極不穩(wěn)固礦巖無底柱分段崩落采礦法崩礦步距優(yōu)化數(shù)值模擬及應(yīng)用

姜兆陽 鄭浩田 蒲江涌

摘要：崩礦步距是無底柱分段崩落采礦法的核心參數(shù)，崩礦步距的確定對于降低采礦損失貧化具有重要意義。以太平礦業(yè)公司37-2#礦體為研究對象，結(jié)合37-2#礦體圍巖賦存條件及礦脈形態(tài)，采用PFC2D顆粒流數(shù)值模擬軟件，建立了符合現(xiàn)場實際情況的采場數(shù)值模型，確定了放礦過程循環(huán)模擬的數(shù)值模擬方法。以礦石回收率為指標(biāo)，通過比較不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果，確定37-2#礦體的崩礦步距為1.25～2.25 m，并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，確定了分段高度7 m時的最優(yōu)崩礦步距為1.50 m，研究成果為現(xiàn)場生產(chǎn)施工提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：PFC2D軟件;極不穩(wěn)固礦巖;崩礦步距;無底柱分段崩落采礦法;礦石回收率

中圖分類號：TD853.36文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）06-0035-05doi：10.11792/hj20220608

引 言

無底柱分段崩落采礦法是金屬礦山常用的采礦方法[1-2]，具有操作簡單、開采強度大、機(jī)械化程度高等優(yōu)點，但同時也存在著很多不足。由于無底柱分段崩落采礦法采用覆巖下放礦，采礦損失貧化大，影響生產(chǎn)。該方法在設(shè)計初期便確定分段高度、進(jìn)路間距等參數(shù)，崩礦步距卻可以靈活調(diào)整。因此，開展一定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下崩礦步距的優(yōu)化方法研究，快速、準(zhǔn)確地確定回采的崩礦步距，對降低無底柱分段崩落采礦法的采礦損失貧化、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。

目前，對崩礦步距的優(yōu)化研究主要有以下3種方法：①實驗室相似材料試驗研究[3-4];②現(xiàn)場試驗研究[5];③數(shù)值模擬試驗研究[6-9]。這3種方法都能夠很好地反映礦巖散體的流動規(guī)律，但是在具體操作過程中差別較大：現(xiàn)場試驗可操作性差，且耗時、費力、影響生產(chǎn);實驗室試驗和數(shù)值模擬試驗的可操作性強，易于實現(xiàn)，尤其是數(shù)值模擬試驗更加方便靈活，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

PFC2D顆粒流數(shù)值模擬軟件（下稱“PFC2D軟件”）是基于通用離散元（DEM）框架，由計算引擎和用戶界面構(gòu)成的離散元軟件。顆粒單元由圓盤構(gòu)成，主要模擬有限尺寸顆粒的運動和相互作用。應(yīng)用PFC2D軟件模擬難采礦體的礦巖流動過程[10-12]，為進(jìn)路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法中階段崩礦步距的確定提供依據(jù)。

1 工程背景

安徽太平礦業(yè)有限公司（下稱“太平礦業(yè)公司”）37-2#礦體賦存標(biāo)高總體上在-305～212 m水平，呈似層狀，傾向北東，整體厚度變化系數(shù)較大，上、下盤圍巖蝕變強烈，多具矽卡巖化、蛇紋石化、綠泥石化等，穩(wěn)固性較差;礦體間近礦圍巖（中間夾層）為矽卡巖，穩(wěn)固性極差。礦體整體模型如圖1所示。

礦巖穩(wěn)固性差和受主體礦體形態(tài)影響大的特點，決定了37-2#礦體屬于難采礦體。因此，從適應(yīng)“巖體冒落規(guī)律”的視角出發(fā)，采用進(jìn)路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法開采37-2#礦體，礦體采礦方案如圖2所示。將礦體劃分為4個小分段，分段高度分別為6 m、7 m、7 m、5 m。第一分段空場出礦時，由于圍巖穩(wěn)固性較差，頂板和上盤圍巖的冒落始終對生產(chǎn)作業(yè)形成威脅。因此，為防止冒落沖擊危害對作業(yè)人員形成沖擊威脅，在第一分段空場出礦形成的采空區(qū)內(nèi)誘導(dǎo)上、下盤圍巖自然冒落形成覆蓋層，此后轉(zhuǎn)入覆巖下放礦的無底柱分段崩落采礦法回采。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是采礦方法的核心，崩礦步距是無底柱分段崩落采礦法關(guān)鍵的參數(shù)之一。因此，需確定合理的崩礦步距，從而提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

2 崩礦步距數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)第二分段的分段高度和上覆巖層厚度，建立覆巖下放礦礦巖流動數(shù)值模型，如圖3所示。根據(jù)設(shè)計分段高度7 m，進(jìn)路高度2 m，覆巖層厚度8 m，確定模型范圍為長×高=18 m×15 m，模型邊界由約束墻體（wall）構(gòu)成，限制顆粒運動。將整個模型分為廢石（覆巖）和礦體2部分，并進(jìn)行分組;模型組成單元為顆粒圓盤（ball），為更真實地模擬現(xiàn)場放礦中礦石與廢石粒徑的不均勻性，設(shè)計礦石粒徑為10～100 mm，廢石粒徑為30～150 mm。顆粒間的接觸模型采用線性接觸模型，可以模擬破碎后礦巖之間的流動;根據(jù)散體流動相關(guān)理論，對模型進(jìn)行反復(fù)標(biāo)定，確定顆粒間摩擦系數(shù)為0.5，接觸模量為1×109，剛度比為2。顆粒投放至相應(yīng)分組，計算平衡。將礦體沿進(jìn)路劃分多個崩礦步距，未崩落礦體由墻體（wall）約束，限制其流動性。進(jìn)路端部前方設(shè)計3 m廢石，采用后退式回采方式。將覆巖分層染色，作為標(biāo)識層（1 m），在礦體內(nèi)部設(shè)置2層標(biāo)識層。以上均在PFC2D軟件中由程序配合命令流實現(xiàn)。數(shù)值模型參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)值模擬計算

本次數(shù)值模擬礦石和廢石顆粒在自重條件下的放礦。為實現(xiàn)崩礦、落礦、出礦、放礦過程的循環(huán)，利用PFC2D軟件自帶內(nèi)嵌的fish語言進(jìn)行編程，再根據(jù)編寫的程序指導(dǎo)計算機(jī)進(jìn)行放礦。模擬放礦過程的程序如下：①刪除第一個崩礦步距進(jìn)路頂板，模擬爆破開挖;②模型計算80 000步，模擬爆破后礦巖運動過程;③刪除進(jìn)路中的礦巖，模擬出礦過程，同時統(tǒng)計刪除的礦石與廢石顆粒個數(shù)、體積，并進(jìn)行累計;④計算本次出礦的廢石體積與礦石體積之比，與截止條件對比，如果大于放礦截止品位，則此崩礦步距放礦結(jié)束，進(jìn)行下一個崩礦步距放礦;若小于放礦截止品位，則回到第②步。數(shù)值模擬計算流程如圖4所示;數(shù)值模擬放礦過程如圖5所示，每個崩礦步距放礦結(jié)束，計算機(jī)自動保存當(dāng)前結(jié)果，方便后續(xù)處理與結(jié)果分析。放礦結(jié)束后，根據(jù)fish函數(shù)記錄放出礦石總量和放出廢石總量，計算總礦石回收率，并以此來判斷崩礦步距的優(yōu)劣。

2.3 工況設(shè)計

針對難采礦體設(shè)計方案，分段高度7 m，設(shè)計1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m、2.00 m、2.25 m、2.50 m、2.75 m、3.00 m、3.25 m共10種崩礦步距進(jìn)行數(shù)值模擬計算，每種崩礦步距沿進(jìn)路末端設(shè)計4個回采步距，1.00 m、1.25 m、1.50 m崩礦步距間距短，不予考慮，因此共設(shè)置7個崩礦步距，回采方式為后退式回采。為驗證模擬試驗的可行性，設(shè)計分段高度為9 m的10種崩礦步距作為對比方案;模擬試驗的放礦截止條件為廢石混入率，設(shè)計廢石混入率30 %與5 %2種截止條件，模擬截止品位和無貧化放礦，具體設(shè)計方案如表2所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對40種工況160個崩礦步距進(jìn)行模擬計算，部分結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可以看出：4個崩礦步距放礦結(jié)束，黃色為礦石殘留。此外，還可以直觀地看出，導(dǎo)致采礦損失貧化的原因有2個：一是上方廢石先到達(dá)進(jìn)路口，此時右側(cè)廢石未到達(dá)進(jìn)路口，造成礦石損失，如圖6所示;二是右側(cè)廢石率先到達(dá)進(jìn)路口，廢石混入率超過截止條件，該崩礦步距放礦結(jié)束，造成礦石損失，如圖7所示。

計算直觀顯示，大崩礦步距進(jìn)路后方容易留礦，小崩礦步距放礦進(jìn)路上方容易留礦，進(jìn)路上方留礦可由下一崩礦步距繼續(xù)放出，因此在同一分段高度下，存在最優(yōu)崩礦步距，使礦石損失最少。

要想得到對應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的最優(yōu)崩礦步距，應(yīng)從礦石回收率的角度定量分析。因此，根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，統(tǒng)計放出礦石總量和廢石總量，計算每種崩礦步距下的礦石回收率，相同崩礦步距的4個回采步距取平均值。以崩礦步距2.50 m為例，計算結(jié)果如表3所示。

統(tǒng)計40種工況的礦石回收率，結(jié)果如圖8所示。通過對難采礦體階段回采數(shù)值建模，40種工況160個崩礦步距的計算，對比分段高度7 m、9 m，礦石回收率隨崩礦步距變化規(guī)律基本一致，整體呈先增后減的趨勢，說明在此采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下存在最優(yōu)崩礦步距。以廢石混入率為放礦截止條件，對比模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用截止品位放礦方法得到的礦石回收率比無貧化放礦方法高。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，改進(jìn)方案進(jìn)路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法中分段高度為7 m，崩礦步距取1.25～2.25 m時，礦石回收率較高。

4 現(xiàn)場工業(yè)試驗

為了確定最優(yōu)崩礦步距，在太平礦業(yè)公司37-2#礦體-285 m水平5-2進(jìn)路進(jìn)行崩礦步距現(xiàn)場工業(yè)試驗。分別進(jìn)行了分段高度為7 m，崩礦步距為1.50 m、1.75 m、2.00 m時的現(xiàn)場崩礦試驗，并安排跟班技術(shù)員統(tǒng)計回采數(shù)據(jù)。

采用YGZ-90型鑿巖機(jī)鉆鑿上向扇形孔，炮孔直徑38 mm，排距1.3 m，孔底距1.43 m，邊孔角55°。采用2#巖石乳化炸藥，毫秒導(dǎo)爆管起爆，每次爆破1排炮孔。采用孔底起爆與炮孔排面分段起爆方式，起爆順序如圖9所示，其他炮孔數(shù)的排面起爆順序類似，中間至兩側(cè)炮孔雷管段數(shù)遞增。

跟班統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。從表4可以看出：隨著崩礦步距的增加，礦石回收率逐漸降低;當(dāng)崩礦步距為1.50 m時，總崩礦量為380 t，總出礦量為357.2 t，試驗區(qū)域礦石回收率為94 %，符合現(xiàn)場經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，可在該礦山大范圍推廣使用。

5 結(jié) 論

本文介紹了太平礦業(yè)公司37-2#礦體的賦存條件及開采現(xiàn)狀，結(jié)合進(jìn)路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法，利用PFC2D顆粒流數(shù)值模擬軟件建立了無底柱分段崩落采礦法的數(shù)值模型，分別模擬了不同崩礦步距下礦體的開采情況。通過對比礦石回收率，結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)試驗，得出當(dāng)分段高度為7 m時，最優(yōu)崩礦步距為1.50 m，研究成果為現(xiàn)場生產(chǎn)施工提供了技術(shù)支撐。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 吳榮高，安龍，江學(xué)，等.梅山鐵礦大結(jié)構(gòu)參數(shù)下合理崩礦步距研究[J].金屬礦山，2012（5）：5-8，12.

[2] 王云鵬，余健.無底柱分段崩落法崩礦步距的優(yōu)化[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，45（2）：603-608.

[3] 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(xué)與工程學(xué)報，2013，32（4）：754-759.

[4] 行鵬飛，時磊，汪龍，等.某鐵礦無底柱分段崩落法崩礦步距優(yōu)化[J].中國礦業(yè)，2018，27（12）：118-123.

[5] 何榮興，任鳳玉，宋德林，等.無底柱分段崩落法崩礦步距優(yōu)化方法及應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（8）：1-4.

[6] 何文俊.某礦無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].湖南有色金屬，2015，31（2）：8-10.

[7] 簡永軍，陳玉明.某鐵礦無底柱分段崩落法的參數(shù)優(yōu)化研究[J].中國錳業(yè)，2016，34（4）：57-60，67.

[8] 金愛兵，孫浩，孟新秋，等.無底柱分段崩落法不同放礦方式下崩礦步距研究[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，48（11）：3 037-3 043.

[9] 李萍，柯波，趙菲.小東溝鉬礦最優(yōu)崩礦步距研究[J].爆破，2013，30（2）：67-72.

[10] 舒平.基于PFC3D的無底柱采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].銅業(yè)工程，2015（2）：40-43.

[11] 魏建海，黃興益，戈超，等.基于PFC2D的無底柱分段崩落法放礦數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015，31（12）：27-28.

[12] 丁航行，牛倫，孫明志，等.基于PFC的無底柱分段崩落法崩礦步距優(yōu)化[J].中國礦業(yè)，2019，28（3）：82-86.

Study on numerical simulation of caving step for optimization

in pillarless sublevel caving method of extremely unstable rock and its application

Jiang Zhaoyang1，Zheng Haotian2，Pu Jiangyong2

（1.Anhui Taiping Mining Co.，Ltd.;

2.Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University）

Abstract：The caving step is a core parameter of pillarless sublevel caving method，and determination of the caving step is important in reducing mining loss and ore dilution.The 37-2# ore body of Taiping Mining Company was used as the research object，and the stope numerical modeling method of mining process cycle simulation was established by combining the occurrence conditions of rock and mineral vein morphology of 37-2#ore body，using PFC2D grain flow numerical simulation software，which fits the actual situation.Taking the ore recovery rate as an index，the caving step from 37-2# ore body is determined to be 1.25-2.25 m by comparing the numerical simulation results under different working conditions，and an on-site industrial trial is conducted to determine the optimal step to be 1.50 m when sublevel height is

7 m，and the research results provide theoretical support for the on-site production construction.

Keywords：PFC2D software;extremely unstable rocks;caving step;pillarless sublevel caving method;ore recovery rate

收稿日期：2021-12-25; 修回日期：2022-02-20

基金項目：國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目（U21A20106）

作者簡介：姜兆陽（1986—），男，山東臨沂人，工程師，從事金屬礦山采礦工程技術(shù)研究工作;安徽省淮北市濉溪縣四鋪鎮(zhèn)，安徽太平礦業(yè)有限公司，235000;E-mail：331343546@qq.com