充填體覆蓋層塊度分布對(duì)無(wú)底柱分段崩落法礦石回收的影響*

賈子征，陳星明，粟登峰，李佳倫

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

無(wú)底柱分段崩落采礦法具有機(jī)械化程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)，適用于較規(guī)則急傾斜較厚礦體，自20世紀(jì)60年代以來(lái)在國(guó)內(nèi)大中型地下礦山得到了大范圍應(yīng)用。劉興國(guó)等[1-3]針對(duì)礦石采出貧化率過(guò)高的問(wèn)題，提出了無(wú)底柱分段崩落法無(wú)貧化放礦方式，并通過(guò)試驗(yàn)研究論證了該方式的合理性，其能有效控制出礦貧化率。還有學(xué)者提出通過(guò)改變采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、提高崩礦步距、增大進(jìn)路寬度等途徑來(lái)提高礦石回收率[4-6]。譚寶會(huì)等[7-8]對(duì)組合放礦方式的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該方式能達(dá)到提高回收率、降低貧化率的效果。武拴軍等[9]針對(duì)金川龍首礦無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)上方為膠結(jié)充填體的情況，提出了通過(guò)“誘導(dǎo)冒落”形成散體覆蓋層的處理思路。譚寶會(huì)等[10]對(duì)無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)上方覆蓋層形成技術(shù)條件進(jìn)行了研究，并提出了“誘導(dǎo)冒落”方法存在的技術(shù)問(wèn)題及研究方向。

無(wú)底柱分段崩落法的實(shí)施建立在覆蓋層散體與礦石的直接接觸上，覆蓋層的塊度分布對(duì)于礦石回收率和貧化率影響很大。近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)此做了大量研究：譚寶會(huì)等[11]對(duì)覆蓋層為膠結(jié)充填體的情況進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M了充填體在放礦過(guò)程中“二次破碎”后的級(jí)配，發(fā)現(xiàn)小塊占比有一定程度的增加；王平等[12]對(duì)崩落法放礦過(guò)程中充填體細(xì)顆粒運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)充填體塊度對(duì)于細(xì)顆粒的運(yùn)移有顯著影響，塊度為0.3～0.7 m的充填體在放礦過(guò)程中更易發(fā)生細(xì)顆粒滲移；井伯祥等[13]采用PFC對(duì)覆蓋層顆粒運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)覆蓋層內(nèi)小顆粒平均運(yùn)移速度約為大顆粒的1.6～2.0倍；李丹峰[14]采用PFC對(duì)崩落法采場(chǎng)上方充填體細(xì)顆粒運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)不同放礦時(shí)期充填體運(yùn)動(dòng)方式有顯著不同；楊賀[15]通過(guò)PFC模擬得到了覆蓋層巖石粒徑、密度與混入率的關(guān)系。

前人研究表明，覆蓋層中小塊散體運(yùn)移過(guò)快，更易混入礦石，因此覆蓋層小塊散體的增多必然會(huì)對(duì)礦石回收率、貧化率造成影響。本文以某礦山為例，首先分析了充填體二次破碎后的性狀，隨后開展了不同膠結(jié)充填體塊度覆蓋層條件下的放礦試驗(yàn)，得到了礦石回收率和貧化率等指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，研究了充填體塊度分布對(duì)崩落采礦法礦石回收效果的影響。

1 工程概況

該礦山礦體賦存標(biāo)高為1 058～1 671 m，走向北西27°，傾向南西，傾角70°～80°，厚度28～200 m，礦體及圍巖均較破碎。礦山原采用下向水平分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采礦，由于1 610 m水平分段充填體發(fā)生大面積垮塌而停用充填法采礦。截至目前，上部中段1 642～1 612 m水平已回采完成，形成了厚約30 m的膠結(jié)充填體；下部中段1 546～1 496 m水平回采也已完成，形成厚約50 m的膠結(jié)充填體。根據(jù)開采技術(shù)條件，擬對(duì)1 612～1 546 m水平的礦體采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開采；共布置4個(gè)回采分段，分別為1 595、1 580、1 565、1 546 m分段；每個(gè)分段進(jìn)路間距為15 m，進(jìn)路尺寸為4.3 m×3.7 m。1 595 m分段開采形成采空區(qū)后對(duì)膠結(jié)充填體進(jìn)行誘導(dǎo)冒落，形成無(wú)底柱分段崩落法實(shí)施所需的散體覆蓋層，創(chuàng)造安全回采條件。由于所采礦石品位較低，因此要特別關(guān)注礦石的貧化問(wèn)題。為降低貧化并保障生產(chǎn)安全，設(shè)計(jì)的放礦方式為上部2個(gè)分段采用總量放礦(分別按30%、80%放礦)，下部2個(gè)分段采用無(wú)(低)貧化放礦。

2 膠結(jié)充填體性狀

為研究初始冒落和二次破碎后膠結(jié)充填體的塊度分布規(guī)律，首先在1 590 m中段初始冒落區(qū)域?qū)Τ涮铙w進(jìn)行取樣。經(jīng)測(cè)試，膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度僅為0.5 MPa，抗壓強(qiáng)度為4.8 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.0 MPa，可見膠結(jié)充填體強(qiáng)度很低，其在后續(xù)的中深孔爆破沖擊、上部礦巖體冒落及下移過(guò)程的冒落沖擊、擠壓、碰撞等綜合作用下，塊度易發(fā)生明顯改變。

膠結(jié)充填體二次破碎后塊度分布參考文獻(xiàn)[1]確定，通過(guò)顎式破碎機(jī)模擬膠結(jié)充填體在后續(xù)崩落法生產(chǎn)過(guò)程中的破碎過(guò)程，最終得到二次破碎后充填體的塊度分布(見表1)。由表1可知，充填體在二次破碎后，小塊占比明顯上升(從18.0%升至25.5%)，大塊占比明顯下降(從29.0%降至18.4%)，中塊和次中塊占比無(wú)明顯變化。

表1 模擬膠結(jié)充填體二次破碎后的塊度分布

3 充填體破碎塊度對(duì)放礦的影響試驗(yàn)

該礦無(wú)底柱分段崩落法開采是在以膠結(jié)充填體為覆蓋層的條件下進(jìn)行的，由于充填體強(qiáng)度較低，會(huì)在后續(xù)開采過(guò)程中再次破碎而使塊度變小變粉。因此，為了研究充填體塊度對(duì)礦石回收效果的影響，分別開展了初始冒落塊度充填體覆蓋層條件下和二次破碎塊度充填體覆蓋層條件下的放礦試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究崩落礦巖在放礦過(guò)程中的損失和貧化問(wèn)題，以期掌握充填體破碎塊度改變對(duì)礦石回收效果的影響規(guī)律。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃筒牧?/h3>

按實(shí)際采場(chǎng)分段高度、進(jìn)路間距等參數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?見圖1)，相似比為1∶100。模型進(jìn)路尺寸為4.5 cm×4.0 cm，首采分段邊孔角為35°，其余分段邊孔角均為55°。模型中，礦石層高度為66 cm，塊度按照表2中的現(xiàn)場(chǎng)礦石塊度按1∶100的比例縮小。以白云巖作為礦石,密度為1.348 g/cm3，試驗(yàn)所需白云巖級(jí)配見圖2，將其按表2中的比例混合均勻。充填體層高度30 cm，充填體塊度按1∶100的比例縮小。采用鐵礦石作為充填體，在試驗(yàn)中可利用鐵礦石的磁性將礦巖分離，鐵礦石密度為2.337 g/cm3，試驗(yàn)所需兩種鐵礦石級(jí)配見圖3，將其按表1中的比例混合均勻。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表2 現(xiàn)場(chǎng)礦石塊度分布

圖2 試驗(yàn)所需白云巖級(jí)配

圖3 試驗(yàn)所需兩種鐵礦石級(jí)配

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案根據(jù)礦區(qū)開采方案確定，為充分高效回收礦石，采用組合方式放礦。礦區(qū)開采方案簡(jiǎn)述如下。

a.1 595 m分段。首采分段開采目的是形成安全墊層，預(yù)防頂板冒落帶來(lái)的安全隱患，而非回收礦石。根據(jù)所需安全墊層厚度[16-17]，該分段放礦量為崩礦量的30%。

b.1 580 m分段。該分段的采礦需求要兼顧充填體頂板仍未冒落的情況以及礦區(qū)的產(chǎn)能需要，出礦比例可適當(dāng)放大。根據(jù)礦山開采方案，該分段按崩礦量的80%放礦。

c.1 565 m分段。考慮到降低貧化的要求，礦石會(huì)在下一分段進(jìn)行回收，采用無(wú)(低)貧化放礦。

d.1 546 m分段。該分段為無(wú)底柱分段崩落法采礦的最后一個(gè)分段，未回收的礦石將會(huì)永久損失。采用無(wú)(低)貧化放礦，可適當(dāng)增大貧化率。

針對(duì)兩種級(jí)配的充填體覆蓋層，共設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)。其中試驗(yàn)1、3、5采用的充填體級(jí)配與初始冒落塊度分布相同，試驗(yàn)2、4、6采用的充填體級(jí)配與二次破碎后塊度分布相同，試驗(yàn)采用的礦石級(jí)配均與現(xiàn)場(chǎng)礦石塊度分布相同。放礦試驗(yàn)方案見表3。

表3 放礦試驗(yàn)方案

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

將礦石裝入模型，待到達(dá)礦石層所需高度后將界面抹平，再進(jìn)行充填體物料的填充。各分段出礦口按從左至右的順序進(jìn)行放礦。試驗(yàn)開始后，從放礦口兩側(cè)及中間均勻出礦，每刨出3鏟對(duì)放出礦巖進(jìn)行篩分并分別稱質(zhì)量，達(dá)到所需放礦量即停止放礦。各放礦口放礦結(jié)束后將巷道隔板取出并將其封堵。因篇幅所限，僅展示試驗(yàn)1的放礦過(guò)程(見圖4)。

圖4 試驗(yàn)1放礦過(guò)程

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)1、2的數(shù)據(jù)見表4。在前兩個(gè)分段，放礦方式均為總量放礦。首采分段放礦比例未達(dá)到30%就已見廢，1 580 m分段放礦比例達(dá)到80%仍未見廢，試驗(yàn)1、2前兩個(gè)分段的礦石回收率、貧化率基本保持一致。最后兩個(gè)分段為無(wú)貧化放礦，見廢即停，試驗(yàn)中僅放出極少量充填體。在1 565 m分段，試驗(yàn)2比試驗(yàn)1所得礦石回收率高6.98個(gè)百分點(diǎn)，貧化率高0.44個(gè)百分點(diǎn)。在1 546 m分段，試驗(yàn)2比試驗(yàn)1所得礦石回收率低4.90個(gè)百分點(diǎn)，貧化率高0.23個(gè)百分點(diǎn)?？傮w來(lái)看，在采用無(wú)貧化放礦時(shí)，充填體塊度變小后礦石回收率、貧化率基本不變，小塊充填體的增加并未對(duì)礦石回收造成明顯劣化影響。由此證明了無(wú)貧化放礦方案是合理的，能有效避免充填體塊度變小對(duì)礦石回收造成的不利影響。

表4 試驗(yàn)1、2數(shù)據(jù)

試驗(yàn)3、4的數(shù)據(jù)見表5。

表5 試驗(yàn)3、4數(shù)據(jù)

在首采分段，試驗(yàn)3、4放出礦量控制在崩礦量的30%，試驗(yàn)4的貧化率更高。兩個(gè)試驗(yàn)在1 580 m分段均未放出充填體，所得礦石回收率基本相同。相比于試驗(yàn)1、2，試驗(yàn)3、4在1 565、1 546 m分段放礦過(guò)程中增大了出礦量，貧化率控制在10%左右。在1 565 m分段，試驗(yàn)4比試驗(yàn)3所得礦石回收率低2.22個(gè)百分點(diǎn)，貧化率低0.15個(gè)百分點(diǎn)。在1 546 m分段，試驗(yàn)4比試驗(yàn)3所得礦石回收率高3.86個(gè)百分點(diǎn)，貧化率高0.14個(gè)百分點(diǎn)。總體來(lái)看，采用低貧化放礦，當(dāng)增大出礦量使總貧化率在7.6%左右時(shí)，充填體塊度變小后礦石回收率、貧化率基本不變，說(shuō)明小塊充填體的增加未對(duì)礦石回收造成明顯劣化影響。

試驗(yàn)5、6的數(shù)據(jù)見表6。在首采分段放礦量相同時(shí)，試驗(yàn)6比試驗(yàn)5的總貧化率高0.06個(gè)百分比。1 580 m分段由于幾乎未放出廢石，兩個(gè)試驗(yàn)得到的礦石回收率、貧化率基本相同。1 565、1 546 m分段預(yù)計(jì)在放出礦石貧化率達(dá)到15%時(shí)停止出礦，但在貧化率達(dá)到13%時(shí)，放礦口幾乎已無(wú)礦石放出，故停止出礦。在1 565 m分段，試驗(yàn)6比試驗(yàn)5所得礦石回收率低6.09個(gè)百分點(diǎn)，貧化率低0.08個(gè)百分點(diǎn)。在1 546 m分段，試驗(yàn)6比試驗(yàn)5所得礦石回收率低1.12個(gè)百分點(diǎn)，貧化率高0.07個(gè)百分點(diǎn)。由此可見，最后兩個(gè)分段增大出礦量后，在貧化率基本相同的情況下，試驗(yàn)5得到了更高的礦石回收率?？傮w來(lái)看，在增大出礦量使總貧化率增加至10%或以上時(shí)，試驗(yàn)5得到了更高的礦石回收率，比試驗(yàn)6所得礦石總回收率高1.73個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明小塊充填體的增加對(duì)礦石回收造成了明顯的劣化影響。

表6 試驗(yàn)5、6數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

a.對(duì)比兩種級(jí)配的充填體覆蓋層下的放礦試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)整體采用無(wú)貧化或低貧化放礦時(shí)，充填體塊度變小后礦石回收率、貧化率基本不變，即充填體塊度對(duì)礦石回收效果的影響很小。

b.隨著放礦貧化率的增大，充填體變小變粉后在同樣的貧化率下，礦石回收率明顯下降，說(shuō)明覆蓋層充填體塊度對(duì)礦石回收造成了明顯的劣化影響。