簡永軍，陳玉明

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

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某鐵礦無底柱分段崩落法的參數(shù)優(yōu)化研究

簡永軍，陳玉明

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

結合云南某鐵礦的生產地質條件和礦石的賦存條件，運用PFC3D數(shù)值模擬軟件建立礦山采場的放礦模型，對該礦山采場結構參數(shù)，即崩礦步距，進路間距尺寸和分段高度進行優(yōu)選。利用回貧差值大小衡量結構參數(shù)組合的優(yōu)劣情況，即回貧差值越大，放礦效果越好，采場結構參數(shù)越優(yōu)，反之，則差。通過正交試驗設計建立9組不同的采場參數(shù)組合，并分別對9組試驗驗建立對應的PFC數(shù)值放礦模型，對最后的實驗結果進行分析，經統(tǒng)計研究，最終確定該礦山的最優(yōu)采場結構參數(shù)組合為分段高度為30 m，進路間距25 m，崩礦步距6 m。

結構參數(shù)；放礦指標；回貧差；PFC3D；正交試驗；放礦模型

無底柱分段崩落法因其開采強度大，效率高，成本低，回采安全等優(yōu)點，自20世界60年代引進國內并廣泛引用于我國金屬礦山。目前應用該法開采的礦石量約占地下礦山采出礦石總量的80%。崩落法回收礦石的基本原理就是在廢石的覆蓋下面，借助重力的作用在回采巷道中進行放礦。無底柱分段崩落法的采場結構參數(shù)包括崩礦步距，進路間距和分段高度，分段高度一旦設計開始鑿巖切割，最不容易進行調整，近路間距次之，崩礦步距可根據(jù)礦山生產需要進行自由調整，他們的不同組合將直接影響到礦山的回收效益。本次研究礦山為國內最大的地下金屬礦山之一，其主要地質儲量均埋藏在深部，適宜采用大型采掘設進行井下開采，地下開采規(guī)模可達400萬t/a。進路間距，分段高度和崩礦步距的最佳關系組合協(xié)調，是獲取良好放礦效果和經濟效益的關鍵。橢球體的排列步分布形式，將會直接影響到礦石的損失，在設置結構參數(shù)時，應盡量使放出橢球體兩兩相切，即左右橢球體分別和上下兩橢球體相切，經大量文獻資料研究表明，兩兩相切時放礦效果最好，經濟效益最高。放出橢球體在垂直于回采進路的剖面上有兩種排列形式，如圖1所示。

1) 橢球體采用高分段布置時，分段高度與進路間距的關系如下：

(1)

a 大間距放出橢球體布置形式；b 高分段放出橢球體布置形式

2) 橢球體采用大間距布置時，分段高度與進路間距的關系如下：

(2)

式中H——分段高度；

B——進路間距；

a——放出橢球體的長軸；

b——放出橢球體的短軸。

1 PFC3D數(shù)值模擬的基本原理和方法

PFC(Particle Flow Code)顆粒流分析程序是以圓盤(PFC2D)或球(PFC3D)作為基本單元來模擬球形介質的運動和相互碰撞情況，允許介質發(fā)生旋轉和位移，計算過程中，也可以允許介質發(fā)生分離并重新構建新的接觸。其利用顯示差分算法和離散理論對微細觀顆粒的力學進行分析統(tǒng)計，并從粒子的基本結構來考慮介質的基本力學特性和運動行為。顆粒離散元法中顆粒的位置(position)和速度(velocity)由牛頓運動定律和力與位移方程間的關系計算，不斷使用迭代計算法來更新各個顆粒速度、位置、受力狀態(tài)和接觸狀態(tài)[1-3]，其計算循環(huán)過程如圖2所示。

圖2 顆粒位置和速度的計算循環(huán)過程

離散元法是在1979年由cundall和strack提出的，其基本觀點為把不連續(xù)介質分離成剛性元素的集合體，使每個剛性顆粒或單元都滿足運動方程,并用迭代算法來求解每個剛性元素的運動軌跡方程，從而可以求解不連續(xù)體的整體運動情況。離散單元法是把介質看成是有一系列的單元粒子組成，根據(jù)離散單元本身所具有的特性建立起數(shù)學模型，將需要分析和研究的物體看作是離散顆粒的集合，這與離散單元的離散性質基本相一致，所以，應用離散單元法來分析顆粒的運動情況和過程非常有效和突出。

PFC3D數(shù)值模擬過程中作了如下的基本假設：

1) 顆粒為圓形盤(二維)或球體(三維)；

2) 顆粒單元為剛性體；

3) 接觸為點接觸；

4) 接觸特性為柔性接觸，顆粒之間的重疊量遠遠小于球體的半徑；

5) 在接觸處有粘結強度。

2 PFC3D模型的建立

2.1方案設計

本文研究的鐵礦山采用無底柱分段崩落法開采礦石，一期設計生產能力為400萬t/a，礦塊生產能力為60萬t/a，該礦山是我國最大的地下金屬礦山之一，目前采用的采場結構參數(shù)為20×20，即分段高度和進路間距皆為20 m，在國內屬于高分段大間距參數(shù)，一直處于領先水平。二期采用高變分段的放礦形式，分段高度20，30 m不等，為了減少礦石的損失貧化，提高礦山的生產效益和回收能力，需確定采場結構參數(shù)的優(yōu)選組合。本次模擬試驗采用三因素三因子水平L9(34)進行正交試驗，三因素：分段高度、進路間距和崩礦步距，根據(jù)各因子的正交設計組合，建立9組正交試驗方案見表1。

表1 正交試驗方案 m

2.2模型建立

鑒于PFC3D數(shù)值模擬對所模擬空間尺寸結構大小無限制，則本次模擬試驗所建模型與現(xiàn)場尺寸比例為1∶1。本次試驗采用端部放礦，在模型的底部預留3～4個出礦口(相當于礦塊采場進路)。模型尺寸為130 m×80 m×(5～7) m(長×高×寬)，出礦口尺寸為4 m×4 m(高×寬)，現(xiàn)根據(jù)礦山實際情況和設備能力的大小，利用PFC3D命令程序建立9組中一組結構參數(shù)放礦模型：分段高度30 m，進路間距25 m，進路尺寸為4 m×4 m(寬×高)。本次試驗擬采用2個分段，3～4個進路，邊孔角為60(°)，設計圖見圖3a，顏色較淺為廢石，顏色較深為礦石。利用PFC3D里面的wall建立模型見圖3b。

a 放礦試驗設計；b 放礦模型

2.3顆粒參數(shù)的選擇

根據(jù)礦山生產實際情況和礦體的賦存條件，并查閱相關文獻參考以前研究的相似結果[4]，得到本次模擬的顆粒參數(shù)值，本次試驗模型中包括礦石和廢石兩種球體，礦石顆粒半徑取0.5 m，廢石顆粒取0.8 m，剛開始首采分層的礦巖界面為水平狀態(tài)，模擬所需要的參數(shù)為：顆粒半徑，顆粒和墻法向剛度和切向剛度，顆粒密度，局部阻尼系數(shù)，顆粒間和顆粒墻間的摩擦系數(shù)，顆粒顏色通過對顆粒分組改變其顏色，本次模擬設定廢石為紅色(group1)，礦石為黃色(group2)，顆粒參數(shù)值如表2所示。

表2 顆粒主要參數(shù)

2.4 PFC3D放礦模擬

本次模擬的放礦條件采用20%的截止品位控制放礦，放礦初期礦巖接觸面呈水平狀態(tài)，放出礦石為純礦石，計算一定時間后，礦巖接觸面緩慢下降，當下降一定高度后，接觸面開始出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象，隨著放礦的不斷進行，凹凸不平現(xiàn)象會更加明顯，當?shù)V巖接觸面到達放礦口時，在進路之間形成脊部殘留，殘留高度為巖石開始混入的高度，若繼續(xù)放礦，廢石開始混入出現(xiàn)貧化，放礦到截止品位時停止放礦，放礦截止品位的計算公式如下[5]：

式中aj——放礦截止品位；

nk——礦石數(shù)量；

ρk——礦石密度；

vk——礦石體積；

nf——廢石數(shù)量；

vf——廢石體積；

ρf——廢石密度；

ad——礦石地質品位。

a 第1分段裝礦及標志顆粒布置；b 第1分段循環(huán)7000步；c 第1分段標志顆?；厥者^程；d 第1分段截止放礦；e 第2分段裝礦及標志顆粒布置；f 第2分段放礦循環(huán)7000步；g 第2分段標志顆粒回收；h 第2分段停止放礦

2.5 PFC3D數(shù)值模擬結果分析

在礦山實際生產情況中，影響放礦的因素較多，除了采場結構參數(shù)組合外，還有如放礦方式，控制管理等影響因素，但是在數(shù)值模擬過程中，由于軟件本身的缺點，考慮所有的影響因素也不現(xiàn)實，經大量研究結果表明[6-8]，本次試驗只考慮3個主要的影響因子分段高度，近路間距和崩礦步距的影響。根據(jù)對9組數(shù)值試驗各放出的礦石和廢石顆粒數(shù)量的統(tǒng)計，計算出各組試驗的回收率和貧化率，然后進行比較分析，見表3～4。

表3 第1分段結果分析

表4 第2分段結果分析

通過對9組試驗得出的回收率和貧化率以及回貧差，可以直接看出每組結構參數(shù)組合的放礦效果。9組試驗中回收率變化范圍在85%～95%之間，與國內采用無底柱分段崩落法的金屬礦山相比普遍高約5%～10%，即回收率偏大。而貧化率變化范圍在18%～25%，普遍偏小，究其主要原因一：在礦山實際生產過程中，礦石中總是含有夾石，而在模擬過程中沒有考慮進去，則使回收率偏高；原因二：在實際放礦過程中，大塊廢石中總含有細小廢石，使得細小廢石提前放出，而在數(shù)值模擬過程中，廢石半徑設置均勻，則貧化率偏低。

在9組試驗中，每個模型的初始條件，邊界條件以及球體的物理力學參數(shù)和放礦步驟相同，則認為此次模擬結果具有可比性。結合第1分段回收率，貧化率及回貧差的明顯看出：編號1、2、3、4方案回貧差較低，在50%～60%之間；編號5、6、7、8、9方案中，編號8方案回收率較高，貧化率也較低，即回貧差大(回貧差越大，采場結構參數(shù)越優(yōu)，放礦效果越好，反之，放礦效果越差)。本次礦山二期工程選擇的主力采掘設備為Simba H1354 采礦臺車鉆鑿深孔，鑿巖深度可達40 m左右，所以設備性能可以滿足采用高分段的要求。根據(jù)以上分析，推薦礦山采用30 m×25 m×6 m，回采進路尺寸為4 m×4 m的采場結構參數(shù)。

3 結 論

1) 采場結構參數(shù)的合理與否，將直接影響到礦石的損失貧化指標，乃至影響到整個礦山的經濟效益，因此需要對采場結構參數(shù)進行優(yōu)選組合研究，確定礦山合理的分段高度，近路間距，進路尺寸和崩礦步距等；

2) 利用PFC3D高效靈活的特點，克服PFC2D不能對崩礦步距優(yōu)化的這一缺點，建立了研究礦山的數(shù)值放礦模型，對礦石和廢石進行分組染色模擬礦巖流動的全過程，通過對9組試驗的回貧差進行比較，得出該礦山分段高度30 m，近路間距25，進路尺寸為4 m×4 m，崩礦步距為6 m；

3) 在數(shù)值模擬過程中，回采礦石貧化率偏低，究其原因為礦體中夾有廢石，而在模擬過程中，廢石和礦石球體顆粒皆采用平均半徑生成，沒有考慮夾石對放礦的影響，故貧化率偏低。而回收率基本符合國內一般回收指標。

[1] Itasca. PFC3D-particle flow code in three dimensions, theory and background[M]. Minneapolis, Minnesota: Itasca Consulting Group, Inc, 2003.

[2] Bhandari A, Han J. Investigation of geotextile-soil interaction under a cyclic vertical load using the discrete element method[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2010, 28(1): 33-43.

[3] Yang G, Wang X H. Discrete element modeling for granular mateials[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2012(17): 2463-2474.

[4] 劉志娜. 基于PFC數(shù)值模擬的無底柱采場結構參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2008, 28(1): 3-5.

[5] 馮浩楠, 舒太鏡, 郭建來. 某礦山無底柱分段崩落法最優(yōu)參數(shù)研究[J]. 有色金屬, 2015(7): 1671-4172.

[6] 吳愛祥, 武力聰, 劉曉輝, 等. 無底柱分段崩落法結構參數(shù)研究[J]. 中南大學學報, 2012, 43(5): 1846-1850.

[7] 董鑫, 鄧紅衛(wèi). 夏甸金礦無底柱分段崩落法采場參數(shù)優(yōu)化[J]. 采礦技術, 2009, 9(3): 4-6.

[8] 黃興益. 尖山鐵礦無底柱分段崩落法結構參數(shù)研究[J]. 金屬礦山, 2012(4): 5-7.

AStudyonParametricOpitimizationofPillarlessSublevelCavingforaIronOre

JIAN Yongjun, CHEN Yuming

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Based on the geological conditions of production and the conditions of occurrence of an iron ore in Yunnan Province, the ore drawing model of mine stope was established by using PFC3D numerical simulation software. The structural parameters of the mine stope, that is, the interval of collapse and segment height. Using the difference between the poor and the poor, we know the structural parameters of the combination of the advantages and disadvantages of poor conditions is: the greater the difference back to the poor is, the better the effect of ore is, and stope structure parameters is better. Otherwise, it is poor. Nine sets of different stope parameter combinations were established by orthogonal experiment design, and the corresponding PFC numerical model was established respectively. The final experimental results were analyzed and statistically studied to determine the optimum of the mine. The combination of stope structure parameters is segment height of 30 m, with the approaching space of 25 m and collapse interval of 6 m.

Structural parameters; Ore-drawing index; Back-poor difference; PFC3D; Orthogonal test; Ore drawing model

2016-07-29

簡永軍(1990-)，男，貴州畢節(jié)人，在讀碩士研究生，研究方向：采礦理論，手機：18487137647，E-mail:1055629762@qq.com.

TD853.36+2

：Adoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.018