章 林，陸玉根，孫國權(quán)

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山243000)

崩落礦石在崩落圍巖覆蓋下，借助重力由回采巷道一端的近似“V”形槽中放出，這種放礦叫做端部放礦。無底柱分段崩落法的放礦屬于端部放礦。由于端壁的阻礙，放出體發(fā)育不完全，是一個縱向不對稱、橫向?qū)ΨQ的橢球體缺,如圖1所示。

無底柱分段崩落法采場主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括分段高度、進路間距和崩礦步距等，這三個參數(shù)的不同組合將直接影響最終的回貧指標。從近些年來放礦試驗模擬的上下分段多個放出橢球體排列情況來看，進路間距與分段高度相等，上下左右進路爆破排相互對齊時，這種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)未必最佳。根據(jù)上下多個分段進路口放礦橢球體排列組合來看，當相鄰橢球體上下左右兩兩相切時，回收效果最好、貧化最小。這種兩兩相切的排列狀態(tài)分兩種，如圖2、圖3所示，即高分段及大間距采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。這種高分段和大間距采場結(jié)構(gòu)參數(shù)并不是以分段高度和進路間距值得大小來確定的，而是根據(jù)放出橢球體平面排列形態(tài)來劃分的。

1-回采巷道；2-放出橢球體發(fā)育圖；3-放礦漏斗輪廓線圖1 端部放礦橢球體發(fā)育圖

圖2 高分段橢球體排列形態(tài)

圖3 大間距橢球體排列形態(tài)

昆鋼大紅山鐵礦位于云南省玉溪市，是目前國內(nèi)最大規(guī)模的地下冶金礦山之一，地下開采一期設計年產(chǎn)能力為400萬t/a，設計采用高分段、大間距無底柱分段崩落采礦法及先進的無軌采掘及裝運設備，一期正在采用的分段高為20m，進路間距20m。為保證一期、二期生產(chǎn)的正常銜接及更大參數(shù)回采的需要，二期規(guī)劃擬在400m以下兩個水平將分段高度提高到30m，為此進行高變分段參數(shù)下結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選研究，利用實驗室相似模擬放礦試驗展開放礦橢球體發(fā)育參數(shù)研究、最優(yōu)放礦步距及進路尺寸參數(shù)組合優(yōu)選研究；因?qū)嶒炇蚁嗨颇M放礦試驗操作過程較為復雜，為彌補其耗時費力的缺點，試驗設計利用PFC3d數(shù)值模擬軟件展開進路間距優(yōu)選研究，PFC3d數(shù)值模擬具有靈活快速高效的特點，試驗參數(shù)設定準確后，計算出的模擬結(jié)果同樣也較為準確。

1 實驗室相似模擬放礦試驗研究

實驗室放礦試驗是采用相似模擬的手段模擬采場現(xiàn)場放礦，在滿足與現(xiàn)場放礦工作幾何與力學相似的基礎上，建立相似模型，并使得模型放礦過程與現(xiàn)場放礦過程達到近似物理相似的實驗室內(nèi)試驗，一般包括單體試驗和立體試驗。

云南大紅山鐵礦一期采用20m×20m的大結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，分段與進路間距都為20m，二期規(guī)劃擬在400m水平以下采用30m×20m的結(jié)構(gòu)參數(shù)，屬于高變分段放礦形式。為進一步提高資源回收率，降低貧化，在實驗室利用幾何相似材料制作了高變分段透明放礦模型，通過單體試驗揭示30m×20m結(jié)構(gòu)參數(shù)下放出橢球體的發(fā)育形態(tài)及其發(fā)育規(guī)律。根據(jù)無底柱分段崩落法現(xiàn)場端壁放礦特征，按與現(xiàn)場1∶100的比例縮小制作試驗料箱，試驗在采用相似端壁情況下，下部預留一出礦口(相當于采場進路)，利用鏟斗將模型內(nèi)礦巖逐步鏟出，同時，將預裝入的標志顆粒進行回收。根據(jù)標志顆粒被放出的順序，將不同放出高度下的放出體圈出，因此，可求得端壁條件下各種發(fā)育高度的放出體。

根據(jù)記錄的標志顆粒數(shù)據(jù)，推導出不同出礦口不同高度上的橢球體及橢球體缺發(fā)育的大致形態(tài)，見圖1，并記錄其偏心率及半軸值見表1。

表1 4.2cm×4cm出礦口放出體半軸值及偏心率參數(shù)

立體試驗是一種模擬現(xiàn)場多分段多進路口放礦的相似模擬試驗，通過立體試驗對不同放礦步距下的回貧指標進行分析得到高變分段下最優(yōu)放礦步距、崩礦步距及進路口參數(shù)。試驗模型按與現(xiàn)場比例1∶100制作，模型為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu),巷道呈菱形交錯布置,共布置5個分層，每個分層3到4個進路，進路間距為20cm，每個進路布置四個步距，各步距均采用可抽出式鐵皮制作，模型正面如圖4所示。

圖4 模型正面圖

因大紅山二期屬于高變分段放礦形式，分段高度20m、30m不等，400m水平以下至340m水平為兩個30m高分段，為了與該高分段放礦形式相適應，減少損失貧化，提高生產(chǎn)能力和回收率，進路間距取為20m。立體試驗在此分段高度及進路間距條件下，選擇合適的放礦步距及進路參數(shù)組合，放礦步距擬分別取5.04m、6.16m、6.72m、7.56m，進路寬度擬取為4.2m×4m和4.9m×4m兩種。選擇放礦橢球體完整的進路口放出數(shù)據(jù)進行分析研究，計算各分段及所有分段的放出礦巖總量、放出礦石量、放出巖石量，并計算礦石的回收率、廢石混入率及相應的回貧差等值，結(jié)果見表2。

表2 立體試驗結(jié)果匯總

綜合分析各立體試驗模型的回收率、貧化率和廢石混入率指標，可以得出在變分段高度在20～30m，進路間距為20m時，在所有的立體試驗模型中，放礦步距為6.72m，進路尺寸寬4.2m高4m時回貧指標最優(yōu)，此時的回收率為92.81%，廢石混入率為11.54%，回貧差為81.28%，由于本礦未進行工業(yè)放出體試驗，因此實驗室與現(xiàn)場的參數(shù)不能換算，本次試驗合理放礦步距應在6.72～7.56cm，其現(xiàn)場的合理崩礦步距區(qū)間并未得到，但依據(jù)其他礦山經(jīng)驗及工業(yè)放出體與實驗室放出體對比，一般實驗室的放礦步距是現(xiàn)場崩礦步距的1.2～1.4倍，即修正系數(shù)K=1.2～1.4，根據(jù)實踐經(jīng)驗，礦山選擇的段高和進路間距都比較大，因此選取K=1.4進行修正，由此求的本礦現(xiàn)場的合理崩礦步距應為4.8～5.4m。

2 PFC3d軟件數(shù)值模擬放礦研究

作為一種新興的數(shù)值分析方法， PFC3d可模擬任意大小球形顆粒的集合體的動力學行為，可以自動生成統(tǒng)計學上特定分布形式的顆粒集合，顆粒的半徑可以均勻分布(即顆粒半徑都相等)。這里的“顆?！辈⒉恢苯优c介質(zhì)中是否存在顆粒狀物質(zhì)有關(guān)，只是用來描述介質(zhì)特性的一種方式。比如，顆?？梢源聿牧现械膫€別顆粒，例如礦石顆粒；也可以代表黏結(jié)在一起的固體材料，如巖石。

PFC3d數(shù)值模擬具有靈活快速高效的特點，與實驗室相似模擬放礦試驗耗時費力的特點相比，可節(jié)省大量時間，模擬結(jié)果也較為準確，本次采用PFC3d數(shù)值模擬軟件展開進路間距優(yōu)選研究。大紅山鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)目前為20m×20m(分段高度×進路間距)，二期擬采用高變分段放礦形式，分段高度20m、30m不等，即在400m水平以下至340m水平為兩個30m高分段，為了與該高分段放礦形式相適應，減少損失貧化，提高生產(chǎn)能力和回收率，需確定最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，進行進路間距優(yōu)選，擬分別選取進路間距20m、25m進行試驗比較，以確定最佳進路間距。本次實驗分別建立30m×20m與30m×25m兩種參數(shù)組合放礦模型，分別進行數(shù)值模擬得到各自不同的回貧指標，以比較這兩種參數(shù)組合的優(yōu)劣。

利用PFC3d內(nèi)“墻”功能生成各邊界，如圖5、圖6所示，用PFC3d內(nèi)BALL功能生成大小不等的球來模擬礦石與廢石，如圖7所示其中灰色(顏色較黑)顆粒代表廢石，白色顆粒(顏色較淡)代表礦石。

圖5 PFC3d放礦模型結(jié)構(gòu)正視圖

圖6 PFC3d放礦模型結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

顆粒受周圍墻體的約束,隨著放礦的進行,通過按照一定規(guī)律刪除墻體來解除對顆粒的約束，如第一分段放礦完畢后即刪除第一分段進路 口及各漏斗模擬現(xiàn)場爆破，廢石覆蓋層為兩個分段高度，覆巖對下部礦石施加荷載促使礦石顆粒流動,礦石與廢石顆粒之間設定摩擦系數(shù)及孔隙率以吻合現(xiàn)場放礦。

數(shù)值模型程序設定的放礦順序與實驗室物理模型的相同，為從上到下，各分段依次從一端向另一端推進，各放礦口嚴格按照設定好的截止品位出礦，同一進路口由里向外分步距放礦，圖7、圖8為分段放礦模擬的過程圖，從圖7、圖8中可以看出模擬礦石及廢石礦巖接觸面下落形態(tài)呈漏斗狀下落，這與現(xiàn)場較為吻合。

圖7 PFC3d放礦過程(第三分段)

圖8 PFC3d放礦過程(第五分段)

為取得各參數(shù)組合模型的回貧指標，在進行編程時就嵌入了統(tǒng)計函數(shù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括每放礦口放出礦石及廢石顆粒個數(shù)及其各自的質(zhì)量，在完成模擬后程序?qū)⒆詣虞敵鼋y(tǒng)計結(jié)果。

根據(jù)放礦口放出的礦石及廢石質(zhì)量數(shù)據(jù)進行回貧指標的計算，表3為各模型模擬試驗結(jié)果匯總表。

表3 各模型模擬試驗結(jié)果匯總

通過該數(shù)值模擬結(jié)果分析可以看出在高變分段情況下，30m×25m參數(shù)組合模型的回貧差要高于30m×20m參數(shù)組合模型，即在大紅山高變分段參數(shù)組合20～30m條件下，進路為25m時可以取得較優(yōu)的回貧指標。

3 結(jié)論

1)通過實驗室相似模擬單體放礦試驗研究得出大紅山鐵礦高變分段下放出橢球體缺在不同放出高度下的發(fā)育參數(shù)，包括半軸值及偏心率等(表1、圖1)，揭示了橢球體缺的發(fā)育規(guī)律。通過實驗室相似模擬立體放礦試驗得到了大紅山鐵礦高變分段下合理放礦步距指標為6.72～7.56m，合理進路尺寸參數(shù)組合為4.2m×4m。

2)充分利用PFC3d數(shù)值模擬靈活快速高效的特點，建立起大紅山鐵礦數(shù)值放礦模型，用不同的顆粒分別模擬礦石和廢石的流動，實現(xiàn)了放礦全過程的動態(tài)再現(xiàn)(圖5～8)，并得到無底柱分段崩落法放礦不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的損失貧化指標，從而優(yōu)選出合理進路間距指標為25m。

3)本文結(jié)合昆鋼大紅山鐵礦放礦研究實例，采用實驗室相似模擬試驗、PFC3d軟件數(shù)值模擬展開研究，得到最佳放礦步距及進路尺寸參數(shù)組合、進路間距值等，對指導放礦工作具有重要意義。

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