無底柱分段崩落法放礦方案數值模擬分析

許力峰

(中鋼石家莊工程設計研究院有限公司， 河北 石家莊 05000)

無底柱分段崩落法是1950年代以來隨著新型采礦工藝和設備的出現而逐步發展起來的一種高效率、高度機械化、結構簡單、生產安全、成本較低廉的采礦方法，這種方法自1960年代以來，在國內外鐵礦得到廣泛應用，已成為分段崩落法的主要方案之一[1-2]。歷年來，國內外學者和礦山對于影響該種采礦方法放礦效果的因素——采場結構參數（主要包括分段高度、進路間距和崩礦步距）進行了大量的試驗和理論研究工作[3-8]，成果較為豐富，其中胡建華等[4]通過創建分段高度、進路間距、崩礦邊孔角和截止貧化率4因素正交仿真模型，分析了在各采場結構參數因素相互影響下的礦石和廢石的放出移動規律。而對于影響無底柱分段崩落法放礦效果的另一重要影響因素——放礦方案的研究相對較少，文獻[9]提出，基于放礦時礦石與廢石交接面的形狀和變化趨勢，放礦方案分成3種：平面放礦、立面放礦和斜面放礦，不同的放礦方案影響礦石回采率、貧化率等回采指標。其中，平面放礦表現為放礦時各位置礦巖分界線幾乎同水平下移；立面放礦表現為各放礦口依次放礦，直至達到截止放礦條件。

本文采用PFC2D模擬單分段多進路平面放礦和立面放礦兩種放礦方案的散體礦體放出規律，統計對比不同放礦方案對礦石回采率、貧化率的影響，并分析其原因，為優化無底柱分段崩落法放礦效果提供依據。

1 數值模型

為了強化研究的針對性，本次按照某一放礦工作面的垂直剖面建立了4條進路單分段的放礦模型，如圖1所示，模型寬度為60 m，進路間距為15 m，分段高度為17 m，上覆廢石厚度為25 m，進路寬為4 m，高為3 m，邊孔角參數主要受鑿巖設備和炮孔布置方式等的影響，本次選取邊孔角為65°。由于建立的是二維模型，本次模擬暫不考慮崩礦步距因素。

圖1 PFC數值模型初始平衡狀態

受爆破作用的影響，礦巖形成松散的堆體，但是各塊體間仍然存在較小的黏聚力，為了保證模型一定的仿真度，本次設計礦石間的法向黏結力為100 N，切向黏結力為0 N，其接觸力學微觀參數見表1。

表1 礦巖模擬參數

模擬過程中，通過依次或全部刪除約束顆粒的墻體，控制各進路依次或同時放礦，以此來分別實 現立面放礦和平面放礦效果。統計并對比各進路放礦至見廢石后，在相同運行時步下的礦石和廢石放出量，分析不同放礦方案的礦石回采率和貧化率（本次假設廢石品位為0，即廢石混入率等于貧化率），并以此進一步研究各放礦方案的優劣性。

2 模擬結果分析

2.1 礦石回采率和貧化率分析

2.1.1 立面放礦

立面放礦按照進路1至進路4依次放礦，圖2為進路1放礦初次見廢石時的模擬結果，根據統計初始模型生成的礦石量和放出的礦石量，計算得出進路1初次見廢石時的礦石回采率為80.67%，形成了脊部殘留礦石損失。最終放礦各進路形成了放礦漏斗，如圖3所示，廢石頂部邊界線出現整體向右下傾斜現象。

圖2 進路1放礦初次見廢石模擬結果

圖3 立面放礦模擬結果

統計計算并繪制了各進路放礦初次見廢石后繼續放礦的礦石回采率和貧化率對比曲線，如圖4、圖5所示。

圖4、圖5中0時刻為各進路放礦初次見廢石時刻，由圖4、圖5可以看出，隨著放礦的進行，各進路的礦石回采率和貧化率均不斷增加，其中，進路1礦石回采率由83.41%增至85.10%，貧化率由10.26%增至16.00%；進路4礦石回采率由75.30%增至77.87%，貧化率由16.71%增至20.23%。整體而言，在相同的運行時步下，進路放礦越晚，礦石回采率越低，貧化率越高，其中進路4較進路1礦石回采率減少8.11個百分點，貧化率增加4.23個百分點。由圖3也可以看出，各進路脊部殘留礦石損失從進路1至進路4逐漸增大。

圖4 立面放礦各進路礦石回采率對比

圖5 立面放礦各進路貧化率對比

若設定放礦截止條件為貧化率16%，則進路2至進路4均需提前結束放礦，且提前結束時間依次增加，進一步影響礦石回采率。

另外，通過統計各進路初始放礦至初次見廢石運行時步間隔，發現進路1至進路4各間隔分別為449 321，415 300，376 403和376 821時步，進路1至進路4放礦初次見廢石間隔大體呈依次降低 規律。

2.1.2 平面放礦

平面放礦進路1至進路4同時放礦，圖6為放礦初次見廢石時的模擬結果，廢石頂部邊界線近似平緩，各進路幾乎同時初次見廢石，相差間隔在1000時步以內，平面放礦初次見廢石時的礦石回采率為83.41%，各進路脊部殘留礦石損失較平均。隨著放礦的繼續進行，各進路礦石回采率和貧化率相差不大，整體的礦石回采率和貧化率變化見表2，隨著放礦的進行，各進路的礦石回采率和貧化率同樣均不斷增加。

圖6 平面放礦模擬結果

表2 平面放礦數據結果

2.1.3 對比分析

統計對比了兩種放礦方案整體的礦石回采率和貧化率，如圖7所示，初次見廢石后在相同的放礦運行時步下，平面放礦方案在礦石回采率和貧化率方面均優于立面放礦，其中，平面放礦方案礦石回采率較立面放礦最大高出7.48個百分點，貧化率最大低5.94個百分點，優越性明顯。

圖7 兩種方案放礦效果對比

2.2 礦石回采率和貧化率影響因素分析

2.2.1 橢球體放礦理論分析

根據橢球體放礦理論[2]，放礦時礦石是從放礦口上部的一個類似旋轉橢球體內放出的，當該球體內全部為礦石時，放出的為純礦石，在平面放礦過程中，各位置礦巖分界線幾乎同水平下移且較穩定，放出橢球體內無廢石混入，當相當于礦石層厚度的放出橢球體縮小并全部放出后，礦巖接觸面形成降落廢石漏斗，繼續放礦，放出橢球體伸展至廢石中，開始出現貧化，廢石和礦石開始混合放出。

而在立面放礦過程中，由于進路1的提前放礦，擾亂了礦石和廢石原有的分布狀態，礦巖接觸面變大，造成進路2放礦時，廢石提前進入放出橢球體，理想的降落廢石漏斗被打破，提前出現放出廢石現象，見廢石時間間隔縮短（即提前貧化），影響了礦石回采率。并且后邊進路礦巖被擾亂更明顯，最終造成立面放礦方案整體放礦效果劣于平面放礦。

同時，橢球體放礦理論認為，在理想狀態下，放出橢球體表面顆粒同時到達放出口，只有處于穩定狀態時放出橢球體才能被理想放出，前提是橢球體表面顆粒按各自跡線同時到達放礦口。而在自然狀態下橢球體表面受外界因素的影響很難達到這種穩定狀態，其多數處于紊亂狀態，甚至出現局部橢球畸形，致使放礦損失在自然狀態下不能完全消除[10]。圖8為在不同放礦方案不同進路以礦石層厚度為長軸的放礦橢球體表面上，隨機選取的兩個散體礦石放出前后的速度-時間曲線，圖8中速度最后急劇增大的轉折點所對應的時刻為單元體從放礦口放出的時刻。

由圖8可知，平面放礦進路1、立面放礦進路1、立面放礦進路2和立面放礦進路4的放礦橢球體表面兩個散體礦石均未同時放出，放出的時間間隔分別為0.18萬時步、0.2萬時步、0.4萬時步和0.7萬時步，說明進路放礦越晚，放出橢球體表面的穩定程度越低。分析主要原因為：隨著廢石提前進入放礦橢球體，不同塊度不同物理力學性質的礦巖散體相互作用加劇，并且在放出前離放礦口越近，礦巖速度變化范圍越大，流動性相對增強，造成放出橢球體表面穩定性降低，進而影響放礦效果。

圖8 不同放礦方案不同進路放礦橢球體表面散體礦石速度-時間

2.2.2 礦巖成拱

在實際生產中會出現放礦口堵塞現象，在模擬中表現為礦巖成拱，礦巖成拱是影響放礦效果的一個重要因素，礦巖成拱后直接影響放出橢球體的發育并影響放礦效率。由于本次模擬設定的放礦口尺寸相對礦石散體較大，平面放礦時各進路未出現成拱現象，而立面放礦時進路3和進路4各出現一次礦巖成拱。

分析主要原因為：立面放礦時，對于放礦較晚的進路3和進路4，粒徑相對較大的廢石提前進入放出體，使礦巖散體在放礦口處擠壓成拱；另一方面，不同粒徑的礦巖在放礦口放出時運動速度急劇增大，造成其在放出過程中相互擠壓摩擦的幾率增 大，易形成平衡結構拱。礦巖成拱進一步驗證了平面放礦較立面放礦效果的優越性。

3 結論

（1）采用PFC2D離散單元體法模擬了無底柱分段崩落法立面放礦和平面放礦兩種方案的礦石放出規律。結果顯示立面放礦時，相同的運行時步下，進路放礦越晚，礦石回采率越低，貧化率越高。通過對比分析兩種放礦方案整體的礦石回采率和貧化率發現，平面放礦方案均優于立面放礦，同等條件下能提高礦石回采率，降低貧化率。

（2）根據橢球體放礦理論分析了礦石回采率和貧化率的影響因素，立面放礦時，后放礦的進路，礦石和廢石原有的分布狀態被擾亂，礦巖接觸面變大，廢石提前進入放出橢球體，提前出現貧化，影響了礦石回采率。

（3）隨機監測了不同放礦方案不同進路放礦橢球體表面散體礦石放出時的速度-時間變化曲線，得出進路放礦越晚，放出橢球體表面的穩定程度越低，進而影響放礦效果。通過礦巖成拱分析，進一步驗證了平面放礦效果優于立面放礦。