高變分段低貧化放礦及其參數優化試驗研究

陸玉根 章 林 孫國權 劉海林 盧玉華

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

高變分段低貧化放礦及其參數優化試驗研究

陸玉根1，2，3章 林1，2，3孫國權1，2，3劉海林1，2，3盧玉華1，2，3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

放礦工作是無底柱分段崩落法的核心工作，結構參數的選取則是放礦工作所要解決的重要內容，其直接影響著采場的出礦效率及各項回貧經濟指標。采場主要結構參數是分段高度、進路間距和崩礦步距，根據放礦學理論，這3個參數的不同組合將直接影響最終的回貧指標。大紅山鐵礦一期采用的是20 m×20 m的大結構參數組合，即分段與進路間距都為20 m，二期規劃擬在400 m水平以下采用30 m×20 m的結構參數，即將分段高度提高到30 m，屬于高變分段放礦形式。針對大紅山鐵礦二期高變分段的放礦形式，利用實驗室相似材料制作放礦模型，進行低貧化放礦研究，得到了高變分段下放出體發育形態，高變分段下最優崩礦步距及進路口規格，試驗結果證明采用低貧化放礦明顯提高了資源回收率，有效降低了礦石的損失貧化。

高變分段 低貧化放礦 回收率 貧化率 參數優選

針對大紅山鐵礦現狀及其高變分段開采規劃，為進一步提高資源回收率，降低貧化，在實驗室利用幾何相似材料制作了高變分段透明放礦模型，采用低貧化放礦，揭示了30 m×20 m結構參數下放出橢球體的發育形態及其發育規律，對不同放礦步距下得到的回貧指標進行分析得到高變分段下最優放礦步距、崩礦步距及進路口參數，首次研究探索變步距放礦形式，以期進一步探索無底柱分段崩落法放礦規律。

1 放出體發育形態研究

1.1 試驗方案

根據無底柱分段崩落法現場端壁放礦特征，按與現場1∶100的比例縮小制作單體試驗料箱，試驗在采用相似端壁情況下，下部預留一出礦口(相當于采場進路)，利用鏟斗將模型內礦巖逐步鏟出，同時，將預裝入的標志顆粒進行回收。根據標志顆粒被放出的順序，可以將不同放出高度下的放出體圈出，因此，可求得端壁條件下各種發育高度的放出體。該試驗共進行2組，分別取4.2 cm×4 cm和4.9 cm ×4 cm進路尺寸，即分別相當于現場進路口寬度為4.2 m和4.9 m，高度4 m，每組試驗進行2次，計算本礦石條件下的橢球體發育參數。

1.2 試驗結果分析

(1)根據記錄的標志顆粒數據，可推導出4.2 cm×4 cm與4.9 cm ×4 cm出礦口不同高度上的橢球體及橢球體缺發育的大致形態，見圖1、圖2、圖3、圖4，并記錄其偏心率及半軸值，見表1、表2。從放出體發育圖可以看出，放出體為一上大下小的近似橢球體缺，且與端壁之間存在一定的夾角，這是由于與端壁存在一定的摩擦力造成的。

圖1 4.2 cm×4 cm出礦口橫剖面放出體發育圖

圖2 4.2 cm×4 cm出礦口縱剖面放出體發育圖

圖3 4.9 cm ×4 cm出礦口橫剖面放出體發育圖

圖4 4.9 cm×4 cm出礦口縱剖面放出體發育圖

放出體高度/cm長半軸/cm縱短半軸/cm橫短半軸/cm偏心率(縱向)偏心率(橫向)104.031.511.630.92720.9146209.0153.653.120.91440.93823014.015.125.110.93080.93114019.036.086.080.94760.9476502487.180.94280.95426029.0359.469.180.94540.9487

(2)根據所描繪出各層高度的放礦橢球體，發現在相同的放出高度下，4.9 cm×4 cm進路口的放出橢球體比4.2 cm×4 cm出礦口的放出橢球體略微瘦些，如圖5、圖6所示。

(3)分析所得的半軸值，發現其橫半軸和縱半軸值與放出體高度之間存在近似線性關系，如圖7所示的4.9 cm×4 cm放礦口放出橢球體橫半軸值、縱半軸值與放出體高度值。

表2 4.9 cm×4 cm出礦口放出體半軸值及偏心率參數Table 2 Axle value and Eccentricity parameter table of drawing body of 4.9 cm×4 cm access adit

圖5 不同出礦口橢球體縱短半軸值對比圖

圖6 不同出礦口橢球體橫短半軸值對比圖

圖7 4.9 cm×4cm放礦口橢球體橫半軸值、縱半軸值與放出體高度值對比圖

這表明在相同的放出高度下，并不是放礦口的寬度越大其放出橢球體越大、放出量越多，但其橫半軸和縱半軸總體而言變化不大，橫半軸和縱半軸值與放出體高度之間存在近似線性關系。

2 低貧化放礦研究

2.1 試驗方案

針對無底柱分段崩落法貧化大的問題，借鑒于礦石隔離層下放礦，根據崩落礦巖移動規律采用一種新的放礦方式——低貧化放礦，即在模型的上部第一分段和第二分段中的所有進路中按巖石截止混入率5%(質量)進行控制放礦。其余的第三分段、第四分段、第五分段按原先設定的40%截止巖石混入率(質量)進行放礦。

試驗模型按與現場比例1∶100制作，模型為木質框架結構,正面尺寸統一為長×寬=1 600 cm×800 cm。巷道呈菱形交錯布置,共布置5個分層，每個分層3～4個進路，進路間距為20 cm，每個進路布置4個步距，各步距均采用可抽出式鐵皮制作，模型正面結構面板如圖8所示。試驗取步距6.72 cm，按照低貧化放礦和普通放礦方式分別進行放礦試驗。

圖8 模型正面結構面板

2.2 試驗結果分析

低貧化放礦的特點是當礦巖界面正常到達端部出礦口水平，即放礦開始有巖石混入而產生貧化時即便停止放礦。但放礦過程中，礦巖直接接觸，同時礦巖都是由大小相差不大的多種塊度組成的散體，礦巖塊移動具有很大的隨機性，因此，為了判別礦巖界面是否正常到達出礦口，允許有一些巖石混入后再停止出礦。

2種放礦方式試驗結果見表3。可以看出，在同樣的參數組合立體模型下，采用低貧化放礦的回貧指標皆明顯優于未采用低貧化放礦的回貧指標。這說明，對于無底柱分段崩落法出礦，采用低貧化放礦管理可以有效地提高礦石回收率，降低廢石混入率，提高回貧綜合指標。

表3 兩種放礦方式試驗結果對比Table 3 Test results comparison of two kinds of ore drawing

3 最優參數組合研究

3.1 試驗方案

因大紅山二期屬于高變分段放礦形式，分段高度20、30 m不等，400 m水平以下至340 m水平為2個30 m高分段，為了與該高分段放礦形式相適應，減少損失貧化，提高生產能力和回收率，進路間距取為20 m。立體模擬試驗需在此分段高度及進路間距條件下，選擇合適的放礦步距及進路參數組合，放礦步距擬分別取5.04、6.16、6.72、7.56 cm，進路口擬取為4.2 cm×4 cm和4.9 cm×4 cm兩種。

試驗分別就放礦步距與進路寬度的參數組合分別進行放礦試驗，采用低貧化放礦，得到各參數組合條件下的回貧指標，從中尋求最佳放礦步距及進路尺寸參數。試驗模型也與低貧化放礦試驗模型類似，與現場比例1∶100，端壁采用透明玻璃制作，以便直觀地觀察放礦過程中礦巖流動規律。巷道呈菱形交錯布置,共布置5個分段，第三、四段模擬現場400 m水平以下2個30 m高分段，其余各分段高度20 cm，進路間距為20 cm，模型如圖9所示。

圖9 立體放礦試驗模型

3.2 試驗結果分析

選擇放礦橢球體完整的進路口放出數據進行分析研究，計算各分段及所有分段的放出礦巖總量、放出礦石量、放出巖石量，并計算礦石的回收率、廢石混入率及相應的回貧差等值，見表4。可以看出，這些指標較現場生產實際要好，原因是實驗室所設計的試驗條件均為理想狀態，模型內礦巖流動性較強，端部、脊部及貼壁部分損失較小，但其不影響對采場結構參數組合優劣的評價。

表4 立體試驗結果匯總Table 4 Summary table of stereo ore drawing results

分析表4可以得出，回收率處于前3位的參數組合依次為7.56 cm×4.2 cm、6.72 cm×4.2 cm、7.56 cm×4.9 cm，廢石混入率較低的前3位依次是6.72 cm×4.2 cm、6.16 cm×4.2 cm、6.16 cm×4.9 cm,回貧差較優的前3位依次是6.72 cm×4.2 cm、7.56 cm×4.2 cm、6.72 cm×4.9 cm。雖然參數7.56 cm×4.2 cm回收率最佳，但其廢石混入率較高，并非為最佳組合參數。

綜合分析各立體試驗模型的回收率、貧化率和廢石混入率指標，可以得出在變分段高度在20～30 m，進路間距為20 m時，在所有的立體試驗模型中，放礦步距為6.72 cm，進路尺寸寬4.2 cm高4 cm時回貧指標最優，此時的回收率為92.81%，廢石混入率為11.54%，回貧差為81.28%;其次為7.56 cm×4.2 cm組合。由于本礦未進行工業放出體試驗，因此實驗室與現場的參數不能換算，本次試驗合理放礦步距應在6.72～7.56 cm，其現場的合理崩礦步距區間并未得到。但依據其他礦山經驗及工業放出體與實驗室放出體對比，一般實驗室的放礦步距是現場崩礦步距的1.2～1.4倍，即修正系數K=1.2～1.4。根據實踐經驗，礦山選擇的段高和進路間距都比較大，因此選取K=1.4進行修正，由此求得本礦現場的合理崩礦步距應為4.8～5.4 m。

4 變步距放礦形式研究

4.1 試驗方案

可變步距模型與固定步距模型的不同點在于步距的變化，各分段上的放礦步距應隨著分段高度的變化而變化，當分段高度變大放出體增高的情況下放礦步距必然隨著放礦橢球體的變大而增大。總結原有的放礦經驗，共進行2組變步距模型試驗，組合參數如表5。圖10為可變步距放礦模型。

表5 可變步距參數組合Table 5 Variable step parameter combinations

圖10 可變步距放礦模型側視圖

4.2 試驗結果分析

試驗得到的變步距參數放礦模型回貧指標見表6。

表6 變步距參數放礦模型回貧指標Table 6 Recovery and dilution depleted of variable step ore drawing model

將變步距參數放礦模型與之前得到的固定步距放礦模型試驗數據項比較分析，發現變步距(4.5/4.5/5.5/6/5.5)cm×4.2 cm參數試驗結果其回收率為91.42%僅次于6.72 cm×4.2 cm與7.56 cm×4.2 cm組合。2種參數組合的巖石混入率都較低，即從試驗結果可以看出采用變步距參數立體模型可以有效地降低廢石混入率，且具有較高回收指標。但在現場生產實踐中這種變步距出礦方式較復雜，要求具有較高的生產組織技術水平，目前在礦山要得到推廣實踐還有一定的難度，但相對于傳統的出礦方式已是一大創新，具有很大的研究空間。

5 結 語

(1)通過單體放礦試驗研究得出高變分段下放出橢球體缺在不同放出高度下的發育參數，如半軸值及偏心率等，揭示了橢球體缺的發育規律。

(2)通過對高變分段模型采用低貧化放礦，設置對比試驗，證明在此高變分段情況下，相對于以往的截止品位放礦，低貧化放礦可明顯提高回貧指標。

(3)在分段高度30 m，進路間距20 m的高變分段情況下，優選不同的放礦步距與進路寬度的參數組合，分別進行放礦試驗，得到各參數組合條件下的回貧指標，從中尋求最佳放礦步距及進路尺寸參數，放礦步距為6.72 cm，進路尺寸寬×高(4.2 m×4 m)時回貧指標最優。

(4)創新性地提出了變步距放礦模式，試驗結果證明采用變步距放礦可有效降低廢石混入率，具有較好的回貧指標。

[1] 劉興國，周 驥.放礦理論基礎[M] .北京：冶金工業出版社,1995 . Liu Xingguo，Zhou Ji.Foundation of Ore Drawing Theory[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,1995.

[2] 王昌漢.放礦學[M] .北京：冶金工業出版社，1982 . Wang Changhan.Ore Drawing Science[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,1982.

[3] 解世俊.金屬礦床地下開采[M].北京:冶金工業出版社，2006. Xie Shijun.Metal Deposit Mining Under Ground[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,2006.

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(責任編輯 石海林)

Experimental Study on Low Dilution Drawing of High and Variable Sublevel and its Parameter Optimization

Lu Yugen1,2，3Zhang Lin1,2，3Sun Guoquan1,2，3Liu Hailin1,2，3Lu Yuhua1,2，3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Maanshan243000,China；2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000,China；3.NationalEngineeringResearchCenterofHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResources，Maanshan243000,China)

Ore drawing is the core work of the pillarless sublevel caving method，and the selection of the structural parameters in stope is an important work of ore drawing，which directly impacts on the mining efficiency and mining economic indicators (including recovery and dilution depleted).The main structural parameters of the stope are sublevel height，access space and caving step.According to the theory of ore drawing，different combinations of these three parameters will affect the final index.Large structural parameters combination of 20×20m was used in phaseⅠof Dahongshan iron mine，and sublevel height and access space were both 20m.phase II planned to adopt 30×20m structural parameters combination，that is，the sublevel height is raised to 30m，which belongs to high and variable sublevel ore drawing.In connection with the high and variable sublevel ore drawing in Phase II Project of Dahongshan Iron mine，similar materials in laboratory were used to produce ore drawing model and conduct low dilution ore drawing research，achieving the developmental morphology of drawn-out ore-body，optimal caving space and intersection hole under high and variable sublevel condition.The test results prove that the low dilution ore drawing significantly improved resource recovery，and effectively reduced ore loss and dilution.

High and variable sublevel，Low dilution ore drawing，Recovery，Dilution rate，Parameter optimization

2013-11-29

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)。

陸玉根(1987—)，男，助理工程師，碩士。

TD853.36

A 文獻標志碼 1001-1250(2014)-04-012-05