采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與放礦方式的相似物理試驗(yàn)優(yōu)化研究

鄭志杰，黃 丹，董凱程，王志修

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

無底柱分段崩落法是一種相對比較成熟的采礦方法，在地表允許崩落的礦山中，大部分都采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采。近年來，隨著裝備技術(shù)水平的提高，無底柱分段崩落法的工藝參數(shù)也在逐步加大。該采礦方法的理論基礎(chǔ)可追溯至20世紀(jì)50年代，由波蘭專家J LITWNISIZYN采用概率方法表示散體的移動過程，由此提出隨機(jī)介質(zhì)放礦理論[1]。1958年，蘇聯(lián)學(xué)者P M馬拉霍夫假設(shè)放礦過程中放出體為橢球體形態(tài)，在此基礎(chǔ)上，研究橢球形放出體的運(yùn)動過程[2]。在此基礎(chǔ)上經(jīng)30余年的發(fā)展逐漸形成了橢球體放礦理論與類橢球體放礦理論[3-11]。目前確定無底柱分段崩落法中最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，大多以橢球體放礦理論為基礎(chǔ)，采用理論分析、工程類比、相似物理試驗(yàn)、或數(shù)值模擬分析法進(jìn)行橢球體形態(tài)幾何排優(yōu)及效果驗(yàn)證。張國聯(lián)等[12]以純礦石放出量最大與純礦石回收率最高作為評判標(biāo)準(zhǔn)，提出了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論計(jì)算方法；李迅等[13]通過相似物理試驗(yàn)方法，模擬礦山不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下礦石回收率，并以此確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。還有部分學(xué)者采用相似物理試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方法，分析無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對礦石回收率的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)[14-15]。

本文以新疆某礦山350～450中段采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化為工程背景，基于相似物理試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合工程類比經(jīng)驗(yàn)和理論分析方法優(yōu)化大結(jié)構(gòu)參數(shù)下的進(jìn)路間距、崩礦步距與放礦方式。指導(dǎo)礦山提高生產(chǎn)能力，降低人員勞動強(qiáng)度。

1 礦山概況

某礦山位于新疆哈密地區(qū)，礦區(qū)工程地質(zhì)類型屬堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬為主的非層狀礦床，為工程地質(zhì)條件簡單-中等和水文地質(zhì)條件簡單的礦區(qū)，且地表允許崩落。該礦山采用無底柱分段崩落法開采，原采場結(jié)構(gòu)參數(shù)15 m×13.3 m。因礦山生產(chǎn)接續(xù)和降本增效需要，希望將分段高度設(shè)置為20 m，降低采準(zhǔn)工程和施工費(fèi)用，并且提高其生產(chǎn)能力。為此開展適用于礦山的大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法研究，結(jié)合礦山開采技術(shù)現(xiàn)狀提高采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其保證礦山生產(chǎn)能力。

2 橢球體放礦理論

無底柱分段崩落法放礦過程中，受底部放礦結(jié)構(gòu)和出礦方式影響，放出體發(fā)育不完全，其主要形態(tài)參數(shù)如圖1所示。在分段高度確定時，采用大間距排列方式布置采場，進(jìn)路間距大，采準(zhǔn)作業(yè)量小。此外，大間距排列的結(jié)構(gòu)參數(shù)明顯大于高分段的排列形式，放出橢球體的體積明顯較大，其效率、生產(chǎn)組織、規(guī)?；鳂I(yè)優(yōu)勢明顯，所以推薦大間距排列形式的大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法，當(dāng)然，結(jié)構(gòu)參數(shù)增大的前提是采礦裝備和爆破工藝及參數(shù)的匹配。

在崩落礦石堆體放出過程中，放礦方式、崩礦步距、鏟運(yùn)機(jī)、進(jìn)路尺寸等都是影響無底柱分段崩落法整體效能的關(guān)鍵因素。實(shí)際生產(chǎn)中，崩落礦石堆體形態(tài)并非嚴(yán)格的橢球體，排列方式達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)也無法將崩落礦石堆體完美覆蓋[16-18]。以橢球體相切可以作為進(jìn)路間距布置的理論基礎(chǔ)，但具體實(shí)施中，進(jìn)路間距的選擇應(yīng)考慮一定的彈性，在一定范圍內(nèi)推薦選擇相對較小的進(jìn)路間距。綜合以上兩點(diǎn)，實(shí)際推薦的進(jìn)路間距應(yīng)比大間距理論計(jì)算的進(jìn)路間距偏小。

3 室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究

3.1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)材料制備

設(shè)計(jì)單體物理模型與立體放礦模型進(jìn)行試驗(yàn)，模型形態(tài)如圖2所示，模型材料均應(yīng)用高強(qiáng)度透明亞克力板與鋼結(jié)構(gòu)加工，通過透明亞克力板觀測礦石散體流動狀態(tài)并進(jìn)行標(biāo)注。綜合考慮各模型的試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)難度，單體物理模型與立體放礦模型箱件尺寸分別按照現(xiàn)場1∶50和1∶100的比例加工制作，模型內(nèi)的礦石塊度比例也按照模型比例制備。

1-放礦巷道；2-放出橢球體；3-放礦漏斗；a-放出橢球體長半軸；b-放出橢球體垂直進(jìn)路方向短半軸；c-放出橢球體沿進(jìn)路方向短半軸；θ-放出橢球體軸偏角；B-崩礦步距；H-放出高度圖1 橢球體示意圖Fig.1 Schematic diagram of ellipsoid

圖2 物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Physical test model

表1 礦石及其破碎粒級Table 1 Ore and crushing grading

獲取采場出礦進(jìn)路中爆堆圖像，采用圖像處理與自主編程識別的方式對爆破塊度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定模型中礦石塊度比例。因井下獲取的爆堆圖像質(zhì)量較差，圖像分析算法對塊度小于50 mm礦石無法有效辨識，因此，主要對圖像中50 mm以上塊度進(jìn)行提取，各粒級及所占比例見表1。以1∶50和1∶100的相似尺寸作為塊石破碎的要求，礦石通過物料鄂式破碎機(jī)逐粒級自大而小破碎，礦石均破碎完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)粒級比例進(jìn)行人工采集和混拌均勻。

3.2 單漏斗放礦試驗(yàn)

單漏斗放礦模型底部出礦口尺寸4 cm×4 cm，選取標(biāo)志顆粒，刷上油漆，每隔4 cm高度放一層標(biāo)志顆粒，通過流動性直接觀察橢球體形態(tài)，并以此反應(yīng)橢球體缺橫剖面、縱剖面的軸參數(shù)。在透明亞克力板上繪制不同放礦高度下的橢球體剖面(圖3)，測量放出體a軸、b軸、c軸長度及軸偏角θ，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖3 橢球體實(shí)測曲線Fig.3 Measured curve of ellipsoid

表2 橢球體參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of ellipsoid parameter test

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著放出量和放出高度的增大，橢球體呈放大趨勢發(fā)展。橢球體發(fā)育可以分為兩個階段。第一階段為放出體發(fā)育階段。放礦高度在24 cm以內(nèi)時，放礦進(jìn)路全寬均勻出礦，其放出體下部粗大，上部細(xì)小，放出體最寬處在放礦進(jìn)路巷道處，礦石的流動限制在一個拋物拱范圍之內(nèi)，從而使放出體形態(tài)形成拋物狀松動拱結(jié)構(gòu)。該階段垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向偏心率較大，放出體呈細(xì)長直筒形。 第二階段為放出橢球體擴(kuò)展階段。 放礦高度超過24 cm時，隨著放出量的增加，放出體橢球體逐漸擴(kuò)大，放出橢球體整體偏心率也逐漸增長，表面該橢球體在長軸方向擴(kuò)展比例較大，轉(zhuǎn)化為細(xì)長橢球體。

20 m分段高度下對應(yīng)最終放礦高度為40 m，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，垂直進(jìn)路方向橢球體短半軸為5.83 m，沿進(jìn)路方向橢球體短半軸為4.76 m，軸偏角為4°。偏心率對橢球體的影響很大，室內(nèi)試驗(yàn)偏心率與實(shí)際偏心率通常誤差較小，但兩者之間并無規(guī)律可循，實(shí)際偏心率應(yīng)由工業(yè)試驗(yàn)確定。

3.3 立體模型放礦試驗(yàn)

多分段立體放礦模型相似比為1∶100，模型包含3個分段，每個分段4～5條回采進(jìn)路，每條進(jìn)路5個步距(圖4)。模型主要中分段高度20 m、進(jìn)路間距18 m、放礦步距5 m，進(jìn)路斷面尺寸4 m×4 m。分別以無貧化放礦與低貧化放礦方式進(jìn)行放礦，對比兩種放礦方式，最終以回貧差作為評判指標(biāo)，對放礦方式進(jìn)行優(yōu)選。

圖4 立體放礦試驗(yàn)Fig.4 Three-dimensional ore drawing test

采用無貧化放礦方式，三個分段最終巖石混入率為2.39%，礦石回收率81.48%，回貧差79.09%。以15%貧化率作為停止放礦的條件，三個分段最終巖石混入率為13.5%，回收率92.89%，回貧差79.36%。采用低貧化放礦雖然廢石混入率會增加，但是與此對應(yīng)的礦石回收率也會增加，對比兩種放礦方式最終回貧差，推薦礦山采用低貧化放礦方式。無貧化放礦與低貧化放礦試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

表3 無貧化放礦試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table 3 Data of ore drawing test results without dilution

表4 低貧化放礦試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table 4 Data of low dilution ore drawing test

4 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與放礦方式優(yōu)選

4.1 進(jìn)路間距優(yōu)選

1) 利用單漏斗放礦試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算。分段高度為20 m時放礦高度為40 m，根據(jù)單漏斗放礦試驗(yàn)結(jié)果，此時垂直進(jìn)路方向短半軸為5.83 m，計(jì)算得出進(jìn)路間距為20.1 m。

2) 根據(jù)其他工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算。大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)表明，20 m分段高度下，長半軸與短半軸之間的比值在2.5～3.5之間[19]，據(jù)此經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出進(jìn)路間距為19.79～27.71 m。

3) 類比相似礦山計(jì)算。調(diào)研統(tǒng)計(jì)典型無底柱分段崩落法礦山的橢球體橫剖面偏心率見表5。分段高度與大紅山鐵礦和尖山鐵礦相同，表中偏心率數(shù)據(jù)顯示，大紅山鐵礦垂直進(jìn)路方向偏心率取值范圍包含了尖山鐵礦偏心率取值范圍。綜合以上因素，暫推薦大紅山銅礦對應(yīng)的偏心率進(jìn)行估算。

分段高度20 m時橫軸偏心率取0.908～0.951，根據(jù)偏心率數(shù)據(jù)得出橢球體橫半軸為6.18～8.38 m。類比大紅山試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)路間距為21.42～29.03 m。

4) 進(jìn)路間距的優(yōu)選。目前，礦山采用3 m3鏟運(yùn)機(jī)出礦，鏟運(yùn)機(jī)偏小，會導(dǎo)致放礦橢球體窄長，要求的進(jìn)路間距減小。此外，現(xiàn)場礦粉率較高且礦石表面較為潮濕，放礦過程中橢球體形態(tài)較瘦，進(jìn)路間距應(yīng)取較小值。綜上推薦進(jìn)路間距為18 m。

表5 國內(nèi)典型礦山橢球體偏心率Table 5 Eccentricity of typical mine ellipsoids in China

4.2 放礦步距與崩礦步距

根據(jù)礦山現(xiàn)場工業(yè)數(shù)據(jù)，松散系數(shù)取值1.2～1.5。分段高度20 m，此時沿進(jìn)路方向橢球體短半軸c長度4.76 m，軸偏角為4°。計(jì)算得出，放礦步距為6.14 m，崩礦步距為4.1～5.12 m。現(xiàn)場礦粉率較高，礦石表面較為潮濕，放礦過程中橢球體形態(tài)較瘦，對應(yīng)崩礦步距取值應(yīng)取較小值。此外，礦山現(xiàn)有鏟運(yùn)機(jī)鏟斗較小，與此對應(yīng)放礦過程中橢球縱軸偏小。實(shí)際放出體形態(tài)并非嚴(yán)格的橢球體，實(shí)際布置時橢球體允許少量交叉，放礦步距與崩礦步距小于理論計(jì)算結(jié)果。綜合考慮，推薦放礦步距為6 m，崩礦步距為4 m。

4.3 放礦方式

基于立體模型放礦試驗(yàn)結(jié)果，采用低貧化放礦雖然廢石混入率會增加，但是與此對應(yīng)的礦石回收率會增加，并且最后的回貧差指標(biāo)要更好，最終推薦采用低貧化放礦方式。

5 參數(shù)驗(yàn)證

礦山正處于小結(jié)構(gòu)參數(shù)15 m×13.3 m至大結(jié)構(gòu)參數(shù)20 m×18 m過渡的首采分段。在20 m×18 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)進(jìn)路，設(shè)計(jì)崩礦步距為4 m(炮孔排距2 m，兩排起爆放礦)，出礦以15%貧化率作為停止放礦的條件進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)?，F(xiàn)場出礦數(shù)據(jù)顯示，首采分段整體貧化率為15.1%，回收率為85%，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

20 m×18 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)首采分段受上部15 m×13.3 m小結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，現(xiàn)場試驗(yàn)得到的礦石回收率比物理放礦試驗(yàn)中首采分段結(jié)果低，但是該參數(shù)下其整體回收率仍可以達(dá)到80%。試驗(yàn)結(jié)果表面，參照上述橢球體放礦試驗(yàn)結(jié)果和參數(shù)優(yōu)化過程，可以指導(dǎo)礦山進(jìn)行無底柱分段崩落參數(shù)設(shè)計(jì)。考慮采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦方式的驗(yàn)證需統(tǒng)計(jì)多分段下綜合回收率與貧化率，且受爆破參數(shù)、出礦方式、現(xiàn)場管理等其他因素控制。后續(xù)將進(jìn)一步加大工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)力度，計(jì)算至少2～3個分段下綜合回收率與貧化率指標(biāo)，驗(yàn)證并完善采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與放礦方式的分析過程與研究結(jié)果。

表6 試驗(yàn)區(qū)放礦數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistical results of ore drawing data in test area

6 結(jié) 論

1) 大間距排列形式下的無底柱分段崩落法，進(jìn)路間距大，采準(zhǔn)作業(yè)量小，其生產(chǎn)效率、生產(chǎn)組織、規(guī)?；鳂I(yè)優(yōu)勢明顯。

2) 實(shí)際生產(chǎn)放礦過程中，放礦方式、崩礦步距、鏟運(yùn)機(jī)、進(jìn)路尺寸等都是影響無底柱分段崩落法整體效能的關(guān)鍵因素，此外考慮橢球體排列也無法將崩落礦石堆體完全覆蓋。因此，推薦的進(jìn)路間距要比理論計(jì)算結(jié)果小。

3) 綜合采用理論分析、物理試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)類比法，結(jié)合礦山現(xiàn)狀，最終推薦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為分段高度20 m，推薦進(jìn)路間距為18 m，放礦步距為6 m，崩礦步距為4 m。

4) 立體模型放礦試驗(yàn)表明，采用低貧化放礦雖然廢石混入率會增加，但是與此對應(yīng)的礦石回收率會增加，并且最后的回貧差指標(biāo)要更好。