基于PFC的無底柱分段崩落法崩礦步距優化

丁航行，牛 倫，孫明志，任鳳玉，邱海濤

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.正元國際礦業有限公司，北京 100085；3.南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司，江蘇 南京 210041)

20世紀60年代無底柱分段崩落法從瑞典Kiruna引入我國后，在地下鐵礦山開采中獲得大量推廣應用，并很快成為主體采礦方法。隨著采礦設備的進步，瑞典Kiruna鐵礦等國外礦山增大采場結構參數獲得成功，大結構參數開采可顯著提高采礦經濟效益，國內礦山相繼也開展了增大采場結構參數的試驗研究工作[1-2]，取得了長足進步，但礦石損失貧化指標控制仍然不夠理想，分析其原因，主要是采場結構參數值(分段高度、進路間距與崩礦步距)的比例關系不能很好的適應散體流動規律，使崩落體與殘留體的總體形態與放出體形態的相符程度較低。在實際生產中，即便在同一礦山的不同部位，放礦條件往往變化較大，而且地質礦化作用的差異、礦體軟硬程度的差異、崩落礦石塊度組成的變化，都影響散體的流動，從而導致放出體形態變化[3-7]。因此，需要根據不同采礦條件，研究采場結構參數的優化，而在采場結構參數確定的情況下，崩礦步距的優化對于回采指標的提高尤其重要[8-11]。

本文結合無底柱分段崩落法典型礦山——梅山鐵礦的生產實際，采用離散元數值分析軟件PFC3D對不同的崩礦步距礦石流動及回收情況進行分析，得出最優的崩礦步距，并進行工業試驗驗證。

1 生產概況

梅山鐵礦為盲礦體，頂板標高由-34～-32 m，底板標高由-169.4～-524 m，總趨勢是東南部埋藏較淺，西北部埋藏較深。礦體形態受接觸帶形態控制，主礦體形態呈透鏡狀，中間厚而富，邊緣薄而貧，并有分枝。在主礦體之下，還有多個平行的單獨小礦脈，多為表外礦，厚度為3.24～18 m，一般長105～141 m，礦體內夾石一般較少。

梅山鐵礦自1965年建設以來，采用無底柱分段崩落法開采，采場結構參數(分段高度×進路間距)從最初10 m×10 m，增大到15 m×20 m，一次崩礦量達到了3 600 t，經濟效益顯著[12-14]。梅山鐵礦在大間距結構參數研究方面處于國內領先地位。作為國家“十五”攻關項目，梅山鐵礦在原有15 m×15 m結構參數的基礎上進行了大間距結構參數的改造，根據梅山鐵礦的工業放出體參數，確定其在分段高度為15 m時的合理進路間距為20 m，進行了9個不同崩礦步距的實驗室物理模擬、計算機仿真和相應的現場試驗，并最終確定出適合梅山鐵礦合理的結構參數，理論和生產實踐都證明該結構參數可顯著降低礦石損失貧化率，提高礦山生產效率，研究成果獲得國家科技進步二等獎。但是，由于上述參數選取的實驗依據主要在-243 m水平及以上，隨著開采水平的不斷下降，特別是進入到二期延伸作業水平，新的采礦階段將采用18 m×20 m的采礦結構參數，而且礦巖性狀發生了較為明顯的變化，原有的崩礦步距已不能滿足，因此，對崩礦步距進行優化使之與新的結構參數相匹配十分有必要。

2 PFC數值模擬

PFC3D顆粒流分析程序(particle flow code)主要用于模擬任意大小的三維球體集合體的運行及其相互作用的顆粒分析，該軟件中的顆粒為剛性體，但在力學關系上允許重疊，以模擬顆粒之間的接觸力[15]。球狀顆粒系統的運動和相互作用通過時間追趕法進行求解。基于以上特點，在礦石顆粒流分析中，該軟件被大量應用，本文利用該軟件對模擬不同崩礦步距情況下礦巖的流動。

2.1 計算模型

采用PFC3D內嵌FISH語言建立放礦模型，放礦數值模型尺寸與現場尺寸一致，模型分段高度18 m，進路間距20 m，覆蓋層巖石厚約40 m，進路斷面為6 m×3.8 m，扇形中深孔的邊孔角為60°。模型用擋墻模擬成爆破后邊界條件，放礦模型示意圖如圖1所示。

考慮生產實際和鑿巖精度，共設計了6組模擬方案進行比對，即方案1～6的崩礦步距分別為1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m和2.8 m。由于梅山鐵礦礦石松散系數約為1.3，模型實際崩落體厚度簡化為沿進路方向崩礦步距的1.3倍。

在PFC3D軟件里，將礦石和巖石模擬成球形顆粒，需賦予顆粒一定的細觀力學參數。根據梅山鐵礦現場實際條件與室內測試結果，確定礦巖顆粒主要的微觀物理參數見表1。顆粒接觸模型采用接觸剛度模型和接觸黏結模型。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model of ore-drawing

表1 顆粒主要參數表Table 1 Main parameters of particles

類型粒徑/m密度/(t/m3)摩擦系數初始孔隙率礦石0.15～0.503.681.100.35巖石0.35～0.752.250.600.45

模擬中出礦方式為放礦口端部自然流出的礦巖顆粒全部放出，利用PFC接口計算機語言FISH，開發編寫了功能程序，使其自動檢測顆粒位置，當顆粒在重力作用下流入到進路端部空間位置區間時，通過顆粒的刪除，來模擬無底柱分段崩落法放礦的過程。同時FISH程序對刪除的顆粒進行檢測，判斷是否為礦石，將放出的顆粒數目進行記錄統計，以便進行放礦過程控制。

為了便于比較，按照總貧化率12%控制出礦，巖石認為品位為0，編制的FISH程序每4 000步記錄一次放出顆粒情況，統計放出礦石、巖石顆粒體積，計算礦石總體貧化率，一旦達到12%即停止放礦，并記錄此時的礦石回采率。

以2.8 m崩礦步距為例，建立的PFC3D模型如圖2所示。圖2中上部淺色的黃色顆粒為巖石，下部深色的紅色顆粒為礦石。最終模型生成礦巖顆粒11 000個，其中礦石顆粒為4 000個(Φ0.15 m 200個，Φ0.2 m 200個，Φ0.3 m 800個，Φ0.3 m 1 200個，Φ0.5 m 1 600個)，巖石顆粒為7 000個(Φ0.35 m 700個，Φ0.5 m 2 450個，Φ0.75 m 3 850

個)。放礦中礦石和巖石顆粒受重力作用和摩擦力影響，自動沉降并達到平衡狀態。

2.2 模擬結果及分析

在放礦開始之前，模型處于受力平衡狀態。放礦一旦開始，模型中的受力平衡狀態被打破，顆粒受重力和摩擦力作用，開始發生速度和空間位置的變化。PFC程序每運行10 000步，記錄圖像如圖3所示。

圖2 放礦模型初始平衡狀態Fig.2 Initial balance state of the ore-drawing model

圖3 2.8 m崩礦步距放礦過程模擬Fig.3 Ore-drawing simulation of 2.8 m blast rings space

由圖3(a)可以看出，放礦開始放出的顆粒基本是礦石，很少有巖石，屬于無貧化放礦階段。隨著放礦的進行，巖石逐漸開始混入，該階段巖石的來源主要是端部巖石(圖3(b))，礦石貧化率開始增加。在放礦中后期，上部覆蓋層巖石從兩側開始大量混入(圖3(c))，貧化快速增加，最終礦石貧化率達到12%，停止放礦(圖3(d))。

模擬試驗結束后，6組崩礦步距方案得出的放礦模擬結果見表2。

將表2中崩礦步距與礦石回采率的關系繪制如圖4所示曲線。由圖4可知，在貧化率12%的情況下，18 m×20 m采場結構參數最優的崩礦步距為方案3，即2.2 m。

表2 放礦模擬結果Table 2 Results of ore-drawing simulation

圖4 崩礦步距與回采率關系Fig.4 Relationship between blast rings space andrecovery rate

3 現場工業試驗

為了驗證數值模擬結果，在-306 m分段5L S4#進路，對2.2 m崩礦步距進行工業試驗。試驗區域平面圖如圖5所示，在虛線試驗區域累積爆破回采13排炮孔，并跟班收集回采數據。

圖5 工業試驗區域平面圖Fig.5 Plan of industrial test area

如圖6所示，試驗區域鑿巖爆破參數為：雙鑿巖中心，鑿巖中心間距2.3 m，距底板高1.0 m；每排設計8個炮孔，炮孔直徑91 mm，總延米數167.2 m，按85%的裝藥系數計算總裝藥量約為923 kg；孔底距離2.30～2.76 m；每排崩礦量約2 451 t，炸藥單耗0.38 kg/t。

圖6 試驗采場炮孔布置圖Fig.6 Hole layout of test stope

試驗完畢，根據跟班調查數據計算可得，崩落13排炮孔，總崩礦量33 190 t，總出礦量32 671 t，地質品位46.09%，出礦平均品位41.50%，試驗區域回采率為88.64%，貧化率為9.95%，試驗效果顯著，驗證了數值模擬的準確性。

4 結 語

本文采用PFC3D軟件，結合梅山鐵礦無底柱分段崩落法生產實踐，進行了崩礦步距的優化研究。通過對初步設計的6組崩礦步距方案進行模擬，得出在18 m×20 m采場結構參數條件下，最優的崩礦步距為2.2 m。經過現場工業試驗驗證，該崩礦步距對應的回采率和貧化率指標提升效果顯著。本文工作對于梅山鐵礦未來采用大結構參數高效開采，進而提高企業經濟效益，具有重要的意義。