張國(guó)建，翟會(huì)超

(1.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051；2.東北大學(xué), 遼寧 沈陽(yáng) 110004)

無(wú)底柱分段崩落法是在覆蓋巖層下進(jìn)行放礦和落礦的，損失貧化大是該采礦方法的主要問(wèn)題之一，為改善該法的開(kāi)采效果，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者及礦山工作人員做了大量研究工作，也取得了很大的成績(jī)，但仍沒(méi)有達(dá)到人們滿意的結(jié)果。

分析其原因主要是：在過(guò)去無(wú)底柱分段崩落法的研究中，有的側(cè)重放礦，有的側(cè)重爆破，沒(méi)有把回采過(guò)程作為有機(jī)整體來(lái)研究，缺乏對(duì)回采過(guò)程中放出體、松動(dòng)體、崩落體三者關(guān)系的研究?；夭蛇^(guò)程中的放礦與爆破落礦是緊密相連、相互制約的，研究放出體、松動(dòng)體、崩落體三者之間的內(nèi)在規(guī)律，建立三者的關(guān)系模型，對(duì)降低礦石損失貧化，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

1 放出體、松動(dòng)體、崩落體三者關(guān)系模型

在井下落礦、放礦的循環(huán)過(guò)程中，崩落體影響放出體的形成，放出體又影響松動(dòng)體的形成，松動(dòng)體又會(huì)影響下一次落礦中崩落體的形成和發(fā)育。因此，放出體、松動(dòng)體、崩落體在回采過(guò)程中是依次相互制約的，見(jiàn)圖1。

圖1 三者關(guān)系圖

以放出體為每次循環(huán)起點(diǎn)，從體積量參數(shù)出發(fā)，放出體、松動(dòng)體和崩落體三者體積有如下函數(shù)關(guān)系：

Vf1=f(Vb1)，Vs1=f(Vf1)；

Vb2=f(Vs1),Vf2=f(Vb2)；Vs2=f(Vf2)；

Vf3=f(Vb2)，Vs3=f(Vf3)，Vb3=f(Vs3)；

……

……

Vfn=f(Vbn-1)，Vsn=f(Vfn)，Vbn=f(Vsn)。

式中：Vs—松動(dòng)體體積Vf—放出體體積；Vs—崩落體體積；n—循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，可以應(yīng)用一定的方法來(lái)確定上述函數(shù)的具體形式，從而建立符合礦山實(shí)際的放出體、松動(dòng)體、崩落體體積關(guān)系模型，來(lái)預(yù)測(cè)和控制回采過(guò)程落礦與放礦。

2 體積關(guān)系模型確立方法

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以運(yùn)用已有數(shù)據(jù)求解未知參數(shù)，從而建立放出體、松動(dòng)體、崩落體三者體積關(guān)系模型。

2.1 放出散體與放出體體積比值

崩落體是指在爆破作用下，在松散圍巖中形成的爆堆，是放礦的對(duì)象，崩落體的密度也就是放出體的密度。爆破作用前后，礦石的質(zhì)量不變，密度變小、體積變大，發(fā)生第一次松散，松散系數(shù)為Ks1。

由質(zhì)量守恒定律可得：

∵m礦體=mb

∴ρ礦體V礦體=ρbVb

第一次松散系數(shù)Ks1可表示為：

式中：m礦體、mb—爆破前后礦石質(zhì)量；ρ礦體、V礦體—爆破前被爆礦體的密度和體積；ρb、Vb—爆破后崩落體的密度和體積。

生產(chǎn)過(guò)程中，鏟運(yùn)機(jī)鏟斗中的礦石散體被動(dòng)稱為“放出散體”，其松散狀態(tài)近似于無(wú)約束條件的自然堆積，而放出散體與放出體的質(zhì)量完全相等，只是在礦石放出后，其體積、密度發(fā)生變化，分為放出體體積和放出散體體積(如圖2)。

圖2 礦石開(kāi)采示意圖

同樣由質(zhì)量守恒定律：

∵mf=mfs

∴ρfVf=ρfsVfs

式中：mf、mfs—放出體和放出散體的質(zhì)量；ρf、ρfs、Vf、Vfs—放出體和放出散體狀態(tài)下的密度與體積。

注：ρfs即為鏟斗內(nèi)礦石密度，所以放出體的密度可求解：ρf=ρfs*K

可見(jiàn)放出散體與放出體體積的比值K是確定放出體、崩落體相關(guān)參數(shù)以及崩落體體積的依據(jù)。

2.2 單一循環(huán)三者體積量的確定

無(wú)底柱分段崩落法回采進(jìn)路的一次落礦、放礦循環(huán)中，放出體、松動(dòng)體、崩落體三者的體積量可以按照一定的方法求得。

首先，放出散體體積。放出散體相關(guān)參數(shù)可由井下出礦設(shè)備鏟運(yùn)機(jī)的斗容、出礦差斗數(shù)和平均斗內(nèi)散體密度來(lái)求解，這些都是已知的。即通過(guò)進(jìn)路一次崩落礦石生后所放出礦石的總量，就可以得到放出散體(礦石)的體積。

其次，放出體、松動(dòng)體體積。根據(jù)放礦理論得知，放出散體體積與放出體體積存在一定的聯(lián)系：

在進(jìn)路尺寸、進(jìn)路間距、進(jìn)路布置形式以及分段高度等參數(shù)確定后，就可以根據(jù)放出散體體積和上述公式間接地求出放出體的體積。于是，松動(dòng)體體積可求：

最后，崩落體體積。有了放出散體和放出體的體積量，可知二者的體積比值K。再根據(jù)質(zhì)量守恒定律，便可得到放出散體在覆巖中，即放出體形態(tài)內(nèi)的密度(參見(jiàn)上文)，該密度就是崩落體的密度。而崩落體在原礦體形態(tài)中，即落礦前礦體的密度是已知的。這樣，崩落后的礦石堆體(崩落體)密度ρb與原礦體的密度ρ礦體之比就是一次松散系數(shù)Ks1.根據(jù)落礦前爆破設(shè)計(jì)的礦體崩落范圍，可獲得礦石崩落前的體積，再與一次松散系數(shù)聯(lián)合得出崩落體體積。

Vb=Ks1×V礦體

以上單一循環(huán)中三者體積的求解過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 單循環(huán)三者體積求解流程度圖

2.3 三者體積關(guān)系的確定

通過(guò)上述方法可以求解每次落礦、放礦過(guò)程度中的放出體、松動(dòng)體、崩落休體積量。這樣，依據(jù)礦山的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可得到放出體、松動(dòng)體、崩落休體積量。并根據(jù)三者的相互制約關(guān)系，對(duì)其兩兩關(guān)系進(jìn)行聯(lián)立，通過(guò)數(shù)值分析進(jìn)行離散數(shù)據(jù)的回歸，得出放出體和松動(dòng)體、松動(dòng)體和崩落體、崩落體和放出體(可解放出體)的體積關(guān)系數(shù)學(xué)模型，再按照落礦、放礦作業(yè)的銜接關(guān)系建立循環(huán)體積關(guān)系模型。這樣，便可得到該礦山販放出體、松動(dòng)體、崩落體三者體積關(guān)系模型。建立循環(huán)體積關(guān)系應(yīng)用這種方法，課題組對(duì)弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，得到了較為符合弓長(zhǎng)嶺鐵礦的放出體、松動(dòng)體、崩落休三者體積關(guān)系的具體數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用該模型對(duì)礦山生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，打破截止品位放礦的界限，控制出礦量或崩落礦石量，為下次落礦崩落體形態(tài)發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境，提高崩落體的放出性，從而使得井下礦石回收率得到提高。

3 結(jié) 論

本文闡述了無(wú)底柱分段崩落法中放出體、松動(dòng)體、崩落體三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，從體積參數(shù)角度建立放出體、松動(dòng)體和崩落體之間的一般循環(huán)函數(shù)關(guān)系。并敘述、推導(dǎo)了函數(shù)具體形式的解法。其中，分析了放出散體體積與放出體體積的比值對(duì)求解函數(shù)的重要作用，并應(yīng)用放礦學(xué)理論可分別得到崩落體與放出散體、放出散體與放出體、放出體與松動(dòng)體、松動(dòng)體與崩落體的體積函數(shù)式，從而建立起放出體、松動(dòng)體、崩落體三者的體積循環(huán)模型。該方法在弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦進(jìn)行了初步應(yīng)用，并取得一定的效果。

[1] 王昌漢.放礦學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，1982.

[2] 張國(guó)建，郭連軍.無(wú)底柱分段崩落礦石形態(tài)及其影響研究.中國(guó)礦業(yè)，1997，6(3)：27-31.

[3] 張國(guó)建. 無(wú)底柱分段崩落法應(yīng)進(jìn)一步研究的幾個(gè)問(wèn)題 .中國(guó)礦業(yè)，2003，12(11)：41-43.

[4] 張國(guó)建，蔡美峰.崩落體形態(tài)及其影響研究 .中國(guó)礦業(yè)，2003，12(12)：38-42.