崩落體狀態及內部礦巖移動規律研究*

高常勝 溫彥良

(1.鞍鋼礦業集團公司弓長嶺礦；2.遼寧科技大學礦業工程學院)

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崩落體狀態及內部礦巖移動規律研究*

高常勝1溫彥良2

(1.鞍鋼礦業集團公司弓長嶺礦；2.遼寧科技大學礦業工程學院)

為了解決無底柱分段崩落法采礦中損失貧化大的問題，通過數值模擬，對崩落體形成過程進行了模擬，確定了崩落體的外部形態，并通過放礦過程中對顆粒位移監測的方式進行了礦巖移動規律研究。研究結果對指導礦山生產具有很強的實際意義。

無底柱分段崩落法 崩落體 放礦 數值模擬

無底柱分段崩落法具有作業效率高、安全性好、生產強度大、成本低的優點，在我國地下鐵礦山得到了廣泛的推廣應用[1-2]，目前已占到地下鐵礦山總產量的80%左右。由于該采礦方法的爆破和生產出礦都是在松散巖層的覆蓋下進行的，其損失率和貧化率大一直是該方法面臨的嚴重問題[3]。為此，國內外專家學者針對松散礦巖的移動規律、爆破參數的優化設計以及出礦管理方面進行了大量的研究和試驗，然而由于研究對象的片面性效果并不理想。張國建等[4-5]提出了崩落體的概念，研究發現了崩落體在生產系統中的決定性作用形成及內部礦巖移動規律，具有重要的實際意義。

1 崩落體

崩落體是在爆破作用下，在松散覆蓋巖層中形成的礦石爆堆[4-5]，既是爆破作用形成的松散礦石體，也是放礦工作的對象。因此，崩落體處于爆破工作和生產放礦的中心環節。爆破參數的改變勢必影響崩落體的外形和內部狀態，不同的崩落體狀態對應不同的放礦效果。爆破、放礦、再爆破、再放礦為采礦生產的一個循環工作，因此前一步距的放礦會影響下一步距的崩落體形成，如果崩落體狀態不好，就會形成不好的循環狀態，而好的崩落體狀態會始終保持較好地生產技術指標。

由于該方法的爆破和放礦是在覆蓋巖層下進行的，因此難以在生產現場準確觀測崩落體形態及其內部礦巖移動規律。隨著計算機技術和數值計算方法的發展，數值模擬技術已成為該研究方向的主要手段，研究中采用顆粒流程序PFC2D模擬了崩落體的狀態及放礦過程中內部礦巖顆粒的移動規律。

2 模擬方法

PFC2D二維顆粒流程序是由Itasca公司開發的離散元軟件，該程序可以模擬圓形顆粒介質的運動及其顆粒間的相互作用，作為研究顆粒介質特性的模擬軟件，在滑坡、采礦、爆破等很多領域得到了廣泛應用[6]。顆粒流方法采用顯式時步中心有限差分循環運算法則， 介質被假定為離散體，顆粒之間需滿足平衡方程而不需滿足變形協調方程，這明顯不同于連續介質力學問題。如果作用于顆粒上的合力和合力矩不等于零，則顆粒運動規律按牛頓第二定律確定。顆粒的運動不是自由的，要受到周圍接觸顆粒的阻力限制。顆粒流的最基本特征是：允許粒子發生有限位移，而且轉動粒子間可以完全脫離；顆粒流在計算過程中能夠自動辯識新的接觸。

3 崩落體形態及礦巖移動規律

3.1 模型建立

為了模擬爆破作用下崩落體的外觀形態以及放礦前崩落體內的應力分布特征，研究中參照實際礦山參數進行了數值模擬試驗。試驗參數設置如下：分段高度12 m，崩礦高度18 m，覆蓋巖層厚度 24 m，出礦進路高度3 m，崩礦步距2 m，模型中礦石顆粒塊度10～15 cm，共生成礦石顆粒1 140個，覆蓋巖層塊度20～30 cm，生成頂部和正面覆蓋巖層顆粒7 300 個。模型礦巖顆粒力學參數見表1。

表1 礦巖顆粒的物理力學參數

3.2 崩落體形態

研究中崩落體形態的模擬分3個步驟進行：①進行覆蓋巖層的初始應力平衡，初始應力平衡狀態作為礦石爆破的邊界條件；②增大礦石顆粒半徑模擬礦石爆破，被爆礦石對周邊覆蓋巖層形成擠壓作用；③通過改變崩落礦石半徑的方法，將礦石顆粒半徑改回初始狀態，模擬爆破后的回縮作用，覆蓋巖層和崩落礦石形成放礦前新的應力平衡狀態。通過以上3個步驟形成崩落體，放礦前形態如圖1所示。模擬結果顯示，崩落體形態近似于橢球缺，崩落體寬度大于崩礦步距，寬度約為崩礦步距的1.3倍，崩落體高度大于崩礦高度，但增大幅度不明顯。由此可見，爆破作用的膨脹方向是沿回采進路的水平方向，垂直膨脹并不明顯。崩落體的邊界不是光滑的，成明顯的鋸齒狀，表明崩落體最外層存在礦巖混雜現象，這是爆破的膨脹和回縮作用引起的。

圖1 崩落體形態及測點布置

3.3 崩落體內礦巖移動規律分析

為了研究放礦過程中崩落體的演變以及內部礦巖移動規律，在崩落體狀態形成的基礎上有規律地進行了出礦工作，出礦的同時對崩落體和周邊覆蓋巖層的礦巖移動進行了監測，監測方案如圖1所示。在數值模型中均勻地設置了4個標定層，每個標志層設置監測顆粒，監測指標主要包括x向位移、y向位移，通過這些指標研究放礦過程中顆粒的運動規律。根據研究的需要，在模型中設置4層監測點，監測點在每個監測層均勻布置，共23個。其中第1層監測點號由左至右為1#～5#，第2層監測點號由左至右為6#～11#，第3層監測點號由左至右為12#～17#，第4層監測點號由左至右為18#～23#。放礦過程中1#測點、6#測點的位移與放礦時步的關系如圖2所示。

放礦過程中，崩落體內部礦巖顆粒移動規律：

(1)崩落體內中部礦石顆粒的移動規律表現為：在礦石從上向下的運動過程中，初期各點礦巖顆粒水平運動不明顯，垂直運動相對較為穩定，但是垂直運動的位移量隨距爆破端壁距離的增大而減小，后期水平運動逐漸加大，流動性增強，這是由于逐步靠近放礦口所造成的。

(2)覆蓋層與崩落體頂部接觸處礦石顆粒以垂直移動為主，靠近爆破端壁的礦巖基本沒有水平位移，隨著與端壁距離的增大，水平移動趨于明顯，崩落體與覆蓋巖層的交界面向爆破端壁移動，導致崩落體的寬度逐漸變窄。

4 結 論

(1)數值模擬了崩落體的形成，經歷了初始應力平衡、膨脹擠壓和爆后回縮3個階段，礦石顆粒的增大和縮小，較好地反映了崩落體的真實形成狀態，崩落體的狀態近似橢球體，上寬下窄，爆破膨脹主導方向為水平方向。

(2)放礦過程中，崩落體下部顆粒垂直運動速度先大后小，而水平運動速度先小后大；崩落體中部靠近爆破端壁的礦石顆粒以垂直運動為主，水平移動不明顯；遠離端壁的顆粒隨放礦進行水平移動越來越明顯；頂部顆粒移動規律與中部顆粒近似，只是水平移動顯現更為滯后。

[1] 陳清運，何玉早.中小型礦山無底柱崩落法結構參數優化[J].金屬礦山，2005(1)：23-25.

圖2 測點監測結果

[2] 安 宏，胡杏保.無底柱分段崩落法應用現狀[J].礦業快報，2005(9)：6-8.

[3] 張志貴，劉興國，于國立.無底柱分段崩落法無貧化放礦—無貧化放礦理論及其在礦山的實踐[M].沈陽：東北大學出版社，2007.

[4] 張國建，蔡美峰.崩落體形態及其影響研究[J].中國礦業，2003(12)：38-42.

[5] 張國建，翟慧超.無底柱分段崩落法放出體、松動體、崩落體三者關系研究[J].中國礦業，2010(3)：68-71.

[6] 周 健，池 永，池毓蔚，等.顆粒流方法及PFC2D程序[J].巖土力學，2000(3)：271-274.

Study of the Shape of Caving Body and Its Internal Ore-rock Moving Laws

Gao Changsheng1Wen Yanliang2

(1.Gongchangling Iron Mine,Anshan Iron and Steel Group Mining Co.,Ltd.; 2.School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning)

In order to solve the problem of high loss and dilution of ore by using the pillar-less sublevel caving method, the formation of caving body is numerical simulated, the shape of caving body is determined. The moving laws of the internal ore-rock of caving body is studied by monitoring particle displacement in the ore drawing process.The study results of the paper has strong guiding significance for the actual production of mine.

Pillar-less sublevel caving method,Ore drawing,Caving body,Numerical simulation

*國家自然科學基金項目(編號：51174110)。

2016-06-20)

高常勝(1974—)，男，工程師，111007 遼寧省遼陽市。