无底柱分段崩落法放出体、松动体、崩落体三者关系模型

张国建，翟会超

(1.辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051；2.东北大学, 辽宁 沈阳 110004)

无底柱分段崩落法是在覆盖岩层下进行放矿和落矿的，损失贫化大是该采矿方法的主要问题之一，为改善该法的开采效果，国内外专家学者及矿山工作人员做了大量研究工作，也取得了很大的成绩，但仍没有达到人们满意的结果。

分析其原因主要是：在过去无底柱分段崩落法的研究中，有的侧重放矿，有的侧重爆破，没有把回采过程作为有机整体来研究，缺乏对回采过程中放出体、松动体、崩落体三者关系的研究。回采过程中的放矿与爆破落矿是紧密相连、相互制约的，研究放出体、松动体、崩落体三者之间的内在规律，建立三者的关系模型，对降低矿石损失贫化，提高矿山经济效益有重要意义。

1 放出体、松动体、崩落体三者关系模型

在井下落矿、放矿的循环过程中，崩落体影响放出体的形成，放出体又影响松动体的形成，松动体又会影响下一次落矿中崩落体的形成和发育。因此，放出体、松动体、崩落体在回采过程中是依次相互制约的，见图1。

图1 三者关系图

以放出体为每次循环起点，从体积量参数出发，放出体、松动体和崩落体三者体积有如下函数关系：

Vf1=f(Vb1)，Vs1=f(Vf1)；

Vb2=f(Vs1),Vf2=f(Vb2)；Vs2=f(Vf2)；

Vf3=f(Vb2)，Vs3=f(Vf3)，Vb3=f(Vs3)；

……

……

Vfn=f(Vbn-1)，Vsn=f(Vfn)，Vbn=f(Vsn)。

式中：Vs—松动体体积Vf—放出体体积；Vs—崩落体体积；n—循环次数。

根据矿山现场的实际情况，可以应用一定的方法来确定上述函数的具体形式，从而建立符合矿山实际的放出体、松动体、崩落体体积关系模型，来预测和控制回采过程落矿与放矿。

2 体积关系模型确立方法

在实际生产过程中，可以运用已有数据求解未知参数，从而建立放出体、松动体、崩落体三者体积关系模型。

2.1 放出散体与放出体体积比值

崩落体是指在爆破作用下，在松散围岩中形成的爆堆，是放矿的对象，崩落体的密度也就是放出体的密度。爆破作用前后，矿石的质量不变，密度变小、体积变大，发生第一次松散，松散系数为Ks1。

由质量守恒定律可得：

∵m矿体=mb

∴ρ矿体V矿体=ρbVb

第一次松散系数Ks1可表示为：

式中：m矿体、mb—爆破前后矿石质量；ρ矿体、V矿体—爆破前被爆矿体的密度和体积；ρb、Vb—爆破后崩落体的密度和体积。

生产过程中，铲运机铲斗中的矿石散体被动称为“放出散体”，其松散状态近似于无约束条件的自然堆积，而放出散体与放出体的质量完全相等，只是在矿石放出后，其体积、密度发生变化，分为放出体体积和放出散体体积(如图2)。

图2 矿石开采示意图

同样由质量守恒定律：

∵mf=mfs

∴ρfVf=ρfsVfs

式中：mf、mfs—放出体和放出散体的质量；ρf、ρfs、Vf、Vfs—放出体和放出散体状态下的密度与体积。

注：ρfs即为铲斗内矿石密度，所以放出体的密度可求解：ρf=ρfs*K

可见放出散体与放出体体积的比值K是确定放出体、崩落体相关参数以及崩落体体积的依据。

2.2 单一循环三者体积量的确定

无底柱分段崩落法回采进路的一次落矿、放矿循环中，放出体、松动体、崩落体三者的体积量可以按照一定的方法求得。

首先，放出散体体积。放出散体相关参数可由井下出矿设备铲运机的斗容、出矿差斗数和平均斗内散体密度来求解，这些都是已知的。即通过进路一次崩落矿石生后所放出矿石的总量，就可以得到放出散体(矿石)的体积。

其次，放出体、松动体体积。根据放矿理论得知，放出散体体积与放出体体积存在一定的联系：

在进路尺寸、进路间距、进路布置形式以及分段高度等参数确定后，就可以根据放出散体体积和上述公式间接地求出放出体的体积。于是，松动体体积可求：

最后，崩落体体积。有了放出散体和放出体的体积量，可知二者的体积比值K。再根据质量守恒定律，便可得到放出散体在覆岩中，即放出体形态内的密度(参见上文)，该密度就是崩落体的密度。而崩落体在原矿体形态中，即落矿前矿体的密度是已知的。这样，崩落后的矿石堆体(崩落体)密度ρb与原矿体的密度ρ矿体之比就是一次松散系数Ks1.根据落矿前爆破设计的矿体崩落范围，可获得矿石崩落前的体积，再与一次松散系数联合得出崩落体体积。

Vb=Ks1×V矿体

以上单一循环中三者体积的求解过程见图3。

图3 单循环三者体积求解流程度图

2.3 三者体积关系的确定

通过上述方法可以求解每次落矿、放矿过程度中的放出体、松动体、崩落休体积量。这样，依据矿山的大量生产数据，可得到放出体、松动体、崩落休体积量。并根据三者的相互制约关系，对其两两关系进行联立，通过数值分析进行离散数据的回归，得出放出体和松动体、松动体和崩落体、崩落体和放出体(可解放出体)的体积关系数学模型，再按照落矿、放矿作业的衔接关系建立循环体积关系模型。这样，便可得到该矿山贩放出体、松动体、崩落体三者体积关系模型。建立循环体积关系应用这种方法，课题组对弓长岭井下铁矿的历史数据进行初步分析，得到了较为符合弓长岭铁矿的放出体、松动体、崩落休三者体积关系的具体数学模型，并运用该模型对矿山生产进行指导，打破截止品位放矿的界限，控制出矿量或崩落矿石量，为下次落矿崩落体形态发育创造良好环境，提高崩落体的放出性，从而使得井下矿石回收率得到提高。

3 结 论

本文阐述了无底柱分段崩落法中放出体、松动体、崩落体三者之间的内在联系，从体积参数角度建立放出体、松动体和崩落体之间的一般循环函数关系。并叙述、推导了函数具体形式的解法。其中，分析了放出散体体积与放出体体积的比值对求解函数的重要作用，并应用放矿学理论可分别得到崩落体与放出散体、放出散体与放出体、放出体与松动体、松动体与崩落体的体积函数式，从而建立起放出体、松动体、崩落体三者的体积循环模型。该方法在弓长岭井下铁矿进行了初步应用，并取得一定的效果。

[1] 王昌汉.放矿学.北京：冶金工业出版社，1982.

[2] 张国建，郭连军.无底柱分段崩落矿石形态及其影响研究.中国矿业，1997，6(3)：27-31.

[3] 张国建. 无底柱分段崩落法应进一步研究的几个问题 .中国矿业，2003，12(11)：41-43.

[4] 张国建，蔡美峰.崩落体形态及其影响研究 .中国矿业，2003，12(12)：38-42.