采場結構參數與放礦方式的相似物理試驗優化研究

鄭志杰，黃 丹，董凱程，王志修

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

無底柱分段崩落法是一種相對比較成熟的采礦方法，在地表允許崩落的礦山中，大部分都采用無底柱分段崩落法進行開采。近年來，隨著裝備技術水平的提高，無底柱分段崩落法的工藝參數也在逐步加大。該采礦方法的理論基礎可追溯至20世紀50年代，由波蘭專家J LITWNISIZYN采用概率方法表示散體的移動過程，由此提出隨機介質放礦理論[1]。1958年，蘇聯學者P M馬拉霍夫假設放礦過程中放出體為橢球體形態，在此基礎上，研究橢球形放出體的運動過程[2]。在此基礎上經30余年的發展逐漸形成了橢球體放礦理論與類橢球體放礦理論[3-11]。目前確定無底柱分段崩落法中最優采場結構參數的方法，大多以橢球體放礦理論為基礎，采用理論分析、工程類比、相似物理試驗、或數值模擬分析法進行橢球體形態幾何排優及效果驗證。張國聯等[12]以純礦石放出量最大與純礦石回收率最高作為評判標準，提出了最佳結構參數的理論計算方法；李迅等[13]通過相似物理試驗方法，模擬礦山不同結構參數下礦石回收率，并以此確定最優結構參數。還有部分學者采用相似物理試驗和計算機模擬相結合的方法，分析無底柱分段崩落法采場結構參數對礦石回收率的影響，并根據試驗結果確定最佳采場結構參數[14-15]。

本文以新疆某礦山350～450中段采場結構參數優化為工程背景，基于相似物理試驗結果，結合工程類比經驗和理論分析方法優化大結構參數下的進路間距、崩礦步距與放礦方式。指導礦山提高生產能力，降低人員勞動強度。

1 礦山概況

某礦山位于新疆哈密地區，礦區工程地質類型屬堅硬-半堅硬為主的非層狀礦床，為工程地質條件簡單-中等和水文地質條件簡單的礦區，且地表允許崩落。該礦山采用無底柱分段崩落法開采，原采場結構參數15 m×13.3 m。因礦山生產接續和降本增效需要，希望將分段高度設置為20 m，降低采準工程和施工費用，并且提高其生產能力。為此開展適用于礦山的大結構參數無底柱分段崩落法研究，結合礦山開采技術現狀提高采場結構參數，使其保證礦山生產能力。

2 橢球體放礦理論

無底柱分段崩落法放礦過程中，受底部放礦結構和出礦方式影響，放出體發育不完全，其主要形態參數如圖1所示。在分段高度確定時，采用大間距排列方式布置采場，進路間距大，采準作業量小。此外，大間距排列的結構參數明顯大于高分段的排列形式，放出橢球體的體積明顯較大，其效率、生產組織、規模化作業優勢明顯，所以推薦大間距排列形式的大結構參數無底柱分段崩落法，當然，結構參數增大的前提是采礦裝備和爆破工藝及參數的匹配。

在崩落礦石堆體放出過程中，放礦方式、崩礦步距、鏟運機、進路尺寸等都是影響無底柱分段崩落法整體效能的關鍵因素。實際生產中，崩落礦石堆體形態并非嚴格的橢球體，排列方式達到最優狀態也無法將崩落礦石堆體完美覆蓋[16-18]。以橢球體相切可以作為進路間距布置的理論基礎，但具體實施中，進路間距的選擇應考慮一定的彈性，在一定范圍內推薦選擇相對較小的進路間距。綜合以上兩點，實際推薦的進路間距應比大間距理論計算的進路間距偏小。

3 室內物理模型試驗研究

3.1 模型設計與試驗材料制備

設計單體物理模型與立體放礦模型進行試驗，模型形態如圖2所示，模型材料均應用高強度透明亞克力板與鋼結構加工，通過透明亞克力板觀測礦石散體流動狀態并進行標注。綜合考慮各模型的試驗目的與試驗難度，單體物理模型與立體放礦模型箱件尺寸分別按照現場1∶50和1∶100的比例加工制作，模型內的礦石塊度比例也按照模型比例制備。

1-放礦巷道；2-放出橢球體；3-放礦漏斗；a-放出橢球體長半軸；b-放出橢球體垂直進路方向短半軸；c-放出橢球體沿進路方向短半軸；θ-放出橢球體軸偏角；B-崩礦步距；H-放出高度圖1 橢球體示意圖Fig.1 Schematic diagram of ellipsoid

圖2 物理試驗模型Fig.2 Physical test model

表1 礦石及其破碎粒級Table 1 Ore and crushing grading

獲取采場出礦進路中爆堆圖像，采用圖像處理與自主編程識別的方式對爆破塊度進行統計分析，確定模型中礦石塊度比例。因井下獲取的爆堆圖像質量較差，圖像分析算法對塊度小于50 mm礦石無法有效辨識，因此，主要對圖像中50 mm以上塊度進行提取，各粒級及所占比例見表1。以1∶50和1∶100的相似尺寸作為塊石破碎的要求，礦石通過物料鄂式破碎機逐粒級自大而小破碎，礦石均破碎完成后，根據設計粒級比例進行人工采集和混拌均勻。

3.2 單漏斗放礦試驗

單漏斗放礦模型底部出礦口尺寸4 cm×4 cm，選取標志顆粒，刷上油漆，每隔4 cm高度放一層標志顆粒，通過流動性直接觀察橢球體形態，并以此反應橢球體缺橫剖面、縱剖面的軸參數。在透明亞克力板上繪制不同放礦高度下的橢球體剖面(圖3)，測量放出體a軸、b軸、c軸長度及軸偏角θ，試驗結果見表2。

圖3 橢球體實測曲線Fig.3 Measured curve of ellipsoid

表2 橢球體參數試驗結果Table 2 Results of ellipsoid parameter test

試驗結果表明，隨著放出量和放出高度的增大，橢球體呈放大趨勢發展。橢球體發育可以分為兩個階段。第一階段為放出體發育階段。放礦高度在24 cm以內時，放礦進路全寬均勻出礦，其放出體下部粗大，上部細小，放出體最寬處在放礦進路巷道處，礦石的流動限制在一個拋物拱范圍之內，從而使放出體形態形成拋物狀松動拱結構。該階段垂直進路方向和沿進路方向偏心率較大，放出體呈細長直筒形。 第二階段為放出橢球體擴展階段。 放礦高度超過24 cm時，隨著放出量的增加，放出體橢球體逐漸擴大，放出橢球體整體偏心率也逐漸增長，表面該橢球體在長軸方向擴展比例較大，轉化為細長橢球體。

20 m分段高度下對應最終放礦高度為40 m，根據試驗結果，垂直進路方向橢球體短半軸為5.83 m，沿進路方向橢球體短半軸為4.76 m，軸偏角為4°。偏心率對橢球體的影響很大，室內試驗偏心率與實際偏心率通常誤差較小，但兩者之間并無規律可循，實際偏心率應由工業試驗確定。

3.3 立體模型放礦試驗

多分段立體放礦模型相似比為1∶100，模型包含3個分段，每個分段4～5條回采進路，每條進路5個步距(圖4)。模型主要中分段高度20 m、進路間距18 m、放礦步距5 m，進路斷面尺寸4 m×4 m。分別以無貧化放礦與低貧化放礦方式進行放礦，對比兩種放礦方式，最終以回貧差作為評判指標，對放礦方式進行優選。

圖4 立體放礦試驗Fig.4 Three-dimensional ore drawing test

采用無貧化放礦方式，三個分段最終巖石混入率為2.39%，礦石回收率81.48%，回貧差79.09%。以15%貧化率作為停止放礦的條件，三個分段最終巖石混入率為13.5%，回收率92.89%，回貧差79.36%。采用低貧化放礦雖然廢石混入率會增加，但是與此對應的礦石回收率也會增加，對比兩種放礦方式最終回貧差，推薦礦山采用低貧化放礦方式。無貧化放礦與低貧化放礦試驗結果見表3和表4。

表3 無貧化放礦試驗結果數據Table 3 Data of ore drawing test results without dilution

表4 低貧化放礦試驗結果數據Table 4 Data of low dilution ore drawing test

4 采場結構參數與放礦方式優選

4.1 進路間距優選

1) 利用單漏斗放礦試驗結果計算。分段高度為20 m時放礦高度為40 m，根據單漏斗放礦試驗結果，此時垂直進路方向短半軸為5.83 m，計算得出進路間距為20.1 m。

2) 根據其他工業試驗數據計算。大量實驗室試驗和工業試驗表明，20 m分段高度下，長半軸與短半軸之間的比值在2.5～3.5之間[19]，據此經驗數據計算得出進路間距為19.79～27.71 m。

3) 類比相似礦山計算。調研統計典型無底柱分段崩落法礦山的橢球體橫剖面偏心率見表5。分段高度與大紅山鐵礦和尖山鐵礦相同，表中偏心率數據顯示，大紅山鐵礦垂直進路方向偏心率取值范圍包含了尖山鐵礦偏心率取值范圍。綜合以上因素，暫推薦大紅山銅礦對應的偏心率進行估算。

分段高度20 m時橫軸偏心率取0.908～0.951，根據偏心率數據得出橢球體橫半軸為6.18～8.38 m。類比大紅山試驗數據，進路間距為21.42～29.03 m。

4) 進路間距的優選。目前，礦山采用3 m3鏟運機出礦，鏟運機偏小，會導致放礦橢球體窄長，要求的進路間距減小。此外，現場礦粉率較高且礦石表面較為潮濕，放礦過程中橢球體形態較瘦，進路間距應取較小值。綜上推薦進路間距為18 m。

表5 國內典型礦山橢球體偏心率Table 5 Eccentricity of typical mine ellipsoids in China

4.2 放礦步距與崩礦步距

根據礦山現場工業數據，松散系數取值1.2～1.5。分段高度20 m，此時沿進路方向橢球體短半軸c長度4.76 m，軸偏角為4°。計算得出，放礦步距為6.14 m，崩礦步距為4.1～5.12 m。現場礦粉率較高，礦石表面較為潮濕，放礦過程中橢球體形態較瘦，對應崩礦步距取值應取較小值。此外，礦山現有鏟運機鏟斗較小，與此對應放礦過程中橢球縱軸偏小。實際放出體形態并非嚴格的橢球體，實際布置時橢球體允許少量交叉，放礦步距與崩礦步距小于理論計算結果。綜合考慮，推薦放礦步距為6 m，崩礦步距為4 m。

4.3 放礦方式

基于立體模型放礦試驗結果，采用低貧化放礦雖然廢石混入率會增加，但是與此對應的礦石回收率會增加，并且最后的回貧差指標要更好，最終推薦采用低貧化放礦方式。

5 參數驗證

礦山正處于小結構參數15 m×13.3 m至大結構參數20 m×18 m過渡的首采分段。在20 m×18 m大結構參數試驗進路，設計崩礦步距為4 m(炮孔排距2 m，兩排起爆放礦)，出礦以15%貧化率作為停止放礦的條件進行現場試驗。現場出礦數據顯示，首采分段整體貧化率為15.1%，回收率為85%，試驗結果見表6。

20 m×18 m大結構參數首采分段受上部15 m×13.3 m小結構參數影響，現場試驗得到的礦石回收率比物理放礦試驗中首采分段結果低，但是該參數下其整體回收率仍可以達到80%。試驗結果表面，參照上述橢球體放礦試驗結果和參數優化過程，可以指導礦山進行無底柱分段崩落參數設計。考慮采場結構參數和放礦方式的驗證需統計多分段下綜合回收率與貧化率，且受爆破參數、出礦方式、現場管理等其他因素控制。后續將進一步加大工業試驗數據統計力度，計算至少2～3個分段下綜合回收率與貧化率指標，驗證并完善采場結構參數與放礦方式的分析過程與研究結果。

表6 試驗區放礦數據統計結果Table 6 Statistical results of ore drawing data in test area

6 結 論

1) 大間距排列形式下的無底柱分段崩落法，進路間距大，采準作業量小，其生產效率、生產組織、規模化作業優勢明顯。

2) 實際生產放礦過程中，放礦方式、崩礦步距、鏟運機、進路尺寸等都是影響無底柱分段崩落法整體效能的關鍵因素，此外考慮橢球體排列也無法將崩落礦石堆體完全覆蓋。因此，推薦的進路間距要比理論計算結果小。

3) 綜合采用理論分析、物理試驗及經驗類比法，結合礦山現狀，最終推薦采場結構參數為分段高度20 m，推薦進路間距為18 m，放礦步距為6 m，崩礦步距為4 m。

4) 立體模型放礦試驗表明，采用低貧化放礦雖然廢石混入率會增加，但是與此對應的礦石回收率會增加，并且最后的回貧差指標要更好。