羅 佳,劉 超,柳小勝,薛小蒙,賴 偉,莫東旭
(1.長沙礦山研究院有限責任公司,長沙 410012;2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室,長沙 410012)
無底柱分段崩落法的覆蓋層有兩個重要作用:一是形成擠壓爆破和端部放礦的條件;二是起到緩沖沖擊氣浪的作用。合理的覆蓋層厚度對無底柱分段崩落法的技術(shù)經(jīng)濟指標和生產(chǎn)安全有重要影響。目前對崩落法開采覆蓋層的研究主要有相似模擬實驗和數(shù)值模擬試驗,比如:王述紅[1]、何佳峰[2]通過室內(nèi)相似模擬實驗對崩落法開采覆蓋層合理保有厚度進行了相關(guān)實驗,結(jié)果表明采用低貧化放礦方式時,覆蓋層厚度最小可取分段高度作為覆蓋層的保有厚度;獅子山銅礦與馬鞍山礦山研究院聯(lián)合委托解放軍89002部隊進行模擬實驗研究[3-4],實驗得出了氣浪經(jīng)過散體墊層后的壓力與墊層厚度關(guān)系的回歸式;陳小偉[5]等對崩落法開采中覆蓋層的厚度對放出體形態(tài)影響開展了室內(nèi)實驗研究,結(jié)果表明隨著覆蓋層厚度的增加,放出的礦石逐漸減少,放出漏斗的角度逐漸增加,也就是說放出體的體積逐漸減小、形態(tài)變瘦;孫明偉[6]、田棟[7]]、甘德清[8]利用PFC顆粒流軟件模擬不同覆蓋層厚度下放礦,分析在不同覆蓋層厚度下放礦時礦石回收率、廢石混入率等指標,從而得出合理覆蓋層厚度。國內(nèi)崩落法采礦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)普遍小于20 m×20 m,關(guān)于覆蓋層厚度的研究,也主要集中在較小結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下。高分段大結(jié)構(gòu)是崩落法采礦發(fā)展的趨勢[9],對覆蓋層厚度的要求更高,急需要相關(guān)的理論與試驗研究。
某鐵礦地下開采一期設(shè)計年產(chǎn)能力為400×104t/a,一期礦體采用20 m×20 m(分段高度×進路間距)大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法開采,該參數(shù)經(jīng)過礦山多年生產(chǎn)實踐,取得了較好的經(jīng)濟效果。隨著開采的進行,生產(chǎn)逐漸往深部轉(zhuǎn)移,一期礦體逐漸減少,礦山開始了二期開采。為保證一、二期生產(chǎn)的正常銜接,二期開采沿用了高分段、大間距無底柱分段崩落法開采,進行了更大結(jié)構(gòu)參數(shù)崩落法采礦的試驗研究[10],分段高度×進路間距由20 m×20 m增加到30 m×20 m。本文從理論計算和PFC3D數(shù)值模擬方法對大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法覆蓋層的合理厚度進行了研究,從技術(shù)經(jīng)濟和安全的角度確定了覆蓋層的合理厚度。
松動橢球體的變化過程如圖1所示。當從底部放礦口放出礦石體積Q后,Q所占的體積由附近2Q范圍的礦石遞補,該過程使礦石產(chǎn)生二次松散,當二次松散的礦石增大的體積與放出的礦石的體積相等時,移動暫時停止。因此,實際補充的體積為:
Kε(2Q-Q)=KεQ
(1)
式中:Kε—二次松散系數(shù)。
2Q范圍剩余礦石的體積為:
Δ2=2Q-KεQ
(2)
依次類推,3Q遞補2Q,4Q遞補3Q,…,直至二次松散范圍停止擴展,則有:
Δn=nQ-Kε(n-1)Q=0
(3)
即:
(4)
故松動體與放出體存在如下關(guān)系:
(5)
式中:Qs—松動體體積;Q—放出體體積;
根據(jù)礦巖物理力學性質(zhì)取Kε=1.06~1.10,得Qs=(11~16)Q。本文取Qs=15Q,則由橢球體體積公式:
(6)
式中:ε—放出體偏心率;h—放出體高度。
可推出松動體高度:
(7)
hs=2.46h
(8)
式中:hs—松動體高度;h—放出體高度。
在放礦過程中確保分段礦石充分回收,其放出體高度和分段高度近似相等[11]。松動體高度與放出體高度的差即為合理的覆蓋層厚度。
H=hs-h=1.46h
(9)
某鐵礦二期分段高度30 m,進路間距20 m,則根據(jù)式(9)可計算出該礦合理的覆蓋層厚度為43.8 m。
圖1 松動體變化過程Fig.1 Change of loose body
覆蓋層的另一重要作用是起到緩沖沖擊氣浪的作用。如果開采在向下推進過程中,圍巖失穩(wěn)發(fā)生大規(guī)模冒落,將產(chǎn)生巨大的沖擊氣浪,破壞井下設(shè)施和傷害井下作業(yè)人員。覆蓋層散體對圍巖突發(fā)冒落時產(chǎn)生的載荷具有一定的濾波、消波作用[12],對氣浪具有阻滯和減速作用。
獅子山銅礦與馬鞍山礦山研究院聯(lián)合委托解放軍89002部隊進行模擬試驗研究[4-5],得出了氣浪經(jīng)過散體墊層后的壓力與墊層厚度關(guān)系的回歸式:
P=0.045e-0.3δ
(10)
以及氣浪通過墊層后的風速與墊層厚度的函數(shù)關(guān)系:
v=20.1-1.9δ+0.087δ2
(11)
式中:δ—散體墊層厚度,m。
1)最大風壓和最大風速的計算
在頂板下落過程中,風壓(P)與下落時間(t)經(jīng)驗公式為:
P=0.0514t2-0.294t+1.474,2.5
(12)
沿空區(qū)不同高度(H)與最大風速(vmax)的經(jīng)驗公式為:
(13)
某鐵礦二期采用高階段開采,階段高度為200 m。按式(13)計算空區(qū)高度為200 m時,頂板巖體落下時的最大風速vmax=63.39 m/s。
根據(jù)自由落體計算時間t=v/g=6.468 s,按式(8)計算出風壓為P=1.72 kg/cm2。
2)安全墊層厚度的計算
某鐵礦空區(qū)頂板冒落時的最大風壓為1.72 kg/cm2,最大風速為63.39 m/s;而獅子山銅礦試驗時測定的最大風壓為1.40 kg/cm2,最大風速為53.09 m/s。可得修正系數(shù)計算如下:
風壓的修正系數(shù)kp=1.72/1.40=1.23;風速的修正系數(shù)kv=63.39/53.09=1.12。
金屬礦山巷道內(nèi)人員可承受的壓力限度為0.003 MPa,可承受的風速限度為12 m/s。據(jù)此限定條件由式(10)、式(11),并考慮修正系數(shù)計算出某鐵礦的最小墊層厚度為:
減壓要求的最小散體墊層厚度為δp=11.25 m;減速要求的最小散體墊層厚度為δv=6.38 m。
取兩者之中數(shù)值較大者,同時考慮不確定性因素影響,確定最終的散體墊層厚度。由于某鐵礦采用200 m高階段、30 m高分段開采,現(xiàn)場條件復雜,為了保障研究結(jié)果的合理與科學性,取安全系數(shù)2.0,計算出某鐵礦的安全墊層厚度為22.5 m。
3.1.1 數(shù)值模型
通過離散元軟件PFC3D對無底柱分段崩落法放礦的模擬,研究分析某鐵礦高分段、大間距采場的合理覆蓋層厚度。結(jié)合前述理論計算結(jié)果,選取30、35、40、45、50、55和60 m共7個不同的覆蓋層厚度進行分析。
某鐵礦二期屬于高變分段放礦形式,分段高度有30 m和20 m。400~340 m為兩個30 m高分段,其余為20 m高分段,進路間距均為20 m。此外,根據(jù)礦山實際,以400 m為界其上、下分段邊孔角分別是45°和60°,模型結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Model Structural Diagram
利用墻表示各邊界,球表示礦石和廢石顆粒,采用不同半徑的顆粒模擬現(xiàn)場放礦中礦石與廢石粒徑的不均勻性。PFC3D數(shù)值模型與現(xiàn)場實際保持一致,其模型見圖3。
圖3 PFC3D數(shù)值模型Fig.3 PFC3D numerical model
崩落礦石和覆蓋層巖石均為散體顆粒,數(shù)值模擬所需的顆粒相關(guān)參數(shù)見表1。
3.1.2 數(shù)值模擬放礦試驗
數(shù)值模擬放礦采用低貧化放礦管理,即在第一、二分段進路放礦按5%(質(zhì)量)的廢石混入率進行控制放礦;其余分段按40%(質(zhì)量)的廢石混入率進行控制放礦。數(shù)值模擬放礦順序為:分段間從上至下、分段內(nèi)從左至右推進、進路內(nèi)由內(nèi)向外分步距放礦,各放礦口按照設(shè)定的廢石混入率放礦。限于篇幅,文中僅列出30 m覆蓋層厚度下放礦模擬過程(見圖4)。
表1 礦石和巖石顆粒參數(shù)Table 1 Particle parameters of ores and rocks
圖4 30 m覆蓋層厚度下放礦過程模擬Fig.4 Simulation of ore-drawing process with 30 m overburden thickness
圖4顯示,礦巖分界面隨放礦各進路、各分段的放礦呈現(xiàn)出漏斗形態(tài),這與實際放礦表現(xiàn)一致,說明模擬結(jié)果具有較高的可信度。
利用FISH語言編寫函數(shù),記錄各放礦口放出的礦石、廢石顆粒個數(shù)及質(zhì)量,從而獲得不同覆蓋層厚度下放礦時的礦石回收率、廢石混入率指標。模擬放礦試驗結(jié)果見表2,圖5為礦石回收率、廢石混入率隨覆蓋層厚度的變化曲線。
表2 模擬放礦試驗結(jié)果Table 2 Test results of simulated ore drawing
如圖5所示,隨著覆蓋層厚度的逐漸增大,礦石回收率呈先增大后減小的趨勢,覆蓋層厚度約為45 m時回收率最大;當覆蓋層厚度為40~50 m時,礦石回收率指標較好。隨著覆蓋層厚度的逐漸增大,在覆蓋層厚度小于50 m時,廢石混入率呈逐漸減小的趨勢;當覆蓋層厚度大于50 m時,廢石混入率呈略微增大的趨勢。隨著覆蓋層厚度的逐漸增大,回貧差呈先增大后減小的趨勢,其轉(zhuǎn)折點在覆蓋層厚度為45 m左右;當覆蓋層厚度為40~50 m時,回貧差指標較好。
圖5 礦石回收率、廢石混入率隨覆蓋層厚度變化曲線Fig.5 Curves of ore recovery and waste rock mixing rate varying with overburden thickness
PFC3D數(shù)值模擬結(jié)果表明,當采用截止品位放礦時,覆蓋層厚度為45~50 m時能取得較好的回貧差指標,覆蓋層厚度的最佳值為45 m。
1)根據(jù)放礦橢球體理論,計算出放礦過程中橢球體能發(fā)育完整時的覆蓋層厚度為43.8 m。當覆蓋層作為散體緩沖墊層,阻滯和減速沖擊氣浪,防止沖擊氣浪影響礦山安全時的覆蓋層厚度為22.5 m。
2)利用PFC3D對7個不同覆蓋層厚度條件下進行放礦模擬,分析不同厚度條件下礦石回收率、廢石混入率指標,當覆蓋層厚度為45 m時,礦石回收率、廢石混入率指標最優(yōu)。
3) 放礦橢球體理論和PFC3D數(shù)值模擬計算分析所得的結(jié)果較接近,而根據(jù)緩沖沖擊氣浪需要得出的覆蓋層厚度值較小。表明在取得較優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標的同時,覆蓋層厚度可以滿足生產(chǎn)安全。結(jié)合某鐵礦的實際情況,推薦分段高度為30 m時,其合理的覆蓋層厚度為45 m。