某鐵礦無底柱分段崩落法的參數(shù)優(yōu)化研究

簡(jiǎn)永軍，陳玉明

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

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某鐵礦無底柱分段崩落法的參數(shù)優(yōu)化研究

簡(jiǎn)永軍，陳玉明

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

結(jié)合云南某鐵礦的生產(chǎn)地質(zhì)條件和礦石的賦存條件，運(yùn)用PFC3D數(shù)值模擬軟件建立礦山采場(chǎng)的放礦模型，對(duì)該礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即崩礦步距，進(jìn)路間距尺寸和分段高度進(jìn)行優(yōu)選。利用回貧差值大小衡量結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的優(yōu)劣情況，即回貧差值越大，放礦效果越好，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)越優(yōu)，反之，則差。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立9組不同的采場(chǎng)參數(shù)組合，并分別對(duì)9組試驗(yàn)驗(yàn)建立對(duì)應(yīng)的PFC數(shù)值放礦模型，對(duì)最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究，最終確定該礦山的最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為分段高度為30 m，進(jìn)路間距25 m，崩礦步距6 m。

結(jié)構(gòu)參數(shù)；放礦指標(biāo)；回貧差；PFC3D；正交試驗(yàn)；放礦模型

無底柱分段崩落法因其開采強(qiáng)度大，效率高，成本低，回采安全等優(yōu)點(diǎn)，自20世界60年代引進(jìn)國(guó)內(nèi)并廣泛引用于我國(guó)金屬礦山。目前應(yīng)用該法開采的礦石量約占地下礦山采出礦石總量的80%。崩落法回收礦石的基本原理就是在廢石的覆蓋下面，借助重力的作用在回采巷道中進(jìn)行放礦。無底柱分段崩落法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括崩礦步距，進(jìn)路間距和分段高度，分段高度一旦設(shè)計(jì)開始鑿巖切割，最不容易進(jìn)行調(diào)整，近路間距次之，崩礦步距可根據(jù)礦山生產(chǎn)需要進(jìn)行自由調(diào)整，他們的不同組合將直接影響到礦山的回收效益。本次研究礦山為國(guó)內(nèi)最大的地下金屬礦山之一，其主要地質(zhì)儲(chǔ)量均埋藏在深部，適宜采用大型采掘設(shè)進(jìn)行井下開采，地下開采規(guī)模可達(dá)400萬t/a。進(jìn)路間距，分段高度和崩礦步距的最佳關(guān)系組合協(xié)調(diào)，是獲取良好放礦效果和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。橢球體的排列步分布形式，將會(huì)直接影響到礦石的損失，在設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量使放出橢球體兩兩相切，即左右橢球體分別和上下兩橢球體相切，經(jīng)大量文獻(xiàn)資料研究表明，兩兩相切時(shí)放礦效果最好，經(jīng)濟(jì)效益最高。放出橢球體在垂直于回采進(jìn)路的剖面上有兩種排列形式，如圖1所示。

1) 橢球體采用高分段布置時(shí)，分段高度與進(jìn)路間距的關(guān)系如下：

(1)

a 大間距放出橢球體布置形式；b 高分段放出橢球體布置形式

2) 橢球體采用大間距布置時(shí)，分段高度與進(jìn)路間距的關(guān)系如下：

(2)

式中H——分段高度；

B——進(jìn)路間距；

a——放出橢球體的長(zhǎng)軸；

b——放出橢球體的短軸。

1 PFC3D數(shù)值模擬的基本原理和方法

PFC(Particle Flow Code)顆粒流分析程序是以圓盤(PFC2D)或球(PFC3D)作為基本單元來模擬球形介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和相互碰撞情況，允許介質(zhì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和位移，計(jì)算過程中，也可以允許介質(zhì)發(fā)生分離并重新構(gòu)建新的接觸。其利用顯示差分算法和離散理論對(duì)微細(xì)觀顆粒的力學(xué)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，并從粒子的基本結(jié)構(gòu)來考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)行為。顆粒離散元法中顆粒的位置(position)和速度(velocity)由牛頓運(yùn)動(dòng)定律和力與位移方程間的關(guān)系計(jì)算，不斷使用迭代計(jì)算法來更新各個(gè)顆粒速度、位置、受力狀態(tài)和接觸狀態(tài)[1-3]，其計(jì)算循環(huán)過程如圖2所示。

圖2 顆粒位置和速度的計(jì)算循環(huán)過程

離散元法是在1979年由cundall和strack提出的，其基本觀點(diǎn)為把不連續(xù)介質(zhì)分離成剛性元素的集合體，使每個(gè)剛性顆?；騿卧紳M足運(yùn)動(dòng)方程,并用迭代算法來求解每個(gè)剛性元素的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，從而可以求解不連續(xù)體的整體運(yùn)動(dòng)情況。離散單元法是把介質(zhì)看成是有一系列的單元粒子組成，根據(jù)離散單元本身所具有的特性建立起數(shù)學(xué)模型，將需要分析和研究的物體看作是離散顆粒的集合，這與離散單元的離散性質(zhì)基本相一致，所以，應(yīng)用離散單元法來分析顆粒的運(yùn)動(dòng)情況和過程非常有效和突出。

PFC3D數(shù)值模擬過程中作了如下的基本假設(shè)：

1) 顆粒為圓形盤(二維)或球體(三維)；

2) 顆粒單元為剛性體；

3) 接觸為點(diǎn)接觸；

4) 接觸特性為柔性接觸，顆粒之間的重疊量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于球體的半徑；

5) 在接觸處有粘結(jié)強(qiáng)度。

2 PFC3D模型的建立

2.1方案設(shè)計(jì)

本文研究的鐵礦山采用無底柱分段崩落法開采礦石，一期設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為400萬t/a，礦塊生產(chǎn)能力為60萬t/a，該礦山是我國(guó)最大的地下金屬礦山之一，目前采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為20×20，即分段高度和進(jìn)路間距皆為20 m，在國(guó)內(nèi)屬于高分段大間距參數(shù)，一直處于領(lǐng)先水平。二期采用高變分段的放礦形式，分段高度20，30 m不等，為了減少礦石的損失貧化，提高礦山的生產(chǎn)效益和回收能力，需確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選組合。本次模擬試驗(yàn)采用三因素三因子水平L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)，三因素：分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距，根據(jù)各因子的正交設(shè)計(jì)組合，建立9組正交試驗(yàn)方案見表1。

表1 正交試驗(yàn)方案 m

2.2模型建立

鑒于PFC3D數(shù)值模擬對(duì)所模擬空間尺寸結(jié)構(gòu)大小無限制，則本次模擬試驗(yàn)所建模型與現(xiàn)場(chǎng)尺寸比例為1∶1。本次試驗(yàn)采用端部放礦，在模型的底部預(yù)留3～4個(gè)出礦口(相當(dāng)于礦塊采場(chǎng)進(jìn)路)。模型尺寸為130 m×80 m×(5～7) m(長(zhǎng)×高×寬)，出礦口尺寸為4 m×4 m(高×寬)，現(xiàn)根據(jù)礦山實(shí)際情況和設(shè)備能力的大小，利用PFC3D命令程序建立9組中一組結(jié)構(gòu)參數(shù)放礦模型：分段高度30 m，進(jìn)路間距25 m，進(jìn)路尺寸為4 m×4 m(寬×高)。本次試驗(yàn)擬采用2個(gè)分段，3～4個(gè)進(jìn)路，邊孔角為60(°)，設(shè)計(jì)圖見圖3a，顏色較淺為廢石，顏色較深為礦石。利用PFC3D里面的wall建立模型見圖3b。

a 放礦試驗(yàn)設(shè)計(jì)；b 放礦模型

2.3顆粒參數(shù)的選擇

根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)際情況和礦體的賦存條件，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)參考以前研究的相似結(jié)果[4]，得到本次模擬的顆粒參數(shù)值，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪ǖV石和廢石兩種球體，礦石顆粒半徑取0.5 m，廢石顆粒取0.8 m，剛開始首采分層的礦巖界面為水平狀態(tài)，模擬所需要的參數(shù)為：顆粒半徑，顆粒和墻法向剛度和切向剛度，顆粒密度，局部阻尼系數(shù)，顆粒間和顆粒墻間的摩擦系數(shù)，顆粒顏色通過對(duì)顆粒分組改變其顏色，本次模擬設(shè)定廢石為紅色(group1)，礦石為黃色(group2)，顆粒參數(shù)值如表2所示。

表2 顆粒主要參數(shù)

2.4 PFC3D放礦模擬

本次模擬的放礦條件采用20%的截止品位控制放礦，放礦初期礦巖接觸面呈水平狀態(tài)，放出礦石為純礦石，計(jì)算一定時(shí)間后，礦巖接觸面緩慢下降，當(dāng)下降一定高度后，接觸面開始出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象，隨著放礦的不斷進(jìn)行，凹凸不平現(xiàn)象會(huì)更加明顯，當(dāng)?shù)V巖接觸面到達(dá)放礦口時(shí)，在進(jìn)路之間形成脊部殘留，殘留高度為巖石開始混入的高度，若繼續(xù)放礦，廢石開始混入出現(xiàn)貧化，放礦到截止品位時(shí)停止放礦，放礦截止品位的計(jì)算公式如下[5]：

式中aj——放礦截止品位；

nk——礦石數(shù)量；

ρk——礦石密度；

vk——礦石體積；

nf——廢石數(shù)量；

vf——廢石體積；

ρf——廢石密度；

ad——礦石地質(zhì)品位。

a 第1分段裝礦及標(biāo)志顆粒布置；b 第1分段循環(huán)7000步；c 第1分段標(biāo)志顆?；厥者^程；d 第1分段截止放礦；e 第2分段裝礦及標(biāo)志顆粒布置；f 第2分段放礦循環(huán)7000步；g 第2分段標(biāo)志顆粒回收；h 第2分段停止放礦

2.5 PFC3D數(shù)值模擬結(jié)果分析

在礦山實(shí)際生產(chǎn)情況中，影響放礦的因素較多，除了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合外，還有如放礦方式，控制管理等影響因素，但是在數(shù)值模擬過程中，由于軟件本身的缺點(diǎn)，考慮所有的影響因素也不現(xiàn)實(shí)，經(jīng)大量研究結(jié)果表明[6-8]，本次試驗(yàn)只考慮3個(gè)主要的影響因子分段高度，近路間距和崩礦步距的影響。根據(jù)對(duì)9組數(shù)值試驗(yàn)各放出的礦石和廢石顆粒數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出各組試驗(yàn)的回收率和貧化率，然后進(jìn)行比較分析，見表3～4。

表3 第1分段結(jié)果分析

表4 第2分段結(jié)果分析

通過對(duì)9組試驗(yàn)得出的回收率和貧化率以及回貧差，可以直接看出每組結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的放礦效果。9組試驗(yàn)中回收率變化范圍在85%～95%之間，與國(guó)內(nèi)采用無底柱分段崩落法的金屬礦山相比普遍高約5%～10%，即回收率偏大。而貧化率變化范圍在18%～25%，普遍偏小，究其主要原因一：在礦山實(shí)際生產(chǎn)過程中，礦石中總是含有夾石，而在模擬過程中沒有考慮進(jìn)去，則使回收率偏高；原因二：在實(shí)際放礦過程中，大塊廢石中總含有細(xì)小廢石，使得細(xì)小廢石提前放出，而在數(shù)值模擬過程中，廢石半徑設(shè)置均勻，則貧化率偏低。

在9組試驗(yàn)中，每個(gè)模型的初始條件，邊界條件以及球體的物理力學(xué)參數(shù)和放礦步驟相同，則認(rèn)為此次模擬結(jié)果具有可比性。結(jié)合第1分段回收率，貧化率及回貧差的明顯看出：編號(hào)1、2、3、4方案回貧差較低，在50%～60%之間；編號(hào)5、6、7、8、9方案中，編號(hào)8方案回收率較高，貧化率也較低，即回貧差大(回貧差越大，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)越優(yōu)，放礦效果越好，反之，放礦效果越差)。本次礦山二期工程選擇的主力采掘設(shè)備為Simba H1354 采礦臺(tái)車鉆鑿深孔，鑿巖深度可達(dá)40 m左右，所以設(shè)備性能可以滿足采用高分段的要求。根據(jù)以上分析，推薦礦山采用30 m×25 m×6 m，回采進(jìn)路尺寸為4 m×4 m的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3 結(jié) 論

1) 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理與否，將直接影響到礦石的損失貧化指標(biāo)，乃至影響到整個(gè)礦山的經(jīng)濟(jì)效益，因此需要對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選組合研究，確定礦山合理的分段高度，近路間距，進(jìn)路尺寸和崩礦步距等；

2) 利用PFC3D高效靈活的特點(diǎn)，克服PFC2D不能對(duì)崩礦步距優(yōu)化的這一缺點(diǎn)，建立了研究礦山的數(shù)值放礦模型，對(duì)礦石和廢石進(jìn)行分組染色模擬礦巖流動(dòng)的全過程，通過對(duì)9組試驗(yàn)的回貧差進(jìn)行比較，得出該礦山分段高度30 m，近路間距25，進(jìn)路尺寸為4 m×4 m，崩礦步距為6 m；

3) 在數(shù)值模擬過程中，回采礦石貧化率偏低，究其原因?yàn)榈V體中夾有廢石，而在模擬過程中，廢石和礦石球體顆粒皆采用平均半徑生成，沒有考慮夾石對(duì)放礦的影響，故貧化率偏低。而回收率基本符合國(guó)內(nèi)一般回收指標(biāo)。

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[4] 劉志娜. 基于PFC數(shù)值模擬的無底柱采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2008, 28(1): 3-5.

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AStudyonParametricOpitimizationofPillarlessSublevelCavingforaIronOre

JIAN Yongjun, CHEN Yuming

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Based on the geological conditions of production and the conditions of occurrence of an iron ore in Yunnan Province, the ore drawing model of mine stope was established by using PFC3D numerical simulation software. The structural parameters of the mine stope, that is, the interval of collapse and segment height. Using the difference between the poor and the poor, we know the structural parameters of the combination of the advantages and disadvantages of poor conditions is: the greater the difference back to the poor is, the better the effect of ore is, and stope structure parameters is better. Otherwise, it is poor. Nine sets of different stope parameter combinations were established by orthogonal experiment design, and the corresponding PFC numerical model was established respectively. The final experimental results were analyzed and statistically studied to determine the optimum of the mine. The combination of stope structure parameters is segment height of 30 m, with the approaching space of 25 m and collapse interval of 6 m.

Structural parameters; Ore-drawing index; Back-poor difference; PFC3D; Orthogonal test; Ore drawing model

2016-07-29

簡(jiǎn)永軍(1990-)，男，貴州畢節(jié)人，在讀碩士研究生，研究方向：采礦理論，手機(jī)：18487137647，E-mail:1055629762@qq.com.

TD853.36+2

：Adoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.018