金山店鐵礦無底柱分段崩落法崩礦步距數值模擬優化研究

魏敬芮WEI Jing-rui；陳清運CHEN Qing-yun；游正君YOU Zheng-jun；徐正碧XU Zheng-bi；曾順洪ZENG Shun-hong；盧駿LU Jun；樊海云FAN Hai-yun

（①武漢工程大學資源與安全工程學院，武漢 430074；②中鐵上海工程局集團市政環保工程有限公司，上海 201900；③云南磷化集團有限公司，昆明 650600；④武鋼資源集團程潮礦業有限公司，鄂州 436000；⑤武鋼資源集團金山店礦業有限公司，大冶 435116）

0 引言

我國自從上世紀60 年代引進無底柱分段崩落法以來，由于該采礦法擁有結構簡單、產量大、機械化水平高、成本低和較為安全等優點[1]，被廣泛應用于我國各大礦山[2]。

在無底柱分段崩落法礦山的崩礦步距優化研究中，計算機模擬技術越來越被重視，其中PFC 顆粒流數值模擬軟件就在崩礦步距優化方面就有著諸多研究及應用，比如，丁航行等[3]利用PFC3D顆粒流數值模擬軟件對梅山鐵礦18m×20m 采場結構參數條件下所設的六組崩礦步距方案展開單漏斗放礦模擬，研究確定了最優崩礦步距為2.2m。李彬等[4]采用PFC3D數值模擬試驗的研究方法，基于程潮鐵礦生產實踐，對不同放礦步距方案展開數值模擬放礦研究及分析，得出現行采場結構參數下最優放礦步距為3m。本文以金山店鐵礦張福山礦區的生產實踐為研究背景，通過PFC3D數值模擬試驗，綜合考慮頂部覆蓋巖層和正面廢石混入因素，建立單漏斗放礦模型，研究探討金山店鐵礦張福山礦區東采區最優崩礦步距。

1 礦山生產概況

湖北省武漢鋼鐵資源集團金山店鐵礦張福山礦區坐落于金山店南側，礦床傾向為170°到215°，傾角表現為西陡東緩，北陡南緩，上陡下緩。金山店鐵礦張福山礦床屬于接觸交代矽卡巖型鐵礦床，礦體軟弱破碎，分東西兩個采區，其中東采區主要分為Ⅰ號礦體和Ⅱ號礦體。本文重點研究Ⅰ號礦體，其礦體埋藏于地下，賦存標高為+16～-1000m，礦體形狀呈簡單規則，似層狀，擁有上薄而下厚，東厚而西薄的變化特點，其厚度一般為20～80m，平均厚度為27.18m。礦體在平面上-340m，水平階段高度為70m，采取大間距結構，分段高度為14m，進路間距為16m。目前礦山采用3.0m 為采場崩礦步距，對應的礦石回采率為80.05%～83.00%、貧化率在25%左右。

2 數值模擬試驗研究

2.1 PFC 軟件介紹

PFC 是Particle Flow Code 的縮寫名稱，其中文名稱為顆粒流程序，于1971 年在Cundall 博士[5]的主持下，采用他所提出的細觀離散元理論為基礎核心，研發的一款商業用途的數值模擬軟件，該軟件使用時必須要通過其內置的FISH 語言，編寫代碼建立模型。當前有二維（PFC2D）和三維（PFC3D）兩種模式的軟件，PFC2D軟件最小顆粒單元為圓，PFC3D則在空間上呈現為球，并且PFC 顆粒流數值模擬軟件是由顆粒單元間的細觀物理參數表征材料的宏觀力學行為。PFC 顆粒流軟件既可以模擬解決靜態問題，還可以進行模擬動態過程，較為廣泛的被用于優化和預測參數，該軟件擁有比現場工業試驗和實驗室物理模擬試驗在使用上更加靈活方便，并且能過反復多次試驗等諸多優點[6-7]。

2.2 PFC 基本假設

PFC 數值模擬放礦最重要的問題就是創建模型，在建模的過程當中，一般只考慮顆粒的重力、顆粒之間的粘結力和摩擦力、顆粒與邊界的接觸的情況。

為了達到與實際情況相符的要求，在采用計算機模擬之前，應對模型的模擬情況做出假設：

①所有顆粒均為圓形或球形；

②所有顆粒均為剛性體；

③顆粒之間有粘結力的存在；

④顆粒與顆粒之間以及顆粒與墻體之間的接觸均為點接觸；

⑤顆粒之間可以有一定重疊，但重疊量相比于粒徑要小得多。

2.3 礦巖顆粒參數選擇

通過實驗室試驗和查閱資料，并輔以大量演算及調整，最終確定最符合工程實際的礦巖顆粒參數如表1 所示。為了便于計算機計算，更快建立放礦模型，本研究采用礦巖顆粒的平均半徑作為放礦模型中礦巖顆粒半徑。

表1 礦石、巖石顆粒參數

2.4 模型墻體構建

本研究利用PFC3D顆粒流軟件依次建立崩礦步距為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 和4.0m 的五種單漏斗放礦模型。固定分段高度×進路間距為14m×16m，進路高度×進路寬度為3.3m×3.6m，邊孔角為50°，經過查閱資料選擇合理覆蓋巖層厚度為20m[8]。如圖1 所示，圖1 是崩礦步距為3.5m的單漏斗放礦模型的墻體結構圖。

圖1 模型墻體結構

2.5 數值模擬放礦過程

在本次PFC3D數值模擬放礦研究中，通過編寫FISH語言程序進行控制放礦。放礦過程由礦巖顆粒自身重力主導，不添加任何外力。研究中，金山店鐵礦的放礦方法為截止品位放礦，放礦截止品位采取15%，經實驗室實驗和查閱資料得到金山店鐵礦張福山礦區東區的礦石地質品位是45%，巖石品位取0 值。現已知放礦截止品位的計算公式為：

以上公式（1）、（2）、（3）中，∝j為放礦截止品位，單位為“%”；∝d為礦石地質品位，單位為“%”；nk為放礦口礦石顆粒個數；ny為放礦口巖石顆粒個數；ρk為礦石密度，單位為“kg/m3”；ρy為巖石密度，單位為“kg/m3”；vk為單個礦石顆粒體積，單位為“m3”；vy為單個巖石顆粒體積，單位為“m3”；Ry為礦石顆粒半徑，單位為“m3”；Rk為巖石顆粒半徑，單位為“m3”。

公式（1）、（2）、（3）聯立，將如表1 所示礦巖顆粒參數帶入聯立公式，已知本次研究中所采用的放礦截止品位∝j=15%，礦石地質品位∝d=45%，通過計算可得當放出礦石品位達到截止放礦品位時，進路中的礦巖顆粒比即nk:ny=2:1。即PFC3D數值模擬單漏斗放礦過程中，當進路中的礦石顆粒個數與廢石顆粒個數之比為2:1 時，立即停止放礦。

2.6 數值模擬放礦結果

本研究對崩礦步距分別為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 和4.0m 的五個單漏斗放礦模型進行數值模擬放礦，放礦過程如圖2、圖3、圖4 所示（以崩礦步距為3.5m 的放礦模型為例）。每隔2000 時步記錄一次放出礦巖顆粒數據，當進路中礦石與廢石之比等于2 時，停止放礦并記錄下最后一次放礦數據。五次數值模擬放礦結果如表2 所示。

圖2 放礦初期

圖3 放礦中期

圖4 放礦末期

表2 數值模擬放礦結果

2.7 試驗結果分析

①由表2 可知，當崩礦步距為3.0m 時，其對應的礦石回采率為83.07%，貧化率為18.37%，這與金山店鐵礦現場實際礦石回采率83.00%左右、貧化率在25%左右的技術經濟指標較為吻合。綜合考慮建模過程中，為方便計算機快速建模放礦而采用了平均半徑的做法，以及PFC3D數值模擬軟件的功能不支持完全模擬出礦山現場的實際情況等因素，本次模擬試驗結果在可接受的誤差范圍之內。因此，表1 中所選參數合理，可作為本數值模擬研究的基本參數。

②根據表2 繪制如圖5 所示的各崩礦步距（B）與礦石回采率、貧化率和回貧差關系曲線。由圖5 可知，隨著崩礦步距增大，貧化率逐漸減小，而回采率呈現先增大后減小的趨勢。當崩礦步距為3.5m 時，其礦石回收率最高達到了85.67%，較3.0m 崩礦步距時提高了兩個百分點，貧化率也比3.0m 崩礦步距時降低了兩個百分點，同時通過崩礦步距—回貧差曲線可以看出，當崩礦步距為3.5m 時，其回貧差達到最大，得出金山店張福山鐵礦現用14m×16m 采場結構參數最佳崩礦步距應為3.5m。

圖5 崩礦步距與回采率、貧化率、回貧差關系曲線

3 結論

本文以金山店鐵礦張福山礦區為研究背景，采用PFC3D數值模擬的研究方法，詳細分析頂部覆蓋巖層與正面廢石混入對放礦回貧指標的影響，對五種不同崩礦步距方案進行單漏斗數值模擬試驗，得出結論如下：①貧化率隨崩礦步距的增大而減小，在試驗區間內呈近似線性變化規律；②回采率隨崩礦步距的增大呈拋物線變化規律；③金山店鐵礦東區無底柱分段崩落法采場結構參數為14m×16m（分段高度×進路間距），最佳崩礦步距為3.5m，可以達到回采率85.67%，貧化率16.96%的技術經濟指標。