进路宽度对无底柱分段崩落法放矿效果的影响

马 驰，路增祥,2，宋 超，于志宏，曹 朋，吴晓旭

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心，辽宁 鞍山 114051)

无底柱分段崩落法具有安全性高、成本低、适用范围广等特点，在金属矿山中应用广泛，但该方法为覆盖岩下放矿，因此矿石损失与贫化较为严重[1]，为解决这一问题，学者针对采场结构参数做了大量的研究工作。进路宽度是重要的结构参数之一，目前我国矿山常用的进路宽度在4 m左右，远小于国外高水平矿山[2-3]。实践证明，进路宽度的增加不仅能满足大型机械设备的工作要求，也可以使放矿效果发生变化。为了解进路宽度对放矿效果的影响，黄滚等[4]通过分析进路矿柱的稳定性，提出了进路极限公式，同时结合技术经济指标优化进路宽度，认为增加进路宽度会降低矿柱稳定性安全系数，进而提高矿石收益值；乔登攀等[5]分析了进路口矿石散体流动速度分布和散体移动概率密度，揭示了散体有效流动范围以及进路宽度对矿石流动性的影响，认为采用增大进路宽度、全断面均匀出矿等方法可使矿岩层平稳下降，减小了矿石与废石的接触面积，提高了放矿效果；陈小伟等[6]认为崩落采矿法中放出体形态与进路宽度呈指数关系；于志宏等[7]认为降低进路高度或增大进路宽度可以提高矿石回收率、降低贫化率。

上述研究从多个角度对进路宽度进行了分析，促进了无底柱分段崩落法的发展。为进一步系统地探究进路宽度对放矿效果的影响，本文以单进路放矿实验为基础，研究无底柱分段崩落法放矿过程中，进路宽度对放矿现象、放矿量、贫化率和回收率的影响，探究其变化原因，对优化采场结构参数、改善放矿效果有一定的实际意义。

1 实验方案

1.1 实验准备

实验模型由有机玻璃板制作，按几何比1∶50模拟进路间距20 m、分段高度20 m、崩矿步距3 m、进路高4 m，覆盖岩40 m。 进路宽度X取值为80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm对应实际宽度4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m，实验模型如图1所示。实验材料选用磁铁矿和石英岩分别模拟矿石、废石，其粒度组成见表1。

1.2 模型装填及放矿要求

首先，根据进路宽度X值调整实验模型的底部结构；其次，按照指定结构参数同步装填矿石与废石；最后，开始放矿工作，在进路口左右交替均匀出矿，每6铲称重一次，同时记录矿石、废石质量。当连续出现3次废石量大于70%，停止出矿。

2 进路宽度对废石漏斗、矿岩流动性的影响特征

进路宽度分别为4 m、5 m、6 m情况下，初见废石和截止放矿时的放矿漏斗正面照片如图2所示。

废石侵入前，进路宽度越大，废石漏斗边际线的顶点下降距离越大，如图2(a)所示。终止放矿时，最终边际线以进路口眉线两侧端点为顶点，随着进路宽度增加，顶点和边际线向两侧扩展，如图2(b)所示。从废石漏斗的变化特征可以看出，增加进路宽度，矿岩的扰动范围随之增加，更多矿石被放出。

图1 放矿实验模型Fig.1 Experimental model of ore drawing

表1 矿岩颗粒级配组成(质量比)Table 1 Granularity composition of ore and rock (mass ratio)

图2 不同进路宽度下废石漏斗演变特征Fig.2 Evolution features of waste rock funnel atdifferent drift width

矿岩流动性方面，出矿过程中进路宽度越大，矿岩整体流动性越好。流动性与进路口处矿岩拱的稳定性有关。进路宽度较小时，进路口眉线处频繁结拱，矿岩流动性较差；进路宽度较大时，在进路口眉线处矿岩流动性较好。这是因为矿岩拱以进路侧壁、模型端壁和下部矿岩为支点。进路宽度越小，拱的支点间距离越近，矿岩拱比较稳定，不容易被破坏；进路宽度越大，拱的支点间距离越远，矿岩拱受到扰动后越容易被破坏。

3 进路宽度对放矿指标的影响特征

3.1 进路宽度对放出矿石量、废石量的影响特征

由图3可知，进路宽度的增加，提高了放出矿石量与废石量，矿石增加量明显大于废石增加量。进路宽度每增加0.5 m，矿石放出量约增加350 g，废石放出量约增加180 g。

图3 不同进路宽度下的放出矿石量及废石量Fig.3 Drawing-out amount of pure ores andwaste rock at different drift width

3.2 进路宽度对贫化率、回收率的影响特征

根据实验结果，放矿过程中，不同进路宽度情况下贫化率随放出矿量的变化曲线如图4所示。由图4可知，当放矿量一定时，随着进路宽度增加，贫化率及其增长速度越来越小，最终贫化率呈小幅度增加趋势，并呈现出以下特征：①放矿前期，进路宽度越大，产生贫化的时间越晚；②放矿中期，由于正面废石的侵入，贫化率缓慢增长，在此阶段中，进路宽度越大，贫化率增长速度越小；③当出矿量达到5 000 g左右时，顶部废石开始侵入，在顶部与正面废石的双重侵入下，贫化率急剧增加。

图4 贫化率变化曲线Fig.4 Curve of dilution rate

根据实验结果，截止放矿停止，回收率随进路宽度变化特征如图5所示。由图5可知，随着进路宽度增加，回收率呈增长趋势，与最终贫化率相比，回收率增加幅度较大。进路宽度每增加0.5 m，回收率约提高1.3个百分点。

图5 回收率变化曲线Fig.5 Curve of recovery rate

4 进路宽度影响放矿效果的原因

从放矿漏斗和放矿量的变化特征中可以看出，进路宽度的增加导致了更多矿石下落。矿石下落与否与矿岩内滑动微面位置有关，进而影响放出的矿岩量。此外，在出矿过程中，进路宽度的增加导致矿铲对进路内矿石的扰动特征规律性变化，进而影响废石的侵入速度。

4.1 进路宽度对滑动微面的影响

进路宽度变化改变了矿岩的被扰动范围，进而改变了矿岩的运动状态。根据松散介质应力极限理论，颗粒是否运动与其剪切力和散体介质内抗剪强度有关。同一散体介质内，颗粒所处位置不同，其剪切力也不同。在松散介质流动过程中，存在滑动微面使位于该微面的颗粒满足式(1)[8]。

τn=σntanφ+c

(1)

式中：τn为剪切力，N；σn为法向应力，N；φ为内摩擦角，(°)；c为黏聚力，N。

位于该滑动微面上的颗粒处于极限平衡状态；滑动微面以内，颗粒的剪切力大于抗剪强度，引起颗粒运动；滑动微面以外，颗粒剪切力小于抗剪强度，不会引起颗粒运动。在无底柱分段崩落法放矿过程中，位于滑动微面以内的矿岩向放矿口移动，位于滑动微面以外的矿岩不移动。从模型的正面角度看，滑动微面的两侧边界线(以虚直线示意)以进路口眉线两端点为顶点，斜率受内摩擦角、边孔角以及模型结构等影响(图6)。

由图6可知，放矿过程中，随着进路宽度增加，该滑动微面边界线向两侧平移，滑动微面以内的矿岩量随之增加，由于滑动微面内矿石量占比最大，因而大幅提高了矿岩放出量。此外，除了滑动微面位置变化外，进路宽度也导致分段内矿岩总量发生了变化。随着进路宽度增加，边孔角侧壁下降、后移，进路边壁向两侧移动，分段内的矿岩总量随之增加，其中一部分矿岩在滑动微面以内，增加了放出的矿石量。

4.2 进路宽度与矿铲扰动特征的关系

放矿效果随进路宽度规律性变化还与矿铲对进路内矿岩扰动特征有关，如图7所示。

(注：1-滑动微面边界线(示意)；2-滑动微面变化后增加的矿岩移动范围(示意)；3-边孔角、进路侧壁；4-结构变化后增加的矿岩总量。)图6 滑动微面及矿岩总量变化示意图Fig.6 Diagram of the change of sliding surface andamount of ore and roc

图7 矿铲扰动区域示意图Fig.7 Diagram of area disturbed by bucket

矿铲对矿岩的扰动特征影响着矿石的下降速度。左右交替出矿时，进路中间可能存在重复出矿的区域，该区域内矿岩被扰动次数是其他区域的2倍，由于重复扰动区位于进路中间，所以对正面、顶部废石下降速度的影响较大。当进路宽度较小时，重复扰动区域较大，提高了正面、顶部矿岩的下降速度，缩短了正面、顶部废石到达进路口的时间，出现贫化的时间较早，贫化率增长速度较快；进路宽度较大时，中间重复扰动的区域较小或没有重复扰动的区域，顶部和正面废石侵入速度较小，贫化率的增长速度随之降低。

5 结 论

1) 进路宽度影响放矿漏斗变化、矿岩的流动性。进路宽度较小时，出矿时进路口出频繁结拱，矿岩流动性较差，最终漏斗边界线间距离较小；进路宽度越大，出矿时矿岩拱越不稳定，矿岩流动性越好，最终漏斗边界线间距离越大。

2) 放矿指标随进路宽度变化呈现规律性变化。增大进路宽度，可提高放出矿岩量，其中，矿石放出量明显高于废石放出量。随着进路宽度增加，贫化率及其增长速度降低，最终贫化率小幅度增加；进路宽度每增加0.5 m，回收率提高约1.3个百分点。

3) 滑动微面、铲斗对进路内矿岩扰动特征的变化是进路宽度影响放矿效果的主要原因。增加进路宽度，一方面会导致滑动微面位置发生变化，增加了滑动微面内的矿岩总量，进而提高了矿石放出量；另一方面减小了进路内铲斗重复扰动的矿岩范围，降低了废石的侵入速度。