无底柱分段崩落法斜壁边界条件放矿实验*

欧阳斌　陶干强

(南华大学核资源工程学院)



无底柱分段崩落法斜壁边界条件放矿实验*

欧阳斌陶干强

(南华大学核资源工程学院)

摘要为了研究无底柱分段崩落法斜壁边界条件下矿石散体的移动规律，开展了斜壁边界条件下的底部放矿实验。按照1∶25的几何相似比，制作了无底柱分段崩落法斜壁边界条件下底部放矿模型，根据矿山现场矿石块度级配，制备了对应级配的矿石散体材料及流动性与散体材料一致的标志颗粒。在实验数据的基础上，绘制了各水平层标志颗粒放出量曲线图，分析了矿体厚度和上下盘边壁对散体流动规律的影响。结果表明，矿体厚度对散体流动规律影响较小，在上下盘边壁的约束作用下，同一水平层，越靠近上盘的散体越先被放出。结果对无底柱分段崩落法放矿工艺的研究和应用具有一定指导意义。

关键词无底柱分段崩落法斜壁边界条件底部放矿移动规律

在我国金属矿床地下开采中，中厚倾斜矿体(矿体厚度4～10 m，矿体倾角30°～55°)约占开采矿床总数的23%[1]，中厚倾斜矿体的开采一直是国内外的采矿难题，该类矿床的开采特点是崩落矿岩的移动空间条件较差，不具备“转段回收”的条件，无法采用无(低)贫化放矿方式开采,而实际生产中经常遇到此类情况，该类矿体采用无底柱分段崩落法开采时，其回采效果较厚大急倾斜矿体显著恶化，部分矿山实际开采中矿石损失率高达40%[2]。

为了解决崩落法损失贫化大的问题，国内外学者针对覆岩下矿岩移动规律开展了大量的研究工作，并在放矿理论、放矿计算机仿真、放矿工艺等方面都取得了重大进展，代表性的放矿理论有椭球体放矿理论、类椭球体放矿理论、随机介质放矿理论等,这些理论对指导放矿研究与现场生产发挥了重要的作用。传统上无底柱分段崩落法主要用于开采急倾斜中厚以上矿体,随着低贫损开采技术的应用以及采矿装备水平的提高，其应用范围不断扩大。玉石洼铁矿、西石门铁矿、夏甸金矿等矿山现场工业实验表明，将低贫损开采模式用于缓倾斜(倾角5°～30°)矿体，实现了安全、高效开采，取得了良好的技术经济效果[3-5]。

目前的研究主要针对松散矿岩流动性能以及急倾斜矿体开采[6-12]。任凤玉考虑上盘边壁的影响，分区段建立了60°以上倾斜壁松散矿岩移动方程[13]。对于斜壁倾角(30°～55°)中厚矿体松散矿岩移动方程的研究，就理论高度讲目前尚属空白。本文考虑矿体厚度的影响，开展了倾角为55°，厚6～10 m倾斜矿体的物理模拟实验。

1实验前准备

1.1实验模型

采用10 mm厚木质胶合板按照1∶25的几何相似比制作实验模型。模拟矿体倾角为55°，厚6～10 m，回采进路尺寸为2.5 m×2.5 m。模型尺寸为135 cm×6 cm×120 cm。为方便装填矿石和布置标志颗粒，实验前将模型一侧的木板锯成24条5 cm宽的木板，保证每次装填矿石的厚度均为5 cm。放矿口尺寸为10 cm×6 cm×10 cm，并且在放矿口处设置一个闸门和一块托板用以控制放矿速度。

1.2实验材料

实验散体材料按照实际矿山现场矿石块度1∶25制备，级配见表1。

表1　矿石级配

1.3标志颗粒

为保证实验散体流动性一致，制作标志颗粒所用的散体材料直接从实验用的散体材料中选取[14]。选好后将其染色，并将标有标号的纸片粘贴在颗粒上。标志颗粒的大小为8～12 mm,在竖直方向每隔5 cm放置一层标志颗粒，水平方向每隔3 cm放置一个标志颗粒，共24层。标志颗粒的布置见图1。

图1　标志颗粒布置示意(单位：cm)

2实验操作

装填矿石散体时每一层都应夯实，以降低细小颗粒的渗流作用，装填密度为1.601 5 g/cm3。放矿过程中，单次放矿量应该在100 g左右，按照标志颗粒放出先后的顺序记录对应标志颗粒的当次放出量。从出矿口放出矿石，矿石散体中的某一颗粒到达出矿口时之前的放出散体数量称为该颗粒点的达孔量。

放矿过程中应尽量保持匀速放矿，每个矿体厚度的实验应该重复2～3次。由于存在一些粒径比较大的矿石，为了避免出矿口堵塞，拨矿用铲子的宽度跟放矿口宽度一致。每次放矿时都用铲子将出矿口疏通，保证每次出矿时巷道都充满矿石。

3实验结果

将各标志颗粒的当次放出量按照颗粒放出顺序累加即可得到对应标志颗粒的放出量。统计各实验的达孔量数据，并建立X-Q坐标系，见图2。

图2　坐标系的建立

在坐标系中描绘出不同矿体厚度各层标志颗粒的放出量曲线图(图3)。按照曲线发育情况，分成3个阶段：第一阶段呈抛物线，第二阶段呈S形增长曲线，第三阶段呈线性增长型曲线。

4实验结果分析

4.1矿体厚度对散体流动的影响

各个矿体厚度的放出量曲线图的发育情况基本一致，因此，矿体厚度对散体流动规律的影响比较小，甚至可以忽略不计。

4.2上下盘边壁对散体流动的影响

标志颗粒的放出量越小，说明被放出的时间越早。同一矿体厚度下，在放出量曲线为抛物线型阶段，靠近放矿口中心轴线的标志颗粒优先被放出，可知，在此阶段上下盘边壁对散体流动没有约束作用。而当这一阶段结束后，上下盘边壁对散体有约束作用，在同一水平层上，越靠近上盘边壁的标志颗粒，越早被放出来。

图3　不同矿体厚度放出量曲线

5结论

(1)根据各水平层标志颗粒放出量曲线图可看出，斜壁边界条件下放矿是一个复杂的过程，若根据达孔量法测定，将得到不同类型的放出体几何形态。

(2)斜壁边界条件下的底部放矿过程中，矿体厚度对散体流动的影响比较小，基本上不影响散体的流动规律。

(3)在上下盘边壁的约束作用下，同一水平层上，越靠近上盘边壁的散体越先被放出。

参考文献

[1]王文杰.中厚倾斜矿体卸压开采理论及其应用[J].金属矿山,2009(2):23-26.

[2]孙文勇,谭宝会,张志贵,等.某矿山无底柱分段崩落法矿石损失贫化原因分析[J].化工矿物与加工,2013(10):32-35.

[3]任天贵,宋卫东.地下难采铁矿体采矿方法问题的思考[J].金属矿山,1994(12):17-21.

[4]任凤玉,陶干强,王家宝.西石门铁矿自落顶设回收进路的无底柱分段崩落法试验研究[J].采矿技术,2001(2):38-41.

[5]王劼,杨超,张军,等.倾斜中厚矿体分段崩落法损失贫化控制技术[J].金属矿山,2010(6):57-59.

[6]余一松,陈小伟,明世祥.无底柱采场端壁倾角变化对矿石损失和贫化的影响[J].金属矿山,2009(S1):241-245.

[7]原丕业,赵金先,王军英,等.急倾斜中厚矿体无底柱分段崩落法结构参数优化研究[J].中国矿业,2004(5):32-35，75.

[8]赖伟.复杂急倾斜薄矿脉采矿方法试验研究[D].长沙：长沙矿山研究院,2012.

[9]穆怀富,林东跃.无底柱小分段崩落采矿法在急倾斜不稳固薄矿体开采中的应用[J].黄金,2015(10):44-47.

[10]王昌.尖山矿区倾斜—急倾斜中厚矿体采场结构参数研究[D].昆明：昆明理工大学,2015.

[11]李坤蒙,李元辉,徐帅,等.急倾斜薄矿脉无底柱分段崩落法结构参数优化[J].金属矿山,2014(7):1-6.

[12]赵海军,马凤山,丁德民,等.急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理[J].中南大学学报:自然科学版,2009(5):1423-1429.

[13]任凤玉.斜壁边界散体移动规律研究[J].化工矿山技术,1993(4):23-27.

[14]陶干强,杨仕教,任凤玉.随机介质放矿理论散体流动参数试验[J].岩石力学与工程学报,2009(S2):3464-3470.

(收稿日期2016-02-29)

Ore Drawing Experiment of the Inclined Wall Boundary Conditions of Non-pillar Sublevel Caving Method

Ouyang BinTao Ganqiang

(Nuclear Resources Engineering College, University of South China)

AbstractIn order to analyze the movement regularity of the ore granular under the inclined wall boundary conditions of non-pillar sublevel caving method, the ore drawing experiment of the bottom under the inclined wall boundary conditions is conducted. The bottom ore drawing model under the inclined wall boundary conditions of non-pillar sublevel caving method is made based on the geometric similarity ratio of 1:25. According to the ore blocks grading of the mine site, the ore granular material of corresponding grading and the mark particles which the liquidity is consistent with the one of granular material are obtained. Based on the experiment data, the release quantity curve of the marked particles of the horizontal layers are drawn and the influence of the ore-body thickness and the upper and lower side walls to the movement regularity of ore granular is analyzed. The results show that the influence of the ore-body thickness to the movement regularity of ore granular is little, under the constraint function of upper and lower side walls, in the same layer, the closer the upper side wall, the quicker the ore granular can be drawn out. The above analysis results can provide some reference for the study of the ore drawing technique and its engineering application.

KeywordsNon-pillar sublevel caving method, Inclined wall boundary conditions, Bottom ore drawing, Movement regularity

*国家自然科学基金项目(编号：5157040545)。

欧阳斌(1990—)，男，硕士研究生，421001 湖南省衡阳市常胜西路28号。