基于PFC2D的無底柱分段崩落法礦石流動規(guī)律與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究*

劉曉明 胡建華 譚麗龍 崔 冰 于德寧 陳 成 賀艷軍

（1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦；2.福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院；3.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司；4.北方礦業(yè)有限責(zé)任公司）

無底柱分段崩落法是地下金屬礦山開采中廣泛應(yīng)用的一種采礦方法，該方法最顯著的特點(diǎn)是爆破后破碎礦石在上覆巖層下放出，礦巖極易混雜，導(dǎo)致較高的損失貧化率，造成資源的浪費(fèi)。國內(nèi)外學(xué)者針對該問題開展了大量研究工作［1-3］，主要集中在崩落礦巖流動特性與移動規(guī)律研究，優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦工藝，在隨機(jī)介質(zhì)放礦理論［4］、橢球體放礦理論、物理模擬實(shí)驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究［5-6］等方面取得諸多研究成果。

某金屬礦山為緩傾斜中厚礦體，采用無底柱分段崩落法開采，在實(shí)際開采過程中，存在大塊率高、礦石流動性差、貧損指標(biāo)高等突出問題。近年來，通過對分段高度、進(jìn)路間距、邊孔角等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，礦石回收效果顯著提高。

但是，目前實(shí)際生產(chǎn)指標(biāo)與理論分析結(jié)果仍有一定差距，其中，部分步距礦體拒爆、爆破塊度分布不均、廢石混入過早等問題仍沒有很好解決。為解決上述問題，本文以崩礦步距d、分層高度H、放礦截止品位g為影響因素，設(shè)計(jì)了g-d-H變量的正交實(shí)驗(yàn)，采用PFC2D離散元分析方法構(gòu)建了端部放礦仿真模型，分析探究了端部礦石放礦的流動規(guī)律，對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和降低貧損指標(biāo)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 端部放礦模型構(gòu)建

1.1 端部放礦實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對于端部放礦規(guī)律的研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3 組模型，分別對應(yīng)分層高度H（10、12、15 m），每組模型又分別根據(jù)崩礦步距d（3、3.2、3.4、3.6、3.8 m）和截止品位g（0，0.5）進(jìn)行了分類模擬，每次模擬分5 排進(jìn)行，每排1個步驟模擬，模擬完成再統(tǒng)計(jì)不同模型不同參數(shù)條件下礦石的貧化損失指標(biāo)，研究其變化規(guī)律。

1.2 端部放礦PFC2D模型

對3 種不同分層高度，分別建立了端部放礦模型，每個模型崩礦步距從3 m 到3.8 m 變化，分5 排5步進(jìn)行模擬分析。端部放礦PFC2D模型如圖1 所示。模擬過程采用無膠結(jié)模擬，球和球、球和墻之間采用線性接觸模型，具體參數(shù)見表1。

2 端部放礦礦巖流動行為分析

2.1 礦巖嵌入形態(tài)

在端部放礦過程中，如圖2 所示，正面廢石會擠入礦石，連同礦石一起放出，在放礦截止后，未放出的礦石形成一個被上覆廢石和正面廢石包裹的靠壁殘留體［8］。

靠壁殘留體在下步放礦中，又將參與礦石流動，隨礦石放出。較好的崩礦步距會形成較好的靠壁殘留體形態(tài)，在下步放礦中，能幾乎將所有殘留礦石放完，重新開始下一循環(huán)放礦。較差的崩礦步距則會形成不利的殘留體形態(tài)，在后續(xù)放礦中，不能完全放出，造成礦石損失。通過不同的崩礦步距優(yōu)化，找到與分段高度對應(yīng)的步距參數(shù)，使靠壁殘留體的形態(tài)達(dá)到最優(yōu)，在一次循環(huán)中，最大化地回收礦石。

經(jīng)多種結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬放礦結(jié)果對比表明：合適的崩礦步距決定了合理的靠壁殘留體形態(tài)，較好的靠壁殘留體形態(tài)有利于下一步的放礦。從礦巖嵌入方式可知，廢石總是在底部最先與礦石混合，造成放礦截止，這與鏟運(yùn)機(jī)出礦方式有關(guān)，鏟運(yùn)機(jī)將底部礦石清除，底部廢石在側(cè)壓力的作用下不斷向前擠入，造成損失。實(shí)踐中，可以改進(jìn)鏟運(yùn)機(jī)出礦方式，如在底部以上一定高度開始出礦，利用底部礦石的阻擋作用，延緩廢石的混入，有利于回收礦石，降低貧化率。

2.2 靠壁殘留體力鏈效應(yīng)

在重力或外載荷作用下，毗鄰顆粒間發(fā)生接觸，形成諸多強(qiáng)度迥異的力鏈。它們相互交接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，非均勻地貫穿于顆粒物質(zhì)內(nèi)。力鏈分為強(qiáng)力鏈和弱力鏈，其中強(qiáng)力鏈數(shù)目較少，卻支撐了顆粒體系的大部分重量及外荷載，該力鏈上顆粒的輕微擾動，都會造成驚人的后果。弱力鏈數(shù)目巨大，幾乎均勻分布在顆粒體系中，與強(qiáng)力鏈銜接，對強(qiáng)力鏈的穩(wěn)定具有輔助作用，并參與強(qiáng)力鏈斷裂后的重構(gòu)［8］。

容器中散體顆粒重力方向的力，通過力鏈傳遞到壁面，形成對壁面的側(cè)向壓力。在有邊界束縛的散體顆粒中，力鏈呈網(wǎng)狀分布。圖3為端部放礦力鏈分布圖，顯示了在端部放礦中力鏈分布以及礦石流動過程中力鏈的斷裂與重構(gòu)變化。

圖3 中，礦巖內(nèi)部網(wǎng)狀線條表示力鏈的分布情況。可以看出，無黏結(jié)作用的散體顆粒間只存在擠壓作用力，在端部放礦礦石流動過程中，松散礦巖力鏈不斷變化，礦石流動初期，豎直方向承受著主要的作用力，此時礦巖流動主要以向下擠壓為主。在豎直方向力鏈強(qiáng)度達(dá)到一定值后，水平方向的力鏈開始增加，分解了一部分豎直方向的作用力。即產(chǎn)生了礦巖側(cè)向擠壓礦石堆體的現(xiàn)象，廢石開始擠入礦石中，并最終包裹一部分礦石，形成靠壁殘留體。模擬結(jié)果為后續(xù)回貧值的分析提供了理論依據(jù)。

3 端部放礦回貧值變化規(guī)律

3.1 回貧值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3 種高度H（10、12、15 m）下的崩礦步距研究，每種高度下，根據(jù)工程常用參數(shù)，在3～4 m的范圍內(nèi)，按0.2 m的差額設(shè)置了若干種崩礦步距，在無貧化放礦和截止品位放礦方式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表2和表3所示。

3.2 崩礦步距影響機(jī)理及其優(yōu)化

基于表2 和表3，建立x-y函數(shù)關(guān)系圖（x為崩礦排數(shù)，取1，2，3，4，5；y為回收率），無貧化放礦條件下各模型回收率隨放礦過程的走勢情況如圖4所示，截止品位下的端部放礦回收率走勢如圖5所示。

從端部放礦回收率的走勢圖可以看出：端部放礦回收率呈現(xiàn)出一高一低的波動現(xiàn)象，前一排放出礦石少，下一排放出量則增多。崩礦步距太薄，正面廢石會過早擠入出礦口，造成貧化，同時，崩礦步距過厚，則上部礦石可以落下更多，但底部礦石殘留體形狀變異，無法成為下次放礦的“補(bǔ)償?shù)V量”。殘留體的形狀若為扁長緊貼未崩落礦體（圖1），則有利于作為下次放礦的“補(bǔ)償?shù)V量”；當(dāng)崩礦步距偏大時，殘留體的形狀會變成一個類似包絡(luò)球，這部分殘留體不能有效地作為下次崩落的“補(bǔ)償?shù)V量”，不利于礦石的回收。

崩礦步距的優(yōu)化是在廢石正面移動和上部豎直移動之間找到一個平衡點(diǎn)，找到合適的崩礦步距d和分段高度H的比值（d/H），建立η-（d/H）函數(shù)圖象，找到d/H值與回收率的關(guān)系，從而確定最優(yōu)崩礦步距。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，回收率呈現(xiàn)一高一低的波動規(guī)律，將回收率從低—高—低（高—低—高）作為殘留體變化的一次循環(huán)，用此循環(huán)內(nèi)的回收率平均值作為該結(jié)構(gòu)參數(shù)下的放礦效果指標(biāo)，作為y軸，將d/H值作為x軸，建立η與d/H關(guān)系曲線如圖6所示。

分析圖6可以得出以下結(jié)果：

（1）無貧化放礦回收效果對d/H的敏感度要大于截止品位放礦，無貧化放礦只有一個最優(yōu)的d/H值使得回收率最高，這個值在0.28附近。

（2）截止品位放礦效果對d/H的敏感度較低，如圖6（b）所示，從0.2～0.34，可分別選取0.23、0.28、0.34作為最優(yōu)值。

（3）實(shí)驗(yàn)中給出的分段高度為散點(diǎn)分布，在這些散點(diǎn)值內(nèi)，根據(jù)最優(yōu)d/H，得出的各分段高度下的最優(yōu)崩礦步距。無貧化放礦（前3 層礦體）：H=10 m，d=2.8 m；H=12 m，d=3.4 m；H=15 m，d=4.2 m。截止放礦（0.5，第四層礦體）：H=10 m，d=2.4、2.8、3.4 m；H=12 m，d=2.8、3.4、4.0 m；H=15 m，d=3.4、4.2、5.0 m。結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，崩礦步距的值不宜太小或過大，否則會增加成本或者影響爆破效果，因此，在截止層，選擇較合理的崩礦步距值分別為H=10 m，d=2.8 m；H=12 m，d=3.4 m；H=15 m，d=3.4 m。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)不同的模型參數(shù)采用正交設(shè)計(jì)，構(gòu)建端部放礦PFC2D模型，可以分析端部放礦礦巖流動行為，研究靠壁殘留體的動態(tài)變形特點(diǎn)。

（2）在端部礦石放礦過程中，崩礦步距與分層高度比值（d/H）決定了靠壁殘留體的形態(tài)，直接影響礦石貧損指標(biāo)。根據(jù)截止品位選取最優(yōu)d/H值，確定各分層高度下的最優(yōu)崩礦步距，調(diào)整鏟運(yùn)機(jī)出礦方式，可有效降低出礦貧損指標(biāo)。