某鐵礦無底柱分段崩落法崩礦步距優(yōu)化

行鵬飛，時 磊，汪 龍，王 滿，黃 滾

(1.葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830001； 2.新疆天華礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044)

無底柱分段崩落法廣泛運(yùn)用于地下鐵礦石的開采[1],但由于該法需在覆巖下放礦，導(dǎo)致礦石的損失和貧化較大[2]。多年來，為解決無底柱分段崩落法中礦石貧損指標(biāo)差的問題，很多學(xué)者專家都對其進(jìn)行了理論研究，并提出了許多采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的理論與方法[3-5]，即通過調(diào)整無底柱分段崩落法采場中分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距的參數(shù)大小，使三者滿足一定比例關(guān)系[6-7]，從而實現(xiàn)礦山貧損指標(biāo)更優(yōu)的目的。但對于一個生產(chǎn)礦山，分段高度和進(jìn)路間距參數(shù)在設(shè)計時就已確定，且在三級礦量達(dá)到要求的前提下，要調(diào)整兩者大小難度較大、調(diào)整所需時間長；而崩礦步距的調(diào)整靈活、彈性大、所需時間短，且對于分段高度和進(jìn)路間距參數(shù)已經(jīng)確定的礦山，總存在一個合理的崩礦步距值，使采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)[8]。故對崩礦步距的優(yōu)化研究是簡單、合理調(diào)整采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效手段，對降低礦石貧損指標(biāo)、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益有著積極的意義。

新疆某鐵礦采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為20 m×15 m，炮孔直徑為76 mm，孔底距為2.5～2.8 m，崩礦步距有1.8 m、2.2 m和3.2 m三種不同形式，設(shè)計年生產(chǎn)原鐵礦石100萬t。目前該鐵礦在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)了生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計要求、礦石貧損指標(biāo)差等問題[9]。為了解決鐵礦出現(xiàn)的問題，本文以鐵礦為工程背景，采用了室內(nèi)相似材料模擬試驗和現(xiàn)場跟班標(biāo)定的相結(jié)合的方法對該鐵礦的崩礦步距進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。該優(yōu)化研究方法操作性強(qiáng)，適用于崩落體形態(tài)較復(fù)雜且受其他因素(如爆破質(zhì)量、地下水)影響較大的礦山，可為該類礦山進(jìn)行崩礦步距的優(yōu)化提供解決思路。

1 室內(nèi)相似材料放礦模擬試驗

1.1 單體放礦相似模擬試驗

單體放礦相似模擬試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，模型相似比為1∶100，模型尺寸為：長×寬=40 cm×40 cm，高100 cm；端壁放礦口寬3.8 cm、高3.6 cm；模型側(cè)壁每隔5 cm劃一水平刻度，用以確定標(biāo)志顆粒安放的層面位置。

本次室內(nèi)相似材料放礦模擬試驗所選用的礦巖材料均取自松湖鐵礦回采進(jìn)路中崩落的礦石和廢石，利用粒度分析軟件Nano Measurer1.2.5分析礦石的粒度分布，將取自松湖鐵礦的礦巖材料也按1∶100相似比破碎成不大于0.6 cm的塊度，用于單體放礦相似模擬試驗的礦巖散體粒度具體分布情況見表1。

將礦石散體按2.20 g/cm3的裝填密度進(jìn)行裝填，標(biāo)志顆粒按試驗要求每隔5 cm高度進(jìn)行放置，每層距放出口呈扇形分布，標(biāo)志顆粒布置如圖2所示，相鄰標(biāo)志顆粒之間間距2 cm。裝填完畢后，從端部放出口逐次放出物料，稱量并統(tǒng)計各標(biāo)志顆粒的達(dá)孔量值[10]，所得垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向達(dá)孔量數(shù)據(jù)見表2和表3;再根據(jù)試驗得到的達(dá)孔量值與標(biāo)志顆粒位置之間的關(guān)系，分別作出垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向的達(dá)孔量曲線;最后由達(dá)孔量曲線確定出達(dá)孔量相等所對應(yīng)的點，將達(dá)孔量值相等的點用光滑曲線連接起來，可得到垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向在某一放出量時其所對應(yīng)的放出體形態(tài)，如圖3所示。

圖1 單體放礦試驗?zāi)Ｐ?/p>

表1 放礦模擬試驗中礦巖散體粒度分布

圖2 標(biāo)志顆粒布置

表2 垂直進(jìn)路方向各標(biāo)志顆粒所對應(yīng)達(dá)孔量值

表3 沿進(jìn)路方向各標(biāo)志顆粒所對應(yīng)達(dá)孔量值

圖3 放出體形態(tài)

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，有放出體曲面方程見式(1)[11]。

(1)

式中：ZH為放出體鉛直高度；α、β為垂直進(jìn)路方向散體流動參數(shù)；α1、β1為沿進(jìn)路方向散體流動參數(shù)；k為壁面影響系數(shù)，影響放出體長軸形態(tài)；ω=(α+α1)/2。

當(dāng)x-kzα/2=0時，式(1)改寫為式(2)。式(2)為垂直進(jìn)路方向放出體曲面方程。

(2)

當(dāng)y=0時，式(1)改寫為式(3)和式(4)。式(3)為沿進(jìn)路方向放出體曲面方程。

(3)

g(z)=kzα1/2

(4)

圖3(a)、圖3(b)放出體形態(tài)分別用式(2)、式(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。以垂直進(jìn)路方向放出體曲面式(2)為例，將式(2)改寫為式(5)。

(5)

(6)

對式(6)兩邊同時取對數(shù)，得式(7)。

(7)

Y=A+αX

(8)

從圖3(a)中拾取垂直進(jìn)路方向放出體形態(tài)數(shù)據(jù)，并計算各組數(shù)據(jù)的X值、Y值，數(shù)據(jù)見表4；然后按式(8)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖4所示，圖4中擬合直線公式為：Y=-0.6669+1.7674X。故參數(shù)α=1.7674，(ω+1)β=0.2153。

從圖3(b)中拾取沿進(jìn)路方向放出體長軸形態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見表5；然后按式(4)進(jìn)行冪函數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖5所示，圖5中擬合冪函數(shù)公式為g(z)=13.1320z0.9084，故k=13.1320，α1=1.8168。將得到的k和α1代入式(3)，采用上述擬合方法可得β1=0.0505，ω=1.7921，β=0.0771。

表4 垂直進(jìn)路方向放出體形態(tài)數(shù)據(jù)

圖4 X-Y線性擬合

表5 沿進(jìn)路方向放出體長軸形態(tài)數(shù)據(jù)

綜上，得到室內(nèi)單體放礦相似模擬試驗條件下：垂直進(jìn)路方向礦石散體流動參數(shù)α=1.7674，β=0.0771，沿進(jìn)路方向礦石散體流動參數(shù)α1=1.8168，β1=0.0505；k=13.1320，ω=1.7921。

1.2 立體放礦相似模擬試驗

為探究在分段高度和進(jìn)路間距一定時，不同崩礦步距對礦石貧損指標(biāo)的影響，應(yīng)用編組試驗法，進(jìn)行放礦步距分別為4.5 m、5.5 m、6.5 m和7.5 m的立體放礦模擬試驗。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D6所示，模型相似比為1∶100。根據(jù)相似理論，分別對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料顆粒、放礦過程等進(jìn)行相似模擬，其中：采場分段高度和進(jìn)路間距分別為20 cm和15 cm，放礦步距分別為4.5 cm、5.5 cm、6.5 cm和7.5 cm；礦巖散體選用表1中的粒度分布，且礦石散體和廢石散體的裝填密度分別為2.20 g/cm3、1.45 g/cm3；當(dāng)次放出的礦石與廢石重量之比達(dá)到0.79時，停止放礦。每組模擬試驗需裝填兩個分段高度的礦石和一個分段高度廢石，每分段安排3～5個進(jìn)路出礦，各分段的貧損指標(biāo)取其平均值。

圖5 z-g(z)冪函數(shù)擬合

圖6 立體放礦試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.3 立體放礦試驗結(jié)果與分析

四組立體放礦模擬試驗數(shù)據(jù)見表6～9。

將四組試驗中回貧指標(biāo)與放礦步距的關(guān)系如圖7所示。

表6 20 cm×15 cm×4.5 cm各分段貧損指標(biāo)

表7 20 cm×15 cm×5.5 cm各分段貧損指標(biāo)

表8 20 cm×15 cm×6.5 cm各分段貧損指標(biāo)

表9 20 cm×15 cm×7.5 cm各分段貧損指標(biāo)

圖7 放礦步距與回貧指標(biāo)關(guān)系

從圖7可看出：在室內(nèi)立體放礦相似模擬試驗中，當(dāng)崩礦步距為5.5 cm時，其礦石回采率最高，貧損指標(biāo)最優(yōu)。所以，該鐵礦采場中放礦步距宜為5.5 m。考慮到放礦步距與崩礦步距之間存在1.3～1.5的比例關(guān)系[12]，該鐵礦采場中最優(yōu)崩礦步距在3.7～4.2 m之間。最優(yōu)崩礦步距值還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場出礦標(biāo)定結(jié)果來確定。

2 現(xiàn)場出礦跟班標(biāo)定

2.1 跟班標(biāo)定方案

出礦跟班標(biāo)定跟蹤了CM31、CM12和CM33三條回采進(jìn)路，其崩礦步距值分別為1.8 m、2.2 m和3.2 m。出礦鏟運(yùn)機(jī)鏟斗斗容有2 m3和3 m3兩種規(guī)格，兩種鏟運(yùn)機(jī)連續(xù)兩次取樣間隔分別為10斗和7斗，取樣點選擇在鏟運(yùn)機(jī)鏟斗，均勻取樣，每次取樣后利用金屬品位快速分析儀測量礦石樣品品位5次并取平均值。礦石品位達(dá)到截止出礦品位時，停止標(biāo)定，記錄測得礦石品位與其對應(yīng)鏟斗數(shù)。

2.2 跟班標(biāo)定結(jié)果與分析

將跟班標(biāo)定測得礦石品位隨出礦鏟斗數(shù)變化關(guān)系做成曲線，如圖8所示。

從圖8中可以看出：①在出礦過程中，礦石品位會出現(xiàn)兩次較大的下降，而金屬快速品位分析儀測得的礦石品位實際上是所取礦石樣品的平均品位，即出礦品位，表明礦石品位下降較快是由廢石開始大量混入所造成；②根據(jù)單體放礦相似模擬試驗中測得的放出體形態(tài)(圖3)可知，在出礦早期，放出體長軸較小，頂部廢石不會隨放出體一起被放出，端部正面為混入廢石的主要來源，由此造成出礦品位第一次快速下降，隨著放礦的繼續(xù)進(jìn)行，放出體形態(tài)越來越大，由頂部和側(cè)面混入的廢石引起出礦品位的第二次快速下降；③廢石第二次的大量混入使出礦品位很快接近該鐵礦的截止品位，從而使出礦工作提前結(jié)束，造成礦石損失，因此，為取得較好的貧損指標(biāo)，應(yīng)盡量使頂部廢石第二次混入時間推遲，即在放出高度一定時，放出體形態(tài)應(yīng)盡可能小，也即放出量應(yīng)盡可能小。

3 崩礦步距的優(yōu)化

將單體放礦相似模擬試驗測得的散體流動參數(shù)代入放出量計算式，見式(9)[12]。

(9)

式中：A為端壁切余系數(shù)；Q計算公式見式(10)。

(10)

圖8 礦石品位隨出礦鏟斗數(shù)的變化曲線

3 m3鏟運(yùn)機(jī)每鏟斗礦石量約為1.95 m3，分別計算出CM31、CM12和CM33中廢石第一次和第二次混入時的放出量Q1、Q2,再根據(jù)式(10)將CM31、CM12和CM33中廢石第一次和第二次混入時的放出量ZH1、ZH2分別計算出來，計算結(jié)果見表10。

表10 不同時間礦石放出量與橢球體高度

由式(9)計算得放出量與放出高度關(guān)系式不滿足量綱原則[13]，故用量綱分析法假設(shè)放出量Q(m3)與放出體鉛直高度ZH2(m)，滿足式(11)。

(11)

根據(jù)表10，按式(11)分別計算出不同崩礦步距CM31、CM12和C33的λ值，將不同崩礦步距與所對應(yīng)的λ值作成如圖9所示曲線。

圖9 崩礦步距與λ關(guān)系

根據(jù)上文的分析，ZH2一定時，放出量Q越小，λ值應(yīng)越小。從圖9可以看出，崩礦步距越大，λ值越小，一定放出體高度下，放出體形態(tài)越小，廢石混入率低，截止放礦時間推遲，可回收更多礦石。考慮爆破質(zhì)量的影響，再結(jié)合上文分析，推薦該鐵礦采場崩礦步距優(yōu)化值為4 m，一次爆兩排，排距為2 m。

4 結(jié) 論

1) 通過室內(nèi)單體、立體放礦相似材料模擬實驗，測得礦巖流動參數(shù)和放出體形態(tài)，得到最優(yōu)崩礦步距的范圍在3.7～4.2 m之間；結(jié)合現(xiàn)場跟蹤標(biāo)定結(jié)果，分析得到適合該鐵礦的崩礦步距優(yōu)化值為4 m。

2) 以量綱分析法簡單構(gòu)建了放出量Q(m3)與放出體鉛直高度ZH2(m)的計算公式，并以此分析出崩礦步距與放出體形態(tài)、貧損指標(biāo)的之間的定性關(guān)系，即：在放出體鉛直高度一定時，崩礦步距越大，礦石放出量越小，放出體形態(tài)也越小，此時廢石混入率較低，截止放礦時間推遲，可回收更多的礦石。

3) 式(9)為放出量與放出體鉛直高度常用計算公式，但該計算公式中放出量(m3)的量綱與等式右邊量綱不相同；如何用理論公式對礦巖散體流動參數(shù)、放出體形態(tài)參數(shù)和放出量三者之間的關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確描述是今后研究端部放礦理論的一個方向。