高 鋒，甘德清，陳 超，盧宏建，李澤營

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066000)

無底柱分段崩落法是安全高效的采礦方法，基本特點(diǎn)之一是覆巖下放礦[1]。結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦參數(shù)選擇不當(dāng)，將增大礦石損失貧化，造成技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)惡化[2]。礦石損失浪費(fèi)了礦山的基建投資，降低了礦山產(chǎn)量和礦山服務(wù)壽命，導(dǎo)致礦產(chǎn)資源的永久丟失。礦石的貧化降低采出礦石的品位，增加了回采、運(yùn)輸和提升等費(fèi)用，加大破碎和選別的負(fù)荷，精礦品位低，尾礦產(chǎn)出率大且有用成分含量高，增加尾礦庫安全管理和礦區(qū)環(huán)境治理的困難[3]。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合工業(yè)試驗(yàn)，室內(nèi)物理放礦試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，進(jìn)行了大量放礦研究，基于橢球體放礦理論體系，提出了許多新型放礦理論和經(jīng)驗(yàn)公式[3-6]。以河北鋼鐵集團(tuán)廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采為工程背景，結(jié)合放出體與崩落體最大程度吻合的原則，聯(lián)合應(yīng)用數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)的方法，耦合優(yōu)化廟溝鐵礦崩礦步距和進(jìn)路間距。

1 礦山簡介

廟溝鐵礦是河北鋼鐵集團(tuán)的主采礦山之一，目前生產(chǎn)規(guī)模245萬t/a，露天境界內(nèi)資源儲量1721.79萬t，露天開采還可以維持8.5年，亟需轉(zhuǎn)入地下開采。地下開采礦石儲量4960.2萬t，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為300萬t，無底柱分段崩落法開采。礦體埋深500m，主礦體平均厚度為16.3～26.3m，最大厚度72.41m，傾角70～85°，全長近1400m；其余礦體平均厚度3.5～7.7m，傾角75～87°。礦區(qū)內(nèi)圍巖、礦石硬度系數(shù)為10～14，穩(wěn)固性好，坑內(nèi)正常涌水量9283.6m3/d。地下開采設(shè)計(jì)利用的資源儲量平均品位TFe29.30%，mFe24.27%。

礦山引進(jìn)SimbaH1354采礦鉆機(jī)5臺，最大鉆孔深度達(dá)51m，Toro1400電動鏟運(yùn)機(jī)4臺，額定斗容5.4m3。綜合考慮礦石圍巖穩(wěn)固性、礦體賦存狀態(tài)和礦山技術(shù)裝備的工作性能，設(shè)計(jì)采用20m分段高度，斷面尺寸為4m×4.5m的采礦進(jìn)路。

影響無底柱分段崩落法放礦效率的因素很多，如采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、崩落礦石塊度、崩礦步距、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)等。由于爆破技術(shù)的進(jìn)步，礦石塊度可以通過爆破技術(shù)得到較好的控制。分段高度、出礦口斷面和出礦設(shè)備確定以后，影響礦石回收效率的主要因素為進(jìn)路間距和崩礦步距。進(jìn)路間距和崩礦步距在對放礦效率的影響中彼此關(guān)聯(lián)，有必要進(jìn)行耦合優(yōu)化。

2 放礦理論計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算模型

無底柱分段崩落法端部放礦時(shí)，可以近似認(rèn)為放出體是下部放出口截切的半個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體[3]，分段高度hf和放出體高度h的近似關(guān)系見式(1)。

h=2hf-hc

(1)

礦石實(shí)際體積回收率是崩礦步距r的函數(shù)[7]，無底柱分段崩落法崩礦為擠壓爆破，崩礦步距和垂直進(jìn)路方向的橢球體短半軸b的簡化計(jì)算見式(2)。

r=0.6b

(2)

根據(jù)崩落體和放出體相吻合的原則，沿進(jìn)路方向的橢球體短半軸c的簡化計(jì)算見式(3)。

(3)

由沿進(jìn)路方向短半軸b，放出體高度和放礦口寬度可以計(jì)算放出橢球體的體積、偏心率ε和進(jìn)路間距S的近似值[3]，見式(4)。

(4)

S≈2b+W

(5)

(6)

式中：W為進(jìn)路寬度，m；hc為進(jìn)路高度，m；n為礦石松散系數(shù)，1～1.5。其中，放礦高度h近似等于放出體的長軸2a。

2.2 回貧差計(jì)算模型推導(dǎo)

由于放礦時(shí)礦石和巖石與礦壁之間的摩擦作用，半無限邊界(端部)條件下出礦的放出橢球體長軸和礦壁之間成一個(gè)夾角，放出體為前傾扁橢球缺[3]。利用前傾扁橢球體缺幾何模型，借鑒前人的研究成果[2-7]，推導(dǎo)無底柱無底柱分段崩礦法放礦質(zhì)量回貧差計(jì)算模型。

橢球體放礦實(shí)際體積貧化率和實(shí)際體積回收率計(jì)算見式(7)、式(8)。

(7)

(8)

式中：c為沿進(jìn)路方向的短半軸；Aac為a2tan2θ+c2；θ為流軸與端壁夾角；L1為atanθ，θ為放出體長軸與礦壁之間的夾角，一般為2～4°；N為漏斗母線在垂直進(jìn)路方向上所截線段的長度，N=b+(hf+1-a)tanφ；Aab=a2tan2φ+b2，φ為礦巖平均流動角的余角，在實(shí)驗(yàn)室條件下為15～20°。

在無底柱分段崩落法放礦研究中，使用質(zhì)量回貧差便于研究結(jié)果的對比分析。引入礦石密度與廢石密度之比α，物理相似模擬試驗(yàn)覆蓋層巖石品位一般為0，推導(dǎo)出實(shí)際體積貧化率pv與實(shí)際質(zhì)量貧化率pm、實(shí)際體積回收率ηv與實(shí)際質(zhì)量回收率ηm之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，從而推導(dǎo)出質(zhì)量回貧差的計(jì)算公式。如覆蓋巖石不含品位，體積貧化率為放出巖石體積與放出礦巖體積之和的比，近似等于實(shí)際體積貧化率，見式(9)。

(9)

(10)

(11)

(12)

無底柱分段崩落法的回采進(jìn)路菱形布置，放出橢球體體積等于放出礦石與巖石體積之和，單步距回采的實(shí)際體積回收率具有等效公式(13)。

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：m1，V1為單步距放出礦石的質(zhì)量和體積；m2，V2為單步距放出巖石的質(zhì)量和體積，無貧化放礦時(shí)為0。

2.3 計(jì)算結(jié)果

以20m分段高度、4.5m進(jìn)路寬度和4m進(jìn)路高度為初始參數(shù)，利用以上數(shù)學(xué)模型，首先進(jìn)行崩礦步距為2.8m、3.2m、3.6m、4.0m、4.4m的耦合計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加密計(jì)算，得到不同步距條件下的進(jìn)路間距和質(zhì)量回貧差。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 無底柱分段崩落法放礦參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 單進(jìn)路放礦試驗(yàn)

固定分段高度20m不變，改變進(jìn)路間距和崩礦步距。考慮到室內(nèi)試驗(yàn)條件，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，參考類似礦山無底柱分段崩落法放礦研究與應(yīng)用情況[8-11]，試驗(yàn)參數(shù)組合為20m×15m×3.2m，20m×16m×3.4m，20m×16.5m×3.6m，20m×17m×3.8m，20m×18m×4.0m，20m×19m×4.4m。

制作1∶50比例尺立體放礦模型，用磁鐵礦和白云巖作為試驗(yàn)材料，根據(jù)設(shè)計(jì)的爆破塊度和覆蓋層粒級組成按1∶50的比例進(jìn)行破碎，測出破碎后的礦石和巖石的粒級組成如表2所示。礦石松散體重2.105t/m3，濕度0.8%。巖石松散體重1.798t/m3，濕度0.6%。

為提高試驗(yàn)過程中橢球體發(fā)育的相似性，采用柵式嫁接礦壁，使下落的礦石和巖石與礦壁真實(shí)接觸摩擦，使用1∶50鉸接式活動鏟斗，模擬鏟運(yùn)機(jī)動作，按一定順序均勻出礦。

表2 礦石和巖石粒級組成

實(shí)時(shí)記錄鏟出的礦石和巖石質(zhì)量，計(jì)算礦巖體積，按1∶50比例進(jìn)行換算成實(shí)際體積。當(dāng)放出礦巖實(shí)際總體積達(dá)到表1中與崩礦步距對應(yīng)的放出體體積時(shí)，停止出礦，計(jì)算礦石質(zhì)量貧化率，結(jié)合進(jìn)路中單步距承擔(dān)的礦石量，計(jì)算礦石質(zhì)量回收率。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 立體放礦試驗(yàn)結(jié)果及其與理論回貧差的誤差數(shù)據(jù)

立體相似模擬試驗(yàn)得出，理論計(jì)算回貧差與放礦試驗(yàn)回貧差的絕對誤差在±10%以內(nèi)，證實(shí)了質(zhì)量回貧差公式推導(dǎo)的正確性和理論計(jì)算的可靠性；6組相似模擬驗(yàn)中，16.5m進(jìn)路間距、3.6m放礦步距放礦的礦石回貧差最高。

4 總結(jié)

以放出體和崩落體最大程度吻合理論為基礎(chǔ)，基于實(shí)際體積貧化率和實(shí)際體積回收率推導(dǎo)質(zhì)量回貧差的計(jì)算模型，為無底柱分段崩落法放礦研究結(jié)果的對比分析提供直觀便捷的途徑。通過多組1∶50比例尺立體相似模擬放礦試驗(yàn)，驗(yàn)證質(zhì)量回貧差計(jì)算模型和理論計(jì)算結(jié)果是可靠的。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行立體相似模擬放礦試驗(yàn)，試驗(yàn)的相似性和可靠性高。根據(jù)研究結(jié)果，推薦礦山使用16.5～17m進(jìn)路間距和3.6m 的崩礦步距進(jìn)行工業(yè)實(shí)驗(yàn)。

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