無底柱分段崩落法放礦鏟入深度與崩礦步距的關系

常貫峰 路增祥，2

（1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧鞍山114000；2.遼寧省金屬礦產資源綠色開采工程研究中心，遼寧鞍山114051）

無底柱分段崩落法引進國內以來，以其安全高效、低成本等優點廣泛應于金屬礦床地下開采［1］。由于其落礦和放礦是在覆巖下進行的，放礦過程中覆蓋層廢石會大量混入，造成礦石損失貧化。為改善放礦效果，降低損失貧化，吳愛祥［2］、陶干強［3］等人通過研究無底柱分段崩落法的結構參數，給出了結構參數與放礦指標之間的相關關系式；胡杏保［4］等人通過對無底柱分段崩落法不同回采順序的研究，分析了其對礦石損失貧化的影響；張國建［5］等人研究了崩落法松散覆蓋巖層自然分級對礦石損失貧化的影響；王培濤［6］等人通過顆粒流數值模擬研究了邊孔角對無底柱分段崩落法放礦的影響；唐玉柱［7］研究了礦石殘留體對無底柱分段崩落法放礦效果的影響；余一松［8］、張永達［9］等人研究了端部放礦端壁傾角對礦石損失貧化的影響。無底柱分段崩落法礦石損失與貧化大的影響因素較多，其中放礦控制和出礦設備的影響不可忽略。劉興國［10］、何興榮［11］等人從放礦管理、設備配套問題等方面對無底柱分段崩落法進行了研究。宋洪勇［12］等人研究了放礦步距與端部放礦放出體的合理匹配關系，指出鏟裝深度和寬度對橢球體形態有較大影響。上述研究成果對無底柱分段崩落法的發展起到了良好的促進作用。但對放礦過程中鏟機的鏟入深度對放礦效果的影響，以及鏟入深度與崩礦步距關系等方面的研究甚少。對于鏟入深度與崩礦步距的關系研究，應建立在以損失與貧化為評判標準的放礦效果上，使放礦效果達到最佳。

本研究以單進路放礦模型為基礎，通過物理相似模擬實驗，研究出礦過程中鏟運機鏟入深度與崩礦步距的關系對放礦效果的影響，有利于礦山鏟運機選型和放礦管理。

1 實驗方案

1.1 實驗準備

（1）實驗模型箱。按幾何比1:50設計與制作“單分段-單進路”實驗模型箱，模型結構與巷道均采用透明有機玻璃板與角鋼制作。模型箱幾何尺寸為400 mm×400 mm×1 000 mm（長×寬×高），其結構原理如圖1。模型箱中裝填礦石高度為500 mm，模擬現場分段高度25 m；廢石裝填高度為300 mm，模擬覆蓋巖高度15 m。分別以52 mm、72 mm和92 mm的礦層厚度模擬2.6 m、3.6 m和4.6 m的崩礦步距。

（2）實驗用礦巖材料。實驗采用礦石為磁鐵礦（黑色），廢石采用白色石英巖。礦石與廢石顆粒的粒級組成（質量百分比）見表1。礦石與廢石的各組份經計算、稱量和混合均勻后，按一定順序進行實驗模型箱裝填。

（3）出礦鏟設計。以4 m3（鏟斗寬2.5 m）鏟運機為基礎，按1∶50設計出礦鏟寬度。出礦鏟上，調整鏟入深度的定位板為一可固定在手柄上的活動部件，能夠保證出礦時鏟入深度的可調整。其原理如圖2。

1.2 鏟入深度確定

（1）鏟入深度計算。根據Rankine土壓力理論，Janelid和Kvapil［14］提出了鏟運機最優鏟入深度計算式，如式（1）。

式中，x為鏟入深度，m；H為巷道高度，m；φ為自然安息角，（°）。

通過對實驗用礦石材料進行測定，其自然安息角為38°，已知實驗模型的巷道高度為84 mm，根據式（1），在各崩礦步距下出礦時的最優鏟入深度值為66.46 mm。為研究鏟入深度對與崩礦步距的關系，以及鏟入深度對放礦效果的影響，以66.46 mm為基礎，按10 mm的增減量調整實驗中的鏟入深度，以模擬生產實際中0.5 m的鏟入深度變化值。實驗鏟入深度與模擬現場實際的鏟入深度對比值如表2。

（2）實驗鏟入深度定位值計算。根據圖2模型箱中出礦巷道的長度，實驗中礦鏟的鏟入深度定位值L

由式（2）確定。

式中，Lh為模型巷道長度，Lh=210mm；x為鏟入深度值。

2 物理模擬實驗

2.1 模型裝填

分別按2.6 m、3.8 m和4.6 m的崩礦步距對放礦實驗模型箱進行物料裝填。裝填時，用豎直隔板將礦石與正面廢石隔開，并保持隔板兩邊的礦石與廢石同步升高，以確保崩礦步距大小不發生變化。當裝填到設計高度時，先整平礦石與廢石的頂面，然后將隔板豎直向上抽出，繼續裝填廢石到設計高度。為不擾動已完成裝填的礦石層上表面，上覆廢石裝填之前，先在礦石層表面覆蓋一層廢石，然后繼續裝填廢石。

模型箱填裝過程中，要準確記錄礦石的裝填量。完成裝填后的模型如圖3。

2.2 出礦要求

出礦時嚴格按下述要求進行：

（1）不同鏟入深度下的實驗出礦前，需先根據式（2）確定的定位值調節好定位板，并將其與手柄固定為一體，以防止出礦過程中因定位板產生移動，而導致鏟入深度發生變化；

（2）出礦過程中，保持全斷面均勻出礦，并在鏟取礦石時模擬鏟運機鏟斗的運動方式，使鏟礦后引起的模型箱內的礦巖移動方式，盡量與生產實際中鏟運機出礦時采場內的礦巖移動方式接近；

（3）每次出礦后，將鏟出的礦石與廢石分離并分別稱重，做好實驗記錄；

（4）以混巖率達到70%為截止放礦的標準。

3 鏟入深度與崩礦步距的關系特征

為研究鏟入深度與崩礦步距的關系研究，共進行了3種崩礦步距、7種鏟入深度下的21組放礦實驗。

3.1 頂部廢石漏斗演變特征

21組實驗中，以放礦口開始出現廢石（也即正面侵入廢石到達出礦口）為節點，頂部廢石漏斗演變呈現出了一定的規律性。圖4顯示了鏟入深度分別為2.32 m、3.32 m和4.32 m時、對應崩礦步距分別為2.6 m、3.6 m和4.6 m時，廢石漏斗擴展特征。

（1）相同鏟入深度條件下，頂部廢石漏斗的凹陷深度隨崩礦步距的增大而增大。這一現象，可能與礦石與巖石容重的差異性有關，相對于容重較小的巖石，礦石容重越大，放礦的重力作用特征越明顯，流動性也越好。

（2）同一崩礦步距條件下，頂部廢石漏斗的凹陷深度隨鏟入深度的增大呈現出逐漸減小的趨勢，而且，崩礦步距越小時，凹陷深度減小的現象越明顯。產生這種現象的原因是放礦過程中隨著鏟入深度的增大，擴大了礦巖的擾動范圍，因而更有利于礦巖流動，進而造成正面廢石較早的侵入放礦過程。

3.2 不同鏟入深度與崩礦步距對純礦石回收量的影響

表3統計了21組放礦實驗中，放礦口出現廢石時放出的純礦石量。

從表3可以看出：

（1）鏟入深度一定時，崩礦步距越大，放出純礦石量越多。產生這一特征的原因主要是在一定的鏟入深度條件下，出礦引起的礦巖擾動范圍保持不變，當崩礦步距加大之后，崩落體沿進路方向的厚度增大，延緩了正面廢石到達放礦口的時間。

（2）崩礦步距一定時，隨著鏟入深度的增加，純礦石放出量出現了2種變化特征：一是在較小的崩礦步距（如2.6 m、3.6 m）下，呈波動下降的趨勢；而崩礦步距較大時，呈現出波動上升的趨勢。產生這一現象的根本原因在于不同的鏟入深度下，出礦引起的礦巖擾動范圍不同，導致了正面廢石侵入放礦過程的時間早晚出現了較大的差異。

說明崩礦步距與鏟入深度之間存在一定的匹配關系，而這一關系則直接影響到放出體的形態發育和出礦效果。

3.3 不同鏟入深度與崩礦步距對混巖率影響

以每10次出礦為一個計算單位，圖5給出了鏟入深度分別為2.32 m、3.32 m、4.32 m和5.32 m條件下各崩礦步距的每次出礦時巖石混入率曲線，圖中箭頭位置為頂部廢石漏斗破裂的時間點。

由圖5可知：

（1）崩礦步距較小時，放礦口出現廢石較早，回收礦石量少，頂部廢石漏斗破裂后，混巖率會很快上升到放礦截止的混巖率；隨崩礦步距的增大，放礦口出現廢石較晚，回收礦石量增加，頂部廢石漏斗破裂后，混巖率增加速率相對平緩，到截止放礦前仍能回收較多的礦石。

（2）鏟入深度較小時，回收礦石量少；鏟入深度加大，回收礦石量增多。鏟入深度一定，出礦總量相同條件下，崩礦步距越大，巖石混入率越低；混巖率相同時，崩礦步距越大，放出總量越大；隨著鏟入深度與崩礦步距的增大，混巖率走勢越明顯。

說明不同鏟入深度時模型內部礦巖受擾動的范圍對放礦效果的影響顯著。鏟入深度較小時，對放礦口內部礦巖擾動范圍小，不利于放礦的順利進行；隨鏟入深度增大放礦口內部擾動范圍增大，有利于模型內部礦巖均勻的流出。

3.4 不同鏟入深度與崩礦步距對損失貧化的影響

實驗總的回收率與混巖率統計如圖6。

由圖6可知：

（1）崩礦步距較小時，不同鏟入深度條件下，礦石回收率與混巖率波動較大。隨崩礦步距增大，礦石回收率與混巖率在鏟入深度大于4.32 m后有逐漸穩定的趨勢。

（2）2.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度小于4.32 m時，回收率穩定在50%左右，混巖率呈波動下降趨勢；鏟入深度大于4.32 m時，回收率逐漸穩定在57%左右。3.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度小于4.32 m時，回收率波動上升，混巖率波動下降；鏟入深度大于4.32 m時，回收率穩定在58%，高出2.6 m崩礦步距1個百分點，此時混巖率穩定在23%左右，較2.6 m崩礦步距時的低；4.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度小于4.32 m時，回收率波動上升，混巖率波動下降；鏟入深度大于4.32 m時，回收率穩定在59%左右，高出2.6 m崩礦步距2個百分點，此時混巖率穩定在18%左右，較3.6 m崩礦步距時的低了5個百分點。

4 結論

（1）鏟入深度和崩礦步距存在一定的匹配關系，而這一關系會影響到放礦過程中的放出體形態發育。放礦口出現廢石的時間早與晚受鏟入深度與崩礦步距的影響較大，鏟入深度一定時，崩礦步距越大，正面廢石侵入的時間越晚，反之，廢石侵入時間越早；而崩礦步距一定時，鏟入深度越大，正面廢石侵入的時間越早，反之，廢石侵入時間越晚。

（2）崩礦步距較小時，頂部廢石漏斗下凹深度小，放出純礦石量少，礦石回收率較低；崩礦步距增大，頂部廢石漏斗下凹深度增大，放出純礦石量增多，礦石回收率升高。

（3）崩礦步距一定時，鏟入深度的大小對放礦口內部礦巖的擾動范圍影響較大，進而直接影響到礦石的回收率與貧化率。鏟入深度小，對礦巖的擾動范圍也小，礦石回收率較低，混巖率也低；鏟入深度大，對礦巖的擾動范圍也大，礦石回收率升高，混巖率也會升高。

（4）鏟入深度一定時、崩礦步距的大小對礦石的回收率與貧化率產生著較大影響。在總出礦量相同條件下，崩礦步距越大，巖石混入率越低。如4.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度為5.32 m時，回收率達到最優值59%左右，混巖率為16%左右。