極不穩固礦巖無底柱分段崩落采礦法崩礦步距優化數值模擬及應用

姜兆陽 鄭浩田 蒲江涌

摘要：崩礦步距是無底柱分段崩落采礦法的核心參數，崩礦步距的確定對于降低采礦損失貧化具有重要意義。以太平礦業公司37-2#礦體為研究對象，結合37-2#礦體圍巖賦存條件及礦脈形態，采用PFC2D顆粒流數值模擬軟件，建立了符合現場實際情況的采場數值模型，確定了放礦過程循環模擬的數值模擬方法。以礦石回收率為指標，通過比較不同工況下數值模擬結果，確定37-2#礦體的崩礦步距為1.25～2.25 m，并進行了現場工業試驗，確定了分段高度7 m時的最優崩礦步距為1.50 m，研究成果為現場生產施工提供了理論支持。

關鍵詞：PFC2D軟件;極不穩固礦巖;崩礦步距;無底柱分段崩落采礦法;礦石回收率

中圖分類號：TD853.36文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）06-0035-05doi：10.11792/hj20220608

引 言

無底柱分段崩落采礦法是金屬礦山常用的采礦方法[1-2]，具有操作簡單、開采強度大、機械化程度高等優點，但同時也存在著很多不足。由于無底柱分段崩落采礦法采用覆巖下放礦，采礦損失貧化大，影響生產。該方法在設計初期便確定分段高度、進路間距等參數，崩礦步距卻可以靈活調整。因此，開展一定采場結構參數下崩礦步距的優化方法研究，快速、準確地確定回采的崩礦步距，對降低無底柱分段崩落采礦法的采礦損失貧化、提高礦山經濟效益具有極其重要的意義。

目前，對崩礦步距的優化研究主要有以下3種方法：①實驗室相似材料試驗研究[3-4];②現場試驗研究[5];③數值模擬試驗研究[6-9]。這3種方法都能夠很好地反映礦巖散體的流動規律，但是在具體操作過程中差別較大：現場試驗可操作性差，且耗時、費力、影響生產;實驗室試驗和數值模擬試驗的可操作性強，易于實現，尤其是數值模擬試驗更加方便靈活，因此得到了廣泛的應用。

PFC2D顆粒流數值模擬軟件（下稱“PFC2D軟件”）是基于通用離散元（DEM）框架，由計算引擎和用戶界面構成的離散元軟件。顆粒單元由圓盤構成，主要模擬有限尺寸顆粒的運動和相互作用。應用PFC2D軟件模擬難采礦體的礦巖流動過程[10-12]，為進路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法中階段崩礦步距的確定提供依據。

1 工程背景

安徽太平礦業有限公司（下稱“太平礦業公司”）37-2#礦體賦存標高總體上在-305～212 m水平，呈似層狀，傾向北東，整體厚度變化系數較大，上、下盤圍巖蝕變強烈，多具矽卡巖化、蛇紋石化、綠泥石化等，穩固性較差;礦體間近礦圍巖（中間夾層）為矽卡巖，穩固性極差。礦體整體模型如圖1所示。

礦巖穩固性差和受主體礦體形態影響大的特點，決定了37-2#礦體屬于難采礦體。因此，從適應“巖體冒落規律”的視角出發，采用進路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法開采37-2#礦體，礦體采礦方案如圖2所示。將礦體劃分為4個小分段，分段高度分別為6 m、7 m、7 m、5 m。第一分段空場出礦時，由于圍巖穩固性較差，頂板和上盤圍巖的冒落始終對生產作業形成威脅。因此，為防止冒落沖擊危害對作業人員形成沖擊威脅，在第一分段空場出礦形成的采空區內誘導上、下盤圍巖自然冒落形成覆蓋層，此后轉入覆巖下放礦的無底柱分段崩落采礦法回采。采場結構參數的確定是采礦方法的核心，崩礦步距是無底柱分段崩落采礦法關鍵的參數之一。因此，需確定合理的崩礦步距，從而提高礦山經濟效益。

2 崩礦步距數值模擬

2.1 數值模型建立

根據第二分段的分段高度和上覆巖層厚度，建立覆巖下放礦礦巖流動數值模型，如圖3所示。根據設計分段高度7 m，進路高度2 m，覆巖層厚度8 m，確定模型范圍為長×高=18 m×15 m，模型邊界由約束墻體（wall）構成，限制顆粒運動。將整個模型分為廢石（覆巖）和礦體2部分，并進行分組;模型組成單元為顆粒圓盤（ball），為更真實地模擬現場放礦中礦石與廢石粒徑的不均勻性，設計礦石粒徑為10～100 mm，廢石粒徑為30～150 mm。顆粒間的接觸模型采用線性接觸模型，可以模擬破碎后礦巖之間的流動;根據散體流動相關理論，對模型進行反復標定，確定顆粒間摩擦系數為0.5，接觸模量為1×109，剛度比為2。顆粒投放至相應分組，計算平衡。將礦體沿進路劃分多個崩礦步距，未崩落礦體由墻體（wall）約束，限制其流動性。進路端部前方設計3 m廢石，采用后退式回采方式。將覆巖分層染色，作為標識層（1 m），在礦體內部設置2層標識層。以上均在PFC2D軟件中由程序配合命令流實現。數值模型參數如表1所示。

2.2 數值模擬計算

本次數值模擬礦石和廢石顆粒在自重條件下的放礦。為實現崩礦、落礦、出礦、放礦過程的循環，利用PFC2D軟件自帶內嵌的fish語言進行編程，再根據編寫的程序指導計算機進行放礦。模擬放礦過程的程序如下：①刪除第一個崩礦步距進路頂板，模擬爆破開挖;②模型計算80 000步，模擬爆破后礦巖運動過程;③刪除進路中的礦巖，模擬出礦過程，同時統計刪除的礦石與廢石顆粒個數、體積，并進行累計;④計算本次出礦的廢石體積與礦石體積之比，與截止條件對比，如果大于放礦截止品位，則此崩礦步距放礦結束，進行下一個崩礦步距放礦;若小于放礦截止品位，則回到第②步。數值模擬計算流程如圖4所示;數值模擬放礦過程如圖5所示，每個崩礦步距放礦結束，計算機自動保存當前結果，方便后續處理與結果分析。放礦結束后，根據fish函數記錄放出礦石總量和放出廢石總量，計算總礦石回收率，并以此來判斷崩礦步距的優劣。

2.3 工況設計

針對難采礦體設計方案，分段高度7 m，設計1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m、2.00 m、2.25 m、2.50 m、2.75 m、3.00 m、3.25 m共10種崩礦步距進行數值模擬計算，每種崩礦步距沿進路末端設計4個回采步距，1.00 m、1.25 m、1.50 m崩礦步距間距短，不予考慮，因此共設置7個崩礦步距，回采方式為后退式回采。為驗證模擬試驗的可行性，設計分段高度為9 m的10種崩礦步距作為對比方案;模擬試驗的放礦截止條件為廢石混入率，設計廢石混入率30 %與5 %2種截止條件，模擬截止品位和無貧化放礦，具體設計方案如表2所示。

3 數值模擬結果及分析

對40種工況160個崩礦步距進行模擬計算，部分結果如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可以看出：4個崩礦步距放礦結束，黃色為礦石殘留。此外，還可以直觀地看出，導致采礦損失貧化的原因有2個：一是上方廢石先到達進路口，此時右側廢石未到達進路口，造成礦石損失，如圖6所示;二是右側廢石率先到達進路口，廢石混入率超過截止條件，該崩礦步距放礦結束，造成礦石損失，如圖7所示。

計算直觀顯示，大崩礦步距進路后方容易留礦，小崩礦步距放礦進路上方容易留礦，進路上方留礦可由下一崩礦步距繼續放出，因此在同一分段高度下，存在最優崩礦步距，使礦石損失最少。

要想得到對應結構參數下的最優崩礦步距，應從礦石回收率的角度定量分析。因此，根據數值模擬計算結果，統計放出礦石總量和廢石總量，計算每種崩礦步距下的礦石回收率，相同崩礦步距的4個回采步距取平均值。以崩礦步距2.50 m為例，計算結果如表3所示。

統計40種工況的礦石回收率，結果如圖8所示。通過對難采礦體階段回采數值建模，40種工況160個崩礦步距的計算，對比分段高度7 m、9 m，礦石回收率隨崩礦步距變化規律基本一致，整體呈先增后減的趨勢，說明在此采場結構參數下存在最優崩礦步距。以廢石混入率為放礦截止條件，對比模擬結果，發現采用截止品位放礦方法得到的礦石回收率比無貧化放礦方法高。數值模擬結果顯示，改進方案進路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法中分段高度為7 m，崩礦步距取1.25～2.25 m時，礦石回收率較高。

4 現場工業試驗

為了確定最優崩礦步距，在太平礦業公司37-2#礦體-285 m水平5-2進路進行崩礦步距現場工業試驗。分別進行了分段高度為7 m，崩礦步距為1.50 m、1.75 m、2.00 m時的現場崩礦試驗，并安排跟班技術員統計回采數據。

采用YGZ-90型鑿巖機鉆鑿上向扇形孔，炮孔直徑38 mm，排距1.3 m，孔底距1.43 m，邊孔角55°。采用2#巖石乳化炸藥，毫秒導爆管起爆，每次爆破1排炮孔。采用孔底起爆與炮孔排面分段起爆方式，起爆順序如圖9所示，其他炮孔數的排面起爆順序類似，中間至兩側炮孔雷管段數遞增。

跟班統計結果如表4所示。從表4可以看出：隨著崩礦步距的增加，礦石回收率逐漸降低;當崩礦步距為1.50 m時，總崩礦量為380 t，總出礦量為357.2 t，試驗區域礦石回收率為94 %，符合現場經濟效益指標，可在該礦山大范圍推廣使用。

5 結 論

本文介紹了太平礦業公司37-2#礦體的賦存條件及開采現狀，結合進路后退-分段崩落組合回采的充填采礦法，利用PFC2D顆粒流數值模擬軟件建立了無底柱分段崩落采礦法的數值模型，分別模擬了不同崩礦步距下礦體的開采情況。通過對比礦石回收率，結合現場工業試驗，得出當分段高度為7 m時，最優崩礦步距為1.50 m，研究成果為現場生產施工提供了技術支撐。

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Study on numerical simulation of caving step for optimization

in pillarless sublevel caving method of extremely unstable rock and its application

Jiang Zhaoyang1，Zheng Haotian2，Pu Jiangyong2

（1.Anhui Taiping Mining Co.，Ltd.;

2.Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University）

Abstract：The caving step is a core parameter of pillarless sublevel caving method，and determination of the caving step is important in reducing mining loss and ore dilution.The 37-2# ore body of Taiping Mining Company was used as the research object，and the stope numerical modeling method of mining process cycle simulation was established by combining the occurrence conditions of rock and mineral vein morphology of 37-2#ore body，using PFC2D grain flow numerical simulation software，which fits the actual situation.Taking the ore recovery rate as an index，the caving step from 37-2# ore body is determined to be 1.25-2.25 m by comparing the numerical simulation results under different working conditions，and an on-site industrial trial is conducted to determine the optimal step to be 1.50 m when sublevel height is

7 m，and the research results provide theoretical support for the on-site production construction.

Keywords：PFC2D software;extremely unstable rocks;caving step;pillarless sublevel caving method;ore recovery rate

收稿日期：2021-12-25; 修回日期：2022-02-20

基金項目：國家自然科學基金聯合基金項目（U21A20106）

作者簡介：姜兆陽（1986—），男，山東臨沂人，工程師，從事金屬礦山采礦工程技術研究工作;安徽省淮北市濉溪縣四鋪鎮，安徽太平礦業有限公司，235000;E-mail：331343546@qq.com