魏建海 黃興益 戈 超 何皇兵 舒湊先

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司；2.湖南有色股份黃沙坪礦業(yè)分公司；3.北京安科興業(yè)科技股份有限公司)

基于PFC2D的無底柱分段崩落法放礦數(shù)值模擬

魏建海1黃興益1戈 超2何皇兵1舒湊先3

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司；2.湖南有色股份黃沙坪礦業(yè)分公司；3.北京安科興業(yè)科技股份有限公司)

針對(duì)某鐵礦采用無底柱分段崩落法開采時(shí)采場回采率低與貧化率大的問題，考慮端壁傾角與崩礦步距2個(gè)因素，對(duì)采場放礦方案進(jìn)行了PFC2D數(shù)值模擬，選擇回貧差最大的數(shù)值模擬試驗(yàn)方案進(jìn)行了采場現(xiàn)場放礦試驗(yàn)，取得了較好的效果。

PFC2D數(shù)值模擬 無底柱分段崩落法 回采率 貧化率

近年來，無底柱分段崩落法在我國金屬礦山特別是在鐵礦山得到了廣泛應(yīng)用，在回采進(jìn)路巷道中進(jìn)行鉆眼、爆破和出礦是該方法的最基本特點(diǎn)。在崩落的覆蓋圍巖下，爆破崩落的礦石借助重力或振動(dòng)力由回采進(jìn)路巷道一端的近似V形槽中進(jìn)入回采進(jìn)路巷道，放出礦石形成的橢球體易受尚未崩落巖體端壁的影響，一旦橢球體的軸線發(fā)生偏斜，易引起礦石的貧化和損失，因而有必要嚴(yán)格控制放礦過程[1-2]。大量學(xué)者對(duì)無底柱分段崩落法的端部放礦進(jìn)行了深入研究，成果豐碩[3-5]。隨著計(jì)算機(jī)及粒子流理論的迅速發(fā)展，PFC軟件被廣泛用于無底柱放礦數(shù)值模擬，有助于解決復(fù)雜邊界條件下的放礦問題[6-7]。為此，本研究以某鐵礦為例，采用PFC2D軟件對(duì)該礦采場放礦方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 工程背景

某鐵礦采用無底柱分段崩落法開采，回采進(jìn)路間距20 m，分段高度20 m，端壁傾角90°，以單排炮孔進(jìn)行崩礦，崩礦步距1.5～1.8 m，采場回采率73.5%，貧化率26.5%。進(jìn)路間距、分段高度在開拓與采準(zhǔn)工程施工時(shí)已被確定，在生產(chǎn)中難以調(diào)整。端壁傾角也在很大程度上影響了放礦結(jié)果，且崩礦步距、端壁傾角可在生產(chǎn)中靈活調(diào)整與優(yōu)化。通過優(yōu)化崩礦步距及放礦端部傾角，盡可能提高采場回采率并降低貧化率。

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

端壁傾角是指回采進(jìn)路中扇形炮孔的排面與水平面的夾角，有前傾與垂直2類。前傾布置時(shí)傾角取70°～85°，由于端壁傾角在很大程度上受到崩礦步距的影響，因而端壁傾角可分別取80°、85°、90°。崩礦步距與放礦步距密切相關(guān)，最優(yōu)崩礦步距是指在分段高度及回采進(jìn)路間距已確定的條件下確定的最佳放礦步距，計(jì)算公式為

式中，ω為最優(yōu)崩礦步距，m；K為礦石碎脹推移系數(shù)，取1.2～1.25；hd為分段高度,m；hD為回采進(jìn)路高度，m；m為礦石流水平厚度，0.8～0.9 m；α為中間移動(dòng)角，(°)。

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

本研究中，試驗(yàn)因素為端壁傾角和崩礦步距，該2個(gè)因素的水平數(shù)均為3，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，以端壁傾角為第一因素，在崩礦步距3.2 m固定不變的情況下，在3類組合(組合一：崩礦步距3.2 m、端壁傾角90°，組合二：崩礦步距3.2 m、端壁傾角85°，組合三：崩礦步距3.2 m、端壁傾角80°)中選擇出最優(yōu)組合(即回貧差最大的組合)，令最優(yōu)組合的端壁傾角固定不變，進(jìn)行崩礦步距另外2個(gè)水平(3.4，3.6 m)的組合試驗(yàn)，選擇出最優(yōu)組合，共進(jìn)行5次不同組合的數(shù)值模擬試驗(yàn)。

3.2 模型構(gòu)建

以端壁傾角90°、崩礦步距3.4 m的組合放礦方案為例，選取垂直于礦體走向的覆蓋巖層、巖體和回采進(jìn)路剖面構(gòu)建計(jì)算模型(圖1)。該組合放礦方案的PFC2D二維數(shù)值模擬顆粒單元如圖2所示，圖中上部顆粒為廢石顆粒，代表廢石的覆蓋巖層區(qū)域；下部顆粒為礦石顆粒，代表礦體區(qū)域。

圖1 方案計(jì)算模型(單位：m)

圖2 PFC2D二維計(jì)算顆粒單元

3.3 計(jì)算參數(shù)

模型計(jì)算中采用20%單一瞬時(shí)截止品位的放礦模式，換算成礦石顆粒與廢石顆粒個(gè)數(shù)百分比為不大于1∶4時(shí)截止放礦。放礦過程：放出一定數(shù)量的純礦石，之后出現(xiàn)廢石產(chǎn)生貧化，貧化率隨著放出總顆粒數(shù)的增大而增大，在大量廢石顆?；烊牒螅?dāng)次放出的礦石顆粒品位降至截止品位時(shí)停止放礦。

(1)顆粒粒徑。為更好地模擬采礦現(xiàn)場放礦的礦石塊度與廢石塊度大小，確保兩者均勻性一致，生產(chǎn)的二維顆粒半徑應(yīng)為一變化值。結(jié)合該礦實(shí)際生產(chǎn)情況，模型計(jì)算中顆粒半徑設(shè)定為0.1 m。

(2)顆粒密度。礦石顆粒、廢石顆粒球體容重分別為3.6×104，2.7×104kN/m3，模型計(jì)算過程中涉及的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算的相關(guān)參數(shù)

3.4 模擬結(jié)果

依據(jù)設(shè)計(jì)方案，崩礦步距3.2 m、端壁傾角85°組合方案的回貧差最大，因此，端壁傾角85°為最優(yōu)值；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行端壁傾角85°與崩礦步距為3.4，3.6 m的2種組合方案的模擬分析。經(jīng)PFC模

擬計(jì)算，最終選定了端壁傾角85°、崩礦步距3.4 m的組合方案。各組合方案的模擬放礦結(jié)果見表2。

表2 各組合方案的模擬放礦結(jié)果

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

依據(jù)經(jīng)數(shù)值模擬優(yōu)化推薦的方案(崩礦步距3.4 m、端壁傾角85°)進(jìn)行采場放礦試驗(yàn)。結(jié)果表明：回采率為78.5%，貧化率為21.5%，與模擬試驗(yàn)給出的放礦回收指標(biāo)有一定的出入，原因是：①二維模型無法完全反映三維礦體空間的實(shí)際情況，對(duì)于端部廢石的混入未能充分考慮，從而提高了采場回采率；②現(xiàn)場生產(chǎn)放礦試驗(yàn)時(shí)，礦體中存在一定厚度的夾石，對(duì)于貧化率的增加有較大影響。

5 結(jié) 語

采用無底柱分段崩落法在露巖下放礦，損失率和貧化率較高，為此，以某鐵礦山為例，運(yùn)用PFC軟件進(jìn)行多組合放礦方案優(yōu)選，綜合考慮礦山管理與施工的實(shí)際情況，最終選定端壁傾角85°、崩礦步距3.4 m的放礦組合方案，并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與模擬試驗(yàn)結(jié)果存在一定出入的原因進(jìn)行了分析，為類似礦山提供參考。

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[4] 陶干強(qiáng)，楊仕教，任鳳玉.隨機(jī)介質(zhì)放礦理論散體流動(dòng)參數(shù)試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009(2)：3464-3470.

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[7] 王培濤，楊天鴻，柳小波.無底柱分段崩落法放礦規(guī)律的PFC2D模擬仿真[J].金屬礦山，2010(8)：123-127.

魏建海(1967—)，男，高級(jí)工程師，650000 云南省昆明市白塔路208號(hào)。