傾斜中厚礦體下盤殘留體采場結構參數正交試驗模擬及敏感性分析*

馬如成 周 紅 邢帥開 聶 杰

（東北大學資源與土木工程學院）

傾斜（傾角30°～55°）中厚—厚礦體在國內金屬和非金屬礦山占有一定的比重。由于其特殊的礦體賦存條件，此類礦體在開采過程中常存在系列技術問題，如采準切割工程量大、難以實現高效率的落礦、礦石采場運搬機械化程度和作業效率低、生產周期長等。我國大多數礦床價值、品位不高，多采用分段空場法、爆力運搬法、無底柱分段崩落法等［1］方法進行開采，收到一定的效果，但仍存在采礦成本高、回收效果不理想的問題。無底柱分段崩落法是國內外地下金屬礦山廣泛使用的一種采礦方法。最初主要用于開采急傾斜厚礦體或緩傾斜極厚礦體，隨著放礦理論的不斷發展以及無軌自行設備的普遍使用，越來越多的傾斜中厚礦體采用沿走向布置進路的無底柱分段崩落法開采［2-3］。分析下盤進路和采場結構參數對回采指標影響顯著性，對實現傾斜中厚礦體的高效開采具有重要意義。

物理模型試驗是優化和確定崩落法結構參數的主要手段之一，但物理模型只能針對某一固定的角度和厚度的礦體條件，重復利用率低，研究結構參數的變化對損失貧化的影響時，對模型設計要求較高。近年來，隨著非連續介質分析手段的發展，基于離散元的顆粒流程序PFC在放礦與結構參數優化方面也有了較多的應用，如劉金山［4］采用PFC2D軟件，模擬研究了石人溝鐵礦礦石回收率、廢石混入率等指標隨進路間距的變化規律。章林等［5］針對大紅山鐵礦進路間距、放礦步距和進路尺寸參數，設計了物理模擬和數值試驗方案，研究了不同組合條件下的回收參數。孫浩［6］通過PFC放礦數值試驗的方式，探究了不同邊界條件下梅山鐵礦的礦巖散體運移規律，并對相應條件下的礦石損失貧化指標進行預測。趙穎龍等［7］采用PFC3D模擬不同結構參數下的損失貧化指標，試驗表明，當分段高度為30 m，進路間距為25 m，放礦步距為5.5 m時，回收指標較為理想。丁航行等［8］采用PFC軟件建立了放礦模型，設計的6組崩礦步距方案進行模擬，得出在18 m×20 m采場結構參數條件下，最優的崩礦步距為2.2 m。李彬等［9］結合程潮鐵礦實際情況，應用PFC3D顆粒流軟件，針對不同放礦步距參數，進行放礦數值模擬，并進行綜合比較，得到現行采場結構參數下的最優放礦步距為3 m。金愛兵等［10］采用放礦試驗和PFC2D數值模擬相結合的方法，研究了梅山鐵礦在18 m×20 m采場結構參數條件下，放礦方式對最優崩礦步距值影響。盡管數值模擬不能真實還原實際生產崩落礦巖塊度、形狀、邊界條件的因素，但結構參數對回收指標規律性研究、放礦規律和結構參數設計具有一定的參考價值。本項目利用PFC2D軟件模擬放礦的優勢，研究傾斜中厚礦體各參數對回收指標的影響，并對各因素進行敏感性分析。

1 試驗方案設計

本研究采用PFC2D數值模擬試驗，礦體傾角分別選取為30°，40°，50°，60°，礦體的厚度（w）分別選取為8，10，12，15 m。在礦體下盤沿走向布置進路，進路尺寸為4 m×4 m，分段高度（h）分別選取為8，10，12，15 m，試驗因素按正交設計，最終選取5因素4水平（L16（45））正交試驗表，試驗一共需進行16次，如表1所示。礦石顆粒的半徑為0.15~0.35 m（平均半徑為0.25 m），巖石顆粒的半徑為0.2~0.5 m（平均半徑為0.35 m），礦石顆粒為深色，巖石顆粒為淺色，顆粒粒徑的分布均按高斯分布。礦石的密度為3 500 kg/m3，巖石的密度為2 500 kg/m3，覆蓋層厚度為20 m。試驗模擬2個分段放礦，放出巖石顆粒數量占放出總顆粒數的50%以上結束，每個分段內統計每次放出的礦石量顆粒數量、巖石量顆粒數量以及體積廢石混入率。

2 數值模擬結果及數據分析

?

2.1 礦巖散體流動規律分析

圖1 和圖2分別為第一分段和第二分段放礦結 束后各方案的礦巖混入接觸面形態圖。

從各方案的放出過程可見，第一分段放礦結束后，方案1、4、5的下盤殘留最為明顯，隨著礦體傾角的增加，下盤殘留體面積明顯減小。第二分段放礦過程中的殘留體變化更為明顯，傾角為30°條件下，下盤殘留體以及礦巖混雜程度最高，隨著傾角增加，下盤殘留體減小甚至消失，表明下盤殘留體受傾角、分段高度和礦體厚度綜合影響，其中傾角因素對殘留體形態變化最為明顯，分段高度和礦體厚度對殘留體影響程度較低。

2.2 各因素的敏感性分析

通過對各試驗方案放出的礦、巖顆粒個數，計算出廢石體積混入率和純礦石體積回收率，如表2所示。

注:純礦石回收率是指貧化前放出的礦石體積與放礦結束時放出總體積的百分比。

按照極差大小（表3），確定傾斜中厚礦體廢石體積回收率影響因素的主次順序為礦體傾角＞分段高度＞礦體厚度，確定傾斜中厚礦體純礦石回收率影響因素的主次順序為分段高度＞礦體傾角＞礦體厚度，綜合試驗過程中殘留體形態，礦體傾角和分段高度對傾斜中厚礦體的回收指標影響最為顯著，礦體厚度影響最小。

?

3 結論

隨著環保政策的收緊，充填法逐漸成為主流，但崩落法采礦仍占有一定的比例，尤其對于一些品位較低的難采礦體，如傾斜中厚礦體。數值研究表明，礦體的傾角以及分段高度對于回收指標起主要影響，礦體厚度對于回收指標影響程度最小。對于傾斜中厚礦體，一般采用沿走向布置進路，且只在礦體下盤位置布置一條進路，因此，進路的尺寸、位置，邊孔角都會對這類礦體指標具有重要影響，這些因素對回收指標的具體影響將在后續進行研究。