无底柱分段崩落法落矿大块产生相似模拟研究

2013-04-03 09:31许梦国王明旭朱明德

金属矿山 2013年2期

李斌许梦国王明旭朱明德

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室)

无底柱崩落法是一种高效率、高度机械化、工艺简单、生产安全、成本较低廉的采矿方法［1］，在金属矿山得到迅速推广，特别是铁矿山更为广泛，目前采用这种方法开采的铁矿石至少已占地下铁矿山矿石总产量的70%［2］。但是无底柱分段崩落法在进行中深孔爆破落矿时，由于采用扇形布孔，炸药分布不均匀等因素，大块率偏高的问题普遍存在。

程潮矿区是一个大型的磁铁矿及硬石膏矿共生隐伏矿床，属于接触交代(矽卡岩型)矿床。矿体以15号勘探线为界分为西区和东区2个矿区，东区围岩及铁矿体比较发育、破碎，西区围岩及铁矿体完整性较好、稳固性和坚固性良好。多年以来，程潮铁矿东区和西区一直采用无底柱分段崩落法进行采矿，采用相同的采场结构参数，分段高度17.5 m，进路间距15 m，崩矿步距1.8～2.5 m。同样参数的爆破落矿作业，在东区爆破后产生的大块率较低，而西区大块率却偏高。目前由于采矿生产任务紧张，程潮铁矿西区大块率偏高的问题变得越来越突出:降低出矿效率，影响正常的采矿生产，增加矿石的二次爆破量和采矿成本，也成为采矿安全生产的一大隐患。因此，为了保证程潮铁矿井下生产正常安全的进行，有必要对大块产生机理进行研究，并优化爆破参数，来解决爆破大块率偏高的问题。为此，建立地质力学模型进行室内相似模拟试验研究，该试验在基本满足相似原理的基础上，对不同参数中深孔进行模拟爆破，在试验中找出大块产生机理，优化爆破参数，为科学决策提供参考。通过大量的工程实践表明，依据相似原理建立地质力学模型的试验方法是研究地下采矿问题一种行之有效的方法。

1 相似材料模拟试验

对于井下中深孔爆破落矿问题，在现场进行原位爆破试验研究具有高度危险性，只能通过室内相似材料模型试验进行模拟爆破。室内相似材料模拟爆破就是通过在室内利用小模型爆破试验来替代井下现场爆破。

1.1 相似材料模拟试验基本原理

室内相似材料模拟试验是建立在相似原理的基础上，通过对模型的应变、位移和破坏等行为的观察和记录，来分析和解决实际工程问题的一种有效方法。要使相似材料模型模拟爆破情况能近似反映井下扇形中深孔爆破落矿的情况，就必须根据需解决问题的性质，确定相似材料模型与现场原型之间的相似准则。

根据原型和模型的平衡、几何、物理方程、应力边界条件和位移边界条件推导得到相似关系表达式如下:

式中，Cσ为应力相似比;Cγ为容重相似比;CL为几何相似比;Cδ为位移相似比;Cε为应变相似比;CE为弹性模量相似比;Cf为摩擦系数相似比;Cφ为内摩擦角相似比;Cμ为泊松比相似比［4］。这里应该指出的是，在相似材料模拟试验研究中，使相似材料模型同时满足所有的物理力学参数相似是非常困难的，而且也是没有必要的，应该根据需要解决问题的性质，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，选取影响相似材料模型与现场原型的主要因素作为相似参数。故这里选用单轴抗压强度、泊松比和容重作为材料模型与现场原型的主要相似指标。

1.2 相似材料的选择

选用的相似材料要求与现场原型材料具有相似的物理力学性质，这样才能保证相似模型最大程度地接近现场原型。

根据前人大量相似材料模拟试验经验，相似材料的选择需要满足一些基本要求:①相似材料与现场原型的主要物理力学性质相似;②相似材料的物理力学性能稳定;③改变相似材料配比，可以调整相似材料的某些物理力学性质以符合相似指标的需求;④相似材料来源广泛，经济低廉，安全可靠，加工易成型。根据这些要求，选取了铁精矿粉、重晶石粉作为骨料，石膏作为胶结材料进行相似模拟试验，试验结果表明:铁矿粉和重晶石粉可以起到调节模型容重和铁品位的作用，石膏可以有效地调节模型的单轴抗压强度，能够满足相似试验的要求，效果比较理想。

1.3 相似材料配比的确定

1.3.1 试验设备及材料

试验设备主要有液压式万能试验机、压力传感器、静态电阻应变仪、计算机、塑料模具(单个空间尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)和应变片，试验材料主要有铁精矿粉(品位68%)、重晶石和石膏。

经多次称量并算术平均得铁精矿粉的容重为28.403 kN/m3，重晶石粉的容重为19.164 kN/m3，石膏的容重为13.059 kN/m3。

1.3.2 配比试验

程潮铁矿现场矿石主要物理力学参数如表1所示。本次相似材料模拟中最主要的相似指标是单轴抗压强度，影响该指标的主要因素是石膏的含量，故配比试验主要确定石膏的含量。

表1 矿石物理力学参数

为方便脱模，在装料前在塑料模具中涂抹一层机油，然后按照不同配比的相似材料加入适量的水混合均匀后，装入模具进行捣实压匀，并使试块与模具边缘平齐，1次做3组试块，初凝后进行脱模，在室内放置15 d左右，经不同时段多次称重数据无变化时即可进行单轴抗压试验。单轴抗压试验中，在试块平整的一面横向和纵向各贴一片应变片，并通过传感器接到静态电阻应变仪中，最后由计算机记录相关数据。

1.3.3 确定配比

每种配比做3组试块并测量其相应的物理力学指标，并对结果进行分析，具体如表2所示。试验选定的相似几何比CL=100，容重比Cγ=1.5，则根据式(1)可得应力相似比Cσ=150，单个试块的质量范围为2 333～3 000 g，单轴抗压强度的范围为0.84～0.99 MPa。通过比较表2的数据，可发现石膏含量在7%时单轴抗压强度最为符合要求，并且容重和泊松比也符合要求，因此选择石膏含量7%的方案，具体配比为铁精矿粉质量∶重晶石粉质量∶石膏质量=11.4∶1.83∶1。

2 试验过程

2.1 制定模型参数方案

程潮铁矿采用的中深孔爆破方案有2个:单排11孔和双排前6孔后7孔，具体炮孔排面布置剖面图和参数分别见图1和图2，其爆破落矿时产生的大块偏多，大块率高，尤其是双排孔。拟设计的方案有双排前7孔和前8孔、单排12孔和单排双心12孔，具体炮孔排面布置剖面图和参数见图3～图5。

表2 试验方案及结果

图1 单排11孔布置图

图2 双排前6孔后7孔布置图

图3 双排前7孔后8孔布置图

图4 单排12孔布置图

2.2 相似材料模型制作

根据以上相似原理得到的相似材料配比，按照图6所示的模型大小尺寸及各方案的参数，添加适宜的水将铁精矿粉、重晶石粉和石膏混合均匀，然后将混合后的相似材料放入模版中充分捣实，注意控制好排距，按照中深孔的参数放置钢筋(直径为6 mm)，如图7所示，并事先在钢筋上涂抹一层机油，以便后面拔出钢筋，钢筋拔出后便形成中深孔。在室内放置3～5 d，在模型未完全干时取出钢筋，然后继续在室内常温养护20～30 d，模型基本上完全硬化成形，即可做中深孔模拟爆破相似试验。

图5 单排双心12孔布置图

图6 模型尺寸(单位:cm)

图7 中深孔模拟图

2.3 爆破模拟试验

在给模型装药前先对模型进行称重，然后向中深孔中插入引线装入火药(主要成分是黑火药)，并记录装药量，用橡皮泥作为炮泥堵塞炮孔。将装完药的模型放到固定支架上，添加与模型不同颜色的小碎石(粒径400～800 mm)作为覆盖层，然后点燃引线进行中深孔爆破模拟试验。爆破结束后收集粒径在6 mm以上的大块，并作记录。试验图片如图8～图11所示。