金山店鐵礦無底柱分段崩落法崩礦步距數(shù)值模擬優(yōu)化研究

魏敬芮WEI Jing-rui；陳清運CHEN Qing-yun；游正君YOU Zheng-jun；徐正碧XU Zheng-bi；曾順洪ZENG Shun-hong；盧駿LU Jun；樊海云FAN Hai-yun

（①武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，武漢 430074；②中鐵上海工程局集團市政環(huán)保工程有限公司，上海 201900；③云南磷化集團有限公司，昆明 650600；④武鋼資源集團程潮礦業(yè)有限公司，鄂州 436000；⑤武鋼資源集團金山店礦業(yè)有限公司，大冶 435116）

0 引言

我國自從上世紀60 年代引進無底柱分段崩落法以來，由于該采礦法擁有結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)量大、機械化水平高、成本低和較為安全等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于我國各大礦山[2]。

在無底柱分段崩落法礦山的崩礦步距優(yōu)化研究中，計算機模擬技術(shù)越來越被重視，其中PFC 顆粒流數(shù)值模擬軟件就在崩礦步距優(yōu)化方面就有著諸多研究及應(yīng)用，比如，丁航行等[3]利用PFC3D顆粒流數(shù)值模擬軟件對梅山鐵礦18m×20m 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下所設(shè)的六組崩礦步距方案展開單漏斗放礦模擬，研究確定了最優(yōu)崩礦步距為2.2m。李彬等[4]采用PFC3D數(shù)值模擬試驗的研究方法，基于程潮鐵礦生產(chǎn)實踐，對不同放礦步距方案展開數(shù)值模擬放礦研究及分析，得出現(xiàn)行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下最優(yōu)放礦步距為3m。本文以金山店鐵礦張福山礦區(qū)的生產(chǎn)實踐為研究背景，通過PFC3D數(shù)值模擬試驗，綜合考慮頂部覆蓋巖層和正面廢石混入因素，建立單漏斗放礦模型，研究探討金山店鐵礦張福山礦區(qū)東采區(qū)最優(yōu)崩礦步距。

1 礦山生產(chǎn)概況

湖北省武漢鋼鐵資源集團金山店鐵礦張福山礦區(qū)坐落于金山店南側(cè)，礦床傾向為170°到215°，傾角表現(xiàn)為西陡東緩，北陡南緩，上陡下緩。金山店鐵礦張福山礦床屬于接觸交代矽卡巖型鐵礦床，礦體軟弱破碎，分東西兩個采區(qū)，其中東采區(qū)主要分為Ⅰ號礦體和Ⅱ號礦體。本文重點研究Ⅰ號礦體，其礦體埋藏于地下，賦存標高為+16～-1000m，礦體形狀呈簡單規(guī)則，似層狀，擁有上薄而下厚，東厚而西薄的變化特點，其厚度一般為20～80m，平均厚度為27.18m。礦體在平面上-340m，水平階段高度為70m，采取大間距結(jié)構(gòu)，分段高度為14m，進路間距為16m。目前礦山采用3.0m 為采場崩礦步距，對應(yīng)的礦石回采率為80.05%～83.00%、貧化率在25%左右。

2 數(shù)值模擬試驗研究

2.1 PFC 軟件介紹

PFC 是Particle Flow Code 的縮寫名稱，其中文名稱為顆粒流程序，于1971 年在Cundall 博士[5]的主持下，采用他所提出的細觀離散元理論為基礎(chǔ)核心，研發(fā)的一款商業(yè)用途的數(shù)值模擬軟件，該軟件使用時必須要通過其內(nèi)置的FISH 語言，編寫代碼建立模型。當(dāng)前有二維（PFC2D）和三維（PFC3D）兩種模式的軟件，PFC2D軟件最小顆粒單元為圓，PFC3D則在空間上呈現(xiàn)為球，并且PFC 顆粒流數(shù)值模擬軟件是由顆粒單元間的細觀物理參數(shù)表征材料的宏觀力學(xué)行為。PFC 顆粒流軟件既可以模擬解決靜態(tài)問題，還可以進行模擬動態(tài)過程，較為廣泛的被用于優(yōu)化和預(yù)測參數(shù)，該軟件擁有比現(xiàn)場工業(yè)試驗和實驗室物理模擬試驗在使用上更加靈活方便，并且能過反復(fù)多次試驗等諸多優(yōu)點[6-7]。

2.2 PFC 基本假設(shè)

PFC 數(shù)值模擬放礦最重要的問題就是創(chuàng)建模型，在建模的過程當(dāng)中，一般只考慮顆粒的重力、顆粒之間的粘結(jié)力和摩擦力、顆粒與邊界的接觸的情況。

為了達到與實際情況相符的要求，在采用計算機模擬之前，應(yīng)對模型的模擬情況做出假設(shè)：

①所有顆粒均為圓形或球形；

②所有顆粒均為剛性體；

③顆粒之間有粘結(jié)力的存在；

④顆粒與顆粒之間以及顆粒與墻體之間的接觸均為點接觸；

⑤顆粒之間可以有一定重疊，但重疊量相比于粒徑要小得多。

2.3 礦巖顆粒參數(shù)選擇

通過實驗室試驗和查閱資料，并輔以大量演算及調(diào)整，最終確定最符合工程實際的礦巖顆粒參數(shù)如表1 所示。為了便于計算機計算，更快建立放礦模型，本研究采用礦巖顆粒的平均半徑作為放礦模型中礦巖顆粒半徑。

表1 礦石、巖石顆粒參數(shù)

2.4 模型墻體構(gòu)建

本研究利用PFC3D顆粒流軟件依次建立崩礦步距為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 和4.0m 的五種單漏斗放礦模型。固定分段高度×進路間距為14m×16m，進路高度×進路寬度為3.3m×3.6m，邊孔角為50°，經(jīng)過查閱資料選擇合理覆蓋巖層厚度為20m[8]。如圖1 所示，圖1 是崩礦步距為3.5m的單漏斗放礦模型的墻體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模型墻體結(jié)構(gòu)

2.5 數(shù)值模擬放礦過程

在本次PFC3D數(shù)值模擬放礦研究中，通過編寫FISH語言程序進行控制放礦。放礦過程由礦巖顆粒自身重力主導(dǎo)，不添加任何外力。研究中，金山店鐵礦的放礦方法為截止品位放礦，放礦截止品位采取15%，經(jīng)實驗室實驗和查閱資料得到金山店鐵礦張福山礦區(qū)東區(qū)的礦石地質(zhì)品位是45%，巖石品位取0 值?，F(xiàn)已知放礦截止品位的計算公式為：

以上公式（1）、（2）、（3）中，∝j為放礦截止品位，單位為“%”；∝d為礦石地質(zhì)品位，單位為“%”；nk為放礦口礦石顆粒個數(shù)；ny為放礦口巖石顆粒個數(shù)；ρk為礦石密度，單位為“kg/m3”；ρy為巖石密度，單位為“kg/m3”；vk為單個礦石顆粒體積，單位為“m3”；vy為單個巖石顆粒體積，單位為“m3”；Ry為礦石顆粒半徑，單位為“m3”；Rk為巖石顆粒半徑，單位為“m3”。

公式（1）、（2）、（3）聯(lián)立，將如表1 所示礦巖顆粒參數(shù)帶入聯(lián)立公式，已知本次研究中所采用的放礦截止品位∝j=15%，礦石地質(zhì)品位∝d=45%，通過計算可得當(dāng)放出礦石品位達到截止放礦品位時，進路中的礦巖顆粒比即nk:ny=2:1。即PFC3D數(shù)值模擬單漏斗放礦過程中，當(dāng)進路中的礦石顆粒個數(shù)與廢石顆粒個數(shù)之比為2:1 時，立即停止放礦。

2.6 數(shù)值模擬放礦結(jié)果

本研究對崩礦步距分別為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 和4.0m 的五個單漏斗放礦模型進行數(shù)值模擬放礦，放礦過程如圖2、圖3、圖4 所示（以崩礦步距為3.5m 的放礦模型為例）。每隔2000 時步記錄一次放出礦巖顆粒數(shù)據(jù)，當(dāng)進路中礦石與廢石之比等于2 時，停止放礦并記錄下最后一次放礦數(shù)據(jù)。五次數(shù)值模擬放礦結(jié)果如表2 所示。

圖2 放礦初期

圖3 放礦中期

圖4 放礦末期

表2 數(shù)值模擬放礦結(jié)果

2.7 試驗結(jié)果分析

①由表2 可知，當(dāng)崩礦步距為3.0m 時，其對應(yīng)的礦石回采率為83.07%，貧化率為18.37%，這與金山店鐵礦現(xiàn)場實際礦石回采率83.00%左右、貧化率在25%左右的技術(shù)經(jīng)濟指標較為吻合。綜合考慮建模過程中，為方便計算機快速建模放礦而采用了平均半徑的做法，以及PFC3D數(shù)值模擬軟件的功能不支持完全模擬出礦山現(xiàn)場的實際情況等因素，本次模擬試驗結(jié)果在可接受的誤差范圍之內(nèi)。因此，表1 中所選參數(shù)合理，可作為本數(shù)值模擬研究的基本參數(shù)。

②根據(jù)表2 繪制如圖5 所示的各崩礦步距（B）與礦石回采率、貧化率和回貧差關(guān)系曲線。由圖5 可知，隨著崩礦步距增大，貧化率逐漸減小，而回采率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)崩礦步距為3.5m 時，其礦石回收率最高達到了85.67%，較3.0m 崩礦步距時提高了兩個百分點，貧化率也比3.0m 崩礦步距時降低了兩個百分點，同時通過崩礦步距—回貧差曲線可以看出，當(dāng)崩礦步距為3.5m 時，其回貧差達到最大，得出金山店張福山鐵礦現(xiàn)用14m×16m 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳崩礦步距應(yīng)為3.5m。

圖5 崩礦步距與回采率、貧化率、回貧差關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文以金山店鐵礦張福山礦區(qū)為研究背景，采用PFC3D數(shù)值模擬的研究方法，詳細分析頂部覆蓋巖層與正面廢石混入對放礦回貧指標的影響，對五種不同崩礦步距方案進行單漏斗數(shù)值模擬試驗，得出結(jié)論如下：①貧化率隨崩礦步距的增大而減小，在試驗區(qū)間內(nèi)呈近似線性變化規(guī)律；②回采率隨崩礦步距的增大呈拋物線變化規(guī)律；③金山店鐵礦東區(qū)無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為14m×16m（分段高度×進路間距），最佳崩礦步距為3.5m，可以達到回采率85.67%，貧化率16.96%的技術(shù)經(jīng)濟指標。