金愛兵，孫浩，孟新秋，高永濤，吳瓊，張光

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

無底柱分段崩落法不同放礦方式下崩礦步距研究

金愛兵，孫浩，孟新秋，高永濤，吳瓊，張光

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

以梅山鐵礦為研究對象，在分段高度×進(jìn)路間距為18 m×20 m的大結(jié)構(gòu)參數(shù)下，設(shè)置不同的步距，分別采用無貧化放礦、低貧化放礦和現(xiàn)行截止品位放礦3種方式進(jìn)行相似材料模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)合PFC2D數(shù)值模擬，分別從正面和側(cè)面2個方向?qū)ΦV石回收及廢石混入進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果表明：無貧化放礦、低貧化放礦和截止品位放礦3種出礦方式的最優(yōu)崩礦步距分別為4. 5，3.8和3.8 m。無貧化放礦方式基本不破壞礦巖界面的完整性，減少礦巖的混雜機(jī)會，因而能最大限度地降低貧化；不同的放礦方式有不同最優(yōu)放礦步距，當(dāng)終止出礦時(shí)，步距較大，則混入廢石主要來源于上部，正面殘留較多；當(dāng)步距較小時(shí)，正面廢石會過早混入，整體回收率低；當(dāng)步距適中時(shí)，正面廢石和上部廢石同時(shí)混入，回收效果較好。

無底柱分段崩落；放礦方式；崩礦步距；相似材料模擬；數(shù)值模擬

目前，在國內(nèi)有85%的鐵礦山在地下開采時(shí)采用崩落法開采，在國外，大約有25%的礦山采用崩落法開采[1]。由于崩落法采礦法具有覆巖下放礦的特點(diǎn)，采出礦石的損失與貧化都很大，加上采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不是最優(yōu)及放礦管理不當(dāng)，造成大量礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，直接導(dǎo)致礦山經(jīng)濟(jì)效益下降[2]。一條回采巷道通常要進(jìn)行多次崩礦，對于當(dāng)前步距崩落的礦石，其上部和正面是被廢石包圍的，在鏟運(yùn)機(jī)出礦的過程中，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)可能產(chǎn)生不同情況的廢石混入。正面廢石可能早于上部廢石混入礦石產(chǎn)生貧化，也可能晚于或與上部廢石同時(shí)混入礦石。目前研究放礦的方法主要有室內(nèi)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)3大類。在室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)中，主要針對對回收效果影響最大的3個因素(即進(jìn)路間距、分段高度以及崩礦步距)進(jìn)行研究[3?10]。現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)反應(yīng)現(xiàn)場情況，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，一個實(shí)驗(yàn)從設(shè)計(jì)到完成可能需要若干年，周期較長，而且受現(xiàn)場爆破等生產(chǎn)條件影響較大[11]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算方法得到越來越廣泛的關(guān)注和使用[12?13]。顆粒流程序(PFC)是基于離散單元法對非連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究的方法，既可以模擬圓形顆粒間的運(yùn)動和相互作用，在研究非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問題方面有很大的優(yōu)勢，也可以模擬礦石顆粒的運(yùn)移過程，因此，近年來在放礦領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[14?19]。梅山鐵礦為一大型緩傾斜極厚礦體，采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采。實(shí)際生產(chǎn)段的進(jìn)路間距×分段高度仍為 15 m×15 m，崩礦步距為2.4 m；現(xiàn)階段正在?318 m水平進(jìn)行現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)，分段高度×進(jìn)路間距為18 m×20 m，崩礦最大步距為2.8 m。但由于爆破效果不佳，極易造成大塊堵塞現(xiàn)象；同時(shí)，梅山鐵礦采用截止品位放礦方式進(jìn)行出礦管理，貧化率較高，因此，有必要對不同放礦方式下最優(yōu)崩落步距進(jìn)行研究。無底柱分段崩落法放礦方式可分 3種：截止品位放礦、無貧化放礦和低貧化放礦。每種放礦方式都有其對應(yīng)的最優(yōu)崩礦步距。本文作者以梅山鐵礦為研究對象，在確定分段高度和進(jìn)路間距的前提下，通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，研究崩礦步距及放礦方式對礦石回收率及貧化率的影響。在此基礎(chǔ)上，采用PFC2D軟件對其結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

1 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)采用的模型實(shí)體及裝料情況如圖1所示。模型相似比為1:100，分3個分段，每分段4～5個進(jìn)路，分段高度×進(jìn)路間距為18 m×20 m。模型高×寬×長為 1.0 m×0.25 m×1.0 m，進(jìn)路寬×高為 5.4 cm×3.8 cm。

實(shí)驗(yàn)中所使用的松散材料應(yīng)滿足在放礦過程中不破碎，能長期保持原有物理力學(xué)性質(zhì)，且礦石與廢石的顏色有顯著區(qū)別，易于分選。因此，在保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，為方便礦巖分選，本次實(shí)驗(yàn)中廢石采用品位為 0的大理石，礦石采用梅山的磁鐵礦，礦石和廢石粒徑范圍為5～10 mm，礦石密度kρ′為3.8 g/cm3，裝填密度kρ為2.8 g/cm3，廢石密度fρ′為2.20 g/cm3，裝填密度fρ為1.4 g/cm3。化驗(yàn)所得磁鐵礦平均品位為39.79%，近似為40%。

共設(shè)計(jì)3種不同貧化程度的放礦實(shí)驗(yàn)方案，停止出礦時(shí)當(dāng)次礦巖品位分別為 C0=40%(無貧化)，CCj1=30%(低貧化)和 CCj2=25%(截止品位)，每個放礦口單次出礦200 g左右稱量1次。為便于實(shí)際操作，將截止出礦品位換算成廢石與礦巖質(zhì)量比，換算結(jié)果如表1所示(如方案Ⅱ中，廢石混入率為25%表示當(dāng)次放出礦巖中廢石占礦巖總質(zhì)量25%時(shí)停止出礦)。

表1 指標(biāo)換算Table 1 Indicators conversions

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 相似材料實(shí)驗(yàn)Fig. 1 Similar material experiments

設(shè)置4，5，6和7 m這4種放礦步距，針對上述3種不同貧化程度的放礦方式，每種進(jìn)行4次放礦實(shí)驗(yàn)，共計(jì)12次實(shí)驗(yàn)，以步距為6 m、采用截止品位方式放礦為例，分段放礦如圖1所示。裝礦前用隔板插入插槽隔開礦石和正面廢石，裝填到3個分段高度后抽出隔板，在礦巖上部繼續(xù)裝廢石形成上部覆巖，裝填結(jié)束后模型正視圖如圖1(a)所示。圖1(b)，(c)和(d)所示分別為第1，2和3分段放礦結(jié)束時(shí)狀況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示，其中：無貧化(a)和低貧化(a)分別表示相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的第3分段截止出礦條件采用無貧化和低貧化的放礦方式；無貧化(b)和低貧化(b)均表示相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的第3分段截止出礦條件采用截止品位放礦方式。

表2 回收率與步距關(guān)系Table 2 Relationship between recovery rate and caving steps%

表3 回貧差與步距關(guān)系Table 3 Relationship between caving steps and subtraction of recovery and dilution %

在放礦步距為5 m，以無貧化放礦方式進(jìn)行回收的放礦實(shí)驗(yàn)操作過程中，當(dāng)上部礦石離放礦口仍有一段距離時(shí)，正面廢石已經(jīng)開始混入，回收效果較差，由此推斷放礦步距為4 m時(shí)這種情況會更早發(fā)生，回收效果會更差，因此，沒有進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)表2繪制總回收率隨步距變化關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2(a)可以看出：在第3分段截止出礦條件分別采用各自的放礦方式進(jìn)行時(shí)，無貧化放礦方式受步距影響非常大；在放礦步距為6 m時(shí)，3種放礦方式總回收率十分接近；在其他步距情況下，截止品位放礦回收率均大于低貧化放礦的回收率。從圖2(b)可以看出：在第 3分段截止出礦條件均采用截止品位放礦方式進(jìn)行時(shí)，無貧化放礦方式在放礦步距為5 m時(shí)總回收率依然很低，但在放礦步距為6 m時(shí)，其總回收率比其他2種放礦方式的高，在放礦步距為7 m時(shí)3種放礦方式總回收率相近。

圖2 回收率隨步距變化關(guān)系Fig. 2 Relationship between caving steps and recovery rate

圖3 所示為回貧差隨放礦步距的變化關(guān)系曲線?？紤]到廢石混入率這一回收指標(biāo)，以回貧差作為衡量回收效果的標(biāo)準(zhǔn)。從圖3可以看出：無論第3分段采用何種放礦方式作為截止出礦條件，無貧化、低貧化、截止品位3種放礦方式對應(yīng)的回貧差都分別在放礦步距為6，5和5 m時(shí)最大，所以，3種放礦方式對應(yīng)的最優(yōu)放礦步距分別為6，5和5 m。采用低貧化出礦方式下，步距對回收率影響最小，而且在4個不同放礦步距下，低貧化放礦方式的回貧差均高于截止品位放礦方式的回貧差。

圖3 回貧差隨步距變化關(guān)系Fig. 3 Relationship between caving steps and subtraction of recovery and dilution

2 PFC數(shù)值模擬研究

顆粒流(PFC)作為一種特殊的離散元，主要用于研究巖石類材料基本特性、顆粒物質(zhì)動力響應(yīng)、巖石類介質(zhì)破裂和破裂發(fā)展等基礎(chǔ)性問題。因此，該方法非常適合研究崩落法條件下礦巖運(yùn)移規(guī)律。本文作者采用PFC2D數(shù)值模擬軟件分別就脊部殘留和正面殘留以及靠壁殘留3個礦石殘留體的回收情況及礦石回收過程廢石混入情況進(jìn)行研究。

2.1 模型建立

圖4所示為模型示意圖。其中，正面放礦模型與相似模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)相對應(yīng)，分3個分段，每個分段高度為18 m，上覆廢石層厚度為18 m(圖4(a))；端部放礦模型礦石層厚度為36 m，中間部分為脊部殘留，最下部分為出礦進(jìn)路(圖 4(b))。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。PFC建模首先需要將建模所需細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀試驗(yàn)參數(shù)匹配，即進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)參數(shù)調(diào)試。本次模擬采用的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)如表4所示。其中，礦巖顆粒密度為實(shí)際礦巖散體的實(shí)體密度，孔隙率及摩擦因數(shù)分別通過裝料情況和自然安息角計(jì)算獲得，而墻體及礦巖顆粒的剛度則經(jīng)反復(fù)調(diào)試后確定。當(dāng)采用表4中所示法向和切向剛度時(shí)，數(shù)值實(shí)驗(yàn)所得物理力學(xué)參數(shù)與實(shí)際礦巖散體的宏觀物理力學(xué)參數(shù)基本吻合。

圖4 模型示意圖Fig. 4 Schematic diagrams of the model

表4 顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 4 Particle mesomechanics parameters

2.2 模擬過程及結(jié)果

采用Fish語言編寫代碼，第1分段放礦時(shí)固定邊孔角及放礦口以下的顆粒，每隔一定步數(shù)統(tǒng)計(jì)落入放礦口區(qū)域內(nèi)的礦巖平均品位，與設(shè)定的截止品位對比，之后刪除落入放礦口內(nèi)的顆粒，一旦平均品位小于截止品位即終止出礦。對于無貧化放礦，當(dāng)落入放礦口內(nèi)礦巖平均品位低于40%時(shí)，停止出礦。第1分段放礦完成之后解除下一分段顆粒的約束，重復(fù)上述操作進(jìn)行下一分段放礦。

圖5所示為其脊部殘留回收數(shù)值模擬過程。無貧化放礦一旦遇到廢石就停止出礦，礦巖界面的完整性基本不受破壞，在整個開采期間呈曲線狀均勻下降，在出礦水平以上形成廢石隔離層，能夠隔離廢石與礦石，大大減少礦巖混入的機(jī)會。放出體形態(tài)為近似橢球體。從圖5可以看出：崩落礦石殘留體的形態(tài)與放出體形態(tài)保持一致，上一分段脊部殘留的礦石在下一分段能夠很好地得到回收，從而使放礦取得良好的效果。因此，礦石殘留體對于采用無貧化放礦取得良好放礦效果是極為重要的。

圖5 脊部殘留回收數(shù)值模擬過程Fig. 5 Numerical simulation of recycling processes of ridges residue

圖6 所示為端部出礦的數(shù)值模擬過程。圖中上層顆粒層表示上覆廢石層，中間顆粒層表示脊部殘留體，下層顆粒層表示當(dāng)前分段未崩落礦體。由于第1步距的礦石正面為切割形成的自由面，不存在崩落的松散廢石，所以，模擬過程以右墻替代，而第2步距的放礦廢石來源有正面和上面2個面。由圖6可知：當(dāng)步距為5 m時(shí)，可以看出上部廢石距離出礦口還有一段距離，在本步距很多礦石未放出時(shí)，正面廢石率先混入導(dǎo)致貧化，礦石回收率較低；當(dāng)步距為6 m時(shí)，正面廢石和上部廢石基本同時(shí)到達(dá)出礦口；當(dāng)步距為 7 m時(shí)，上部廢石到達(dá)出礦口時(shí)，正面廢石仍未到達(dá)，導(dǎo)致正面殘留較多，導(dǎo)致回收率低；整個放礦過程靠壁殘留體較少。

本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中礦石回收效果與相似材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，即以回貧差作為判斷指標(biāo)，無貧化、低貧化和截止品位3種放礦方式對應(yīng)的回貧差分別在放礦步距為6，5和5 m時(shí)達(dá)到最大，且采用低貧化放礦方式的回貧差均高于截止品位放礦方式的回貧差。因此，在條件允許的情況下，當(dāng)分段高度×進(jìn)路間距為18 m×20 m時(shí)，建議優(yōu)先考慮低貧化或無貧化放礦方式，放礦步距為5 m或6 m左右。

圖6 端部出礦數(shù)值模擬過程Fig. 6 Numerical simulation of recycling process of face-end

3 討論

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，品位低于一定值的礦石及圍巖都被定義為廢石，也就是說廢石中會含有一定量的鐵礦石。達(dá)到終止出礦條件時(shí)實(shí)際生產(chǎn)過程中的廢石混入量要比室內(nèi)相似材料模擬試驗(yàn)的大，但由于混入的廢石中除了含有品位為0的巖石之外，還含有一定的鐵礦石，所以，2種試驗(yàn)結(jié)果并無太大差別，張志貴等[11]的研究也證明了這一觀點(diǎn)。

崩礦步距為回采爆破過程每次崩落的礦石層厚度，放礦步距是爆破之后松散的礦巖厚度。限于室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)無法模擬爆破，裝填的礦石廢石均為松散的顆粒，所以，實(shí)驗(yàn)得到的步距均為放礦步距。張成舜等[20]的研究表明：存在1個步距系數(shù)K，能夠反映實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工業(yè)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系。K為放礦步距與崩礦步距的比值，其范圍為1.00～2.00，梅山鐵礦步距系數(shù)則為1.32左右。本文室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明3種放礦方式下的最優(yōu)放礦步距分別為：無貧化的為6 m，低貧化和截止品位的為5 m，所以其對應(yīng)的最優(yōu)崩礦步距應(yīng)分別為4.5，3.8和3.8 m。

無貧化放礦形成的礦石殘留體，因具有“前面留、后面收”的特點(diǎn)而可以得到充分回收，使崩落礦石殘留體的形態(tài)最大限度地與放出體形態(tài)保持一致，從而使放礦取得良好的回收效果；圖7所示為無貧化和截止品位放礦對比。由圖7可知：采用無貧化放礦方式回采的過程中(圖7(a)～(b))，礦巖接觸較采用截止品位的(圖7(c)～(d))要少很多，有明顯的廢石隔離層，減少了礦巖混雜的機(jī)會。脊部殘留在后一分段(圖 7(b))可以很好地回收。截止品位一般都比較低，截止放礦時(shí)的巖石混入率通常在50%左右[11]。采用截止品位放礦，每個步距、每個分段都要放出大量的廢石，廢石移動漏斗都會產(chǎn)生破裂并發(fā)展到極限，這樣不僅增加了礦巖接觸面的面積，而且明顯增加了礦巖相互混雜的程度。礦巖混雜程度的增加和接觸面積的增大，必然造成礦巖混雜層的體積增加并使混雜層的巖石的含量增高，從而造成更大的礦巖混雜損失。

圖 7 無貧化和截止品位放礦對比Fig. 7 Comparison between cut-off grade drawing method and non-dilution drawing method

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)所得3分段回收情況如表5所示。第3分段均采用截止品位方式回收。表中數(shù)據(jù)為每個分段各自的回收率，由于第2和第3分段回采時(shí)會回收上部分殘留的礦石，所以該分段回收率大于100.00%。從表5可以看出：采用3種方式的最終總回收率相差不大。無貧化、低貧化、截止品位3種放礦方式在各自最優(yōu)步距下的回貧差分別為 85.4%，82.6%和77.5%。因此，無貧化放礦具有“上丟下采”的特點(diǎn)，能最大限度地降低貧化，減少礦巖的混雜機(jī)會，取得良好的回收效果。

表5 3種放礦方式回收率Table 5 Recovery rates of three drawing modes %

但在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐過程中礦體不可能是完全的塊狀礦體，無貧化放礦遇到廢石就停止出礦顯然不合實(shí)際，而低貧化放礦簡單可操作，不像截止品位放礦那樣以完全以礦塊為回采單元，貧化率極大。此外，低貧化放礦室內(nèi)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很理想，所以很適合在礦山使用。

4 結(jié)論

1) 采用不同放礦方式有不同的最優(yōu)崩礦步距，無貧化放礦、低貧化放礦和截止品位3種放礦方式的最優(yōu)的崩礦步距分別為4.5，3.8和3.8 m。

2) 無貧化放礦基本上不破壞礦巖界面的完整性，減少礦巖的混雜機(jī)會，能最大限度地降低貧化，在條件允許的情況下回收效果最好，但實(shí)際生踐過程較難實(shí)現(xiàn)，且受步距影響較大。

3) 低貧化放礦回收效果較截止品位放礦效果好，在一定范圍內(nèi)步距對其影響較小。

4) 不同的放礦方式有不同最優(yōu)放礦步距。終止出礦時(shí)步距較大則混入的廢石主要來源于上部，正面殘留較大；步距較小時(shí)正面廢石會過早混入，整體回收率低；步距適中時(shí)正面廢石和上部廢石同時(shí)混入，回收效果較好。

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Study of best caving steps under different ore methods of sublevel caving

JIN Aibing, SUN Hao, MENG Xinqiu, GAO Yongtao, WU Qiong, ZHANG Guang

(School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Choosing Meishan iron mine as the subject, similar material simulation experiments were conducted with large structural parameters of 18 m×20 m. By setting up different caving steps, three caving methods, i.e., none dilution caving method, low dilution caving method and the current cutoff caving method under different caving steps, were used.Then, the details of ore recycling and rock mixing were simulated by using PFC2Dnumerical simulation software. The results show that the best caving step of these three caving methods are 4.5, 3.8 and 3.8 m, respectively. Non-dilution drawing mode essentially does not destroy the integrity of the ore mine rock interface, and reduces the opportunities for mine rock hybrid, which can minimize dilution. Different methods have different optimal caving steps. When the caving step is large, waste rocks mixed in ore come from the upper and leave more positive residual. On the contrary, when the caving step is small, waste rocks from the front firstly mix into ore, resulting in low recoveries. When the caving step is medium, waste rocks from the front and up mix into ores at the same time, resulting in good recovery.

sublevel caving; ore method; caving step distance; similar material simulation; numerical simulation

TD85

A

1672?7207(2017)11?3037?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.026

2016?12?25；

2017?02?16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374032，51674015)；科技北京百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程基金資助項(xiàng)目(Z151100000315014)(Projects(51374032, 51674015) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(Z151100000315014) supported by the Beijing Training Project for the Leading Talents in Science and Technology)

金愛兵，博士，教授，從事巖土工程災(zāi)害治理研究；E-mail: jinaibing@ustb.edu.cn

(編輯 伍錦花)