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.華唯金屬礦產資源高效循環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生產。

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，動態沖擊比靜態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 軟件數值仿真方法，在對實施誘導崩落沖擊崩解的技術參數模擬基礎上，分析不同條件下的結塊礦石的跌落破碎效果，優化礦山的誘導崩解技術參數，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Table 1 Material parameters

1.2 方案設計

仿真模擬的主要參數定義: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，即結塊后硫化物膠結弱結構的強度參數。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見表2。在表1 材料參數的條件下，對誘導崩解的工藝參數進行仿真模擬，進而確定合理的誘導崩落高度和跌落角度等工藝參數。

表2 仿真試驗參數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與原生礦石塊數的比值

式中，η 為結塊礦石的崩解率;N0為崩解后的礦石破碎塊數;Nb為二次結塊礦石的初始礦石塊數，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°條件下能夠實現結塊礦石的崩解，其崩解主要沿著結塊的膠結弱面發生。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 采場結構參數的影響分析

不同采場結構參數下礦石崩解效果統計如圖3。從圖3(a)可以發現，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，提高作業的安全性。

2.3 膠結弱結構體強度參數對崩解效果的影響

結塊礦石的弱結構的力學參數具有不確定性，是膠結過程中的膠凝強度、塊石分布、膠凝時間等的函數，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，對膠結弱結構的參數進行分析。

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的關系Fig.4 Relationship between caving rate and weak structure parameters

分析發現，在其他參數固定的情況下，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生改變。從力學分析也可知，在跌落過程中，主要表現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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