無底柱分段崩落法結構參數研究

吳愛祥，武力聰, ，劉曉輝，孫希文，周穎，尹升華

(1. 北京科技大學 土木與環境工程學院，北京，100083；2. 有色金屬礦產地質調查中心，北京，100012；3. 北京大地盛業房地產土地評估有限公司，北京，100013)

采礦方法結構參數不僅直接影響到開拓、采準以及回采準備的工程量，而且相應影響到投資、成本和采礦效益等。此外，對于像無底柱分段崩落法這類采礦方法，一般認為，結構參數還直接影響到礦石回收指標和回收效果，從而全面影響到礦山開采的技術經濟指標和效益[1]。正因為如此，采礦方法結構參數歷來受到生產礦山、科研以及設計等方面的高度重視。無底柱分段崩落法的結構參數除要取得較高的礦石回收率外，還要充分發揮鑿巖和出礦設備的生產能力，降低開采成本，提高采礦效率。根據放礦模擬實驗的結果，結構參數有2種趨勢：一種是分段高度大于進路間距的高分段結構形式，另一種是分段高度小于進路間距的大間距結構形式。這2種結構形式都具有節約采準工程量、一次崩礦量大、采礦強度大等優點，但在具體操作過程中有很大的區別，大間距結構形式因其可操作性更強、鑿巖費用更低和采場地壓管理更簡單等優點[2-3]而備受關注。本文作者以湖北某鐵礦為例，通過室內放礦試驗和計算機數值模擬兩種方法，以大間距結構參數理論為基礎，對該鐵礦采礦方法結構參數進行研究分析，并最終確定最合理的采礦方法結構參數。

1 大間距結構參數理論

大間距空間排列理論跳出單個放出體[4]的框架，著重研究各放出體之間空間排列問題，而所用的基本原則沒有變，還是采用崩落礦石的爆破堆積體形態應盡可能地與放出體形態相吻合。

大間距結構形式[5-6]如圖1所示，上下2個球體相切，左右兩個球體被分開，且分別與上下2個球體相切，設橢球體長軸半徑為a，短軸半徑為c，則按橢球體布置進路時，分段高度為：

進路間距為：

圖1 大間距放出橢球體排列形式Fig.1 Large space drawing ellipsoid arrange form

顯然，

2 研究方案

正交實驗法[7]就是利用排列整齊的表——正交表來對試驗進行整體設計、綜合比較、統計分析，實現通過少數的實驗次數找到較好的生產條件，以達到最高生產工藝效果。由于正交試驗能以較少的試驗次數獲得較多的信息量，試驗點安排的均勻而具有代表性，試驗所得結果可靠且能說明問題。因此，采用正交試驗法對結構參數進行分析。

從放礦角度考慮，影響無底柱分段崩落法礦石回收指標的參數因素包括分段高度(H)、進路間距(B)、放礦步距(L)、邊孔角(α)、進路尺寸(a×b)、崩落礦巖塊度、出礦鏟取方式、鏟取深度以及炮孔排面傾角等，但其中最主要的3個因素還是分段高度、進路間距和崩礦步距。本次實驗就是選取分段高度、進路間距和崩礦步距3個因素，對放礦過程進行模擬，以求獲得可以指導實際的最優結構參數。基于此，將影響礦石回收的主要因素分段高度、進路間距和崩礦步距作為正交試驗的3個代表因素。

綜合考慮目前礦山的技術裝備水平、管理水平以及現有實驗室條件，擬定的因子水平為3個水平，具體的因素確定情況見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal Experiment factor level

3 室內放礦試驗研究

3.1 試驗模型

本次研究，主要是利用多分段立體放礦模型[8]在實驗室進行放礦試驗。由于本次試驗根據參數選取不一樣共有9種放礦方案，因此，放礦模型也與參數對應的有9個。模型的相似比為1:100，共有2個分段，每個分段有5～6條回采進路，每條進路有4個步距；采礦方法的主要結構參數(H×B×L)為14 m×16 m×5 m，進路尺寸(高度×寬度)為3 m×3 m。

3.2 試驗準備

按照1:1 000的相似比將所取回的礦石和巖石破碎為實驗所需塊度。根據現場要求，礦石塊度定為5～8 mm，巖石塊度定為 8～20 mm。為方便觀察礦石和巖石分界線運動規律，特利用油漆將巖石染為鮮紅色，以與黑色的礦石形成鮮明的對比。

3.3 試驗結果

根據正交試驗的因素水平，選用 L9(34)正交表安排本次模擬放礦試驗。共計安排了9個放礦方案，每個方案只進行1個分段、1個步距放礦，但安排多個進路同時出礦。每次放礦都采用低貧化放礦方法進行出礦，即當礦石和巖石的質量比分別為2:1時，停止放礦。上分段放礦結束圖見圖 2，下分段放礦結束圖見圖 3。三因素三水平正交試驗表及其模擬放礦指標見表2。

3.4 結果分析

正交試驗法中，各影響因素對結果的影響程度可用極差R來確定[9]。極差R越大，表明該因素對結果的影響也大，反之就小。通過對表2中礦石回收率極差R的比較，可以發現，影響礦石回收率的3個主要因素中，分段高度對礦石回收率的影響最大，進路間距其次，影響最小的是放礦步距。

圖2 第一分段放礦結束圖Fig.2 Ore drawing final chart of first section

圖3 第二分段放礦結束圖Fig.3 Ore drawing final chart of second section

表2 三因素三水平正交試驗表及放礦指標表Table 2 Three factors and levels orthogonal experiment and ore drawing index

極差分析可以定量地確定3個主要因素對礦石回收率影響的敏感程度，但不能看出礦石回收率隨各因素變化的變化趨勢，以各因素為橫坐標，以礦石回收率指標為縱坐標，繪制出因素與指標的趨勢圖，如圖4所示。

由圖4可以發現：不論分段高度和放礦步距，還是進路間距，礦石回收率的變化趨勢都是隨它們高度的增大而呈現先變大后減小的趨勢。這表明礦石回收率必定在該選定參數水平之間必有1個峰值，而且是最大值。因此，可以將該鐵礦的采場結構參數定為：進路間距16 m，分段高度14 m，放礦步距4 m。

4 數值模擬研究

4.1 三維放礦模型參數確定

PFC3D軟件是通過細觀力學參數表征顆粒及黏結的力學性質[10-11]。對數值模型進行計算分析之前，必須賦予模型假定的細觀力學參數，進行數值試樣試驗，并將計算得到的試樣宏觀力學參數與室內試驗結果對比，不斷調整細觀力學參數，當計算結果與試驗結果一致時，便可將該組細觀力學參數應用于實際計算模型。

圖4 礦石回收率趨勢圖Fig.4 Trend of ore recovery ratio

本文采用的三維放礦數值模型尺寸與室內試驗保持一致，顆粒相互接觸模型采用接觸-剛度模型。該模型建模參數主要包括礦石與巖石顆粒半徑、法向剛度、切向剛度、摩擦因數、密度和顏色等，通過反復調試，當采用表3中的細觀力學參數時，基本與宏觀力學參數相吻合。

4.2 數值模擬

與室內試驗對應，放礦數值模擬也有9個不同的模型，本文僅以其中一組放礦參數建立放礦模型為例進行分析[12-13]。首先定義墻體，其尺寸與室內試驗參數一致，并在該墻體控制區域內隨機生成顆粒，顆粒半徑采用高斯分布。為提高顆粒的生成速度與計算效率，先生成小直徑的顆粒，在利用膨脹系數擴大半徑，并通過膨脹生成初始應力場，最后通過循環來消除模型內部的非均勻應力。圖5所示為放礦過程圖。

表3 顆粒參數表Table 3 Particle parameters

圖5 放礦過程圖Fig.5 Ore drawing process

4.3 模擬結果

根據計算機放礦過程，分別統計最后的礦石回收率與巖石混入率可得到以下結果。與室內試驗一致，由于首分段要保留微貧化層，并且脊部殘留較大，因此，結果統計以第二分段放礦數據為準。數值模擬放礦數據表見表4。

表4 數值模擬放礦數據表Table 4 Numerical simulation ore drawing data

4.4 結果分析

根據計算機模擬出的各個放礦方案的放礦結果，建立1個只考慮分段高度、進路間距和放礦步距三大因素的礦石回收率的回歸方程[14-15]。利用Matlab計算出各項回歸系數，可直接寫出無底柱分段崩落法的礦石回收率回歸方程為：

該回歸方程可用于預估各種參數條件的礦石回收指標并對各參數方案進行定量分析和評價，也可以在更廣泛的范圍內說明礦石回收率與分段高度、進路間距和放礦步距等三大影響因素的變化關系。固定回歸方程中的某些因素并將回歸方程進行簡化，就可以得到不同參數對礦石回收率的影響情況如圖6所示。

綜合以上回歸分析的結果，并結合大間距結構參數理論可以發現：

(1) 在放礦步距、分段高度以及進路間距三大影響因素中任意2項因素一定后，另一因素對礦石回收率的影響均呈現二次曲線的變化關系，且都是呈先增大再減小的變化趨勢。

圖6 礦石回收率與影響因素關系圖Fig.6 Relationship between ore recovery ratio and influence factor

(2) 放礦步距、分段高度以及進路間距3個參數在擬定的水平因子區間都存在1個使礦石回收率達到最大的水平因子。

(3) 根據圖 6可以發現：當放礦步距、分段高度和進路間距分別定為4，14和16 m時，礦石回收率可以達到最大值。

5 結論

(1) 放出體基本為橢球體，這完全符合放礦橢球體理論，即放礦過程滿足橢球體理論。這表明本研究可以保證理論上的合理性。

(2) 進路間距、分段高度、放礦步距這 3個主要因素對礦石回收率的影響各不一樣。其中，分段高度對礦石回收率的影響最大，進路間距其次，影響最小的是放礦步距。

(3) 將該鐵礦采場結構參數定為：分段高度14 m，進路間距16 m，放礦步距4 m。

[1]任鳳玉, 韓智勇, 王文杰, 等. 北洺河鐵礦采場結構參數的確定方法[J]. 中國礦業, 2006, 15(3): 44-46.REN Feng-yu, HAN Zhi-yong, WANG Wen-jie, et al. Study on the structure parameters of sublevel caving in Beiming iron mine[J]. China Mining Magazine, 2006, 15(3): 44-46.

[2]張國聯, 邱景平, 宋守志, 等. 無底柱分段崩落法回收指標與分段數關系研究[J]. 金屬礦山, 2004(4): 14-16, 19.ZHANG Guo-lian, QIU Jing-ping, SONG Shou-zhi, et al. Study on relationship between recovery index and sublevel number in pillarless sublevel caving[J]. Metal Mine, 2004(4): 14-16, 19.

[3]張國聯, 邱景平, 宋守志, 等. 張家洼礦無底柱分段崩落法結構參數灰色決策[J]. 東北大學學報: 自然科學版, 2006, 27(4):454-457.ZHANG Guo-lian, QIU Jing-ping, SONG Shou-zhi, et al. Grey decision-making for constructional parameters of non-pillar sublevel caving in Zhangjiawa Iron Mine[J]. Journal of Northeastern University: Natural Science, 2006, 27(4): 454-457.

[4]高永濤. 放出期望體理論與電算模擬放礦的相似性[J]. 北京科技大學學報, 1994, 16(3): 201-204.GAO Yong-tao. Searching similarity of computer simulating drawing based on EVB drawing theory[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 1994, 16(3): 201-204.

[5]金闖, 董振民, 范慶霞, 等. 梅山鐵礦大間距結構參數研究與應用[J]. 金屬礦山, 2002(2): 7-9.JIN Chuang, DONG Zhen-min, FAN Qing-xia, et al. Research and application of large space structural parameters[J]. Metal Mine, 2002(2): 7-9.

[6]董振民, 范慶霞, 金闖, 等. 大間距集中化無底柱采礦新工藝研究[J]. 金屬礦山, 2004(3): 1-4.DONG Zhen-min, FAN Qing-xia, JIN Chuang, et al.Investigation of new technology of wide-spaced centralized pillar less mining[J]. Metal Mine, 2004(3): 1-4.

[7]田冬梅, 蔣仲安, 姚建, 等. 基于正交試驗與回歸統計方法的露天礦運輸揚塵影響因素分析[J]. 北京科技大學學報, 2009,31(8): 957-963.TIAN Dong-mei, JIANG Zhong-an, YAO Jian, et al. Influencing factors analysis of dust mass concentration by transportation in open-pit mines based on orthogonal experiment and multiple regression statistics[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 31(8): 957-963.

[8]程愛平, 許夢國, 劉艷章, 等. 金山店鐵礦低貧化放礦試驗研究[J]. 金屬礦山, 2010(7): 23-25.CHENG Ai-ping, XU Meng-guo, LIU Yan-zhang, et al.Experimental study on low dilution ore drawing in Jinshandian Iron Mine[J]. Metal Mine, 2010(7): 23-25.

[9]李愛兵. 邊坡穩定性影響因素敏感度的正交極差分析方法[J].勘查科學技術, 1995, 13(4): 28-31.LI Ai-bing. Orthogonal polar difference analysis method of the sensitivity of the influencing factors or slope stability[J]. Site Investigation Science and Technology, 1995, 13(4): 28-31.

[10]Itasca Consulting Group Inc. Particle flow code (Version 3.0)[M].Minneapolis: ICG, 2004: 22-26.

[11]Brady B H G, Brown E T. Rock mechanics for underground mining[M]. London: Allen & Unwin, 1985: 334-339.

[12]朱煥春. PFC及其在礦山崩落開采研究中的應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2006, 25(9): 1927-1931.ZHU Huan-chun. PFC and application case of caving study[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006,25(9): 1927-1931.

[13]劉志娜, 梅林芳, 宋衛東, 等. 基于PFC數值模擬的無底柱采場結構參數優化研究[J]. 礦業研究與開發, 2008, 28(1): 3-5.LIU Zhi-na, MEI Lin-fang, SONG Wei-dong, et al. Study on stope structure parameter optimization of sublevel caving without sill pillar based on numeral simulation with PFC[J].Mining Research and Development, 2008, 28(1): 3-5.

[14]鄧代強, 高永濤, 吳順川, 等. 水泥尾砂充填體劈裂拉伸破壞的能量耗散特征[J]. 北京科技大學學報, 2009, 31(2): 144-148.DENG Dai-qiang, GAO Yong-tao, WU Shun-chuan, et al.Destroy energy dissipation characteristics of cement-tailings backfill under splitting tensile condition[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 31(2): 144-148.

[15]Sen S K, Shaykhian G A. Matlab tutorial for scientific and engineering computations[J]. Nonlinear Analysis Theory Methods and Applications, 2009, 71(12): e1005-e1020.