無底柱分段崩落法斜壁邊界條件放礦實驗*

歐陽斌　陶干強

(南華大學核資源工程學院)

?

無底柱分段崩落法斜壁邊界條件放礦實驗*

歐陽斌陶干強

(南華大學核資源工程學院)

摘要為了研究無底柱分段崩落法斜壁邊界條件下礦石散體的移動規律，開展了斜壁邊界條件下的底部放礦實驗。按照1∶25的幾何相似比，制作了無底柱分段崩落法斜壁邊界條件下底部放礦模型，根據礦山現場礦石塊度級配，制備了對應級配的礦石散體材料及流動性與散體材料一致的標志顆粒。在實驗數據的基礎上，繪制了各水平層標志顆粒放出量曲線圖，分析了礦體厚度和上下盤邊壁對散體流動規律的影響。結果表明，礦體厚度對散體流動規律影響較小，在上下盤邊壁的約束作用下，同一水平層，越靠近上盤的散體越先被放出。結果對無底柱分段崩落法放礦工藝的研究和應用具有一定指導意義。

關鍵詞無底柱分段崩落法斜壁邊界條件底部放礦移動規律

在我國金屬礦床地下開采中，中厚傾斜礦體(礦體厚度4～10 m，礦體傾角30°～55°)約占開采礦床總數的23%[1]，中厚傾斜礦體的開采一直是國內外的采礦難題，該類礦床的開采特點是崩落礦巖的移動空間條件較差，不具備“轉段回收”的條件，無法采用無(低)貧化放礦方式開采,而實際生產中經常遇到此類情況，該類礦體采用無底柱分段崩落法開采時，其回采效果較厚大急傾斜礦體顯著惡化，部分礦山實際開采中礦石損失率高達40%[2]。

為了解決崩落法損失貧化大的問題，國內外學者針對覆巖下礦巖移動規律開展了大量的研究工作，并在放礦理論、放礦計算機仿真、放礦工藝等方面都取得了重大進展，代表性的放礦理論有橢球體放礦理論、類橢球體放礦理論、隨機介質放礦理論等,這些理論對指導放礦研究與現場生產發揮了重要的作用。傳統上無底柱分段崩落法主要用于開采急傾斜中厚以上礦體,隨著低貧損開采技術的應用以及采礦裝備水平的提高，其應用范圍不斷擴大。玉石洼鐵礦、西石門鐵礦、夏甸金礦等礦山現場工業實驗表明，將低貧損開采模式用于緩傾斜(傾角5°～30°)礦體，實現了安全、高效開采，取得了良好的技術經濟效果[3-5]。

目前的研究主要針對松散礦巖流動性能以及急傾斜礦體開采[6-12]。任鳳玉考慮上盤邊壁的影響，分區段建立了60°以上傾斜壁松散礦巖移動方程[13]。對于斜壁傾角(30°～55°)中厚礦體松散礦巖移動方程的研究，就理論高度講目前尚屬空白。本文考慮礦體厚度的影響，開展了傾角為55°，厚6～10 m傾斜礦體的物理模擬實驗。

1實驗前準備

1.1實驗模型

采用10 mm厚木質膠合板按照1∶25的幾何相似比制作實驗模型。模擬礦體傾角為55°，厚6～10 m，回采進路尺寸為2.5 m×2.5 m。模型尺寸為135 cm×6 cm×120 cm。為方便裝填礦石和布置標志顆粒，實驗前將模型一側的木板鋸成24條5 cm寬的木板，保證每次裝填礦石的厚度均為5 cm。放礦口尺寸為10 cm×6 cm×10 cm，并且在放礦口處設置一個閘門和一塊托板用以控制放礦速度。

1.2實驗材料

實驗散體材料按照實際礦山現場礦石塊度1∶25制備，級配見表1。

表1　礦石級配

1.3標志顆粒

為保證實驗散體流動性一致，制作標志顆粒所用的散體材料直接從實驗用的散體材料中選取[14]。選好后將其染色，并將標有標號的紙片粘貼在顆粒上。標志顆粒的大小為8～12 mm,在豎直方向每隔5 cm放置一層標志顆粒，水平方向每隔3 cm放置一個標志顆粒，共24層。標志顆粒的布置見圖1。

圖1　標志顆粒布置示意(單位：cm)

2實驗操作

裝填礦石散體時每一層都應夯實，以降低細小顆粒的滲流作用，裝填密度為1.601 5 g/cm3。放礦過程中，單次放礦量應該在100 g左右，按照標志顆粒放出先后的順序記錄對應標志顆粒的當次放出量。從出礦口放出礦石，礦石散體中的某一顆粒到達出礦口時之前的放出散體數量稱為該顆粒點的達孔量。

放礦過程中應盡量保持勻速放礦，每個礦體厚度的實驗應該重復2～3次。由于存在一些粒徑比較大的礦石，為了避免出礦口堵塞，撥礦用鏟子的寬度跟放礦口寬度一致。每次放礦時都用鏟子將出礦口疏通，保證每次出礦時巷道都充滿礦石。

3實驗結果

將各標志顆粒的當次放出量按照顆粒放出順序累加即可得到對應標志顆粒的放出量。統計各實驗的達孔量數據，并建立X-Q坐標系，見圖2。

圖2　坐標系的建立

在坐標系中描繪出不同礦體厚度各層標志顆粒的放出量曲線圖(圖3)。按照曲線發育情況，分成3個階段：第一階段呈拋物線，第二階段呈S形增長曲線，第三階段呈線性增長型曲線。

4實驗結果分析

4.1礦體厚度對散體流動的影響

各個礦體厚度的放出量曲線圖的發育情況基本一致，因此，礦體厚度對散體流動規律的影響比較小，甚至可以忽略不計。

4.2上下盤邊壁對散體流動的影響

標志顆粒的放出量越小，說明被放出的時間越早。同一礦體厚度下，在放出量曲線為拋物線型階段，靠近放礦口中心軸線的標志顆粒優先被放出，可知，在此階段上下盤邊壁對散體流動沒有約束作用。而當這一階段結束后，上下盤邊壁對散體有約束作用，在同一水平層上，越靠近上盤邊壁的標志顆粒，越早被放出來。

圖3　不同礦體厚度放出量曲線

5結論

(1)根據各水平層標志顆粒放出量曲線圖可看出，斜壁邊界條件下放礦是一個復雜的過程，若根據達孔量法測定，將得到不同類型的放出體幾何形態。

(2)斜壁邊界條件下的底部放礦過程中，礦體厚度對散體流動的影響比較小，基本上不影響散體的流動規律。

(3)在上下盤邊壁的約束作用下，同一水平層上，越靠近上盤邊壁的散體越先被放出。

參考文獻

[1]王文杰.中厚傾斜礦體卸壓開采理論及其應用[J].金屬礦山,2009(2):23-26.

[2]孫文勇,譚寶會,張志貴,等.某礦山無底柱分段崩落法礦石損失貧化原因分析[J].化工礦物與加工,2013(10):32-35.

[3]任天貴,宋衛東.地下難采鐵礦體采礦方法問題的思考[J].金屬礦山,1994(12):17-21.

[4]任鳳玉,陶干強,王家寶.西石門鐵礦自落頂設回收進路的無底柱分段崩落法試驗研究[J].采礦技術,2001(2):38-41.

[5]王劼,楊超,張軍,等.傾斜中厚礦體分段崩落法損失貧化控制技術[J].金屬礦山,2010(6):57-59.

[6]余一松,陳小偉,明世祥.無底柱采場端壁傾角變化對礦石損失和貧化的影響[J].金屬礦山,2009(S1):241-245.

[7]原丕業,趙金先,王軍英,等.急傾斜中厚礦體無底柱分段崩落法結構參數優化研究[J].中國礦業,2004(5):32-35，75.

[8]賴偉.復雜急傾斜薄礦脈采礦方法試驗研究[D].長沙：長沙礦山研究院,2012.

[9]穆懷富,林東躍.無底柱小分段崩落采礦法在急傾斜不穩固薄礦體開采中的應用[J].黃金,2015(10):44-47.

[10]王昌.尖山礦區傾斜—急傾斜中厚礦體采場結構參數研究[D].昆明：昆明理工大學,2015.

[11]李坤蒙,李元輝,徐帥,等.急傾斜薄礦脈無底柱分段崩落法結構參數優化[J].金屬礦山,2014(7):1-6.

[12]趙海軍,馬鳳山,丁德民,等.急傾斜礦體開采巖體移動規律與變形機理[J].中南大學學報:自然科學版,2009(5):1423-1429.

[13]任鳳玉.斜壁邊界散體移動規律研究[J].化工礦山技術,1993(4):23-27.

[14]陶干強,楊仕教,任鳳玉.隨機介質放礦理論散體流動參數試驗[J].巖石力學與工程學報,2009(S2):3464-3470.

(收稿日期2016-02-29)

Ore Drawing Experiment of the Inclined Wall Boundary Conditions of Non-pillar Sublevel Caving Method

Ouyang BinTao Ganqiang

(Nuclear Resources Engineering College, University of South China)

AbstractIn order to analyze the movement regularity of the ore granular under the inclined wall boundary conditions of non-pillar sublevel caving method, the ore drawing experiment of the bottom under the inclined wall boundary conditions is conducted. The bottom ore drawing model under the inclined wall boundary conditions of non-pillar sublevel caving method is made based on the geometric similarity ratio of 1:25. According to the ore blocks grading of the mine site, the ore granular material of corresponding grading and the mark particles which the liquidity is consistent with the one of granular material are obtained. Based on the experiment data, the release quantity curve of the marked particles of the horizontal layers are drawn and the influence of the ore-body thickness and the upper and lower side walls to the movement regularity of ore granular is analyzed. The results show that the influence of the ore-body thickness to the movement regularity of ore granular is little, under the constraint function of upper and lower side walls, in the same layer, the closer the upper side wall, the quicker the ore granular can be drawn out. The above analysis results can provide some reference for the study of the ore drawing technique and its engineering application.

KeywordsNon-pillar sublevel caving method, Inclined wall boundary conditions, Bottom ore drawing, Movement regularity

*國家自然科學基金項目(編號：5157040545)。

歐陽斌(1990—)，男，碩士研究生，421001 湖南省衡陽市常勝西路28號。