基于多方法聯(lián)合的無底柱采場端壁傾角優(yōu)選

張永達，梁新民，明建，謝經鵬，王莉

（1．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2．北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083）

基于多方法聯(lián)合的無底柱采場端壁傾角優(yōu)選

張永達1，2，梁新民1，2，明建1，2，謝經鵬1，2，王莉1，2

（1．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2．北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083）

以首云鐵礦為工程背景，聯(lián)合運用物理模擬試驗法及PFC2D軟件數(shù)值模擬試驗法，分別對端壁傾角為80°、85°、90°三種不同方案進行模擬試驗研究，并且繪制出了三種不同方案條件下礦石的回收率、廢石的混入率以及回貧差的變化曲線。通過其變化曲線可知，當端壁傾角在85°左右時，礦石回收率以及回貧差取得最優(yōu)值。進而為礦山端壁傾角的選擇提供科學依據(jù)。

無底柱分段崩落法；端壁傾角；回收率；回貧差

首云鐵礦是一個露天轉地下開采的礦山，現(xiàn)已經成功完成兩者之間的過渡，地下開采選用的是無底柱分段崩落采礦法，礦石品位比較低，地質平均品位僅在30%左右。眾所周知，崩落法采礦最大的不足之處就是損失貧化比較嚴重［1－2］。隨著近些年全球經濟的不景氣，鐵精粉價格大幅度下降，因此對于這樣一個低品位的礦山來說，降低礦石的損失貧化程度成為目前礦山急需解決的難題。

關于無底柱分段崩落法損失貧化的研究，國內外做了大量工作并取得了不錯的成果，大多是針對分段高度、進路間距、放礦步距等結構參數(shù)指標進行研究［3－4］。但對端壁傾角在放礦過程中的影響研究相對較少。因此本文以首云鐵礦為工程背景，運用物理模擬實驗以及數(shù)值模擬實驗的手段研究端壁傾角對礦石損失貧化的影響，為以后礦山采場端壁傾角選擇提供科學依據(jù)。

1 物理模擬試驗法研究端壁傾角

1．1 試驗方案

本次模擬試驗選用平面物理模擬放礦模型，模型規(guī)格為長×寬×高：160cm×14cm×120cm，為了清晰地觀察到礦巖顆粒在模型中的移動情況，模型正面安裝的是0．5cm厚的鋼化玻璃。采用模型比例為η＝1∶50，結合首云鐵礦采場現(xiàn)場實際參數(shù)指標值，得到模型各設計參數(shù)詳見表1。首云鐵礦采用截止品位放礦，截止品位為15%，模擬試驗采用同樣的放礦方式。通過公式換算得，當次稱量放出廢石和礦石質量之比達到2．38時，即停止本次放礦試驗［5］。

表1 現(xiàn)場參數(shù)尺寸與模型參數(shù)尺寸對比表Table 1 Size comparison of the field parameters and model parameters

為研究不同端壁傾角對覆蓋巖層下放礦廢石混入的來源影響，掌握廢石移動規(guī)律，優(yōu)選出最佳端壁傾角。模擬放礦試驗分別選取端壁傾角為80°、85°、90°來進行研究。設計方案模型如圖1所示。

1．2 試驗過程

1）建立物理模型

根據(jù)表1可知模型總長度為900mm，高度為500 mm，寬度為80mm。需要用三合板把平面物理放礦模型分割成相應的尺寸，保證試驗操作的準確性。

2）模型裝填礦巖

圖1 不同端壁傾角方案設計圖Fig．1 Design programs of different end－wall angles

檢查工作完成后，準備開始裝填工作。以端壁傾角80°的模型為例，介紹裝填礦巖步驟：按照先裝填前部正面廢石，再裝填礦石，最后裝填上部覆蓋廢石的順序進行。在裝填物料之前，把步距板插好，安裝出礦進路并加以固定。然后按照圖1設計方案開始裝填，先裝填紅色正面廢石，裝填時不需計重；其次裝填礦石，也是從模型底部開始逐漸到指定位置，但在裝填礦石時需要先用電子秤稱量每次裝入礦石的質量并記錄下來，再接著填裝下一步距的礦石，直到把所有放礦步距都裝填滿，并作好稱量記錄；最后裝入頂部白色覆蓋巖層，裝填廢石時不需稱量計重。

端壁傾角為85°、90°試驗模型裝填礦巖時，按照上述裝填步驟進行，模型裝填完成如圖2所示。

3）放礦過程及數(shù)據(jù)記錄

裝填之后，準備開始模擬放礦工作。首先把出礦進路條抽到第一個步距位置，抽掉步距板，開始模擬放礦試驗。使用自制出礦鏟進行出礦，為使試驗更符合現(xiàn)場實際出礦，需要在出礦鏟的手柄上做上標志，保證每一鏟的深度。為便于稱量計重，按照每5鏟稱量一次，分別稱量礦巖總質量、礦石質量、上部覆巖白色巖石質量、正面紅色廢石質量，并作記錄。當連續(xù)三次出礦稱量時，稱量的廢石、礦石質量之比達到2．38時，立即停止放礦。然后抽掉下一個步距板，按照上述步驟進行出礦作業(yè)，直到完成整個模擬試驗。不同端壁傾角方案設計模型放礦截止狀態(tài)如圖3所示。

1．3 試驗數(shù)據(jù)分析

通過上述物理模擬放礦試驗，可得到放礦過程中放出的礦石量、廢石量、礦石回收率、損失率等回收指標值。用origin軟件以端壁傾角為橫坐標，以各個回收指標為縱坐標，繪制出隨著端壁傾角逐漸變化，礦石回收率、貧化率、回貧差等參數(shù)指標的變化曲線，如圖4所示。

圖2 端壁傾角為80°、85°、90°的模型初始狀態(tài)圖Fig．2 The model initial state diagram with end－wall angle of 80，85and 90degrees

圖3 端壁傾角分別為80°、85°、90°的模型放礦截止狀態(tài)圖Fig．3 The model ore－drawing cutoff state diagram with end－wall angle of 80，85and 90degrees

圖4 物理模擬試驗不同端壁傾角下放礦指標比較Fig．4 Comparison of the ore－drawing indices with different end－wall angles in physical simulation test

1）由圖4中回收率變化曲線可知，隨著端壁傾角的逐漸增大，礦石的回收率先逐漸增大然后趨于穩(wěn)定。說明當端壁傾角增大到85°以后礦石的回收率受端壁傾角變化較小，基本趨于穩(wěn)定。

2）由圖4中貧化率變化曲線可知，當端壁傾角由80°逐步增加到90°時，礦石的貧化率先由26．52%增大到30．87%。說明隨著端壁傾角的增大，廢石混入的量越來越多，造成礦石嚴重貧化。

3）由圖4中回貧差變化曲線可知，隨著端壁傾角的逐漸增大，回貧差先逐漸增大后開始減小，當端壁傾角為85°時，回貧差達到最大值。

2 PFC2D數(shù)值模擬法研究端壁傾角

為與物理模擬放礦試驗所得數(shù)據(jù)結果進行對比，本文采用PFC2D軟件顆粒流程序對不同端壁傾角條件下礦石回收率、貧化率的影響進行數(shù)值模擬研究，使結果更具說服力［6］。

2．1 模型參數(shù)選擇

本次所建模型所涉及到的參數(shù)指標有粒徑、顆粒容重、顆粒間孔隙度、截止品位及剛度等。

1）粒徑?，F(xiàn)場實際中礦石、廢石塊度是不確定的、隨機的。但在本次建模時，使模型運算時，耗時少、效率高。模型中的物料顆粒球采用的都是等直徑的。廢石顆粒直徑df＝600mm，礦石顆粒直徑dk＝500mm。

2）顆粒容重。為保證所建模型更符合現(xiàn)場實際放礦情況，礦巖顆粒球的容重應與現(xiàn)場實際保持一致。根據(jù)首云鐵礦有關地質資料數(shù)據(jù)，選取廢石顆粒球密度ρF＝2．8×103kg/m3；礦石顆粒球密度ρK＝3．7×103kg/m3。

3）孔隙度?，F(xiàn)場實測礦巖的孔隙度難度比較大，可以通過松散系數(shù)間接來獲得其孔隙度大?。?］，本次模型中選取孔隙度大小為0．4。

4）截止品位。數(shù)值模擬放礦采用截止品位放礦，品位為15%。在數(shù)值模擬運算中，為方便統(tǒng)計放礦過程中當次放出礦石的品位，可轉化為通過控制廢石與礦石顆粒球數(shù)目的比值來達到截止品位控制放礦的目的，經公式轉換計算得其比值為1．86。

5）模型中其他參數(shù)指標

模型中涉及到的其他參數(shù)指標選擇如表2所示。

2．2 模型構建及模擬運算

根據(jù)模擬相似原則，綜合考慮礦山現(xiàn)場實際情況，在分段高度和進路間距不變的情況下，按照表1、2中的參數(shù)指標值構建端壁傾角分別為80°、85°、90°的三種方案模型。本文僅以端壁傾角為80°的模型為例進行分析，模擬試驗過程以及結果如圖5所示。

表2 模型中其他參數(shù)指標值Table 2 The values of other parameters in the model

圖5 模擬放礦過程及結果圖Fig．5Process and results of ore drawing simulation

模型中上部顆粒球代表上部覆蓋巖層部分，右邊顆粒球代表正面廢石部分，左邊顆粒球代表礦石部分。從圖5中首先可以看出在放礦過程中出現(xiàn)了“空洞［8］”，在實際放礦過程中壁面處流動性比較好，上部覆蓋廢石很快就流到放礦口處，與正面廢石形成了一個包圍圈把礦石顆粒夾在中間，導致廢石提前混入礦石中造成貧化；最后從放礦截止圖可以看出礦石顆粒殘留比較多，礦石損失比較嚴重。

2．3 數(shù)據(jù)整理及分析

根據(jù)PFC2D軟件模擬運算的最終結果，統(tǒng)計了模擬放礦過程中礦石的回收指標，根據(jù)數(shù)值模擬試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過origin繪圖軟件，以端壁傾角為橫坐標，以各個回收指標為縱坐標，繪制出隨著端壁傾角逐漸變化，礦石回收率、貧化率、回貧差等參數(shù)指標的變化曲線，如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬試驗同端壁傾角下放礦指標比較Fig．6 Comparison of the ore－drawing indices with different end－wall angles in numerical simulation test

1）從圖6中回收率變化曲線可知，隨著端壁傾角逐漸變大，礦石的回收率曲線呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢。說明端壁傾角在增大到一定程度之后，對礦石回收率的影響較小。

2）由圖6中貧化率變化曲線可知，隨著端壁傾角逐漸變大，廢石混入率曲線呈逐漸增大的趨勢。說明端壁傾角越大，廢石混入的越多，導致礦石貧化越嚴重。

3）由圖6中回貧差變化曲線可知，隨著端壁傾角逐漸變大，回貧差變化曲線呈現(xiàn)先逐漸增大后減小的趨勢，并且在端壁傾角為85°左右時出現(xiàn)最大值。

3 結論

通過運用室內物理模擬試驗法及PFC2D軟件數(shù)值模擬試驗法，研究不同端壁傾角條件下對放礦過程中礦石損失貧化的影響，得到礦石回收率、廢石混入率以及回貧差的變化曲線。試驗表明：

1）垂直端壁傾角時礦石回收率很高，但廢石的混入率也相當高，導致其回貧差比較低。所以大多數(shù)礦山采用的垂直端壁傾角不一定是合理的，要根據(jù)礦山實際情況選取合理端壁傾角。

2）隨著端壁傾角逐漸變大，礦石的回收率曲線呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢；廢石混入率曲線呈逐漸增大的趨勢；回貧差變化曲線呈現(xiàn)先逐漸增大后減小的趨勢。

3）以礦石回收率以及回貧差作為評優(yōu)指標，可以看出當端壁傾角在85°左右時，礦石回收率已基本趨于穩(wěn)定，且回貧差指標值達到最優(yōu)。根據(jù)首云鐵礦實際情況，建議礦山選用85°左右的端壁傾角，對提高礦石回收率以及減少廢石混入率具有重要意義。

［1］劉興國．放礦理論基礎［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1995：90－116．

［2］孫光華，呂廣忠．我國無底柱分段崩落法的發(fā)展方向［J］．河北理工學院學報，2007（2）：12－16．

［3］余一松，陳小偉，明世祥．無底柱采場端壁傾角變化對礦石損失和貧化的影響［J］．金屬礦山，2009（增刊1）：241－245．

［4］王昌漢．放礦學［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1982：101－113．

［5］汪銳，趙坤，單強．無底柱超高分段室內物理放礦模擬試驗［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2011（4）：4－6．

［6］安龍，徐帥，李元輝，等．基于多方法聯(lián)合的崩落法崩礦步距優(yōu)化［J］．巖石力學與工程學報，2013，32（4）：754－759．

［7］趙坤．崩落采礦法放礦時礦石移動的基本規(guī)律［D］．北京：北京科技大學，2011．

［8］劉興國．崩落采礦法放礦時礦石移動的基本規(guī)律［J］．有色金屬（礦山部分），1979（4）：1－5．

Optimization of end－wall angle in non－pillar sublevel caving method based on multi－method joint application

ZHANG Yongda1，2，LIANG Xinmin1，2，MING Jian1，2，XIE Jingpeng1，2，WANG Li1，2
（1．State Key Laboratory of High－Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education，Beijing 100083，China；2．School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

With the engineering background of Shouyun Iron Mine，physical simulation test and PFC2Dnumerical simulation test method are combined to study on three different programs that the end－wall angle is 80°，85°and 90° respectively，and the changing curves of the ore recovery rate，the waste in－ore rate and the ratio difference between recovery and dilution are drawn out under the condition of three different programs．The curves show that when the end－wall angle is about 85°，the ore recovery rate and the ratio difference between recovery and dilution obtain the optimal value．Furthermore it will provide scientific basis for the choice of end－wall angle in mine．

non－pillar sublevel caving method；end－wall angle；recovery rate；ratio difference between recovery and dilution

TD853．36

Α

1671－4172（2015）04－0004－05

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．002

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目（FRF－TP－14－077A2）

張永達（1988－），男，碩士研究生，礦業(yè)工程專業(yè)，主要從事金屬礦床開采理論與工藝、放礦理論研究。