胡建華，薛小蒙，雷濤，周科平，羅先偉

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南省深部金屬礦開發(fā)與災(zāi)害控制重點實驗室，湖南 長沙，410083)

硫化礦山在我國礦山企業(yè)中占有很大比例，其面臨的諸多安全問題關(guān)系到整個礦山企業(yè)的正常運行。含硫礦石回采破碎后，長期堆積產(chǎn)生復(fù)雜的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致破碎礦石二次結(jié)塊。礦石結(jié)塊會影響到礦山的回采、放礦、運輸?shù)日Ｉa(chǎn)環(huán)節(jié)。目前，礦山企業(yè)主要采取二次爆破方式處理結(jié)塊礦石，爆破會威脅到礦山作業(yè)人員的安全，增加礦山生產(chǎn)經(jīng)營成本[1?4]。在理論研究上，國內(nèi)外學(xué)者主要在礦石結(jié)塊機(jī)理及結(jié)塊程度檢測技術(shù)方面展開研究。Jenike提出通過剪切盒對盒內(nèi)粉體進(jìn)行剪應(yīng)力測定，通過剪切單元應(yīng)力應(yīng)變得出流變函數(shù)檢測結(jié)塊特性；Lockemann針對粉體在黏化點之后光反射性質(zhì)的變化，繪制曲線得到黏化溫度點，以此簡潔反映粉體結(jié)塊情況；Michael Rock的單軸測試法(COSTT)發(fā)展比較成熟，可對結(jié)塊因素進(jìn)行單因素分析，也可進(jìn)行耦合分析。中南大學(xué)在防治硫化礦石氧化結(jié)塊與自燃研究上已取得一系列成果，推行“強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充”措施減少礦石的損失，還采用阻化劑噴灑、充填采空區(qū)、挖出火源等多種綜合方法處理硫化礦石[5?8]。然而，如何實現(xiàn)高效、安全、低成本處理結(jié)塊礦石，是高硫結(jié)塊礦石處理的新難題。已有的研究表明：沖擊動力環(huán)境下動力損傷更有利于巖石產(chǎn)生破碎[9]，并且沖擊過程中的沖擊能量、巖石的動力學(xué)參數(shù)和沖擊作用面的特征[10]等都直接影響巖石沖擊破碎的效果。基于誘導(dǎo)崩落采礦[11]的技術(shù)思路，在結(jié)塊礦石的下方殘礦開采中，利用強(qiáng)制崩落形成的應(yīng)力和采礦空間誘導(dǎo)上部結(jié)塊礦石自然跌落，并通過在礦石層面上產(chǎn)生的沖擊實現(xiàn)結(jié)塊礦石的崩解。影響結(jié)塊礦石崩解效果的因素很多，主要有跌落高度、角度、膠結(jié)軟弱面抗拉及抗壓強(qiáng)度、礦石塊度等，通過動力學(xué)數(shù)值仿真試驗的設(shè)計，分析各因素的影響程度，為礦山結(jié)塊礦石的高效安全低成本回收提供技術(shù)指導(dǎo)。若采用多因素完全方案進(jìn)行試驗，試驗次數(shù)巨大，耗費大量時間，結(jié)果分析復(fù)雜。正交試驗設(shè)計和分析是一種高效處理多因素優(yōu)化問題的科學(xué)方法，在科學(xué)研究和工業(yè)化生產(chǎn)中經(jīng)常用來分析多個因素對產(chǎn)品的指標(biāo)效應(yīng)，田口玄一提出的正交表可以幫助挑選有代表性的因素水平組合[12]，分析各因素對指標(biāo)的影響程度。因此，在提出的誘導(dǎo)崩落沖擊破碎二次結(jié)塊礦石的技術(shù)思路上，利用正交試驗數(shù)值仿真模擬的方法，以銅坑礦細(xì)脈帶結(jié)塊礦石為研究對象，綜合考慮結(jié)塊礦石及其軟弱結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)和工程實踐條件，以跌落高度(A)、角度(B)、膠結(jié)軟弱面抗拉強(qiáng)度(C)和膠結(jié)軟弱面抗壓強(qiáng)度(D)等4個因素進(jìn)行分析，通過設(shè)計正交試驗，選取因素水平組合，利用 LSDYNA數(shù)值軟件模擬不同因素水平條件組合下結(jié)塊礦石的崩解效果，確定各因素水平對結(jié)塊礦石崩解性能影響的程度，分析崩解率隨各因素變化的趨勢，優(yōu)化礦山誘導(dǎo)崩解技術(shù)參數(shù)，為誘導(dǎo)崩落沖擊破碎二次結(jié)塊礦石技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)計與模型構(gòu)建

1.1 工程背景

銅坑礦錫多金屬礦，主要由細(xì)脈帶、91號和 92號三大重疊產(chǎn)出的礦體組成，其中細(xì)脈帶高含硫礦體受到高溫火災(zāi)的致災(zāi)環(huán)境影響，依靠整體崩落開采實現(xiàn)隱患治理和礦石的規(guī)模化開采，采后鏟裝與運輸強(qiáng)度難以滿足礦石的高強(qiáng)度開采要求，造成大量礦石積壓二次結(jié)塊；同時，受致災(zāi)環(huán)境的影響，上部結(jié)塊礦石在原采場內(nèi)難以實現(xiàn)分解。上部作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重阻礙了礦石的鏟裝與運輸，礦石的回收需要由下部礦石開采自然冒落放頂實現(xiàn)，典型工程斷面如圖1所示。為實現(xiàn)上部結(jié)塊礦石崩落沖擊破碎，需要確定合理的誘導(dǎo)工藝參數(shù)。

圖1 典型結(jié)塊礦石回收工程環(huán)境斷面圖Fig. 1 Sectional drawing of typical caking ore recovery project environment

1.2 模型構(gòu)建

以銅坑礦細(xì)脈帶高硫錫礦石為研究對象，建立誘導(dǎo)跌落破碎的數(shù)值分析模型。根據(jù)整體崩落開采控制的塊度大小參數(shù)為 0.3 m，選取試驗中的礦石直徑為0.3 m，為簡化計算和模型構(gòu)建的隨機(jī)性，假定礦石的塊度大小為定值，礦石與礦石之間為硫化物膠結(jié)的弱結(jié)構(gòu)，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與模型如圖2所示，其中紅色部分為礦石。模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：結(jié)塊礦石中的單個礦石模型為0.3 m(直徑)×0.15 m(厚)的六棱柱體，結(jié)塊礦石模型尺寸為 0.95 m(長)×0.59 m(寬)×0.15 m(厚)；目標(biāo)面尺寸為 2.26 m(長)×2.26 m(寬)×0.11 m(厚)。

圖2 結(jié)塊礦石跌落分析模型圖Fig. 2 Fall FEM model of caking ore

1.3 正交試驗設(shè)計

影響結(jié)塊礦石跌落崩解效果的因素有很多，主要有跌落高度、角度、膠結(jié)軟弱面抗拉及抗壓強(qiáng)度、礦石塊度等，模擬主要考慮4種因素，即跌落高度(A)、角度(B)、膠結(jié)軟弱面抗拉強(qiáng)度(C)和膠結(jié)軟弱面抗壓強(qiáng)度(D)對跌落崩解效果的影響，每個因素選取5個水平。若全部進(jìn)行模擬分析，需要54=625次處理組合，耗費大量時間。借助于正交表，科學(xué)挑選試驗組合，合理分析試驗結(jié)果，用較少的試驗次數(shù)，分析研究各因素對崩解效果的影響。選用 L25(56)正交表安排試驗[13?14]。根據(jù)礦山工程的實際情況，選取跌落高度(A)的取值范圍為2～6 m；角度(B)在0～90°之間取值；膠結(jié)軟弱面的抗拉強(qiáng)度(C)和抗壓強(qiáng)度(D)的取值范圍分別為0.8～1.6 MPa和1～15 MPa。水平與因素條件如表1所示。

表1 正交試驗的設(shè)計因素與水平Table 1 Levels and factors of orthogonal experiments

2 結(jié)果分析

各因素放入正交表L25(56)的相應(yīng)列，水平對號入座，并定義破碎后的崩解率來評價跌落礦石崩解效果，模擬結(jié)果如表2所示；模擬的效果如圖3所示，其分別為A5B5C4D3和A5B2C1D3等2種不同條件下的結(jié)塊礦石的跌落崩解效果圖。

表2 正交試驗方案及結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental scheme and results

定義結(jié)塊礦石的崩解率φ為跌落崩解后的塊數(shù)N1與組成模型的礦石塊數(shù)N0=10的比值，如下式所示：

2.1 極差分析

圖3 結(jié)塊礦石的崩解效果圖Fig. 3 Broken effects of caking ore

在正交試驗過程中，某列因素水平變動時，試驗評價指標(biāo)的變動幅度可以用極差表示。極差越大，說明該因素對試驗評價指標(biāo)的影響越大。因此，可根據(jù)極差判斷影響因素對試驗指標(biāo)影響的顯著性程度，計算公式如下：

式中：R為極差，表示第i個因素變動時的極差值；kij為指標(biāo)第i個因素在第j個因素變化時的評價指標(biāo)變化均值，其計算公式為

式中：Kij為第i因素在同一水平下的試驗評價指標(biāo)之和。試驗分析結(jié)果見表3。

表3 試驗結(jié)果分析Table 3 Analysis of experimental results

極差愈大，表明此列因素數(shù)值的改變引起的礦石崩解率的變化愈大，此因素對礦石的崩解效果影響愈顯著。由表3可知：各因素對二次結(jié)塊礦石崩解率影響的顯著性順序從強(qiáng)至弱為B(跌落角度)、C(膠結(jié)軟弱面的抗拉強(qiáng)度)、A(跌落高度)和D(膠結(jié)軟弱面的抗壓強(qiáng)度)。

2.2 崩解率的趨勢圖

極差分析可以確定各因素對二次結(jié)塊礦石崩解率影響的顯著性順序，但無法分析礦石崩解率隨各因素變化的趨勢。以各因素為橫坐標(biāo)，崩解率為縱坐標(biāo)，繪制出崩解率隨各因素變化的趨勢圖，如圖4所示。由圖4可見：各因素在不同水平下與崩解率呈現(xiàn)不同的關(guān)系，總體上崩解率與跌落高度在一定的高度范圍內(nèi)呈現(xiàn)遞增的趨勢；抗拉強(qiáng)度與結(jié)塊礦石的崩解率表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性，崩解率隨強(qiáng)度參數(shù)的增加而減少；崩解率與跌落角度呈現(xiàn)一種非線性的關(guān)系，而抗壓強(qiáng)度與崩解率的關(guān)系不明顯。

圖4 崩解率與因素的關(guān)系Fig. 4 Relationship between broken rate and factors

(1) 跌落高度(A)與崩解率的關(guān)系是一種正相關(guān)性，主要是由于跌落高度愈高，礦石跌落具有的沖擊能量愈大，觸地產(chǎn)生的沖擊力愈大，礦石的破碎效果也就愈好；在本實驗中，高度由5 m增至6 m過程中，礦石的崩解率不再變化，說明達(dá)到一定高度后，崩解率已經(jīng)達(dá)到最值，跌落高度的增加不再顯著影響結(jié)塊礦石的崩解。

(2) 角度(B)與崩解率之間存在一種非線性的關(guān)系，從力學(xué)分析上看，這是因為不同的跌落角度下，沖擊產(chǎn)生的動應(yīng)力與接觸點的關(guān)系差異影響所致，跌落觸地過程中，二次膠結(jié)礦石的動應(yīng)力在弱結(jié)構(gòu)和礦石塊體中的應(yīng)力分布差異決定的。從圖2可見：小角度(5°)和(30°)條件下，礦石表現(xiàn)出良好的崩解效果。這是因為沖擊作用下，拉應(yīng)力主要在二次膠結(jié)的弱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生，形成弱結(jié)構(gòu)中的較大拉應(yīng)力破壞應(yīng)力環(huán)境，產(chǎn)生弱結(jié)構(gòu)的沖擊破碎；隨著角度的增加，弱結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力減少，壓應(yīng)力增加，導(dǎo)致結(jié)塊礦石崩解率下降。當(dāng)角度達(dá)到90°，壓應(yīng)力在軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)占主要地位，且應(yīng)力值足以造成破壞，所以崩解率重新增加。

(3) 抗拉強(qiáng)度與崩解率呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。已有研究結(jié)果表明：沖擊載荷作用下，巖石的損傷主要與微裂紋的拉伸擴(kuò)展有關(guān)，抗拉強(qiáng)度越小，越容易產(chǎn)生拉裂破壞[15?16]。因此，實驗中的數(shù)據(jù)表明抗拉強(qiáng)度與崩解率呈負(fù)相關(guān)性，抗拉強(qiáng)度越大，礦石的崩解率越小。

(4) 抗壓強(qiáng)度對礦石崩解效果的影響并不顯著，這是因為礦石跌落破壞過程中主要表現(xiàn)出動拉應(yīng)力破壞。二次結(jié)塊礦石軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)具有不確定性，是膠結(jié)過程中的膠凝強(qiáng)度、塊石分布、膠凝時間等的函數(shù)，并與二次膠結(jié)的時間有關(guān)。在一般情況下，隨著膠結(jié)時間的增加，弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度越強(qiáng)。為達(dá)到更好的崩解效果，應(yīng)盡早處理結(jié)塊礦石。

3 誘導(dǎo)控制措施

通過誘導(dǎo)崩落實現(xiàn)二次結(jié)塊礦石的跌落沖擊崩解，正交試驗研究結(jié)果表明，誘導(dǎo)工藝參數(shù)的控制可以實現(xiàn)較好的結(jié)塊礦石崩解效果。分析表明各誘導(dǎo)因素控制措施如下：

(1) 為有效控制結(jié)塊礦石與目標(biāo)接觸面的角度，二次結(jié)塊礦石跌落傾角應(yīng)盡可能控制在5°～30°之間，保證軟弱面內(nèi)沖擊時產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，造成拉裂破壞，實現(xiàn)二次結(jié)塊礦石的有效崩解。因此，在設(shè)計爆破參數(shù)時，應(yīng)該保證結(jié)塊礦石有一定的傾角跌落。如工程中采用側(cè)向扇形爆破孔，可以通過超深控制爆破面的傾角，實現(xiàn)礦體的小角度崩解，如圖5所示?？刂瞥蠲媾c水平面的夾角在5°～30°，可以實現(xiàn)結(jié)塊礦石的最佳崩解角度。

(2) 跌落高度決定礦石所受到的沖擊強(qiáng)度，高度過高可能會造成次生災(zāi)害；高度過低，沖擊強(qiáng)度不夠，無法達(dá)到最佳的崩解效果。根據(jù)模擬試驗效果可知，在條件允許下，應(yīng)控制礦石跌落到目標(biāo)面的高度至少達(dá)到5 m，從而保障礦石的有效崩解和安全，控制沖擊能量過大而產(chǎn)生的飛石等效應(yīng)。由于典型工程斷面主要是在殘礦的回收過程進(jìn)行二次結(jié)塊礦石的誘導(dǎo)崩解。因此，在考慮目標(biāo)面時應(yīng)該以殘采礦石堆為目標(biāo)面，設(shè)計中應(yīng)該考慮礦石的松散系數(shù)為1.5～1.7，確定礦石的堆積形態(tài)，控制最終的結(jié)塊礦石跌落高度在 5 m以上，如圖5所示。并通過礦石的堆積，控制最大的結(jié)塊礦石跌落高度，減少礦石崩解后的飛散危害，形成安全高效的二次結(jié)塊礦石崩解新技術(shù)。

(3) 膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度是隨時間變化的時變參量，并與時間呈正相關(guān)性。為實現(xiàn)二次結(jié)塊礦石最佳的崩解效果，在安全可控的環(huán)境下，應(yīng)盡早實施誘導(dǎo)崩解作業(yè)，降低崩解的難度。

圖5 典型工程誘導(dǎo)工藝參數(shù)圖Fig. 5 Chart of induction technology parameters in typical project

4 結(jié)論

(1) 采用正交試驗，科學(xué)挑選試驗組合，有效地減少分析試驗次數(shù)，確定各因素對結(jié)塊礦石崩解率影響的顯著程度；通過繪制趨勢圖分析了崩解率隨各因素變化的趨勢及原因，確定合理的誘導(dǎo)工藝參數(shù)范圍。

(2) 各因素對結(jié)塊礦石崩解性能影響的顯著程度不同，影響程度最顯著的因素為跌落角度(B)，其次分別為軟弱面的抗拉強(qiáng)度(C)、跌落高度(A)，軟弱面的抗壓強(qiáng)度(D)影響最不顯著。

(3) 誘導(dǎo)崩解工藝參數(shù)主要控制礦石的跌落角度和跌落高度，誘導(dǎo)工程爆破孔形成的面與水平面的夾角控制在5°～30°之間，保障二次結(jié)塊礦石與目標(biāo)面的跌落角度的最佳參數(shù)之間；保證作業(yè)安全的前提下，選取結(jié)塊礦石與跌落目標(biāo)面高度差在5 m以上。由于膠結(jié)時間越長，膠結(jié)體強(qiáng)度會越大，所以，應(yīng)盡早實施誘導(dǎo)回收工程，在軟弱面力學(xué)參數(shù)較低情況下實施崩解，可以取得更好的崩解效果。

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