鏟入深度對無底柱分段崩落法放礦效果的影響

路增祥，常貫峰，宮國慧

(1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧省金屬礦產資源綠色開采工程研究中心，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼集團礦業公司弓長嶺井下礦，遼寧 遼陽 111007)

無底柱分段崩落法以其安全、高效、機械化程度高、開采成本低等優點，在國內金屬礦山得到了快速推廣和應用，特別是在地下鐵礦山的應用更為廣泛，目前應用此方法采出的鐵礦石總量已占地下鐵礦石總采出量的80%左右[1-2]。但由于該法是在覆巖下落礦和放礦的，礦石損失和貧化問題突出。為改善無底柱分段崩落放礦效果，降低損失貧化，陶干強等[3]以隨機介質放礦理論為基礎推導出了崩礦步距的理論計算公式，并給出了采場結構參數與采出率和貧化率之間的計算公式；吳愛祥等[4]以大間距結構參數理論為基礎，利用多分段立體放礦模型，分別進行實驗室放礦試驗和計算機放礦數值模擬，確定了合理的采場結構參數；邵安林[5]從覆蓋巖層移動規律角度研究了廢石移動對損失貧化的影響；任鳳玉等[6]、何榮興等[7]、劉娜等[8]分別從結構參數、放礦控制點以及回采過程中礦石損失貧化的發生過程與細部控制方法等方面，分析了對無底柱分段崩落法損失貧化的影響；張國建等[9-10]研究了無底柱分段崩落法放出體、松動體、崩落體三者關系，以及覆蓋巖層自然分級現象對損失貧化的影響；喬登攀等[11]研究了端部放礦放出口散體流動速度分布，揭示了端部放礦條件下放出口沿進路方向的散體有效流動范圍，指出增大鏟運機的鏟入深度有利于內部礦巖的平穩流出。

上述研究成果對無底柱分段崩落法的發展起到了很大的促進作用，但在放礦過程中鏟運機鏟入深度對損失貧化影響方面的研究卻較少。因此，本文以大結構參數為基礎，通過物理模擬實驗研究鏟入深度對端部放礦中放出礦石量、巖石量、礦石回收率及巖石混入率等指標的影響，對確定合理的鏟入深度、優化鏟運機選型、改善出礦效果有一定的實際意義。

1 實驗方案

1.1 實驗模型

實驗采用自制模型箱裝填物料模擬采場結構(圖1)，采用幾何比為1∶50。模型尺寸為400 mm×400 mm×1 000 mm(長×寬×高)，模型箱中礦石裝填高度為400 mm，模擬分段高度20 m；上部覆蓋巖層裝填高度為400 mm，模擬覆蓋巖高度20 m。分別以52 mm、72 mm和92 mm的礦層厚度模擬2.6 m、3.6 m和4.6 m的崩礦步距，對3種不同崩礦步距，均按7種不同的鏟入深度進行放礦實驗。

圖1 模型原理圖

1.2 實驗材料

模型結構與巷道均采用10 mm透明有機玻璃板與角鋼制作。礦石采用磁鐵礦(黑色)，廢石采用石英巖(白色)，經破碎、篩分成所需粒徑組后備用。礦石與廢石顆粒組成見表1。

1.3 實驗用出礦鏟設計

實驗所用出礦小鏟以4 m3(鏟斗寬2.5 m)鏟運機為基礎設計出礦礦鏟寬度，其設計原理圖見圖2。

圖2中，礦鏟的定位值L由式(1)確定。

L=Lh-x(1)

式中：Lh為模型巷道長度，Lh=210 mm；x為鏟入深度值。

1.4 鏟入深度確定

Janelid和Kvapil[12]根據Rankine土壓力理論，提出了鏟運機的最優鏟入深度的計算式，見式(2)。根據出礦巷道高度H，測定出礦巖散體的自然安息角φ，即可根據式(2)計算出鏟運機時的最佳鏟入深度。

(2)

式中：x為鏟入深度，m；H為巷道高度，m；φ為自然安息角，°。

已知實驗巷道高84 mm，經測定，實驗所用礦石材料自然安息角為38°，由式(2)計算得到最佳鏟入深度值為66.46 mm。為研究不同鏟入深度對放礦效果的影響，實驗采用的鏟入深度見表2。

表1 礦巖顆粒級配組成

圖2 出礦鏟設計原理圖

序號計算值x/mm模擬值/m礦鏟定位值L/mm146.462.32149256.462.82159366.463.32169476.463.82179586.464.321896106.465.322097126.466.32229

1.5 模型裝填與出礦

裝填模型前，先標記崩礦步距大小，然后將隔板豎直放在標記處，使模型箱兩側面標記點連線與隔板平行，用以將崩礦步距礦石與正面廢石隔開。裝填時，保持隔板兩側礦石與廢石同時升高，以確保步距大小不發生變化。達到設計分段高度時，把礦石頂部與廢石頂部整理平整，然后豎直向上抽出隔板。為了不擾動裝填步距內礦石層上表面，裝填頂部廢石之前，先在礦石層表面覆蓋一層廢石，然后繼續裝填廢石到設計高度。

每組實驗出礦前，先調節好所需要的礦鏟定位值，出礦過程保持全斷面均勻出礦，鏟取時模擬鏟運機運動方式鏟礦，每次出礦結束后，將廢石與礦石分離、稱重、記錄，當混巖率達到70%時停止出礦。

2 放礦過程的廢石混入特征

2.1 實驗現象分析

從出礦口所在面觀察，按廢石漏斗的演變過程和廢石混入情況，將放礦過程分成廢石漏斗擴展、廢石混入和放礦截止三個階段，廢石漏斗的演變過程如圖3所示。

2.1.1 廢石漏斗擴展階段

此階段內，純礦石逐漸被放出，廢石未混入出礦過程。圖4為鏟入深度為2.32 m時不同崩礦步距放礦口出現廢石時，廢石漏斗發育情況。

圖3 頂部廢石漏斗演變過程圖

圖4 2.32 m鏟入深度下廢石漏斗擴展情況圖

從圖4可以看出，頂部廢石漏斗的發育情況受崩礦步距影響較大。隨著崩礦步距的增大，頂部廢石漏斗凹陷深度逐漸增大；當放礦口出現廢石時，頂部廢石漏斗尚未破裂。各崩礦步距在其他鏟入深度條件下，放礦口出現廢石時，頂部廢石漏斗也均未破裂。

2.1.2 廢石混入階段

隨著放礦的持續進行，放礦口開始出現廢石，從放礦口出現廢石到頂部廢石漏斗破裂這一過程為第二階段。在該階段放礦過程中，廢石混入礦石中被放出，且隨著出礦次數的增加，混入的廢石量也在增加。

2.1.3 放礦截止階段

廢石漏斗破裂后繼續出礦，廢石漏斗的邊際線會逐漸下移并發生破裂，混巖率曲線突然變“陡”，并很快到達出礦截止的混巖率，此過程為第三階段。漏斗破裂開始后的一段時間內，頂部廢石漏斗邊際線呈細長型，如圖3(b)所示。整個過程可以觀察到廢石漏斗邊際線由水平逐漸向下凹陷成“漏斗”狀，繼續出礦，漏斗最低點逐漸向下移動，邊際線發育成細長型。最終從眉線中點處破裂，并向眉線與巷道兩幫壁交點處移動。

2.2 廢石混入特征

放礦過程中，在廢石漏斗擴展的初期階段，放出的為純礦石。隨著放礦漏斗的繼續擴展，廢石開始混入。此時，由于頂部廢石漏斗尚未破裂，可以判斷，混入的廢石均為來自正面的廢石侵入。當廢石漏斗破裂后，頂部的廢石開始大量侵入，加劇了放出礦石的貧化。

根據放礦過程中觀察到的現象分析，從出礦口沿端壁向內部延伸，礦巖顆粒流動速度可分為“慢”、“快”、“慢”三個區，這說明崩礦步距與采場結構參數不匹配時，崩落礦堆中流動較快的滑移面延伸到了正面廢石中，造成崩落礦石與正面廢石交界面某個高度范圍內的廢石過早地侵入到放礦過程，并且這一過程可能會持續到放礦截止。

因此，造成無底柱分段崩落法放礦貧化的廢石來源有兩個方面：一是端壁正面的廢石侵入；二是頂部廢石漏斗破裂后覆蓋巖的侵入。放礦過程中，前一種情況發生在頂部廢石漏斗破裂之前，且持續時間長；而后一種情況發生在廢石漏斗破裂之后，雖然持續時間短，但造成礦石損失貧化的程度大。

3 鏟入深度對放礦的影響

3.1 鏟入深度對混巖率的影響

根據放礦實驗結果，出礦過程中不同崩礦步距、不同鏟入深度條件下，巖石混入率隨出礦量變化的走勢見圖5。圖5中箭頭所指位置為頂部廢石漏斗破裂的時間點。

圖5 不同鏟入深度下混巖率隨出礦量變化走勢圖

從圖5可以看出：①同一崩礦步距條件下，鏟入深度越小，廢石漏斗破裂的時間越晚，鏟入深度越大，則越早；②同一崩礦步距條件下，廢石漏斗破裂前的廢石混入時間隨鏟入深度的增加而提前，而且，混巖率的增長速率隨鏟入深度的增大而增大。

3.2 鏟入深度對礦石總回收率和總混巖率的影響

根據實驗結果，計算不同鏟入深度下的礦石總回收率和總混巖率，得到不同崩礦步距、不同鏟入深度下礦石總回收率與總混巖率曲線圖(圖6)。

從圖6可以看出，在放礦達到截止品位以前，隨著鏟入深度增加，礦石回收率和混巖率總體上呈現出增大趨勢，并表現出以下特征。①不同崩礦步距下，礦石回收率和混巖率的增長速率隨鏟入深度的變化而變化，且礦石回收率增加時，混巖率也在增加；而礦石回收率降低時，混巖率也同時降低。②三種崩礦步距的礦石回收率和混巖率變化曲線，均在某一鏟入深度下，出現了突然降低的曲線拐點，分別是2.6 m崩礦步距時，發生在4.32 m的鏟入深度；3.6 m崩礦步距時，發生在3.82 m的鏟入深度；而4.6 m崩礦步距時，礦石回收率的突降拐點發生在2.82 m的鏟入深度，混巖率的突降拐點則發生在5.32 m的鏟入深度。這一現象說明鏟入深度與崩礦步距相關。③鏟入深度較小時，礦石回收率不穩定，鏟入深度過大又帶來較高的混巖率。崩礦步距較小時，礦石回收率不高，適當增大崩礦步距可以提高礦石回收率。

圖6 不同鏟入深度下礦石總回收率與總混巖率曲線圖

從整個放礦過程看，鏟入深度較小時，出礦過程中觀察到的放礦口礦堆表面只有很薄的一層礦巖流動，且流動具有間斷性，放礦口眉線處頻繁出現結拱；內部礦巖不能及時補充被鏟出礦巖的空缺部分，只有振動或把卡堵的大塊清理后，放礦口內部的礦石才會流出，且是突然涌出，流出的礦巖中多伴有大塊礦巖，放礦過程中混巖率增加比較緩慢。隨鏟入深度加大，礦鏟對內部礦巖擾動較大，放礦口內部礦巖均勻地向外流出，放礦過程中混巖率增加速率會變大。

4 結 論

1) 不同鏟入深度條件下，放礦口出現廢石時，頂部廢石漏斗底部邊際線均未到達放礦口，說明正面廢石相對于頂部廢石會較早的侵入放礦過程。

2) 鏟入深度較小時，每次鏟出的礦量較少，混巖率增加速率變化比較平緩，且放礦口頻繁形成結拱；隨著鏟入深度的增加，每次出礦量增多，混巖率增加速率逐漸增大，放礦口不易形成結拱。

3) 放礦口礦巖結拱破壞時，內部礦巖會突然涌出，造成放礦口內部礦巖不均勻流動，此刻流出礦巖多伴有大塊，這可能是正面廢石較早混入出礦過程的一個影響因素。

4) 鏟入深度較小時，礦石回收率較低，混巖率也低；鏟入深度增大，礦石回收率增加，混巖率也同時增加。當放礦過程中鏟入深度一定，在總出礦量相同條件下，崩礦步距越大，巖石混入率越低。

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