吳宇軒，陶干強，張 淦

（南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽421001）

無底柱分段崩落法采礦具有機械化程度高、安全性高、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于我國金屬礦山中。但因無底柱分段崩落法礦巖流動情況復(fù)雜，爆破后的礦石在開采過程中直接與崩落的巖石接觸，造成了嚴(yán)重的礦石損失和貧化。尤其在開采中厚傾斜礦體時回采效果更差，實際生產(chǎn)中，有些礦山礦石損失率甚至高達(dá)50%［1］。

為了解決無底柱分段崩落法礦石損失貧化大、回采率低等問題，國內(nèi)外學(xué)者針對礦巖的流動規(guī)律開展了大量研究［2-4］，提出了一些改進(jìn)的分段崩落法，如人工假頂［5］、柔性隔離層［6］、導(dǎo)流放礦［7-8］等。為進(jìn)一步解決中厚傾斜礦體礦石回收率低的問題，本文結(jié)合散體移動規(guī)律以及粉體力學(xué)中改流體作用原理，提出了改流體放礦技術(shù)，并通過室內(nèi)相似模擬試驗與常規(guī)截止品位放礦進(jìn)行了對比。

1 改流體放礦技術(shù)原理

料倉是工業(yè)生產(chǎn)中儲存粉體、下料和加工等工序必不可少的部件，因倉內(nèi)粉體流動的復(fù)雜性，在下料過程中，料倉會出現(xiàn)結(jié)拱、顆粒偏析、物料擁堵無法流出等不良現(xiàn)象。為了防止這一類現(xiàn)象發(fā)生，在料倉中常加入改流體結(jié)構(gòu)，改善粉體在倉內(nèi)的流動軌跡、改變粉體流動速率、改善粉體流動區(qū)域分布等［9］。

無底柱分段崩落法中，礦巖散體運動十分復(fù)雜，散體不僅有顆粒之間的相互移動，還會整體朝放礦口方向流動。由于放礦位于覆巖下，隨著礦石不斷采出，上部覆蓋層廢石散體迅速混入，造成了回采率低、損失貧化大的問題［10］。在放礦過程中，崩落后的礦巖顆?？梢暈樯Ⅲw，周圍未崩落的礦體將崩落的散體包圍，可視為一個閉合的料倉，回采出礦與料倉下料過程極為相似，為了阻止廢石混入、限制廢石散體流動，結(jié)合改流體的作用機理，提出了如圖1所示的改流體放礦技術(shù)。

圖1 改流放礦技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

改流體放礦技術(shù)的原理是將回采進(jìn)路設(shè)置于緊貼下盤邊壁處。爆破后，在回采巷道圍巖壁上設(shè)置可以回收的改流板結(jié)構(gòu)（圖1中A、B、C），通過控制改流板的方式，實現(xiàn)在回采巷道出礦和隔離的效果。以單步距放礦為例，放礦時，回收巷道單側(cè)改流板，另外兩側(cè)不作改變，待放礦達(dá)到截止品位后，將該側(cè)改流板插回礦巖散體中堵住放礦口，隨后回收另外一側(cè)改流板，依次操作進(jìn)行作業(yè)，直至該步距放礦完成。受改流板結(jié)構(gòu)的影響，礦巖散體原本的下落軌跡會發(fā)生改變。由于在回采巷道內(nèi)設(shè)置了3塊不同位置的改流板，改流板的回收次序不同，會導(dǎo)致放礦過程中改流體引起的改流效果不同?？梢?，需要通過實驗來探究改流板不同回收次序?qū)夭尚Ч挠绊懀员憬o出較好的開采方式。

2 改流體放礦實驗

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

為了驗證該方案的可行性，按照相似幾何比1∶50制作了放礦模型，如圖2所示。該模型由木板和透明的亞克力板組裝而成。該模型分為2個部分，上部分為廢石覆蓋層，下部分為純礦石，礦體傾角55°，礦體厚度10 m，模型被步距插板分成5個步距，每個步距寬度為2 m?；夭上锏揽诔叽? m×3 m。在放礦過程中，按照步距由內(nèi)向外開采，在每步距內(nèi)，依次對三面進(jìn)行單獨開采，待前一面單次出礦量達(dá)到截止品位后，停止回采，插回該面改流板，進(jìn)行下一個面的回采，當(dāng)三面回采完成時，終止此步距放礦。按照相同方式依次作業(yè)，直到最后一個步距放礦結(jié)束。

圖2 改流體放礦實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 實驗材料與級配

實驗散體選用白云巖和磁鐵礦，其中磁鐵礦作為純礦石，白云巖作為上部廢石。為了模擬實際采場的散體級配，根據(jù)幾何相似比1∶50確定了實驗散體級配，具體級配如表1所示。

表1 實驗散體級配

2.3 實驗方案及結(jié)果

基于提出的改流體放礦技術(shù)，在回采巷道有左側(cè)、右側(cè)及頂部三面出礦的方式且回采時需考慮出礦面的先后次序，按照不同次序設(shè)計了6組實驗。同時，為了對比改流體放礦實驗的效果，還設(shè)置了1組截止品位放礦常規(guī)實驗，即在回采巷道中不設(shè)置改流板結(jié)構(gòu)，僅通過回采巷道頂部崩落回收礦石。

依照實驗方案，先后開展了放礦實驗，獲得了不同條件下礦石回收率和廢石混入率指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，截止品位放礦的礦石回收率為27.1%，而改流體放礦實驗的礦石回收率在48%～54%之間，相比常規(guī)截止品位放礦回收率提升了20～27個百分點，且廢石混入率變化不大。采用改流體放礦的方式，在廢石混入率相差不大的情況下，回收率得到了極大提高，獲得了較好的采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。進(jìn)一步地，通過前6組實驗結(jié)果對比得出，改流體放礦中，當(dāng)改流板的回收次序為“右左上”時，礦石回收效果較好，回收率達(dá)到53.20%，廢石混入率44.70%。

表2 改流體放礦實驗與截止品位放礦數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.4 實驗結(jié)果分析

在中厚傾斜礦體中，造成礦石損失貧化嚴(yán)重和回采率低的根本原因是：在放礦過程中，礦巖散體受到上下盤邊壁的影響，靠近上盤邊壁的礦巖流速較快，而靠近下盤的礦體流速較慢。在常規(guī)放礦實驗中，隨著礦石散體流出，放出體形態(tài)增大，上部覆蓋廢石散體不斷填補放出體空間，并呈漏斗形逐漸增大侵入回采進(jìn)路，迅速混入礦石散體而引起了礦石的貧化。

改流體放礦技術(shù)利用了改流體的作用原理，在回采過程中避免了散體在上下盤邊壁附近流速差距過大的問題。以第1個步距為例分析，在“右左上”的放礦方式中，放礦開始時打開右側(cè)改流板，右側(cè)放礦口緊貼附近下盤邊壁，下盤邊壁附近散體開始流出，由于顆粒散體的流動規(guī)律，礦體中部散體流速相比下盤邊壁快，廢石漏斗由右向左開始逐漸擴(kuò)大。因為回采巷道頂部改流板和左側(cè)改流板的阻擋，中部和上盤附近礦石散體朝放礦口的流速變緩，有效減少了上盤邊壁附近散體流速過快侵入放礦口。在右側(cè)放礦達(dá)到截止品位后，插回右側(cè)改流板阻止廢石繼續(xù)下落。如圖3（a）所示。隨后，打開左側(cè)改流板，左側(cè)改流板位于上盤邊壁附近，礦石散體上盤邊壁流速快，此時的礦石散體從左側(cè)開始放出，由于上部和右側(cè)改流板的阻擋，靠下盤的廢石散體速率變慢，減緩了廢石的侵入。隨著廢石漏斗從左向右開始擴(kuò)大，最終與已形成廢石漏斗接觸，達(dá)到截止品位，插回左側(cè)改流板。在上部改流板處只有一小部分三角礦柱殘留，如圖3（b）所示。最終，打開上部改流板礦體放出將其回收，如圖3（c）所示。相較于常規(guī)放礦，改流體放礦技術(shù)利用了改流體能改變散體流動區(qū)域分布和散體流動速率的特點，將散體流速快和流速慢的區(qū)域分別放出，有效減少了廢石的過早混入，提高了礦石回收率。

圖3 改流體放礦礦巖移動過程圖

3 對比實驗

為了進(jìn)一步驗證改流體放礦技術(shù)的可行性，并對比該技術(shù)和常規(guī)分段崩落法放礦的效果，基于最優(yōu)的改流體放礦實驗方案，開展了對比實驗。并在放礦的適用條件上進(jìn)行了優(yōu)化。本實驗?zāi)Ｐ团c改流體放礦實驗?zāi)Ｐ皖愃疲嗨票葹?∶50，采用了兩分段的放礦模型。放礦順序為“右左上”，在放礦過程中按分段先上后下進(jìn)行采礦作業(yè)。具體模型如圖4所示。

圖4 兩分段改流體放礦技術(shù)物理模型

3.1 實驗方案

在本實驗中，考慮了分段高度及礦體傾角對礦體回收的影響。礦體分段高度選取10 m、12 m、14 m，礦體傾角選取45°、50°、55°，共設(shè)計了9種方案，開展了18組物理實驗，其中每種方案包括1組改流體放礦實驗和1組對照實驗。具體方案如表3所示。

表3 改流體放礦和常規(guī)放礦實驗方案

3.2 實驗結(jié)果及分析

3.2.1 實驗結(jié)果

以礦體傾角45°，分段高度10 m為例，圖5為兩種方式放礦結(jié)束時的實驗現(xiàn)象圖。從圖5可以看出，采用改流體放礦技術(shù)的殘留體明顯小于常規(guī)放礦的殘留體，圖中“A”和“B”為上分段礦體和下分段礦體的下盤殘留部分，“C”為下分段的三角形礦柱殘留。

圖5 改流體放礦與常規(guī)放礦實驗對比圖

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)實驗方案，得到的實驗數(shù)據(jù)如表4所示。從表4可知，兩種放礦方式的廢石混入率相差不大，常規(guī)放礦礦石回收率36%～45%，改流體放礦礦石回收率57%～72%。兩分段條件下，改流體放礦能提高礦石回收率20～30個百分點。以礦體傾角45°和分段高度10 m為例，常規(guī)放礦上分段礦石回收率23.11%、下分段礦石回收率48.94%；改流體放礦上分段和下分段回收率分別為44.50%和70.95%。通過數(shù)據(jù)對比，進(jìn)一步證明了改流體放礦技術(shù)的可行性和優(yōu)點。采用改流體放礦在各分段均能提高礦石回收率，且隨著分段數(shù)增多，改流體放礦礦石回收率會進(jìn)一步提高。

表4 改流體放礦與常規(guī)放礦數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 論

1）基于中厚傾斜礦體散體移動規(guī)律以及改流體作用原理，提出了改流體放礦技術(shù)；在礦體內(nèi)部設(shè)置回采巷道，在回采巷道側(cè)面和頂部設(shè)立可回收的改流板，通過合理的控制改流板，減少廢石過早混入，提高礦石回采率。

2）對改流體放礦技術(shù)進(jìn)行了研究，采用單分段物理實驗?zāi)Ｐ吞骄苛?種組合，并與常規(guī)放礦實驗進(jìn)行對照，結(jié)果表明，改流放礦技術(shù)能提高礦石回收率20～27個百分點，其中改流板按照“右左上”的開采順序回收時，能得到較好的效果。

3）采用兩分段物理實驗對比了改流體放礦和常規(guī)放礦的效果。結(jié)果表明，在不同條件下，改流體放礦均優(yōu)于常規(guī)放礦，且能提高礦石回收率20～30個百分點。進(jìn)一步驗證了改流體放礦技術(shù)的優(yōu)點和可行性。

4）該實驗仍存在不足：在放礦過程中，進(jìn)路四周的改流板對該技術(shù)的使用起到了決定性作用，改流板的材料選取以及相關(guān)的力學(xué)參數(shù)需要進(jìn)一步研究。由于該實驗在室內(nèi)完成，不能完全體現(xiàn)現(xiàn)場真實情況。