無(wú)底柱分段崩落法低貧化放礦數(shù)值模擬*

汪 朝 周星宇 張文革

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院；2.四方金礦有限責(zé)任公司)

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·采礦工程·

無(wú)底柱分段崩落法低貧化放礦數(shù)值模擬*

汪 朝1周星宇1張文革2

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院；2.四方金礦有限責(zé)任公司)

分析了無(wú)底柱分段崩落法現(xiàn)行截止品位放礦的缺點(diǎn)，提出了低貧化放礦管理方法。與前者相比，該方法的特點(diǎn)是以一個(gè)回采區(qū)域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)目標(biāo)，上部回采時(shí)有意識(shí)的預(yù)留礦石，最后在最低水平集中出礦，從而減少礦石貧化過(guò)程。該方法在確保總回收率不降低的條件下，可以顯著減少礦石的貧化率。以某金礦為例，擬定了8種低貧化放礦方案，通過(guò)離散元數(shù)值模擬，以回貧差作為優(yōu)劣指標(biāo)，對(duì)各方案進(jìn)行了比較，最終確定了上面兩個(gè)分段采用20%的礦石貧化率放礦，底下分段采用0.5 g/t的截止品位出礦時(shí)，回采指標(biāo)最優(yōu)。

低貧化放礦 PFC 數(shù)值模擬 回貧差

無(wú)底柱分段崩落法在開采礦床價(jià)值不高的厚大礦體時(shí)被廣泛使用。該采礦方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力大，設(shè)備機(jī)械化程度高，回采作業(yè)安全性好。缺點(diǎn)是在覆巖下放礦，損失率與貧化率較大[1]。因此，如何降低礦山回采過(guò)程中的兩率，成為該方法重點(diǎn)研究的問(wèn)題。降低損失貧化的方法可以歸納為兩類：一類是優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)放礦理論，為了獲得最佳的出礦指標(biāo)，盡量使采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合(即分段高度、進(jìn)路間距、崩礦步距)與放出體的形態(tài)相符合，在橢球體放礦理論中，提出了高分段和大間距的結(jié)構(gòu)布置方式[2]；另一類為實(shí)施放礦管理，通過(guò)控制出礦量與出礦過(guò)程來(lái)控制礦巖接觸面的形態(tài)，達(dá)到降低貧化損失的目的[3]。在實(shí)際生產(chǎn)中，這兩種方法一般會(huì)同時(shí)采用，本文擬對(duì)放礦管理中的低貧化放礦方案進(jìn)行研究。

1 崩落法采礦礦巖移動(dòng)過(guò)程與截止品位出礦

1.1 礦巖移動(dòng)過(guò)程

與其他采礦方法相比，崩落法最大的特點(diǎn)是放礦過(guò)程中礦巖接觸面在不斷變化。根據(jù)放礦橢球體理論，無(wú)邊界限制的條件下，單漏斗放出體形態(tài)為一近似橢球體，放出后在礦巖堆中產(chǎn)生移動(dòng)的部分稱為松動(dòng)橢球體，在松動(dòng)范圍內(nèi)各水平礦巖接觸面呈凹漏斗狀，稱為放出漏斗。假設(shè)放出體高度為Hf，放出漏斗水平面高度為h。放礦初始，礦巖接觸面都在放出橢球體上方(h>Hf)，為移動(dòng)漏斗；隨著礦石的放出，放出漏斗逐漸移動(dòng),與放出體頂部平齊(h=Hf)，為降落漏斗；礦石繼續(xù)放出，漏斗水平將小于放出體頂部(h

1.2 現(xiàn)行截止品位出礦及其缺點(diǎn)

放礦時(shí)，若當(dāng)次礦石品位下降到一定數(shù)值時(shí)便停止出礦，此時(shí)的品位稱為截止品位。為了更多的放出礦石，現(xiàn)行放礦截止品位都取得比較低，該放礦方式存在以下問(wèn)題[6-7]：

(1)采用盈虧平衡法確定出礦界線，片面強(qiáng)調(diào)單個(gè)步距的礦石回收率，勢(shì)必造成廢石混入過(guò)多，貧化率高；由于無(wú)底柱分段崩落法本中段損失的礦石可以在下中段回收，因此該放礦方式不是最優(yōu)。

(2)出礦時(shí)每個(gè)分段礦巖都會(huì)有大量廢石混合，貧化次數(shù)隨著分段數(shù)的增加而增加。

(3)截止品位放礦是以每個(gè)放礦步距單元內(nèi)的礦石被充分回收為核心，因此要求在放礦過(guò)程中必須隨時(shí)掌握采場(chǎng)的品位變化，以指導(dǎo)采場(chǎng)出礦。但由于目前國(guó)內(nèi)尚未有一種高效、及時(shí)并能適合井下特殊條件的品位分析儀表能滿足該要求，造成礦山生產(chǎn)時(shí)無(wú)法進(jìn)行有效的相關(guān)控制。

綜上所述，由于截止品位放礦本身的工藝特點(diǎn)要求，放礦過(guò)程中的礦巖混合程度高，總體礦石貧化率大，且在采場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)受到檢測(cè)儀表的限制而較難控制。在實(shí)際生產(chǎn)中為了降低礦石的貧化，建議實(shí)施低貧化放礦。

2 低貧化放礦原理

上部分段出礦時(shí)，截止品位較高，放礦截止時(shí)當(dāng)次貧化率比較低，允許適當(dāng)?shù)V石殘留在采場(chǎng)內(nèi)，殘留的礦石既是減少礦巖石的混合，同時(shí)獲得較高品位的采出礦石，并可以作為覆蓋層使用。最后一個(gè)分段放礦時(shí)，再采用現(xiàn)行截止品位出礦，盡可能多的放出礦石。與現(xiàn)行截止品位出礦相比，低貧化放礦的特點(diǎn)是[7-9]：①放礦截止品位較高，當(dāng)次貧化率較小，前期放出礦石品位較高；②有意識(shí)的預(yù)留部分礦石在采場(chǎng)里面，減少礦巖混合程度，綜合貧化率較??；③上分段預(yù)留的礦石在下分段被回收，增加了下分段的純礦石量；④根據(jù)噸品位曲線，采用控制放出礦量實(shí)施低貧化放礦管理，簡(jiǎn)化了管理流程；⑤上分層部分礦石暫時(shí)殘留在空區(qū)內(nèi)，下分層可以在尚未形成足夠頂板巖石冒落的“覆蓋層”下繼續(xù)進(jìn)行開采，即在“礦石+巖石”組成的覆蓋層下繼續(xù)進(jìn)行下分層的開采，給上部巖石頂板的冒落提供了充分的時(shí)間；⑥在最終采出指標(biāo)上，該工藝在保持回收率基本相當(dāng)?shù)那闆r下，可以顯著降低礦石貧化率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少無(wú)效費(fèi)用，提高礦山經(jīng)營(yíng)效果。

在生產(chǎn)實(shí)際中，低貧化放礦可根據(jù)礦山的具體情況，各分段采用不同的品位降低程度，組合出最優(yōu)的低貧化放礦方案。當(dāng)?shù)V山資金允許時(shí)可以采用大幅度降低貧化而提高采出品位方案，當(dāng)?shù)V山資金比較緊張則可以采用適當(dāng)降低貧化而穩(wěn)步提高采出品位方案，以避免礦山在應(yīng)用初期需要投入大量的資金進(jìn)行三級(jí)礦量?jī)?chǔ)備。

3 低貧化放礦PFC數(shù)值模擬

3.1 礦山概況及低貧化方案確定

某金礦礦體厚大，品位低，圍巖中也含礦石，故采用無(wú)底柱分段崩落法開采，年產(chǎn)量100萬(wàn)t，礦石平均品位1.2 g/t，廢石平均品位0.3 g/t。礦山現(xiàn)采用0.5 g/t的截止品位出礦，礦石損失貧化較大，經(jīng)常出現(xiàn)礦石被廢石包裹出不來(lái)的現(xiàn)象。本課題以該礦1 190 m中段為研究對(duì)象，上分段盡可能少出或不出廢石，最下面分段按現(xiàn)行截止品位出礦，研究最優(yōu)的低貧化放礦方案。根據(jù)礦山實(shí)際，擬定了8種放礦方案(見表1)，通過(guò)模擬分析，選定最優(yōu)方案。

放礦數(shù)值模擬采用PFC2D軟件，通過(guò)編程建立放礦離散模型，利用其自帶的fish語(yǔ)言，對(duì)放礦過(guò)程進(jìn)行伺服控制，記錄放礦過(guò)程中的損失與貧化信息。

本次模擬程序的工作流程為[10]：①建立墻體并設(shè)置墻體參數(shù)，包括采場(chǎng)邊界、放礦進(jìn)路；②生成廢石顆粒與中段礦石顆粒，并設(shè)置顆粒參數(shù)；③分段放礦模擬，根據(jù)各放礦方案設(shè)置的放礦截止品位進(jìn)行放礦，統(tǒng)計(jì)放出的廢石與礦石體積；④放礦結(jié)果的輸出與分析。

表1 擬定放礦方案

生成放礦模型時(shí)，根據(jù)設(shè)定的孔隙率，在模型邊界內(nèi)生成全部顆粒，然后通過(guò)PFC中的擠壓排斥法將顆粒分開，為了避免在局部區(qū)域造成大面積的顆粒重疊，需要通過(guò)初始循環(huán)計(jì)算，使顆粒動(dòng)能為零，達(dá)到初始應(yīng)力環(huán)境和條件，盡量與礦山的實(shí)際情況相同[11]。本次PFC模擬中放礦動(dòng)力主要來(lái)源于礦石和廢石顆粒的自重，放礦阻力位顆粒間的摩擦力，兩種放礦方式的截止條件可以根據(jù)放出的礦石顆粒和廢石顆粒的比例進(jìn)行控制。

3.2 模型建立

選取某一放礦工作面的垂直剖面建立放礦模型，如圖1所示。該模型共5個(gè)分段，寬121 m，高83.5 m，廢石覆蓋層厚度33.4 m。采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)(高×寬)為16.7 m×22 m，進(jìn)路尺寸(寬×高)為3 m×3 m，邊孔角為55°。模型的邊界條件：通過(guò)限制水平移動(dòng)實(shí)現(xiàn)側(cè)面的固定要求，限制垂直移動(dòng)實(shí)現(xiàn)底面的固定要求。

圖1 放礦計(jì)算模型(單位：m)

由于模型尺寸較大，崩落礦巖的平均直徑為30 cm，如果計(jì)算時(shí)將整個(gè)區(qū)域顆粒一次性全部生成，大約有112 328個(gè)球體，放礦時(shí)計(jì)算量太大、速度慢。因此，本研究采用分段建模、分段放礦。即先生成廢石與第1分段礦石，然后執(zhí)行放礦程序；待1分段放礦完畢后，再生成第2分段顆粒，執(zhí)行放礦；最后生成第3分段顆粒，執(zhí)行放礦直至結(jié)束。以方案1計(jì)算為例，各分段放礦PFC計(jì)算模型見圖2，放礦模型信息見表2。

圖2 方案1各分段放礦PFC模型

3.3 模型參數(shù)選取

(1)顆粒粒徑。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的礦巖粒徑分布，本次模擬中，廢石粒徑取0.3～0.5 m，礦石粒徑取0.2～0.3 m，均服從均勻分布。

(2)顆粒密度。礦石密度取 2.75×103kg/m3，廢石密度取2.75×103kg/m3。

(3)顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，爆破后的礦石和廢石都是松散狀態(tài)的堆積體，礦石顆粒和廢石顆粒間的連接關(guān)系已經(jīng)被破壞，但是仍舊存在較小的摩擦力。為了將該因素加入到數(shù)值模擬中，取礦巖顆粒間、墻體的法向剛度為108N/m，切向剛度為108N/m，墻體與顆粒間的摩擦系數(shù)為0.5，礦石顆粒的摩擦系數(shù)為0.1；廢石顆粒的摩擦系數(shù)為0.3，計(jì)算參數(shù)見表3。

表2 放礦模型信息

注：H為分段高度

表3 顆粒參數(shù)

3.4 計(jì)算過(guò)程控制

在本次PFC2D模擬放礦過(guò)程中，主要是依靠礦石和巖石顆粒的自重進(jìn)行放礦。放礦過(guò)程和截止條件利用PFC2D自帶內(nèi)嵌的fish語(yǔ)言進(jìn)行編寫，再根據(jù)編寫的fish程序指導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行放礦[12]。模擬放礦過(guò)程的程序如下：①刪除分段各進(jìn)路頂板，模擬爆破開挖；②運(yùn)行30 000步，模擬爆破后礦巖運(yùn)動(dòng)過(guò)程；③刪除進(jìn)路中的礦巖，模擬出礦過(guò)程，同時(shí)統(tǒng)計(jì)刪除的礦石與廢石顆粒個(gè)數(shù)、體積，并做累計(jì)；④計(jì)算本次出礦的廢石體積與礦石體積之比，與放礦截止值對(duì)比，如果大于放礦截止品位，則此進(jìn)路放礦結(jié)束,若小于放礦截止值，回到第2步;⑤分段所有進(jìn)路放礦結(jié)束則進(jìn)入下分段放礦模擬。

4 放礦結(jié)果及分析

4.1 放礦模擬結(jié)果

本課題對(duì)每種方案的放礦過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)每種方案的放礦結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與計(jì)算(篇幅有限，這里不予陳列)。放礦完畢后礦巖界線如圖3所示(以方案1為例)。

圖3 方案1各分段放礦完畢狀態(tài)

4.2 結(jié)果分析

崩落法放礦過(guò)程中，每一次放礦都希望礦石的回收率越大越好，礦石的貧化率越小越好。但在實(shí)際過(guò)程中，一味追求高回收率往往會(huì)導(dǎo)致礦石貧化率增大，為了減小礦石的貧化率，則要以犧牲回收率為代價(jià)，二者不能兼顧。因此，為綜合反映兩個(gè)指標(biāo)對(duì)放礦效果的影響，一般采用回收率與貧化率之差作為綜合指標(biāo)，即回貧差[13-14]。若用D表示回貧差，N表示礦石回收率，P表示貧化率，則回貧差可表示為：D=N-P。

通過(guò)比較8種放礦方案的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別繪出礦石回收率、貧化率和回貧差在3個(gè)放礦分段的技術(shù)指標(biāo)，見圖4～圖7。

從圖中可以得出：

(1)在不同放礦方案條件下，相同分段的礦石回收率有差別；相同方案條件下，各分段的礦石回收率差別較大，整體趨勢(shì)來(lái)看，第1分段的回收率較小，到第2分段礦石的回收率有所增大，最后一個(gè)分段放礦時(shí)，礦石的回收率很大，甚至超過(guò)了本分段的爆破礦量。這是由于各分段采用了不同的放礦截止品位，前兩個(gè)分段截止品位較高，最后一個(gè)分段采用入選品位作為截止放礦品位。

圖4 不同方案分段礦石回收率

圖5 不同方案分段礦石貧化率

圖6 不同方案分段礦石回貧差

圖7 不同方案礦石綜合回貧差

(2)在不同放礦方案條件下，相同分段的礦石貧化率有差別；相同方案條件下，各分段的礦石貧化差別較大，整體趨勢(shì)來(lái)看，第1分段放礦的礦石貧化率較小，第2分段放礦的礦石貧化率次之，第3分段放礦的礦石貧化率最大。這是由于1、2分段采用了較大的放礦截止品位，控制了放礦時(shí)礦石的混入率，而第3分段放礦時(shí)采用入選品位，放礦截止品位較低，增大了礦石的混入。

(3)在不同放礦方案條件下，相同分段的礦石回貧差有一定的波動(dòng)；相同方案條件下，各分段的回貧差差別較大。整體趨勢(shì)來(lái)看，第1分段的回貧差明顯比2、3分段的小，2、3分段的回貧差值相似，均在0.9左右。

(4)從方案的綜合回貧差曲線可以看出，方案1和方案8的回貧差明顯比其他方案要大，方案7的回貧差最小，其次是方案3、方案5、方案6、方案2、方案4。

5 結(jié) 論

(1)低貧化放礦法的礦石回收率要低于現(xiàn)行截止品位放礦法，但是隨著放礦分段的下移，兩者間的差距在逐漸減小，這是由于低貧化放礦法在首個(gè)分段需要部分礦石與巖石混合，形成礦石貧化層，在較高的品位時(shí)即停止放礦，而殘留的礦石將在下一個(gè)分段放出。

(2)低貧化放礦的廢石混入率要低于現(xiàn)行截止品位放礦法，而且隨著分段的下移，低貧化放礦的廢石混入率還將持續(xù)降低，而現(xiàn)行截止品位放礦法隨著分段的下移廢石混入率卻在不斷增加。

(3)低貧化放礦的綜合回貧差比現(xiàn)行截止品位放礦法要好，不同低貧化放礦方案條件下回貧差值也不一樣。本次研究中，當(dāng)上分段的截止品位越高時(shí)，回貧差越大，例如方案1、方案8分別為貧化20%，無(wú)貧化時(shí)，綜合回貧差分別為0.798、0.791。

綜上所述，低貧化放礦管理方式在確?；厥章实幕A(chǔ)上，對(duì)降低礦石的貧化率有著積極的作用，可以推廣應(yīng)用。

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Numerical Simulation of Low Dilution Ore-drawing of Non-bottom Pillar Sublevel Caving Method

Wang Zhao1Zhou Xingyu1Zhang Wenge2

(1.School of Materials and Mineral Resources,Xi'an University of Architecture and Technology; 2.Sifang Gold Mine Co., Ltd.)

The weakness of current ore drawing by cut-off grade in non-bottom pillar sublevel caving method is analyzed,the low dilution ore-drawing method is proposed.Compared with the former method,the characteristics of low dilution ore-drawing method is the ore in the upper sublevel is reserved consciously,the large number of ore is drawn in the bottom sublevel,so,ore dilution is reduced.The method of low dilution ore-drawing method can significantly reduce the ore dilution rate during ore-drawing,at the same time the recovery rate can be lowered obviously.Take a gold mine as an example,eight eight schemes of low dilution ore-drawing are proposed.Using the value of recovery rate minus the dilution rate for the indicator, the eight schemes are compared by conducting the discrete element numerical simulation.The results show that when the top two sublevels drawing by cut-off grade with 20% dilution,and the bottom sublevel drawing by cut-off grade of 0.5 g/t, the value of recovery rate minus the dilution rate is the highest indicator.

Low dilution ore-drawing,PFC,Numerical modeling,Difference of the recovery and dilution

*國(guó)家自然科學(xué)青年基金(編號(hào)：51404182)；陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：1204)。

2016-07-10)

汪 朝(1987—)，男，碩士，710055 陜西省西安市碑林區(qū)雁塔路13號(hào)。