结块矿石诱导跌落冲击崩解因素的正交试验

胡建华，薛小蒙，雷涛，周科平，罗先伟

(中南大学资源与安全工程学院，湖南省深部金属矿开发与灾害控制重点实验室，湖南 长沙，410083)

硫化矿山在我国矿山企业中占有很大比例，其面临的诸多安全问题关系到整个矿山企业的正常运行。含硫矿石回采破碎后，长期堆积产生复杂的氧化反应，导致破碎矿石二次结块。矿石结块会影响到矿山的回采、放矿、运输等正常生产环节。目前，矿山企业主要采取二次爆破方式处理结块矿石，爆破会威胁到矿山作业人员的安全，增加矿山生产经营成本[1−4]。在理论研究上，国内外学者主要在矿石结块机理及结块程度检测技术方面展开研究。Jenike提出通过剪切盒对盒内粉体进行剪应力测定，通过剪切单元应力应变得出流变函数检测结块特性；Lockemann针对粉体在黏化点之后光反射性质的变化，绘制曲线得到黏化温度点，以此简洁反映粉体结块情况；Michael Rock的单轴测试法(COSTT)发展比较成熟，可对结块因素进行单因素分析，也可进行耦合分析。中南大学在防治硫化矿石氧化结块与自燃研究上已取得一系列成果，推行“强采、强出、强充”措施减少矿石的损失，还采用阻化剂喷洒、充填采空区、挖出火源等多种综合方法处理硫化矿石[5−8]。然而，如何实现高效、安全、低成本处理结块矿石，是高硫结块矿石处理的新难题。已有的研究表明：冲击动力环境下动力损伤更有利于岩石产生破碎[9]，并且冲击过程中的冲击能量、岩石的动力学参数和冲击作用面的特征[10]等都直接影响岩石冲击破碎的效果。基于诱导崩落采矿[11]的技术思路，在结块矿石的下方残矿开采中，利用强制崩落形成的应力和采矿空间诱导上部结块矿石自然跌落，并通过在矿石层面上产生的冲击实现结块矿石的崩解。影响结块矿石崩解效果的因素很多，主要有跌落高度、角度、胶结软弱面抗拉及抗压强度、矿石块度等，通过动力学数值仿真试验的设计，分析各因素的影响程度，为矿山结块矿石的高效安全低成本回收提供技术指导。若采用多因素完全方案进行试验，试验次数巨大，耗费大量时间，结果分析复杂。正交试验设计和分析是一种高效处理多因素优化问题的科学方法，在科学研究和工业化生产中经常用来分析多个因素对产品的指标效应，田口玄一提出的正交表可以帮助挑选有代表性的因素水平组合[12]，分析各因素对指标的影响程度。因此，在提出的诱导崩落冲击破碎二次结块矿石的技术思路上，利用正交试验数值仿真模拟的方法，以铜坑矿细脉带结块矿石为研究对象，综合考虑结块矿石及其软弱结构的力学参数和工程实践条件，以跌落高度(A)、角度(B)、胶结软弱面抗拉强度(C)和胶结软弱面抗压强度(D)等4个因素进行分析，通过设计正交试验，选取因素水平组合，利用 LSDYNA数值软件模拟不同因素水平条件组合下结块矿石的崩解效果，确定各因素水平对结块矿石崩解性能影响的程度，分析崩解率随各因素变化的趋势，优化矿山诱导崩解技术参数，为诱导崩落冲击破碎二次结块矿石技术提供理论基础。

1 试验设计与模型构建

1.1 工程背景

铜坑矿锡多金属矿，主要由细脉带、91号和 92号三大重叠产出的矿体组成，其中细脉带高含硫矿体受到高温火灾的致灾环境影响，依靠整体崩落开采实现隐患治理和矿石的规模化开采，采后铲装与运输强度难以满足矿石的高强度开采要求，造成大量矿石积压二次结块；同时，受致灾环境的影响，上部结块矿石在原采场内难以实现分解。上部作业环境严重阻碍了矿石的铲装与运输，矿石的回收需要由下部矿石开采自然冒落放顶实现，典型工程断面如图1所示。为实现上部结块矿石崩落冲击破碎，需要确定合理的诱导工艺参数。

图1 典型结块矿石回收工程环境断面图Fig. 1 Sectional drawing of typical caking ore recovery project environment

1.2 模型构建

以铜坑矿细脉带高硫锡矿石为研究对象，建立诱导跌落破碎的数值分析模型。根据整体崩落开采控制的块度大小参数为 0.3 m，选取试验中的矿石直径为0.3 m，为简化计算和模型构建的随机性，假定矿石的块度大小为定值，矿石与矿石之间为硫化物胶结的弱结构，具体的结构参数与模型如图2所示，其中红色部分为矿石。模型的结构参数如下：结块矿石中的单个矿石模型为0.3 m(直径)×0.15 m(厚)的六棱柱体，结块矿石模型尺寸为 0.95 m(长)×0.59 m(宽)×0.15 m(厚)；目标面尺寸为 2.26 m(长)×2.26 m(宽)×0.11 m(厚)。

图2 结块矿石跌落分析模型图Fig. 2 Fall FEM model of caking ore

1.3 正交试验设计

影响结块矿石跌落崩解效果的因素有很多，主要有跌落高度、角度、胶结软弱面抗拉及抗压强度、矿石块度等，模拟主要考虑4种因素，即跌落高度(A)、角度(B)、胶结软弱面抗拉强度(C)和胶结软弱面抗压强度(D)对跌落崩解效果的影响，每个因素选取5个水平。若全部进行模拟分析，需要54=625次处理组合，耗费大量时间。借助于正交表，科学挑选试验组合，合理分析试验结果，用较少的试验次数，分析研究各因素对崩解效果的影响。选用 L25(56)正交表安排试验[13−14]。根据矿山工程的实际情况，选取跌落高度(A)的取值范围为2～6 m；角度(B)在0～90°之间取值；胶结软弱面的抗拉强度(C)和抗压强度(D)的取值范围分别为0.8～1.6 MPa和1～15 MPa。水平与因素条件如表1所示。

表1 正交试验的设计因素与水平Table 1 Levels and factors of orthogonal experiments

2 结果分析

各因素放入正交表L25(56)的相应列，水平对号入座，并定义破碎后的崩解率来评价跌落矿石崩解效果，模拟结果如表2所示；模拟的效果如图3所示，其分别为A5B5C4D3和A5B2C1D3等2种不同条件下的结块矿石的跌落崩解效果图。

表2 正交试验方案及结果Table 2 Orthogonal experimental scheme and results

定义结块矿石的崩解率φ为跌落崩解后的块数N1与组成模型的矿石块数N0=10的比值，如下式所示：

2.1 极差分析

图3 结块矿石的崩解效果图Fig. 3 Broken effects of caking ore

在正交试验过程中，某列因素水平变动时，试验评价指标的变动幅度可以用极差表示。极差越大，说明该因素对试验评价指标的影响越大。因此，可根据极差判断影响因素对试验指标影响的显著性程度，计算公式如下：

式中：R为极差，表示第i个因素变动时的极差值；kij为指标第i个因素在第j个因素变化时的评价指标变化均值，其计算公式为

式中：Kij为第i因素在同一水平下的试验评价指标之和。试验分析结果见表3。

表3 试验结果分析Table 3 Analysis of experimental results

极差愈大，表明此列因素数值的改变引起的矿石崩解率的变化愈大，此因素对矿石的崩解效果影响愈显著。由表3可知：各因素对二次结块矿石崩解率影响的显著性顺序从强至弱为B(跌落角度)、C(胶结软弱面的抗拉强度)、A(跌落高度)和D(胶结软弱面的抗压强度)。

2.2 崩解率的趋势图

极差分析可以确定各因素对二次结块矿石崩解率影响的显著性顺序，但无法分析矿石崩解率随各因素变化的趋势。以各因素为横坐标，崩解率为纵坐标，绘制出崩解率随各因素变化的趋势图，如图4所示。由图4可见：各因素在不同水平下与崩解率呈现不同的关系，总体上崩解率与跌落高度在一定的高度范围内呈现递增的趋势；抗拉强度与结块矿石的崩解率表现为负相关性，崩解率随强度参数的增加而减少；崩解率与跌落角度呈现一种非线性的关系，而抗压强度与崩解率的关系不明显。

图4 崩解率与因素的关系Fig. 4 Relationship between broken rate and factors

(1) 跌落高度(A)与崩解率的关系是一种正相关性，主要是由于跌落高度愈高，矿石跌落具有的冲击能量愈大，触地产生的冲击力愈大，矿石的破碎效果也就愈好；在本实验中，高度由5 m增至6 m过程中，矿石的崩解率不再变化，说明达到一定高度后，崩解率已经达到最值，跌落高度的增加不再显著影响结块矿石的崩解。

(2) 角度(B)与崩解率之间存在一种非线性的关系，从力学分析上看，这是因为不同的跌落角度下，冲击产生的动应力与接触点的关系差异影响所致，跌落触地过程中，二次胶结矿石的动应力在弱结构和矿石块体中的应力分布差异决定的。从图2可见：小角度(5°)和(30°)条件下，矿石表现出良好的崩解效果。这是因为冲击作用下，拉应力主要在二次胶结的弱结构中产生，形成弱结构中的较大拉应力破坏应力环境，产生弱结构的冲击破碎；随着角度的增加，弱结构的拉应力减少，压应力增加，导致结块矿石崩解率下降。当角度达到90°，压应力在软弱结构面内占主要地位，且应力值足以造成破坏，所以崩解率重新增加。

(3) 抗拉强度与崩解率呈现出负相关性。已有研究结果表明：冲击载荷作用下，岩石的损伤主要与微裂纹的拉伸扩展有关，抗拉强度越小，越容易产生拉裂破坏[15−16]。因此，实验中的数据表明抗拉强度与崩解率呈负相关性，抗拉强度越大，矿石的崩解率越小。

(4) 抗压强度对矿石崩解效果的影响并不显著，这是因为矿石跌落破坏过程中主要表现出动拉应力破坏。二次结块矿石软弱结构面的力学参数具有不确定性，是胶结过程中的胶凝强度、块石分布、胶凝时间等的函数，并与二次胶结的时间有关。在一般情况下，随着胶结时间的增加，弱结构面的强度越强。为达到更好的崩解效果，应尽早处理结块矿石。

3 诱导控制措施

通过诱导崩落实现二次结块矿石的跌落冲击崩解，正交试验研究结果表明，诱导工艺参数的控制可以实现较好的结块矿石崩解效果。分析表明各诱导因素控制措施如下：

(1) 为有效控制结块矿石与目标接触面的角度，二次结块矿石跌落倾角应尽可能控制在5°～30°之间，保证软弱面内冲击时产生较大的拉应力，造成拉裂破坏，实现二次结块矿石的有效崩解。因此，在设计爆破参数时，应该保证结块矿石有一定的倾角跌落。如工程中采用侧向扇形爆破孔，可以通过超深控制爆破面的倾角，实现矿体的小角度崩解，如图5所示。控制超深面与水平面的夹角在5°～30°，可以实现结块矿石的最佳崩解角度。

(2) 跌落高度决定矿石所受到的冲击强度，高度过高可能会造成次生灾害；高度过低，冲击强度不够，无法达到最佳的崩解效果。根据模拟试验效果可知，在条件允许下，应控制矿石跌落到目标面的高度至少达到5 m，从而保障矿石的有效崩解和安全，控制冲击能量过大而产生的飞石等效应。由于典型工程断面主要是在残矿的回收过程进行二次结块矿石的诱导崩解。因此，在考虑目标面时应该以残采矿石堆为目标面，设计中应该考虑矿石的松散系数为1.5～1.7，确定矿石的堆积形态，控制最终的结块矿石跌落高度在 5 m以上，如图5所示。并通过矿石的堆积，控制最大的结块矿石跌落高度，减少矿石崩解后的飞散危害，形成安全高效的二次结块矿石崩解新技术。

(3) 胶结弱结构的抗拉强度是随时间变化的时变参量，并与时间呈正相关性。为实现二次结块矿石最佳的崩解效果，在安全可控的环境下，应尽早实施诱导崩解作业，降低崩解的难度。

图5 典型工程诱导工艺参数图Fig. 5 Chart of induction technology parameters in typical project

4 结论

(1) 采用正交试验，科学挑选试验组合，有效地减少分析试验次数，确定各因素对结块矿石崩解率影响的显著程度；通过绘制趋势图分析了崩解率随各因素变化的趋势及原因，确定合理的诱导工艺参数范围。

(2) 各因素对结块矿石崩解性能影响的显著程度不同，影响程度最显著的因素为跌落角度(B)，其次分别为软弱面的抗拉强度(C)、跌落高度(A)，软弱面的抗压强度(D)影响最不显著。

(3) 诱导崩解工艺参数主要控制矿石的跌落角度和跌落高度，诱导工程爆破孔形成的面与水平面的夹角控制在5°～30°之间，保障二次结块矿石与目标面的跌落角度的最佳参数之间；保证作业安全的前提下，选取结块矿石与跌落目标面高度差在5 m以上。由于胶结时间越长，胶结体强度会越大，所以，应尽早实施诱导回收工程，在软弱面力学参数较低情况下实施崩解，可以取得更好的崩解效果。

[1]李孜军, 邓艳星, 舒爱霞. 基于正交试验的硫化矿石结块影响因素分析[J]. 科技导报, 2011, 29(14): 41−45.LI Zijun, DENG Yanxing, SHU Aixia. Analysis of caking factors of sulfide ores based on the orthogonal experiments[J].Science ＆ Technology Review, 2011, 29(14): 41−45.

[2]阳富强, 吴超, 李孜军. 硫化矿石自燃倾向性综合判定的物元模型及其应用[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2011,42(11): 3459−3464.YANG Fuqiang, WU Chao, LI Zijun. Matter-element model and its application to comprehensive determination on spontaneous combustion tendency of sulfide ores[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2011, 42(11): 3459−3464.

[3]胡汉华, 刘征, 李孜军, 等. 硫化矿石自燃倾向性等级分类的Fisher判别分析[J]. 煤炭学报, 2010, 35(10): 1674−1679.HU Hanhua, LIU Zheng, LI Zijun, et al. Fisher discriminant analysis to the classification of spontaneous combustion tendency grade of sulphide ores[J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(10): 1674−1679.

[4]夏长念, 吴超. 采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价研究[J].火灾科学, 2005, 15(2): 106−110.XIA Changnian, WU Chao. Study of risk assessment technique for evaluating the spontaneous combustion of sulfide ore in mining stope[J]. Fire Safety Science, 2005, 15(2): 106−110.

[5]李孜军, 邓艳星, 陈占峰, 等. 基于单轴测试法的硫化矿石结块特性检测[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2011, 42(2):427−433.LI Zijun, DENG Yanxing, CHEN Zhanfeng, et al. Caking properties detection of sulfide ores based on uniaxial test[J].Journal of Central South University: Science and Technology,2011, 42(2):427−433.

[6]邓艳星. 硫化矿石结块机理及检测技术研究与应用[D]. 长沙:中南大学资源与安全工程学院, 2010: 1−9.DENG Yanxing. Research and application on caking theory and detection technology of sulfide ores[D]. Chasha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2010:1−9.

[7]宋海平, 孙保平, 茹宗玲. 防结块剂的研究方法和进展[J]. 化工进展，2001(6): 50−52.SONG Haiping, SUN Baoping, RU Zongling. Research and progress of anticaking agent[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2001(6): 50−52.

[8]Weigl B, Pengiran Y, Feise H J, et al. Comparative testing of powder caking[J]. Chemistry Engineering Technology, 2006,29(6): 686−690.

[9]张华, 张光雄, 高富强, 等. 岩石冲击损伤特性实验研究[J].工程爆破, 2009, 15(3): 25−27.ZHANG Hua, ZHANG Guangxiong, GAO Fuqiang, et al.experimental study of character of rock impact damage[J].Engineering Blasting, 2009, 15(3): 25−27.

[10]夏昌敬, 谢和平, 鞠杨, 等. 冲击载荷下孔隙岩石能量耗散的实验研究[J]. 工程力学, 2006, 23(9): 1−5.XIA Changjing, XIE Heping, JU Yang, et al. Experimental study of energy dissipation of porous rock under impact loading[J].Engineering Mechanics, 2006, 23(9): 1−5.

[11]胡建华, 苏家红, 周科平, 等. 诱导顶板崩落时变力学模型的建立与应用[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2007, 38(6):1212−1218.HU Jianhua, SU Jiahong, ZHOU Keping, et al. Application and establishment of time-varying mechanical model to induction caving roof[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2007, 38(6): 1212−1218.

[12]张卓成, 张海军, 沈兆奎, 等. 充填质量影响因素的正交实验分析[J]. 矿业研究与开发, 2009, 29(1): 9−11.ZHANG Zhuocheng, ZHANG Haijun, SHEN Zhaokui, et al.Analysis on the influencing factors of backfill quality with orthogonal test[J]. Mining Research and Development, 2009,29(1): 9−11.

[13]刘瑞江, 张业旺, 闻崇炜, 等. 正交试验设计和分析方法研究[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(9): 52−55.LIU Ruijiang, ZHANG Yewang, WEN Chongwei, et al. Study on the design and analysis methods of orthogonal experiment[J].Experimental Technology and Management, 2010, 27(9): 52−55.

[14]雷改丽. 基于Autoform的汽车覆盖件正交试验有限元分析[J].热加工工艺, 2011, 40(15): 103−105.LEI Gaili. Simulation analysis on orthogonal experiment of automotive panel based on autoform[J]. Hot Working Technology, 2011, 40(15): 103−105.

[15]高文学, 刘运通, 杨军. 脆性岩石冲击损伤模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2): 153−156.GAO Wenxue, LIU Yuntong, YANG Jun. A study of shock damage model of brittle rock[J]. Chinese Journal Of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(2): 153−156.

[16]李夕兵, 宫凤强, Zhao J, 等. 一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(2): 251−260.LI Xibing, GONG Fengqiang, Zhao J, et al. Test study of impact failure of rock subjected to onedimensional coupled static and dynamic loads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(2): 251−260.