，m；B為進(jìn)路寬度，m；M為低貧化放礦參數(shù)，一般取0.5.

該鐵礦分段高度為12 m，進(jìn)路寬3 m，散體流動(dòng)參數(shù)α1＝1.5322，β1＝0.1234，代入式（3），得到合理進(jìn)路間距L＝9.8～11.5 m.在分段高度12 m的條件下，合理進(jìn)路間距值取10 m.

2.3 崩礦步距優(yōu)化

崩礦步距對(duì)于崩落法開(kāi)采礦石損失貧化具有重要影響，如果崩礦步距較小，出礦口端部中間部位廢石率先出露，距離頂板眉線一定高度，主要表現(xiàn)為受礦石流包裹夾雜流出，廢石混入過(guò)程如圖5（a）所示，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加崩礦步距值；如果崩礦步距較大，出礦口頂部位置廢石散體率先出露，其下部為主要放出的礦石流，表現(xiàn)為緊貼頂板眉線位置以層狀緩慢流出，隨著放礦的持續(xù)，廢石流出范圍逐漸增加，礦石損失貧化加大，如果有大塊廢石流出，還容易導(dǎo)致卡口情況，需進(jìn)行二次破碎處理，增加回收難度，廢石混入過(guò)程如圖5（b）所示，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小崩礦步距值.

圖5 崩礦步距影響情況（a）崩礦步距過(guò)?。唬╞）崩礦步距過(guò)大

通過(guò)上述分析，可根據(jù)廢石出露位置判斷崩礦步距的大小.采用崩落法放礦時(shí)，沿進(jìn)路方向的放出體方程表達(dá)式為[10]：

式中：α1，β1為沿進(jìn)路方向散體流動(dòng)參數(shù)；y，z為放出體坐標(biāo)變量；h為放出體高度，m.

放出體最大寬度表達(dá)式如下：

由此得到最優(yōu)崩礦步距計(jì)算式如下：

式中：θ為放出體流軸與端壁夾角，°；k為礦石松散系數(shù)；e為自然數(shù).

根據(jù)散體流動(dòng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，沿進(jìn)路方向α1＝1.5322，β1＝0.1234；放出體高度h＝40 m，夾角θ＝75°，松散系數(shù)k＝1.5，帶入式（6）計(jì)算得到最佳崩礦步距L＝1.79 m，最終確定崩礦步距為1.8 m.

根據(jù)優(yōu)化后的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，回收率提高了4.5%，貧化率降低了2.4%，取得了較好的效果.

3 殘礦回收方法研究

3.1 下盤(pán)巖石合理開(kāi)掘高度確定

由于該鐵礦礦體傾角較緩，造成下盤(pán)殘留礦石較多，對(duì)于該部分礦石的回收，主要通過(guò)在下盤(pán)底板巖石中適當(dāng)位置開(kāi)掘回收巷道進(jìn)行崩礦回收，以減少下盤(pán)損失.合理的下盤(pán)掘巖高度，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與回收率綜合指標(biāo)進(jìn)行確定，以多回收礦石少開(kāi)掘巖石為原則，根據(jù)散體流動(dòng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合下盤(pán)殘留礦石的存在狀態(tài)，確定掘巖高度的合理范圍為4.5～6.5 m，如圖6所示.

圖6 下盤(pán)開(kāi)掘巖石高度

3.2 下盤(pán)殘礦回收方法

上位采區(qū)分段間主要通過(guò)斜坡道聯(lián)通，分段已回采完畢，僅存留大量下盤(pán)殘留礦量，根據(jù)殘礦分布形態(tài)及位置，提出合理的下盤(pán)殘礦回收方法，減少礦量損失.研究提出在分段礦體下盤(pán)邊界位置約5 m～6 m高度處，沿礦體走向開(kāi)掘回收進(jìn)路，實(shí)現(xiàn)各分段礦石的合理回收.

對(duì)于288 m分段，殘礦主要是邊角未采礦體，利用276 m水平斜坡道通達(dá)281 m水平，隨后布置措施巷道，在281 m水平布置回收進(jìn)路進(jìn)行回收，水平殘采工程布置情況如圖7所示.進(jìn)路尺寸為3.0 m×3.0 m，在回收進(jìn)路端部正對(duì)殘礦位置打上向扇形中深孔，邊孔角56°，崩落礦石經(jīng)由措施巷道與斜坡道運(yùn)出，回收進(jìn)路布置情況如圖8所示.

圖7 281 m水平殘采工程布置

圖8 281 m水平回收進(jìn)路布置

對(duì)于276 m分段，殘礦主要崩落無(wú)法回收的脊部殘留體，研究利用276 m水平斜坡道打措施巷道至269 m水平，使措施巷道與下盤(pán)殘留體保持約10 m安全距離，利用措施巷道通達(dá)下盤(pán)殘礦邊界開(kāi)掘殘礦回收進(jìn)路，如圖9所示.6剖面線所在位置殘礦賦存較多，設(shè)置雙回收進(jìn)路，進(jìn)路間距6 m，不同位置的回收進(jìn)路布置形式如圖10所示.

圖9 269 m水平殘采工程布置

圖10 269 m水平回收進(jìn)路布置（a）1剖面線；（b）6剖面線

對(duì)于252 m分段，殘礦主要位于3線與6線之間，分布較均勻.由于240 m分段部分巷道部分開(kāi)采破壞，需在該水平開(kāi)掘措施巷道與原可用巷道銜接，再開(kāi)掘斜坡道至248 m水平，布置下盤(pán)回收進(jìn)路，由回收進(jìn)路兩端向開(kāi)口位置退采，采出礦石經(jīng)由措施巷道及斜坡道運(yùn)出.措施巷道布置情況如圖11所示，不同勘探線位置的回收進(jìn)路布置情況如圖12所示.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，該殘礦回收方法共回收殘礦礦量約6萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)了緩傾斜厚礦體下盤(pán)邊角礦與殘留崩落礦量的有效回收.

圖11 248 m水平殘采工程布置

圖12 248 m水平回收進(jìn)路布置（a）3剖面線；（b）5剖面線

4 結(jié)論

（1）通過(guò)端部放礦實(shí)驗(yàn)，獲得了該礦放礦過(guò)程中散體流動(dòng)參數(shù)值，放出體上部寬下部窄，具有較好的流動(dòng)性.

（2）通過(guò)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，合理進(jìn)路間距為10 m，最佳崩礦步距為1.8 m，回收率提高了4.5%，貧化率降低了2.4%.

（3）研究確定了殘礦回收的下盤(pán)巖石合理開(kāi)掘高度值，提出了安全可靠的下盤(pán)殘留礦量回收方法，回收殘礦量約6萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)了緩傾斜厚礦體下盤(pán)邊角礦與殘留崩落礦量的有效回收.