王劉寶， 劉艷章，2， 李 偉， 蔡原田， 肖金濤， 王 瑾

（1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081； 2.武漢科技大學(xué) 冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081）

地下生產(chǎn)礦山，由于采場采出礦石的塊度大小不 一，級配存在差異，卸入溜井內(nèi)的礦石在放礦過程中，放出礦石的粒級會發(fā)生波動，不利于后續(xù)放礦工藝管理。 對于大部分已經(jīng)投產(chǎn)的地下礦山，溜井結(jié)構(gòu)、貯放礦管理工序等已經(jīng)固定，顆粒級配成為影響溜井放礦過程中礦石混合特性的主控因素［1］。

近年來有學(xué)者以放礦理論為基礎(chǔ)，采用標(biāo)志顆粒法，分析了崩落覆巖下放礦時不同粒度礦石顆粒的運移、滲透特性［2-3］及放出礦石品位變化特征［4-6］；還有學(xué)者通過室內(nèi)小型物料分級模擬試驗，分析了粒徑對物料分級特性的影響［7-9］。 上述關(guān)于散體物料混合、分級的研究，對分析溜井放礦過程中礦石混合特性具有一定的借鑒意義，但由于溜井結(jié)構(gòu)構(gòu)造及井內(nèi)散體受限狀態(tài)不同，上述研究成果并不完全適用于溜井。本文以湖北金山店鐵礦主溜井放礦過程為背景，定義中值粒徑偏析量作為礦石混合特性的定量評價指標(biāo)，借助相似試驗、數(shù)值模擬等手段，分別采用不同品位礦石，研究了主溜井放礦過程中顆粒級配對礦石混合特性的影響，為金山店鐵礦主溜井入井礦石級配控制提供指導(dǎo)。

1 工程概況

金山店鐵礦分東、西兩個采區(qū)回采礦石，其中，東采區(qū)采出礦石品位平均為30%～35%，西采區(qū)采出礦石品位通常比東采區(qū)高5%～15%，平均為50%左右。該礦采用無底柱分段崩落法回采礦石，階段高度70 m，目前，生產(chǎn)作業(yè)主要集中在-410 m 水平，該水平采出的礦石經(jīng)-410 m 卸載站卸入-410 ～-480 m 主溜井，經(jīng)-480 m 破碎站破碎后由箕斗提升至地表。

金山店鐵礦-410 ～-480 m 水平主溜井采用圓形水平斷面結(jié)構(gòu)布置，包括溜礦段和貯礦段兩部分，如圖1所示。 該水平溜井貯礦段高度38.0 m，貯礦段上部為礦倉，直徑6 000 mm，其表面噴射C30 混凝土支護(hù)，貯礦段下部為放礦漏斗，其結(jié)構(gòu)形似直角圓錐臺［10-11］，放礦漏斗上、下口直徑分別為6 m 和3 m ，高4.284 m，放礦漏斗角55°，采用鋼襯板支護(hù)漏斗壁。 主溜井內(nèi)礦石粒徑分布在0 ～60.0 cm 范圍內(nèi)，具體粒徑分布如表1 所示。 實際生產(chǎn)中，由于0 ～15.0 cm 礦石粒度遠(yuǎn)小于井內(nèi)其他礦石粒度，幾近粉狀，通常將該范圍內(nèi)的礦石稱為粉礦［12］，其含量通常在11%～19%范圍內(nèi)波動。 貯礦高度一般控制在25.0 m。

圖1 -410～-480 m 水平主溜井結(jié)構(gòu)示意

表1 -410～-480 m 水平現(xiàn)場礦石粒徑范圍及質(zhì)量占比

2 礦石混合特性相似試驗

2.1 相似試驗條件

本文采用文獻(xiàn)［13］中構(gòu)建的溜井溜放礦相似試驗平臺，開展相似試驗研究。 試驗中的溜井井筒模型由C30 混凝土制備，該溜井井筒模型制備的幾何相似比和應(yīng)力相似比同為40、礦石密度與現(xiàn)場放礦密度一樣，即礦石密度相似比為1。 試驗用礦石分別取自礦山東、西采區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場，其中，西采區(qū)取樣3 次，礦樣品位編號分別為G1、G2和G3；東采區(qū)取樣4 次，礦樣品位編號分別為G4、G5、G6和G7。 對取回的代表性礦樣進(jìn)行TFe 品位化驗和密度測定，化驗及測定結(jié)果如表2 所示。

表2 礦樣品位及其密度

根據(jù)表2 所得結(jié)果，采用回歸分析法，對品位與密度的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合方程為：

由式（1）可知，礦樣品位與其密度呈線性正相關(guān)，礦樣密度越大，其品位越高。 此外，線性相關(guān)系數(shù)的平方值R2＝0.970 6，趨近于1，表明兩者的線性度較高。

根據(jù)現(xiàn)場礦石粒徑范圍，按幾何相似比制備試驗礦樣（見表3），試驗過程中按表3 中的礦石粒徑進(jìn)行調(diào)控。 為了排除其它因素對研究結(jié)果的影響，采用烘干礦樣（含水率為0%）進(jìn)行研究。

表3 試驗礦樣粒徑

2.2 相似試驗方案設(shè)計

有研究指出，溜井放礦過程中，井內(nèi)小粒徑礦石和粉礦是影響放出礦石混合特性的重要因素，其中，粉礦由于其較好的滲透性，對放出礦石混合特性影響最強(qiáng)［14］。 根據(jù)金山店鐵礦主溜井內(nèi)礦石的實際級配及粉礦含量，設(shè)計了以2%粉礦含量為梯度，11%～19%范圍內(nèi)5 種不同粉礦（粒徑范圍0～15.0 cm）含量的級配方案，并采用G1～G7共7 種不同品位的礦樣分別對每一級方案進(jìn)行放礦試驗。 研究方案如表4 所示。

表4 研究方案

表4 中，Gi表示礦樣品位編號，i 表示品位序列，i＝1～7。 Pj表示級配方案編號，j 表示級配方案序數(shù)，j＝1～5；k 表示粒徑范圍編號，k ＝1 ～4；ωjk表示各粒徑范圍礦石的質(zhì)量比例。

表4 所示的研究方案中，各級配方案下粉礦（0 ～15.0 cm）含量ωj1已知，在計算各級配方案下其他粒徑范圍的質(zhì)量比例時，以同一級配方案下各粒徑范圍質(zhì)量比例之和等于1 為基本原理，以粉礦含量為15%對應(yīng)級配方案中各粒徑范圍的質(zhì)量比例為基準(zhǔn)（即表4中的ω3k），依據(jù)下式計算其他方案中各個粒徑范圍礦石對應(yīng)的質(zhì)量比例［15］。

式中j 為級配方案序數(shù)，j＝1～5；k 為粒徑范圍編號，此處k ＝2，3，4，特別地，由于k ＝1 時對應(yīng)的各方案中粉礦含量已認(rèn)為設(shè)定，故無需再計算ωj1。

2.3 礦石混合特性評價指標(biāo)

主溜井放礦過程中，使用中值粒徑這一指標(biāo)評價放出礦石的混合狀況，可以較直觀地反映放出礦石顆粒分布和混合狀況，但是，其值只能對單一級配下的礦石混合狀況進(jìn)行評價，一旦需要對多種級配方案下的礦石混合狀況進(jìn)行比較及評價時，由于多種級配方案下放礦前入井中值粒徑的不同和放礦后混合礦樣中值粒徑的差異等因素，使得中值粒徑這一指標(biāo)對多種級配方案間礦石混合狀況及級配的變化特征難以做出直觀明晰地比較。 本文以前文所述的中值粒徑為基礎(chǔ)，定義中值粒徑偏析量（MDS）研究多種級配方案間礦石混合狀況和級配變化特征。 中值粒徑偏析量（MDS）為一個相對量，由放出混合礦樣的中值粒徑（d50）與放礦前初始中值粒徑（d50′）的差值與d50′相比所得：

2.4 相似試驗結(jié)果

放礦前，根據(jù)礦石粒徑分布曲線，得到不同級配方案下放礦前的初始不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)和中值粒徑如表5 所示。

表5 放礦前各級配方案初始參數(shù)

顆粒間不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)是判定顆粒級配情況、密實性能的兩個重要指標(biāo)，只有當(dāng)不均勻系數(shù)超過5 和曲率系數(shù)處于1 ～3 范圍內(nèi)時，方可判定顆粒密實度較高、級配良好［16］。 分析表5 中的GiP1～GiP5可知，各級配曲線的曲率系數(shù)均在1 ～3 之間，但不均勻系數(shù)均小于5，不滿足顆粒級配良好和高密實度條件，因此，這5 種級配方案下，顆粒彼此間的密實程度不高。

試驗過程中，按表4 中各研究方案下既定的級配要求，首先將同一品位、不同粒徑的礦石均勻混合，再將混合均勻后的礦樣注入溜井井筒模型至625 mm處，待混合均勻的礦樣注入井筒模型內(nèi)靜置0.5 h 后，再分次抽開放礦漏斗角底部放礦板，每次放出高度125 mm，共分5 次放礦。 根據(jù)放出礦樣結(jié)果，統(tǒng)計放出礦樣不同粒徑礦石質(zhì)量，繪制放出礦樣粒徑分布曲線，可得到不同方案下放出混合礦樣的中值粒徑如表6 所示。

表6 相似試驗中不同研究方案下放出混合礦樣中值粒徑

3 礦石混合特性數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)金山店鐵礦主溜井結(jié)構(gòu)，采用PFC3D 離散元數(shù)值分析軟件建立主溜井貯礦段數(shù)值模型，如圖2 所示。 數(shù)值模型中的井壁和放礦漏斗均由“make walls command”命令生成，礦石顆粒則由“generate balls”命令隨機(jī)生成。 主溜井的其他尺寸參數(shù)同圖1 保持一致，貯礦高度仍為25.0 m。

圖2 主溜井貯礦段數(shù)值模型

為了滿足級配要求，放礦前，需不斷調(diào)整礦石顆粒的生成數(shù)目，并對顆粒體積進(jìn)行統(tǒng)計，通過顆粒密度換算為相應(yīng)的質(zhì)量，經(jīng)多次調(diào)整，使生成的礦石顆粒滿足試驗方案中的級配要求。 根據(jù)試驗測定的礦石及井壁支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)，參照文獻(xiàn)［14］采用文獻(xiàn)調(diào)研及散體剪切試驗等方法確定的材料屬性參數(shù)，本文數(shù)值計算采用的材料參數(shù)見表7。

表7 數(shù)值計算材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬過程中，將注入溜井內(nèi)的礦石分5 次放出，每次放出高度為5 m。 根據(jù)放出礦樣結(jié)果，統(tǒng)計放出礦樣不同粒徑礦石質(zhì)量，繪制放出礦樣粒徑分布曲線，可得到不同方案下放出混合礦樣的中值粒徑，如表8 所示。

4 相似試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比及分析

根據(jù)相似試驗和數(shù)值模擬得到的不同方案下放出混合礦樣中值粒徑（d50），并結(jié)合相似試驗和數(shù)值模擬的放礦前初始中值粒徑（d50′），通過中值粒徑偏析量計算公式得到所有研究方案下的MDS。 同一級配方案，不同品位礦石計算所得MDS 的相似試驗與數(shù)值模擬對比結(jié)果如圖3 所示。

表8 數(shù)值模擬中不同研究方案下放出混合礦樣中值粒徑

續(xù)表8

同一品位、不同級配方案下，相似試驗與數(shù)值模擬計算得到的MDS 對比結(jié)果如圖4 所示。

圖3 同一顆粒級配下中值粒徑偏析量對比

分析圖3 和圖4 可知，由于相似試驗過程中放礦分為5 次，多次的貯放礦過程，尤其是放礦初始和停止時刻，井內(nèi)部分品位礦石發(fā)生碰撞破碎，使得該品位礦石放出質(zhì)量較放礦前質(zhì)量些許減少，進(jìn)而造成部分方案下的放出礦石中值粒徑發(fā)生波動，但對比相似試驗和數(shù)值模擬結(jié)果可知，兩者的變化情況基本一致。此外，由圖3 和圖4 分析可知，同一級配方案下，不同品位礦石放礦計算得到的MDS 變化趨勢基本一致，隨著放礦品位升高，MDS 均不斷減??；同一放礦品位下，粉礦含量占比增加，MDS 變化情況由小變大。 當(dāng)級配方案中粉礦含量占比為13%時，相似試驗和數(shù)值模擬計算得到的MDS 均最小，放出礦石中值粒徑波動情況最小，該粉礦含量下放出礦石混合均勻，混合狀況最優(yōu)。

圖4 同一品位下中值粒徑偏析量對比

同一級配、不同品位下，隨著入井礦石品位升高，前3 次放礦所得放出礦石中值粒徑越大，而后2 次放礦所得放出礦石中值粒徑越小。 分析上述變化情況，原因可能為：入井礦石品位越高，其密度越大，井內(nèi)礦石顆粒密實性越高，小粒徑的礦石越難以向放礦口滲透，使得前3 次放礦小粒徑礦石量占比越小，放出礦石中值粒徑越大，后2 次放礦小粒徑礦石量占比越大，放出礦石中值粒徑越小。 隨著入井礦石品位升高，井內(nèi)礦石密實性越高，小粒徑礦石滲透作用越弱，放出礦石中值粒徑波動幅度逐漸減小，MDS 越小，礦石混合狀況越好。

同一品位、不同級配下，隨著級配中粉礦含量的增加，放出礦石中值粒徑及MDS 表現(xiàn)出上述變化的原因可能為：研究方案中入井礦樣密實性較低，大顆粒間空隙大，小顆粒向放礦口滲透性強(qiáng)，前2 ～3 次放礦中，小粒徑礦石量占比大，放出礦石中值粒徑偏小，后2 ～3次放礦，由于放出礦石中小粒徑礦石量占比小，放出礦石中值粒徑偏大。 同一品位下，隨著級配中粉礦含量由11%逐漸增大至17%，井內(nèi)礦石密實性逐漸增大，小粒徑礦石滲透性能逐漸減弱，使得MDS 逐漸減??；當(dāng)級配中粉礦含量增至19%時，礦石密實性能相對較高，小粒徑礦石滲透性能較弱，在放礦過程中，井內(nèi)礦石易在粉礦和其他級配的礦石相互作用下形成平衡拱進(jìn)而破壞井內(nèi)礦石正常流動，使得放出礦石中值粒徑偏析程度和波動幅度變大。

5 結(jié) 論

1） 同一級配方案下，不同品位礦石放礦計算得到的放出礦石MDS 變化趨勢基本一致，隨著入井礦石品位升高，放出礦石MDS 均不斷減小，表明礦石混合情況變好。

2） 同一品位、不同級配下，級配中粉礦含量占比增加，放出礦石MDS 表現(xiàn)為先減小后增大，表明礦石混合情況先變好再變差。

3） 級配方案中粉礦含量占比為13%時，此級配方案下放出礦石MDS 最小，表明礦石混合情況最優(yōu)。

4） 中值粒徑偏析量（MDS）統(tǒng)一了不同級配方案下放出礦石中值粒徑波動的比較標(biāo)準(zhǔn)，便于不同級配方案之間的比較，較好地反映了不同級配下礦石的混合特性。