散體礦巖重力流放出體形態(tài)變化規(guī)律實驗

明 建， 高永濤， 胡乃聯(lián)， 孫金海

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

散體礦巖重力流放出體形態(tài)變化規(guī)律實驗

明 建， 高永濤， 胡乃聯(lián)， 孫金海

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

為降低階段崩落法放礦過程中的損失率和貧化率，應(yīng)用物理相似模擬實驗法對其放礦規(guī)律進行了研究。基于放礦理論和相似理論優(yōu)化了實驗方案，設(shè)計了實驗工藝流程和實驗裝置。進行了單體放礦和平面放礦模擬實驗，對不同出礦口間距條件下的定點放礦過程中散體礦巖重力流放出體形態(tài)、礦巖運動規(guī)律、礦石貧化和損失產(chǎn)生原因進行了研究。結(jié)果表明：在所研究礦體的賦存條件、放礦高度和覆巖厚度一定的條件下，隨著出礦口間距的縮小，極限高度、貧化開始高度和漏斗間礦損脊峰高度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，放出橢球體的偏心率呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢，出礦口間距為12～13 m時放出體形態(tài)的匹配關(guān)系最為合理。

崩落采礦法； 放礦； 放出橢球體； 放礦模擬實驗； 損失與貧化

0 引 言

崩落采礦法是地下金屬礦山常用的采礦方法，覆巖下放礦是其重要特征[1]。散體礦巖在重力和出礦擾動作用下發(fā)生移動而逐步放出，其流動規(guī)律是確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和編制放礦管理制度的理論依據(jù)[2]。但由于放礦過程受多種因素影響，不同礦體礦巖的流動性不同，因此實驗規(guī)律和數(shù)據(jù)的通用性較差[3-4]。目前無成熟的放礦理論和規(guī)律能夠直接應(yīng)用于礦山實踐，礦巖流動規(guī)律研究仍需借助于現(xiàn)場實驗和室內(nèi)模擬實驗。

階段崩落法是崩落采礦法中的一種，其應(yīng)用底部結(jié)構(gòu)進行定點放礦，具有放礦高度大、放礦口密集、各放出體相互影響和作用、易引起礦石的貧化和損失的特點。掌握其放礦過程中礦巖的流動規(guī)律和礦石放出體參數(shù)，對于減少放礦過程中的貧化損失具有重要的意義[5]。本研究進行了高階段、多出礦口條件下的礦石移動規(guī)律和礦巖混雜過程的物理模擬實驗研究。

1 實驗原理

實驗以散體礦巖放礦理論和相似理論為指導(dǎo)[6-7]，對高階段散體礦巖在不同出礦口間距條件下礦巖流動和混雜過程進行了實驗?zāi)M。放礦是典型的散體動力學(xué)問題，大量研究表明，單個礦石放出體是一個近似的旋轉(zhuǎn)橢球體[8-9]。而有多個出礦口時，多個放出體將產(chǎn)生相互交叉、影響和制約的關(guān)系，因此其相互匹配關(guān)系決定了放礦回采指標(biāo)優(yōu)劣[10]。目前，放礦過程中不連續(xù)介質(zhì)的變形移動規(guī)律依然難以應(yīng)用理論方法充分描述和解釋，仍需通過實驗方法獲得。理論推導(dǎo)方法通常以最大純礦回收率作為出發(fā)點來研究崩落法的礦石貧化損失，進而評價設(shè)計方案的優(yōu)劣[11-12]。在本研究具有一個水平礦巖接觸面、相鄰漏斗所產(chǎn)生的松動橢球相交的放礦條件下，如采用等量、順序、均勻的放礦方式，貧化前回收的純礦石體積計算公式如下：

(1)

式中：Q為純礦石體積，m3；H為崩落礦石層高度，m；ε為橢球體偏心率；r為放礦漏斗半徑，m；ld為漏斗間距，m；hjx為極限高度，m。

貧化前純礦回收率η的計算公式如下：

(2)

物理相似模擬是常用的實驗研究方法[13-14]。該方法根據(jù)相似理論按比例建立與模擬對象幾何相似的實體模型，選配與模擬對象的礦巖塊度組成幾何和力學(xué)性質(zhì)相似的實驗材料，使放礦模型與模擬對象實現(xiàn)物理相似，通過模擬放礦來研究散體礦巖的流動規(guī)律[15]。為了定量比較不同匹配參數(shù)條件下放礦的效果，實驗中常采用極限高度、貧化開始高度、放出體偏心率、漏斗間礦損脊峰高度、純礦石回收率及放礦終止時的總回收率和貧化率作為評價放礦效果優(yōu)劣的指標(biāo)[16]。這些指標(biāo)值可通過理論推導(dǎo)、近似計算法獲得，但由于不同礦體的賦存條件和礦物的物理力學(xué)性質(zhì)不同，需將實驗方法與理論推導(dǎo)相結(jié)合才能獲得符合生產(chǎn)實際的結(jié)果。為獲取這些指標(biāo)值，需進行多組比較實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果，繪制礦石放出體形態(tài)、幾何尺寸。本實驗在理論計算的基礎(chǔ)上，采用物理相似模擬方法對不同放礦口間距條件下放出體的形態(tài)和貧損特征進行了實驗研究。

2 實驗方案設(shè)計

首先根據(jù)單體模擬放礦實驗獲得放出橢球體的形態(tài)和參數(shù)，優(yōu)化確定多出礦口平面放礦模擬實驗方案，揭示多放出體間影響關(guān)系，探究合理的放出體形態(tài)的匹配關(guān)系，進而分析得出最優(yōu)的放礦口間距和采場參數(shù)。設(shè)計的實驗裝置和工具主要包括單體模擬放礦實驗?zāi)Ｐ秃推矫婺M放礦實驗?zāi)Ｐ?、模擬進路、出礦鏟、標(biāo)志顆粒等，實驗材料包括礦石模擬材料、廢石模擬材料和彩色標(biāo)志帶材料。

2.1 單體放礦模擬實驗

單體模型通常用于研究松散物料在無約束、無相互影響條件下依靠重力移動放出的規(guī)律，可獲取放出體的完整形態(tài)和最大參數(shù)。該實驗可重復(fù)進行，且獲得的數(shù)據(jù)較為精確。模型的幾何相似比為50，容重相似比為1.0。礦體和覆巖層的高度分別為120 cm和30 cm。為避免邊界效應(yīng)的影響，模擬出礦口布置在礦體水平方向的中央部分，出礦口的尺寸為8 cm×8 cm。實驗通過統(tǒng)計各階段礦石回收量和標(biāo)志顆粒還原出放出體，得到礦巖的位移變化和運動規(guī)律。

2.2 平面放礦模擬實驗

平面放礦模型能夠觀測放出體形成規(guī)律及跟蹤觀察礦巖混雜過程，直觀性、可視性強，也可通過回收和統(tǒng)計標(biāo)志顆粒得到放出體參數(shù)和相關(guān)關(guān)系。模型的幾何相似比為50，容重相似比為1.0。礦體和覆巖層的高度分別為120 cm和30 cm。3條模擬出礦口布置在礦體水平方向的中央部分，兩側(cè)距模型邊界30 cm。選擇不同出礦口間距進行分組實驗，以揭示其放出體不同的發(fā)育特點。

為提高觀察效果，向模型內(nèi)裝填礦石模擬材料時，每隔一定高度鋪放一層水平彩色標(biāo)志帶。放礦過程中通過觀測標(biāo)志帶隨礦石放出而發(fā)生的移動狀態(tài)，可發(fā)現(xiàn)只有一定范圍內(nèi)的礦石和廢石進入運動狀態(tài)。當(dāng)位于放礦口中央軸線與礦巖接觸面交線上的標(biāo)志顆粒到達放礦口時，表示純礦石已經(jīng)放完。平面模擬放礦實驗過程如圖1所示。

(a) 裝填后初始狀態(tài)

(b) 截止放礦狀態(tài)

3 結(jié)果與討論

(1) 單體模擬放礦實驗數(shù)據(jù)處理。單體模擬放礦實驗放出體參數(shù)如表1所示。

單體模擬放礦實驗結(jié)果表明，單出礦口放礦的放出體形態(tài)為近似的旋轉(zhuǎn)橢球體，放出體長軸與短半軸呈線性關(guān)系。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，選擇放礦口間距為24、28和32 cm分別進行平面模擬放礦實驗，即實際生產(chǎn)中12、14和16 m的放礦口間距。

表1 單體放礦軸尺寸變化數(shù)據(jù)

(2) 平面模擬放礦實驗數(shù)據(jù)處理。根據(jù)收集的實驗數(shù)據(jù)和回收的標(biāo)記顆粒，可還原得到不同出礦口間距的放出體形態(tài)與參數(shù)如圖2和表2所示。

(a) 24 cm

(b) 28 cm

(c) 32 cm

指標(biāo)出礦口間距/cm242832有效裝礦石總量/kg209.667261.559295.510放出礦石量/kg163.722192.387204.528放出廢石量/kg14.11511.3558.406礦石回收率/%78.09073.55069.210

不同出礦口間距放出橢球體偏心率和礦巖運動規(guī)律指標(biāo)的比較如圖3和圖4所示。

(3) 實驗結(jié)果分析。實驗結(jié)果表明，在出礦口尺寸和礦巖流動性質(zhì)一定的條件下，放出體與松動體參數(shù)只與放礦高度相關(guān)，放礦體的短軸隨放礦高度增大而增大，達到一定高度后增長變緩并趨于定值，表明礦石放出體不會無限擴大，存在最大值。放礦總體效果受控于出礦口間距，即放出體間的匹配關(guān)系。在定點多出礦口出礦條件下，各放礦橢球體相切或局部相交時可獲得較好的回收指標(biāo)。在實際放礦過程中，如果能夠保持各出礦口均等放礦，其礦巖接觸面即能保持平面接觸或斜面接觸，可以防止廢石的提前混入。當(dāng)出礦口間距過大時，放出體之間存在極慢的礦石帶，使得放礦范圍內(nèi)的礦巖不能同步均勻下降。礦巖接觸面是曲面，為廢石提前混入創(chuàng)造了條件。實驗結(jié)果還表明,相鄰出礦口放出橢球體相隔或相切是導(dǎo)致脊部殘留過大的主要原因。

圖3 不同出礦口間距礦巖運動規(guī)律指標(biāo)

圖4 不同出礦口間距放出體的偏心率變化

各組實驗數(shù)據(jù)表明,極限高度、貧化開始高度和漏斗間礦損脊峰高度隨放礦口間距減小逐漸降低，說明礦巖接觸面保持水平狀態(tài)下降的時間逐漸增加，脊部殘留礦石體積逐漸減小，礦巖混雜滯后，純礦回收率逐漸提高。而放出體的偏心率逐漸增大，說明其偏心率受到相鄰放出體的影響而發(fā)生改變，出礦口間距越小，受到干擾約束越大，其偏心率越高?？偟牡V石回收效果逐漸提高，回收率分別為69.21%、73.55%和78.09%。物理模擬實驗表明，在研究目標(biāo)礦體放礦高度和覆巖厚度一定的條件下，當(dāng)出礦口間距為12～13 m時放出體形態(tài)的匹配關(guān)系最為合理。但模擬實驗結(jié)果是在理想散體條件下得到的，而實際生產(chǎn)中崩落的礦巖多為流動性較差的似散體，且大塊的存在會顯著影響礦巖的正常流動，易造成放礦松動體變形和發(fā)生偏斜，因此生產(chǎn)實踐中出礦口間距應(yīng)比模擬實驗結(jié)果略小。

4 結(jié) 語

本文將平面物理模擬與立體物理模擬方法相結(jié)合，對階段崩落法放礦實驗方案進行了優(yōu)化，并根據(jù)方案設(shè)計了工藝流程和實驗裝置。對不同出礦口間距條件下，定點放礦過程中散體礦巖重力流放出過程進行了研究。通過分析極限高度、貧化開始高度、漏斗間礦損脊峰高度、放出橢球體的偏心率等關(guān)鍵指標(biāo)，揭示了放出體形態(tài)的匹配關(guān)系、礦巖運動規(guī)律和礦石貧化損失規(guī)律，并提出了最優(yōu)的出礦口間距值。實驗研究結(jié)果能夠為采用階段崩落法的礦山確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦控制方法提供依據(jù)。

[1] 王 青，任鳳玉. 采礦學(xué)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

[2] 吳愛祥，武力聰，劉曉輝，等. 無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，43(5)：1845-1850.

[3] 徐國元，趙建平，黃仁東，等. 覆蓋巖層下礦巖流動過程數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2004，34(2)：1-8.

[4] 朱志根. 自然崩落法放礦過程中礦巖散體流動規(guī)律研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2006.

[5] 張永達. 覆巖下放礦廢石混入規(guī)律及控制方法的試驗研究[D]. 北京：北京科技大學(xué)，2015.

[6] 肖先煊，許 模，蔡國軍，等. 基于潛水滲流模型的地下水實際流速[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(4)：11-14.

[7] 劉向龍，龔光彩. 生物質(zhì)能空氣動力場冷態(tài)模化實驗系統(tǒng)[J]. 實驗室研究與探索，2010，29(9)：21-23.

[8] 趙彭年. 松散介質(zhì)力學(xué)[M]. 北京：地震出版社，1995.

[9] 郭進平，劉 東，李榮福.橢球體放礦理論移動過渡方程的重構(gòu)[J].金屬礦山，2015，44(10)：37-40.

[10] 陳小偉. 端部放礦放出體形態(tài)變化規(guī)律研究[D]. 北京：北京科技大學(xué)，2009.

[11] 王昌漢. 放礦學(xué)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1982.

[12] 王長軍. 基于動態(tài)最佳經(jīng)濟出礦品位的控制放礦技術(shù)研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2009.

[13] 李玉剛，趙志峰，任年鑫. 浮式海上風(fēng)電機組試驗?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則與風(fēng)荷載模擬裝置[J]. 實驗室研究與探索，2016，35(2)：4-7.

[14] 沈超明，李旭東，楊繪峰. 起重吊鉤極限承載力試驗[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(5)：37-40.

[15] 劉效云，高明中. 模擬試驗用壓力傳感器的標(biāo)定[J]. 實驗室研究與探索，1999(5)：84-85.

[16] 王 石，張欽禮，王新民. 基于橢球體放礦理論的后和睦山鐵礦脊部殘留原因分析[J]. 科技導(dǎo)報，2014，32(6)：59-62.

·名人名言·

只有嚴(yán)格的專業(yè)化能使學(xué)者在某一時刻,大概也是他一生中唯一的時刻,相信自己取得了一項真正能夠傳至久遠的成就。今天,任何真正明確而有價值的成就,肯定也是一項專業(yè)成就。

——馬克斯·韋伯

An Experiment Study on Change Laws of Draw Body Shapes of Granular Ore Gravity Flow

MINGJian，GAOYongtao，HUNailian，SUNJinha

(School of Civil and Resource Engineering, State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083, China)

In order to reduce the ore loss and dilution in the ore drawing process, a physical simulation experiment is used to study the ore-drawing law of block caving method. Based on the ore-drawing theory and similarity theory, the experimental scheme was optimized, and the experimental process and devices were designed. By means of the plane physical simulation experiment and the three-dimensional physical simulation experiment, the experiment study with different distances between two ore drawing roadways gives the change law of draw body shapes, the movement law of ore and waste rocks and the cause of loss and dilution in the fixed point ore drawing process. The experiment study with different distances between two ore drawing roadways gives the change law of draw body shapes, the movement law of ore and waste rocks and the cause of loss and dilution in the fixed point ore drawing process. Experimental results showed that under the constant condition of the geological conditions and characteristics of ore body, the maximum height of ore drawing and the height of overlaying rock on the objective ore body, the limiting height of ore drawing, the height of ore dilution appearing and the height of ridge hangover gradually decreased, and the slenderness ratio of draw body increased, with the increase of the distance between ore-drawing roadways. The reasonable distance between two ore drawing roadways is 12-13 m.

caving method； ore drawing； draw body； physical simulation experiment； loss and dilution

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51374032);國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAB01B04)

明 建(1979-),男,山東夏津人,博士,工程師,現(xiàn)主要從事采礦方法和數(shù)字礦山研究。

Tel.:010-62332081;E-mail:mingjian@ustb.edu.cn

TD 851

A

1006-7167(2017)03-0009-04