無底柱分段崩落法放礦方式的PFC3D的數值模擬

簡永軍

（中國鋁業股份有限公司貴州分公司礦業公司，貴州 貴陽 551413）

無底柱分段崩落法自20世紀60年代引入我國地下金屬礦山以來，憑借其效率高，機械化程度高，安全性好等特點，在我國金屬礦山和化工礦山開采中廣泛應用。盡管該方法有很多比較突出的優點，也會存在很多嚴重的問題，礦石的損失和廢石的混入就是現在困擾礦業界的兩個較嚴重的問題[1]。損失率和貧化率的控制究其原因還是放礦方式和采場結構參數的選擇是否適合。據統計，在我國無底柱分段崩落法礦山的礦石損失率一般為20%～30%，貧化率在20%～35%之間，與外國水平先比之下一般要高出5%～10%。因此，專家提出很多設想和方案，如放礦控制的改善、提高施工質量、采場結構參數的優化及放礦方式的選擇等等，有效的改善礦石的損失貧化問題。

PFC（Particle Flow Code）的基本原理來源于分子動力學，基本構成為圓盤（二維）和圓球顆粒（三維），從微觀角度解釋了顆粒介質的運動特性和行為。通過軟件內置的fish語言，PFC能解決動態問題也能解決靜態問題；既能參數預測，也能通過礦山實際情況和原始資料來進行實際模擬，基本上能代替實驗室物理放礦實驗。也可以通過fish語言來控制放礦方式（廢石放出數量和礦石放出數量關系），建立數值模型，從而模擬三種放礦方式的放礦效果，優選出適宜我國金屬礦山的放礦方法及方式。

1 三種放礦方式的基本概念

截止品位放礦：在放礦過程中，當放出礦石品位達到預期品位時停止放礦，若繼續放出則出現虧損時的出礦貧化，以此品位作為放礦截止品位來控制放礦，以達到步距采礦盈利額最大。

低貧化放礦方式：在放礦過程中，當放出廢石時就停止放礦，基本上每個步距放出礦石都為純礦石，分段內殘留的礦石留到下一步距或下一分段放出，這種放礦方式比截止品位放礦具有更大的發展前景。所謂的低貧化放礦只是無貧化放礦理論針對礦山不同情況而建立的一種具體應用形式2（關于無貧化放礦在礦山應用的若干問題），在理論上的依據完全來自于無貧化放礦理論，因此，從嚴格意義上來講，低貧化放礦并不能成為一種獨立的放礦方式。但是現在許多專家學者已經將低貧化放礦和無貧化等同起來，究其原因為兩者在放礦過程和管理方式上的一致性。

無貧化放礦方式：無貧化放礦并不等于廢石的零混入，其基本的一個出發點是只要殘留礦石具有再次回收機會的，能在下一分段或者下一步距中回收的，就沒有必要花費很大的代價（貧化）提前回收。張志貴教授在《無底柱分段崩落法無貧化放礦》一書中提出：如果無貧化放礦在目前地下金屬礦山中沒有得到大規模的應用的話，一是因為礦山地質條件和礦石賦存條件的限制，二是因為礦山及設計研究院對無貧化放礦的認識不足。

2 PFC3D顆粒流軟件簡介

PFC3D（particle flow code 3 dimensions）即三維顆粒流模擬程序。該軟件是基于離散單元法對圓盤（PFC2D）和球形顆粒（PFC3D）介質的運動及顆粒間的相互作用進行模擬的軟件。隨著計算機技術的不斷發展和放礦理論的深入研究，數值模擬的準確性和可靠性得到很大提升甚至質的飛越，憑借其省錢、省力、省時及快速的特點，可在較短時間內對不同實驗方案進行模擬，因此受到許多放礦研究者的喜愛。

顆粒流模型不限制球體大小數量，可用來模擬大位移、大變形、散體間的相互運動及碰撞問題及巖石裂隙繁育發展等問題。該模型主要解決的問題可以歸結為以下幾個問題：

①巖石、土體及邊坡中松散介質的流動問題；②地震及建筑倒塌問題；③散體的混合、運輸問題；④蠕動、屈服、大變形等問題；⑤流-固耦合問題；⑥單軸、三軸抗壓強度問題。

PFC3D數值模擬過程中作了如下的基本假設：

①顆粒為圓形盤（二維）或球體（三維）；②顆粒單元為剛性體；③接觸為點接觸；④接觸特性為柔性接觸，顆粒之間的重疊量遠遠小于球體的半徑；⑤在接觸處有粘結強度。

3 模型建立

本次數值模擬設計箱體空間尺寸為36m x 6m x 60m（長x寬x高），進路尺寸組合為4m x 4m（寬x高），炮孔排面傾角為60度。在PFC3D顆粒流軟件中通過wall命令和ball命令模擬現場中的墻體和礦石（球體為黃色）廢石（球體為紅色）。

在PFC3D軟件程序中必須使用計算機接口語言-fish語言，編寫各個命令子程序對放礦命令流進行調用。

4 顆粒參數選取

顆粒半徑的選?。涸赑FC顆粒流程序中，同一模型同一巷道尺寸，球體大小的均勻或者不均勻對礦石的損失貧化影響較小，而在軟件中，顆粒的變化會使得計算機的運算速度大大降低，因此，為了提高計算機的運算速度，滿足模型計算的要求的條件下，選取礦石顆粒的半徑（radius）為0.25m，廢石顆粒的半徑為0.5m。顆粒密度的選?。簭U石顆粒密度（density）選取2.5x103Kg/m3,礦石顆粒密度選取為3.3x103Kg/m3。

摩擦系數選取：根據礦山現場的實際情況，爆破后礦石和廢石呈松散狀態，他們之間的粘結已被破壞，但是仍舊存在較小的摩擦力，因此，顆粒與顆粒間和顆粒與墻體的摩擦系數選取分別為0.1和0.3，使得數值模擬更加符合現場放礦。具體參數如下：

表1 顆粒參數表

5 結果分析

分別建立礦石回收率、廢石混入率及采出品位技術指標對比可以得出以下結論：

（1）根據礦巖混入情況可以殘留體分為三種：正面殘留、貼壁殘留和脊部殘留三種，而有些殘留礦石會無法放出，造成永久損失，從而造成礦產資源的直接浪費和經濟損失。

（2）截止品位放礦方法的礦石回收率比低貧化放礦方法的礦石回收率要高，但是隨著礦石開采深度的加深，低貧化放礦法的礦石回收率越來越接近，甚至會在某一個分段超過截止品位法的礦石回收率。究其原因在于：在第一分段即首分段放礦的時候，放出的礦石皆為純礦石，有些礦石仍然存在第一分段中，從而形成礦石貧化層，在下一分段的礦石回收率就大大增加。

（3）低貧化放礦法的廢石混入率遠遠低于截止品位法，并且隨著放礦的進行和開采深度的加深，截止品位放礦法的巖石混入率會越來越高，而低貧化放礦法的巖石混入率會越來越低。出現該現象的原因在于：截止品位放礦法在第一分段截止放礦的時候，放出的礦石就有大量的廢石混入里面，留在采場內礦石和廢石也混合嚴重，導致下一分段也會出現礦巖混合嚴重問題，以此類推，到最后分段巖石混入率到達極限混入狀態。同理，低貧化放礦的廢石混入率會越來越低。總而言之，低貧化放礦法將會有效地解決礦山高損失高貧化高混入的嚴重問題。

（4）綜上所述，雖然采用截止貧化放礦法的回收率會得到大大的提升，但是放出礦石卻早早就進入了貧化，而低貧化放礦法由于有礦石貧化層的保護，放出礦石基本上都為純礦石，這為礦山后期選礦大大節約了選礦資金和成本，給礦山帶來豐盈的收入。

6 結論

（1）采用PFC3D顆粒流軟件建立了礦山實際放礦模型，實現了礦山放礦全過程的再現，能有效代替實驗室物理放礦實驗，對研究礦廢石的流動規律具有重要的意義。

（2）就目前國內外的大部分金屬礦山來看，礦石損失貧化情況極為嚴重，也是一直困擾礦業界的難題之一。降低選礦成本、增加礦石回收率，減少廢石混入率，推行低貧化放礦法勢在必行。