含硫結塊礦石誘導崩落分解特性分析

汪為平 薛小蒙

(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.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000)

硫化礦石是重要礦種之一，該類礦石在采場回采破碎后，在一定壓力、溫度和濕度環(huán)境耦合作用下，容易二次結塊板結［1］，導致出礦與放礦困難，并且可能自燃［2-3］，影響到礦山的正常作業(yè)生產(chǎn)。

結塊礦石的強度主要取決于膠結弱結構體力學性質。在同等破壞的條件下，動態(tài)沖擊比靜態(tài)荷載作用的破碎能量消耗更少［4］。巖石結構在沖擊動荷載作用下主要表現(xiàn)出拉裂破壞的特征［5-6］。針對銅坑礦的結塊礦石，可以利用下部開采崩頂實施誘導崩落［7-8］沖擊破碎。本研究利用ANSYS/LS－DYNA 軟件數(shù)值仿真方法，在對實施誘導崩落沖擊崩解的技術參數(shù)模擬基礎上，分析不同條件下的結塊礦石的跌落破碎效果，優(yōu)化礦山的誘導崩解技術參數(shù)，為誘導崩落沖擊破碎結塊礦石技術的實施提供理論基礎。

1 模型構建

銅坑礦細脈帶高含硫礦體依靠整體崩落開采，礦山鏟裝、運輸能力不足，導致大量崩落礦石積壓結塊。

擬采用誘導崩落結塊礦石的方法實現(xiàn)礦石的自然分解。誘導崩落分解的主要力學機制是:動荷載比靜荷載能夠更加有效實現(xiàn)巖石的破壞，通過尖點沖擊作用，能夠強化沖擊破壞效果。結塊礦石跌落后以不同角度與目標面碰撞，產(chǎn)生較大的沖擊動拉應力和壓應力，礦石塊之間的膠結弱結構體在沖擊動拉應力作用下易發(fā)生斷裂破壞，形成結塊礦石的崩解。

1.1 建立分析模型

以銅坑礦結塊礦石為研究對象，建立仿真模型如圖1。圖1 中礦石塊體間為硫化物膠結弱結構;結塊礦石計算目標中的單個礦石模型尺寸為0.3 m(直徑)×0.15 m(厚)的六棱柱體，礦石和膠結弱結構構成的結塊礦石模型尺寸為0.95 m× 0.59 m×0.15 m，目標面尺寸為2.26 m×2.26 m×0.11 m;計算過程選擇為自然跌落，各材料的力計算學參數(shù)取值如表1 所示，目標面為剛性體。

圖1 結塊礦石崩落模型Fig.1 Model of induction caving of caking ore

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

1.2 方案設計

仿真模擬的主要參數(shù)定義:跌落高度是在誘導崩落沖擊跌落過程中模型的“長邊”與目標面平行的情況下，模型最低點與目標面的垂直高度;跌落角度是模型寬邊與目標面所成的最小角度，其中0°是結塊的礦塊跌落觸地時，礦塊面與目標面全部接觸的水平跌落。抗拉強度和抗壓強度主要考慮結構面的力學參數(shù)，即結塊后硫化物膠結弱結構的強度參數(shù)。模擬試驗中，針對待考察的影響因素，采取其他因素取定值，該考察因素為變量的方法。

為分析結塊礦石的放頂誘導崩落沖擊動力學特性和崩解的效果，利用ANSYS/LS－DYNA 軟件對模型進行顯式動力學分析，試驗設計的技術參數(shù)見表2。在表1 材料參數(shù)的條件下，對誘導崩解的工藝參數(shù)進行仿真模擬，進而確定合理的誘導崩落高度和跌落角度等工藝參數(shù)。

表2 仿真試驗參數(shù)Table 2 The simulation parameters

2 結果分析

結塊礦石的回收利用主要就是解決礦石二次破碎的難題。利用下層礦體的正常回采誘導結塊礦石實現(xiàn)崩解，是一種新的技術思路。為合理評估崩解的效率，定義崩解率為仿真模擬中的結塊礦石誘導崩解后的塊數(shù)與原生礦石塊數(shù)的比值

式中，η 為結塊礦石的崩解率;N0為崩解后的礦石破碎塊數(shù);Nb為二次結塊礦石的初始礦石塊數(shù)，Nb=10。

2.1 崩解特性分析

結塊礦石從5 m 高度不同角度跌落后的崩解效果如圖2 所示，0°條件下，結塊礦石無法順利崩解。30°、60°、90°條件下能夠實現(xiàn)結塊礦石的崩解，其崩解主要沿著結塊的膠結弱面發(fā)生。在30°時結塊礦石的崩解效果最好，達到了100%。

圖2 跌落角度不同時的崩解效果Fig.2 Caving effect under different dropping angle

2.2 采場結構參數(shù)的影響分析

不同采場結構參數(shù)下礦石崩解效果統(tǒng)計如圖3。從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，材料抗拉、抗壓強度及跌落角度一定的條件下，隨著跌落高度的增加，結塊礦石的崩解率呈線性增加。因此，滿足安全生產(chǎn)條件下，應選擇盡可能大的跌落高度。跌落角度與崩解率之間呈現(xiàn)一種非線性的關系，這主要是由于不同的跌落角度下，沖擊產(chǎn)生的動應力與接觸點的關系差異影響所致。

圖3 礦石崩解率與跌落參數(shù)的關系Fig.3 Relationship between caving rate and dropping parameters

崩解效果與高度之間存在一定的線性關系，隨跌落高度的增加，結塊礦石的崩解率也會有相應的增加。但在實際工程中，空區(qū)高度越大可能帶來更大的安全隱患，需要在滿足崩解要求的情況下，盡可能降低放頂高度，提高作業(yè)的安全性。

2.3 膠結弱結構體強度參數(shù)對崩解效果的影響

結塊礦石的弱結構的力學參數(shù)具有不確定性，是膠結過程中的膠凝強度、塊石分布、膠凝時間等的函數(shù)，一般而言隨著膠凝時間的增加，其強度愈強。為合理考慮誘導工藝的控制參數(shù)，對膠結弱結構的參數(shù)進行分析。

取5 m 為計算的跌落高度，選取不同的弱結構抗拉和抗壓強度值進行模擬，其參數(shù)見表2。對不同大小的抗壓和抗拉強度進行組合，以分析弱結構強度值對崩解效果的影響規(guī)律。本計算主要選取30°、60°和90°這3 種跌落角度進行分析，其計算分析的崩解率見圖4。

圖4 礦石崩解率與弱結構體參數(shù)的關系Fig.4 Relationship between caving rate and weak structure parameters

分析發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)固定的情況下，崩解率與弱結構的抗壓強度無相關性，崩解率隨著抗壓強度的增加不發(fā)生改變。從力學分析也可知，在跌落過程中，主要表現(xiàn)出的破壞為動拉應力破壞，因此，弱結構的抗壓強度對二次結塊礦石的崩解影響可以忽略，見圖4(a)。崩解率與抗拉強度與呈現(xiàn)出一種負相關性，隨著抗拉強度的增加而減少，雖然抗拉強度的變化梯度較小，只有抗壓強度變化梯度的1/20，但仍然對礦石的崩解效果產(chǎn)生顯著影響，而且跌落角度不同，崩解率變化的程度也不同。30°時，崩解率變化最小，只有當抗拉強度達到最大值1.5 MPa 時，崩解率才會出現(xiàn)減少;60°和90°跌落情況下，崩解率變化最為顯著，見圖4(b)。

3 結 論

(1)結塊礦石的崩解效果受弱結構抗拉強度的影響，隨著抗拉強度的降低，崩解率增加;抗壓強度對崩解率的影響不顯著。由于膠結時間越長，膠結體強度會越大，所以應盡早實施誘導回收工程，在膠結弱結構強度較低情況下實施崩解，可以取得更好的崩解效果。

(2)誘導工程的技術參數(shù)主要是控制結塊礦石的崩落高度和跌落角度，在條件允許的情況下，結塊礦石與跌落面的高度差至少應達到5 m;誘導爆破超深面與水平面的夾角為5° ～30°。

(3)該研究表明利用誘導崩落技術回收、破碎結塊礦石是可行的。同時，該方法還需要進一步的理論研究，并在實際應用中不斷改進。

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