无底柱分段崩落法放矿结构参数优化研究

章 林，陆玉根，孙国权

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山243000)

崩落矿石在崩落围岩覆盖下，借助重力由回采巷道一端的近似“V”形槽中放出，这种放矿叫做端部放矿。无底柱分段崩落法的放矿属于端部放矿。由于端壁的阻碍，放出体发育不完全，是一个纵向不对称、横向对称的椭球体缺,如图1所示。

无底柱分段崩落法采场主要结构参数包括分段高度、进路间距和崩矿步距等，这三个参数的不同组合将直接影响最终的回贫指标。从近些年来放矿试验模拟的上下分段多个放出椭球体排列情况来看，进路间距与分段高度相等，上下左右进路爆破排相互对齐时，这种采场结构参数未必最佳。根据上下多个分段进路口放矿椭球体排列组合来看，当相邻椭球体上下左右两两相切时，回收效果最好、贫化最小。这种两两相切的排列状态分两种，如图2、图3所示，即高分段及大间距采场结构参数。这种高分段和大间距采场结构参数并不是以分段高度和进路间距值得大小来确定的，而是根据放出椭球体平面排列形态来划分的。

1-回采巷道；2-放出椭球体发育图；3-放矿漏斗轮廓线图1 端部放矿椭球体发育图

图2 高分段椭球体排列形态

图3 大间距椭球体排列形态

昆钢大红山铁矿位于云南省玉溪市，是目前国内最大规模的地下冶金矿山之一，地下开采一期设计年产能力为400万t/a，设计采用高分段、大间距无底柱分段崩落采矿法及先进的无轨采掘及装运设备，一期正在采用的分段高为20m，进路间距20m。为保证一期、二期生产的正常衔接及更大参数回采的需要，二期规划拟在400m以下两个水平将分段高度提高到30m，为此进行高变分段参数下结构参数优选研究，利用实验室相似模拟放矿试验展开放矿椭球体发育参数研究、最优放矿步距及进路尺寸参数组合优选研究；因实验室相似模拟放矿试验操作过程较为复杂，为弥补其耗时费力的缺点，试验设计利用PFC3d数值模拟软件展开进路间距优选研究，PFC3d数值模拟具有灵活快速高效的特点，试验参数设定准确后，计算出的模拟结果同样也较为准确。

1 实验室相似模拟放矿试验研究

实验室放矿试验是采用相似模拟的手段模拟采场现场放矿，在满足与现场放矿工作几何与力学相似的基础上，建立相似模型，并使得模型放矿过程与现场放矿过程达到近似物理相似的实验室内试验，一般包括单体试验和立体试验。

云南大红山铁矿一期采用20m×20m的大结构参数组合，分段与进路间距都为20m，二期规划拟在400m水平以下采用30m×20m的结构参数，属于高变分段放矿形式。为进一步提高资源回收率，降低贫化，在实验室利用几何相似材料制作了高变分段透明放矿模型，通过单体试验揭示30m×20m结构参数下放出椭球体的发育形态及其发育规律。根据无底柱分段崩落法现场端壁放矿特征，按与现场1∶100的比例缩小制作试验料箱，试验在采用相似端壁情况下，下部预留一出矿口(相当于采场进路)，利用铲斗将模型内矿岩逐步铲出，同时，将预装入的标志颗粒进行回收。根据标志颗粒被放出的顺序，将不同放出高度下的放出体圈出，因此，可求得端壁条件下各种发育高度的放出体。

根据记录的标志颗粒数据，推导出不同出矿口不同高度上的椭球体及椭球体缺发育的大致形态，见图1，并记录其偏心率及半轴值见表1。

表1 4.2cm×4cm出矿口放出体半轴值及偏心率参数

立体试验是一种模拟现场多分段多进路口放矿的相似模拟试验，通过立体试验对不同放矿步距下的回贫指标进行分析得到高变分段下最优放矿步距、崩矿步距及进路口参数。试验模型按与现场比例1∶100制作，模型为木质框架结构,巷道呈菱形交错布置,共布置5个分层，每个分层3到4个进路，进路间距为20cm，每个进路布置四个步距，各步距均采用可抽出式铁皮制作，模型正面如图4所示。

图4 模型正面图

因大红山二期属于高变分段放矿形式，分段高度20m、30m不等，400m水平以下至340m水平为两个30m高分段，为了与该高分段放矿形式相适应，减少损失贫化，提高生产能力和回收率，进路间距取为20m。立体试验在此分段高度及进路间距条件下，选择合适的放矿步距及进路参数组合，放矿步距拟分别取5.04m、6.16m、6.72m、7.56m，进路宽度拟取为4.2m×4m和4.9m×4m两种。选择放矿椭球体完整的进路口放出数据进行分析研究，计算各分段及所有分段的放出矿岩总量、放出矿石量、放出岩石量，并计算矿石的回收率、废石混入率及相应的回贫差等值，结果见表2。

表2 立体试验结果汇总

综合分析各立体试验模型的回收率、贫化率和废石混入率指标，可以得出在变分段高度在20～30m，进路间距为20m时，在所有的立体试验模型中，放矿步距为6.72m，进路尺寸宽4.2m高4m时回贫指标最优，此时的回收率为92.81%，废石混入率为11.54%，回贫差为81.28%，由于本矿未进行工业放出体试验，因此实验室与现场的参数不能换算，本次试验合理放矿步距应在6.72～7.56cm，其现场的合理崩矿步距区间并未得到，但依据其他矿山经验及工业放出体与实验室放出体对比，一般实验室的放矿步距是现场崩矿步距的1.2～1.4倍，即修正系数K=1.2～1.4，根据实践经验，矿山选择的段高和进路间距都比较大，因此选取K=1.4进行修正，由此求的本矿现场的合理崩矿步距应为4.8～5.4m。

2 PFC3d软件数值模拟放矿研究

作为一种新兴的数值分析方法， PFC3d可模拟任意大小球形颗粒的集合体的动力学行为，可以自动生成统计学上特定分布形式的颗粒集合，颗粒的半径可以均匀分布(即颗粒半径都相等)。这里的“颗粒”并不直接与介质中是否存在颗粒状物质有关，只是用来描述介质特性的一种方式。比如，颗粒可以代表材料中的个别颗粒，例如矿石颗粒；也可以代表黏结在一起的固体材料，如岩石。

PFC3d数值模拟具有灵活快速高效的特点，与实验室相似模拟放矿试验耗时费力的特点相比，可节省大量时间，模拟结果也较为准确，本次采用PFC3d数值模拟软件展开进路间距优选研究。大红山铁矿采场结构参数目前为20m×20m(分段高度×进路间距)，二期拟采用高变分段放矿形式，分段高度20m、30m不等，即在400m水平以下至340m水平为两个30m高分段，为了与该高分段放矿形式相适应，减少损失贫化，提高生产能力和回收率，需确定最佳采场结构参数组合，进行进路间距优选，拟分别选取进路间距20m、25m进行试验比较，以确定最佳进路间距。本次实验分别建立30m×20m与30m×25m两种参数组合放矿模型，分别进行数值模拟得到各自不同的回贫指标，以比较这两种参数组合的优劣。

利用PFC3d内“墙”功能生成各边界，如图5、图6所示，用PFC3d内BALL功能生成大小不等的球来模拟矿石与废石，如图7所示其中灰色(颜色较黑)颗粒代表废石，白色颗粒(颜色较淡)代表矿石。

图5 PFC3d放矿模型结构正视图

图6 PFC3d放矿模型结构侧视图

颗粒受周围墙体的约束,随着放矿的进行,通过按照一定规律删除墙体来解除对颗粒的约束，如第一分段放矿完毕后即删除第一分段进路 口及各漏斗模拟现场爆破，废石覆盖层为两个分段高度，覆岩对下部矿石施加荷载促使矿石颗粒流动,矿石与废石颗粒之间设定摩擦系数及孔隙率以吻合现场放矿。

数值模型程序设定的放矿顺序与实验室物理模型的相同，为从上到下，各分段依次从一端向另一端推进，各放矿口严格按照设定好的截止品位出矿，同一进路口由里向外分步距放矿，图7、图8为分段放矿模拟的过程图，从图7、图8中可以看出模拟矿石及废石矿岩接触面下落形态呈漏斗状下落，这与现场较为吻合。

图7 PFC3d放矿过程(第三分段)

图8 PFC3d放矿过程(第五分段)

为取得各参数组合模型的回贫指标，在进行编程时就嵌入了统计函数，统计数据包括每放矿口放出矿石及废石颗粒个数及其各自的质量，在完成模拟后程序将自动输出统计结果。

根据放矿口放出的矿石及废石质量数据进行回贫指标的计算，表3为各模型模拟试验结果汇总表。

表3 各模型模拟试验结果汇总

通过该数值模拟结果分析可以看出在高变分段情况下，30m×25m参数组合模型的回贫差要高于30m×20m参数组合模型，即在大红山高变分段参数组合20～30m条件下，进路为25m时可以取得较优的回贫指标。

3 结论

1)通过实验室相似模拟单体放矿试验研究得出大红山铁矿高变分段下放出椭球体缺在不同放出高度下的发育参数，包括半轴值及偏心率等(表1、图1)，揭示了椭球体缺的发育规律。通过实验室相似模拟立体放矿试验得到了大红山铁矿高变分段下合理放矿步距指标为6.72～7.56m，合理进路尺寸参数组合为4.2m×4m。

2)充分利用PFC3d数值模拟灵活快速高效的特点，建立起大红山铁矿数值放矿模型，用不同的颗粒分别模拟矿石和废石的流动，实现了放矿全过程的动态再现(图5～8)，并得到无底柱分段崩落法放矿不同结构参数组合下的损失贫化指标，从而优选出合理进路间距指标为25m。

3)本文结合昆钢大红山铁矿放矿研究实例，采用实验室相似模拟试验、PFC3d软件数值模拟展开研究，得到最佳放矿步距及进路尺寸参数组合、进路间距值等，对指导放矿工作具有重要意义。

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