顆粒流法在無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用

張海峰,池秀文

(1．中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 湖北 武漢 430071;2．武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北 武漢 430071)

0 前 言

無底柱分段崩落法是目前國內(nèi)外地下金屬礦山廣泛采用的一種采礦方法,產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代,具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高、機(jī)械化程度高、安全性好、采礦成本低等優(yōu)勢,同時也具有礦石回收率低、貧化嚴(yán)重等缺點(diǎn)。為了解決這一問題,國內(nèi)外諸多學(xué)者從采礦工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)等角度進(jìn)行了大量的研究工作,獲得了很多有益的成果,從而指導(dǎo)了無底柱分段崩落法的工程應(yīng)用[1-5]。研究結(jié)果表明,加大無底柱分段崩落法的結(jié)構(gòu)參數(shù),具有減少采準(zhǔn)工程量、降低采礦成本的優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)采礦作業(yè)的集中化,提高采礦效率。但這些研究多針對金屬礦山,金剛石礦山的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化鮮見報道。

本文以我國某金剛石礦為研究背景,該礦礦石顆粒較小,一般為零點(diǎn)幾到1 ct,多為工業(yè)用鉆。礦山＋160 m以上礦體采用露天開采,目前已經(jīng)開采完畢,開始轉(zhuǎn)入地下開采。因鉆石多為工業(yè)用途,商業(yè)價值不如首飾鉆高,因此設(shè)計(jì)采用無底柱分段崩落法進(jìn)行回采,增加生產(chǎn)效率,提高產(chǎn)量。為了更多地回收礦石、減少廢石混入、降低生產(chǎn)成本,采用顆粒流法對該礦山無底柱分段崩落法端部放礦進(jìn)行模擬,設(shè)計(jì)了9組試驗(yàn)方案,對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以期提高礦石回收率、減少廢石混入。

1 工程概況

該金剛石礦礦體從地表向下延伸至200 m(＋60 m中段),巖管水平斷面均為似橢圓形,地表長軸約100 m,短軸約50 m,向下至＋110 m、＋60 m中段其長軸為70~75 m,而短軸為30~35 m。長軸方向約為300°,傾角約85°,傾向不定。總體形態(tài)為管狀,向深部延深時管狀由大變小,垂深200 m處巖管的水平斷面呈彎曲的膝蓋形狀。巖管的圍巖為片麻巖,穩(wěn)固性較好。圍巖蝕變?yōu)樯呒y石化,次之為片麻巖中斜長石紅長石化。巖管所含的礦石類型可分為斑狀金伯利巖礦石、細(xì)粒金伯利巖礦石、含圍巖角礫的金伯利巖礦石、蛇紋石化碎裂巖礦石、有金伯利巖物質(zhì)貫入的片麻巖礦石等5種,其中金剛石品位最好的是斑狀金伯利巖。

該金剛石礦采用露天方法開采上部礦體,開采深度為100 m(＋260~＋160 m),采用汽車螺旋運(yùn)輸方案,當(dāng)露天坑采至＋160 m水平時,由于采坑底面積的限制,無法準(zhǔn)備出新的開采水平,上部露天開采已結(jié)束,再向下延伸很困難,因此,需要進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采工作,以保證礦山的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與不停產(chǎn)過渡。綜合考慮該礦礦床賦存環(huán)境、礦床地質(zhì)、礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件等因素,設(shè)計(jì)采用無底柱分段崩落法、雙斜井側(cè)翼對角式開拓方案開采地下＋160~-40 m礦體,階段高度50 m,分段高度10 m。

2 端部放礦模型與試驗(yàn)方案

2．1 放礦模型

構(gòu)建數(shù)值模型時,如果完全參照礦體真實(shí)邊界建模,雖然可以最大限度地減少誤差,但計(jì)算模型太大,將會使得運(yùn)算時間非常長;計(jì)算模型太小,則計(jì)算結(jié)果容易與現(xiàn)實(shí)情況相背離,無法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),因此,必須從既能滿足實(shí)際問題的計(jì)算分析又能節(jié)約運(yùn)行時間這一角度出發(fā)進(jìn)行模型的構(gòu)建。在采用無底柱分段崩落采礦法的礦山中,實(shí)踐與理論研究表明,上下分段的回采進(jìn)路按菱形方式布置可使得廢石出現(xiàn)得晚,純礦石回收率大,貧化小,放礦效果好。東北大學(xué)的劉興國、四川建材學(xué)院的張志貴等人研究發(fā)現(xiàn)[6-9],前3個分段的回收指標(biāo)差異較大,自第四分段開始,礦石回收指標(biāo)將趨于一致,因此,從簡化計(jì)算模型和符合實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),不對第四分段及以下分段進(jìn)行研究,只研究前三分段的礦巖移動規(guī)律,初步設(shè)計(jì)第一分段3條進(jìn)路、第二分段2條進(jìn)路、第三分段1條進(jìn)路的模擬方案,第一分段為首分層,因此其上部礦巖接觸面呈水平形狀。由于該模型左右對稱,因此只取左側(cè)一半模型進(jìn)行研究,在顆粒流方法中,設(shè)置中間對稱軸的摩擦系數(shù)為0,可以實(shí)現(xiàn)對稱模擬的目的。回采進(jìn)路寬3．3 m,高2．8 m,按菱形布置,垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向的模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖(單位:m)

爆破后的松散礦巖是各種不同尺寸的礦巖塊集合體,各種不同塊度級的重量所占總重量的百分比,稱為塊度組成。不同的塊度組成體現(xiàn)了崩落礦巖分布的不均勻性,通過對顆粒半徑r進(jìn)行Gauss賦值可模擬不同的塊度組成。對恒定顆粒半徑與變化的顆粒半徑2種情況下的無底柱端部放礦進(jìn)行了研究,結(jié)果表明二者的回收率與貧化率變化較小[10]。可據(jù)此簡化數(shù)值計(jì)算,將顆粒半徑r設(shè)置為恒定值,根據(jù)礦山提供的資料,確定半徑r＝0．15 m。其它微觀力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型微觀力學(xué)參數(shù)

2．2 試驗(yàn)方案

截止品位僅和礦石殘留體有關(guān)系,不同的截止品位所留下的礦石殘留體形態(tài)大小不同,從脊部殘留體體形態(tài)可以看出,不同的截止品位得出的最佳進(jìn)路間距是一樣的。因此,本文采用截止品位(0．205 ct/t)控制放礦,該截止品位對應(yīng)于礦巖堆中的礦石與巖石體積比值1∶3。在端部放礦過程中,礦石貧化隨放出量的增加而增大,在混入大量巖石之后,當(dāng)當(dāng)次放出礦巖體中的礦石與巖石體積比下降至截止條件1∶3時停止放礦。

為了確定10 m分段高度下的合理進(jìn)路間距和放礦步距,共設(shè)計(jì)了9組試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬:

(1)設(shè)計(jì)進(jìn)路間距分別為10,11,12 m和13 m,共計(jì)4組試驗(yàn)方案;

(2)最佳進(jìn)路間距確定后,設(shè)計(jì)放礦步距分別為2,3,3．5,4 m和5 m,共計(jì)5組試驗(yàn)方案。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的總礦石回收率、純礦石回收率、貧化率(巖石混入率)和回貧差綜合考慮選擇最優(yōu)方案。

3 模擬結(jié)果分析

3．1 進(jìn)路間距

按照試驗(yàn)方案,對分段高度為10 m,進(jìn)路間距10,11,12 m和13 m共4組方案進(jìn)行了端部放礦模擬。進(jìn)路間距與礦石總回收率、純礦石回收率、貧化率和回貧差關(guān)系見圖2。分析圖2可得出以下結(jié)論:

(1)在分段高度一定的情況下,4個方案的礦石總回收率差異在5%以內(nèi),回收率差異不大,其中間距11 m方案回收率最高,為91．18%,相應(yīng)的純礦石回收率也最大,為66．15%。

(2)4個方案的貧化率處于13．83%~17．61%之間,差異在4%之內(nèi)。其中,間距11 m方案的貧化率最低,為13．83%。

(3)回貧差指的是礦石回收率與貧化率之差,它是衡量采礦方法效果優(yōu)劣的重要指標(biāo),回貧差越大經(jīng)濟(jì)效果越好。從圖2可以看出,間距11 m方案的回貧差最大,為77．36%,放礦效果最好。

(4)進(jìn)路間距11 m時,礦石總回收率和純礦石回收率最高,貧化率最低,因此放礦的效果最好,主要原因是因?yàn)榉懦鲶w在空間上與礦石堆體形態(tài)最大程度的吻合,相鄰放出體相切,使得每個放礦口只回收擔(dān)負(fù)的崩落礦石和上分段的礦石殘留體。在10 m分段高度下,對于間距13 m的這類大間距方案,由于松動橢球體和放出漏斗不相交,相互不影響,導(dǎo)致放礦一開始,崩落礦巖面就產(chǎn)生彎曲下降,進(jìn)路間的脊部殘留量過大,將造成損失過大,回收率也相應(yīng)地降低。間距10 m時,放出相鄰的橢球體相交,與其它方案相比,由于放出漏斗流軸距離最近,相鄰放出的漏斗母線交點(diǎn)即貧化開始時的高度最高,廢石混入最早,出礦工作也是最早停止。

圖2 進(jìn)路間距與礦石總回收率、純礦石回收率、貧化率和回貧差關(guān)系

綜合以上分析可知,在一定的分段高度下,進(jìn)路間距必須與放出橢球體形態(tài)相適應(yīng),間距過小或過大均會對礦石的回收指標(biāo)有一定的影響。從模擬結(jié)果可知,當(dāng)分段高度為10 m時,11 m為最佳進(jìn)路間距。圖3為進(jìn)路間距11 m時的各分段放礦終了圖。

圖3 進(jìn)路間距11 m時的各分段放礦終了圖

3．2 放礦步距

按照試驗(yàn)方案,在分段高度10 m、進(jìn)路間距11 m時,對放礦步距2,3,3．5,4 m和5 m共5組方案進(jìn)行了模擬,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知:

(1)分段高度和進(jìn)路間距不變時,礦石總回收率曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,并在步距3．5 m處最大,回收率為94．15%。在放礦步距2~4 m范圍內(nèi),隨著步距的增加,純礦石回收率大幅度上升,巖石混入率顯著下降,步距5 m時的純礦石回收率較4 m時略有下降、貧化率也略有升高。

(2)放礦步距4 m方案的回貧差最大,為82．16%,放礦效果最佳;步距3．5 m方案的回貧差次之,為79．04%;步距2 m方案的放礦效果最差。

(3)在固定的分段高度和進(jìn)路間距條件下,放礦步距為2 m的此類小步距放礦時,由于豎向礦石層較薄,在礦石和覆蓋巖石的流動性相差不大時,端部巖石將較早地混入并產(chǎn)生貧化,并有可能將崩落礦石攔腰截斷,使得靠近端壁的礦石難以放出,從而產(chǎn)生貼壁殘留體,造成礦石的大量損失,因此,小步距放礦時,總礦石和純礦石回收率較低、貧化率較高,放礦效果不好。當(dāng)放礦步距增大至5 m時,由于一次崩礦量大,巷道底板上靠近出礦口處的礦石將被壓實(shí)形成一定的靜止角,此處的礦石將很難被放出,其上的礦石沿著此處流動,在5個方案中端部殘留最大,礦石的損失也因此而顯著增加,同時,頂部的廢石將較快地到達(dá)出礦口,造成礦石大量貧化。小步距放礦時的礦石貧化主要為端部廢石的大量混入,大步距放礦時的礦石貧化則主要由于頂部廢石的混入。

因此,在一定的放礦步距范圍內(nèi),必然存在一個最優(yōu)礦石回收指標(biāo)的極值點(diǎn),在該點(diǎn)附近,放礦效果依次變差。通過放礦步距的模擬分析可知,在分段高度10 m、進(jìn)路間距11 m的前提下,最優(yōu)放礦步距為4 m。圖5為放礦步距4 m時的開始貧化與放礦終了圖。

圖4 放礦步距與礦石總回收率、純礦石回收率、貧化率和回貧差關(guān)系

圖5 放礦步距為4 m時的開始貧化和終了圖

4 結(jié) 語

本文以國內(nèi)某金剛石礦為研究背景,針對無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問題,采用顆粒流法建立數(shù)值模型,設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬分析。根據(jù)該金剛石礦山的礦巖物理力學(xué)性質(zhì),通過計(jì)算可知,在分段高度為10 m的情況下,最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)為進(jìn)路間距11 m,放礦步距4 m,可獲得最優(yōu)的總礦石回收率、純礦石回收率,減少貧化率。