無底柱分段崩落法落礦大塊產(chǎn)生相似模擬研究

李 斌 許夢國 王明旭 朱明德

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室)

無底柱崩落法是一種高效率、高度機械化、工藝簡單、生產(chǎn)安全、成本較低廉的采礦方法［1］，在金屬礦山得到迅速推廣，特別是鐵礦山更為廣泛，目前采用這種方法開采的鐵礦石至少已占地下鐵礦山礦石總產(chǎn)量的70%［2］。但是無底柱分段崩落法在進行中深孔爆破落礦時，由于采用扇形布孔，炸藥分布不均勻等因素，大塊率偏高的問題普遍存在。

程潮礦區(qū)是一個大型的磁鐵礦及硬石膏礦共生隱伏礦床，屬于接觸交代(矽卡巖型)礦床。礦體以15號勘探線為界分為西區(qū)和東區(qū)2個礦區(qū)，東區(qū)圍巖及鐵礦體比較發(fā)育、破碎，西區(qū)圍巖及鐵礦體完整性較好、穩(wěn)固性和堅固性良好。多年以來，程潮鐵礦東區(qū)和西區(qū)一直采用無底柱分段崩落法進行采礦，采用相同的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，分段高度17.5 m，進路間距15 m，崩礦步距1.8～2.5 m。同樣參數(shù)的爆破落礦作業(yè)，在東區(qū)爆破后產(chǎn)生的大塊率較低，而西區(qū)大塊率卻偏高。目前由于采礦生產(chǎn)任務(wù)緊張，程潮鐵礦西區(qū)大塊率偏高的問題變得越來越突出:降低出礦效率，影響正常的采礦生產(chǎn)，增加礦石的二次爆破量和采礦成本，也成為采礦安全生產(chǎn)的一大隱患。因此，為了保證程潮鐵礦井下生產(chǎn)正常安全的進行，有必要對大塊產(chǎn)生機理進行研究，并優(yōu)化爆破參數(shù)，來解決爆破大塊率偏高的問題。為此，建立地質(zhì)力學(xué)模型進行室內(nèi)相似模擬試驗研究，該試驗在基本滿足相似原理的基礎(chǔ)上，對不同參數(shù)中深孔進行模擬爆破，在試驗中找出大塊產(chǎn)生機理，優(yōu)化爆破參數(shù)，為科學(xué)決策提供參考。通過大量的工程實踐表明，依據(jù)相似原理建立地質(zhì)力學(xué)模型的試驗方法是研究地下采礦問題一種行之有效的方法。

1 相似材料模擬試驗

對于井下中深孔爆破落礦問題，在現(xiàn)場進行原位爆破試驗研究具有高度危險性，只能通過室內(nèi)相似材料模型試驗進行模擬爆破。室內(nèi)相似材料模擬爆破就是通過在室內(nèi)利用小模型爆破試驗來替代井下現(xiàn)場爆破。

1.1 相似材料模擬試驗基本原理

室內(nèi)相似材料模擬試驗是建立在相似原理的基礎(chǔ)上，通過對模型的應(yīng)變、位移和破壞等行為的觀察和記錄，來分析和解決實際工程問題的一種有效方法。要使相似材料模型模擬爆破情況能近似反映井下扇形中深孔爆破落礦的情況，就必須根據(jù)需解決問題的性質(zhì)，確定相似材料模型與現(xiàn)場原型之間的相似準則。

根據(jù)原型和模型的平衡、幾何、物理方程、應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件推導(dǎo)得到相似關(guān)系表達式如下:

式中，Cσ為應(yīng)力相似比;Cγ為容重相似比;CL為幾何相似比;Cδ為位移相似比;Cε為應(yīng)變相似比;CE為彈性模量相似比;Cf為摩擦系數(shù)相似比;Cφ為內(nèi)摩擦角相似比;Cμ為泊松比相似比［4］。這里應(yīng)該指出的是，在相似材料模擬試驗研究中，使相似材料模型同時滿足所有的物理力學(xué)參數(shù)相似是非常困難的，而且也是沒有必要的，應(yīng)該根據(jù)需要解決問題的性質(zhì)，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，選取影響相似材料模型與現(xiàn)場原型的主要因素作為相似參數(shù)。故這里選用單軸抗壓強度、泊松比和容重作為材料模型與現(xiàn)場原型的主要相似指標。

1.2 相似材料的選擇

選用的相似材料要求與現(xiàn)場原型材料具有相似的物理力學(xué)性質(zhì)，這樣才能保證相似模型最大程度地接近現(xiàn)場原型。

根據(jù)前人大量相似材料模擬試驗經(jīng)驗，相似材料的選擇需要滿足一些基本要求:①相似材料與現(xiàn)場原型的主要物理力學(xué)性質(zhì)相似;②相似材料的物理力學(xué)性能穩(wěn)定;③改變相似材料配比，可以調(diào)整相似材料的某些物理力學(xué)性質(zhì)以符合相似指標的需求;④相似材料來源廣泛，經(jīng)濟低廉，安全可靠，加工易成型。根據(jù)這些要求，選取了鐵精礦粉、重晶石粉作為骨料，石膏作為膠結(jié)材料進行相似模擬試驗，試驗結(jié)果表明:鐵礦粉和重晶石粉可以起到調(diào)節(jié)模型容重和鐵品位的作用，石膏可以有效地調(diào)節(jié)模型的單軸抗壓強度，能夠滿足相似試驗的要求，效果比較理想。

1.3 相似材料配比的確定

1.3.1 試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)備主要有液壓式萬能試驗機、壓力傳感器、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、計算機、塑料模具(單個空間尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)和應(yīng)變片，試驗材料主要有鐵精礦粉(品位68%)、重晶石和石膏。

經(jīng)多次稱量并算術(shù)平均得鐵精礦粉的容重為28.403 kN/m3，重晶石粉的容重為19.164 kN/m3，石膏的容重為13.059 kN/m3。

1.3.2 配比試驗

程潮鐵礦現(xiàn)場礦石主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。本次相似材料模擬中最主要的相似指標是單軸抗壓強度，影響該指標的主要因素是石膏的含量，故配比試驗主要確定石膏的含量。

表1 礦石物理力學(xué)參數(shù)

為方便脫模，在裝料前在塑料模具中涂抹一層機油，然后按照不同配比的相似材料加入適量的水混合均勻后，裝入模具進行搗實壓勻，并使試塊與模具邊緣平齊，1次做3組試塊，初凝后進行脫模，在室內(nèi)放置15 d左右，經(jīng)不同時段多次稱重數(shù)據(jù)無變化時即可進行單軸抗壓試驗。單軸抗壓試驗中，在試塊平整的一面橫向和縱向各貼一片應(yīng)變片，并通過傳感器接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀中，最后由計算機記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3.3 確定配比

每種配比做3組試塊并測量其相應(yīng)的物理力學(xué)指標，并對結(jié)果進行分析，具體如表2所示。試驗選定的相似幾何比CL=100，容重比Cγ=1.5，則根據(jù)式(1)可得應(yīng)力相似比Cσ=150，單個試塊的質(zhì)量范圍為2 333～3 000 g，單軸抗壓強度的范圍為0.84～0.99 MPa。通過比較表2的數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)石膏含量在7%時單軸抗壓強度最為符合要求，并且容重和泊松比也符合要求，因此選擇石膏含量7%的方案，具體配比為鐵精礦粉質(zhì)量∶重晶石粉質(zhì)量∶石膏質(zhì)量=11.4∶1.83∶1。

2 試驗過程

2.1 制定模型參數(shù)方案

程潮鐵礦采用的中深孔爆破方案有2個:單排11孔和雙排前6孔后7孔，具體炮孔排面布置剖面圖和參數(shù)分別見圖1和圖2，其爆破落礦時產(chǎn)生的大塊偏多，大塊率高，尤其是雙排孔。擬設(shè)計的方案有雙排前7孔和前8孔、單排12孔和單排雙心12孔，具體炮孔排面布置剖面圖和參數(shù)見圖3～圖5。

表2 試驗方案及結(jié)果

圖1 單排11孔布置圖

圖2 雙排前6孔后7孔布置圖

圖3 雙排前7孔后8孔布置圖

圖4 單排12孔布置圖

2.2 相似材料模型制作

根據(jù)以上相似原理得到的相似材料配比，按照圖6所示的模型大小尺寸及各方案的參數(shù)，添加適宜的水將鐵精礦粉、重晶石粉和石膏混合均勻，然后將混合后的相似材料放入模版中充分搗實，注意控制好排距，按照中深孔的參數(shù)放置鋼筋(直徑為6 mm)，如圖7所示，并事先在鋼筋上涂抹一層機油，以便后面拔出鋼筋，鋼筋拔出后便形成中深孔。在室內(nèi)放置3～5 d，在模型未完全干時取出鋼筋，然后繼續(xù)在室內(nèi)常溫養(yǎng)護20～30 d，模型基本上完全硬化成形，即可做中深孔模擬爆破相似試驗。

圖5 單排雙心12孔布置圖

圖6 模型尺寸(單位:cm)

圖7 中深孔模擬圖

2.3 爆破模擬試驗

在給模型裝藥前先對模型進行稱重，然后向中深孔中插入引線裝入火藥(主要成分是黑火藥)，并記錄裝藥量，用橡皮泥作為炮泥堵塞炮孔。將裝完藥的模型放到固定支架上，添加與模型不同顏色的小碎石(粒徑400～800 mm)作為覆蓋層，然后點燃引線進行中深孔爆破模擬試驗。爆破結(jié)束后收集粒徑在6 mm以上的大塊，并作記錄。試驗圖片如圖8～圖11所示。

圖8 爆破模型

圖9 添加覆蓋層

圖10 爆堆

圖11 收集的大塊

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

通過對中深孔不同爆破參數(shù)進行相似模擬試驗，考慮到模型模擬的爆破范圍略大于現(xiàn)場實際爆破落礦的范圍，故在統(tǒng)計結(jié)果中去除帶模型邊緣的大塊，得到試驗結(jié)果如表3所示，其中大塊率是指每爆破1 000 t礦石所產(chǎn)生的大塊個數(shù);現(xiàn)場爆破1 m有1 000 t，在相似試驗中10 mm就相當(dāng)于現(xiàn)場的1 m。

表3 試驗結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)得到的試驗結(jié)果，采用線性分配法對其進行分析。線性分配法決策的基本思路是若某方案按幾個重要的目標都排在前面，那么總體上看，它當(dāng)然很可能排在前面。按照這種思想，可構(gòu)造一個權(quán)矩陣去估計每個方案排列的位置，進而構(gòu)造排序優(yōu)勢矩陣，然后求得最優(yōu)排序矩陣，進而可以得到各方案的優(yōu)劣排序［5］。

表3中有3個評價指標:大塊個數(shù)、平均塊度和大塊率。根據(jù)本研究的內(nèi)容和性質(zhì)，各評價指標的權(quán)重分別定為0.4、0.1和0.5。各方案在各評價指標下的排序結(jié)果如表4所示。

表4 各指標下方案的排序

根據(jù)表4的排序結(jié)果，構(gòu)造排序優(yōu)勢矩陣如下:

式中，cij(i，j=1，2，…，m)為方案Ai排在第j位的各評價指標的權(quán)重之和。若沒有評價指標使Ai排在第j位，則cij=0。這里m=11。顯然，第k行中最大元素對應(yīng)的列1是方案Ak最可能排的位置。

令:

可得排序矩陣P=(pij)m×m，pij為如下極大化指派問題的最優(yōu)解:

令bij=max cij－cij，得矩陣

以B為系數(shù)矩陣的極小化指派問題為

由匈牙利法直接求解此極小化指派問題，可得其最優(yōu)解如下:

令

A=(1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11)，可得方案排序向量

由此可以得到方案A8(單排雙心12孔，排距18 mm，現(xiàn)場對應(yīng)的崩礦步距為1.8 m)最優(yōu)。

從排序可以發(fā)現(xiàn)，單排雙心12孔和單排12孔的方案均排在靠前的位置，而單排11孔和雙排孔的方案排在靠后的位置，說明雙排孔的爆破效果最差，單排孔優(yōu)于雙排孔;通過加大孔網(wǎng)密度來減小孔間距可以有效地改善爆破效果及降低大塊率。

從表3中可以得到:同樣的布孔參數(shù)，裝藥量相差不大的情況下，隨著排距的降低大塊個數(shù)和大塊率得到明顯的降低。說明崩礦步距對爆破效果存在著很大程度的影響。

另外，在做試驗的過程中發(fā)現(xiàn):當(dāng)裝藥量不足致使裝藥密度偏小時爆破效果很不理想，特別是當(dāng)排距偏小時，很容易形成“隔墻”。

4 結(jié)論

(1)從制定的各方案中得到最優(yōu)方案A8，即單排雙心12孔，對應(yīng)的現(xiàn)場實際排距為1.8 m。

(2)通過加大孔網(wǎng)密度的單排12孔和單排雙心12孔的爆破效果明顯優(yōu)于單排11孔和雙排孔。

(3)大塊個數(shù)和大塊率隨著排距的降低而減小，最優(yōu)排距為1.8 m。

(4)裝藥密度對爆破效果有著很大程度的影響，為有效改進爆破效果、降低大塊率，應(yīng)加大裝藥密度，提高爆破威力。

［1］ 李 揚，梅林芳，周傳波.露天轉(zhuǎn)地下崩落法開采對高陡邊坡影響的數(shù)值模擬［J］.礦冶工程，2008，28(3):14-18.

［2］ 解世俊.金屬礦床地下開采［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

［3］ 馬 俊，許夢國，王 平.無底柱分段崩落法塌陷區(qū)回填體移動規(guī)律研究［J］.金屬礦山，2011(8):37-40.

［4］ 張強勇，李術(shù)才，焦玉勇.巖體數(shù)值分析方法與地質(zhì)力學(xué)模型試驗原理及工程應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［5］ 郭秀英.預(yù)測決策的理論與方法［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.