吳愛(ài)祥，武力聰, ，劉曉輝，孫希文，周穎，尹升華

(1. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；2. 有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京，100012；3. 北京大地盛業(yè)房地產(chǎn)土地評(píng)估有限公司，北京，100013)

采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅直接影響到開(kāi)拓、采準(zhǔn)以及回采準(zhǔn)備的工程量，而且相應(yīng)影響到投資、成本和采礦效益等。此外，對(duì)于像無(wú)底柱分段崩落法這類采礦方法，一般認(rèn)為，結(jié)構(gòu)參數(shù)還直接影響到礦石回收指標(biāo)和回收效果，從而全面影響到礦山開(kāi)采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和效益[1]。正因?yàn)槿绱?，采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)歷來(lái)受到生產(chǎn)礦山、科研以及設(shè)計(jì)等方面的高度重視。無(wú)底柱分段崩落法的結(jié)構(gòu)參數(shù)除要取得較高的礦石回收率外，還要充分發(fā)揮鑿巖和出礦設(shè)備的生產(chǎn)能力，降低開(kāi)采成本，提高采礦效率。根據(jù)放礦模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)構(gòu)參數(shù)有2種趨勢(shì)：一種是分段高度大于進(jìn)路間距的高分段結(jié)構(gòu)形式，另一種是分段高度小于進(jìn)路間距的大間距結(jié)構(gòu)形式。這2種結(jié)構(gòu)形式都具有節(jié)約采準(zhǔn)工程量、一次崩礦量大、采礦強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，但在具體操作過(guò)程中有很大的區(qū)別，大間距結(jié)構(gòu)形式因其可操作性更強(qiáng)、鑿巖費(fèi)用更低和采場(chǎng)地壓管理更簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2-3]而備受關(guān)注。本文作者以湖北某鐵礦為例，通過(guò)室內(nèi)放礦試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬兩種方法，以大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)理論為基礎(chǔ)，對(duì)該鐵礦采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析，并最終確定最合理的采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)理論

大間距空間排列理論跳出單個(gè)放出體[4]的框架，著重研究各放出體之間空間排列問(wèn)題，而所用的基本原則沒(méi)有變，還是采用崩落礦石的爆破堆積體形態(tài)應(yīng)盡可能地與放出體形態(tài)相吻合。

大間距結(jié)構(gòu)形式[5-6]如圖1所示，上下2個(gè)球體相切，左右兩個(gè)球體被分開(kāi)，且分別與上下2個(gè)球體相切，設(shè)橢球體長(zhǎng)軸半徑為a，短軸半徑為c，則按橢球體布置進(jìn)路時(shí)，分段高度為：

進(jìn)路間距為：

圖1 大間距放出橢球體排列形式Fig.1 Large space drawing ellipsoid arrange form

顯然，

2 研究方案

正交實(shí)驗(yàn)法[7]就是利用排列整齊的表——正交表來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)通過(guò)少數(shù)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件，以達(dá)到最高生產(chǎn)工藝效果。由于正交試驗(yàn)?zāi)芤暂^少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較多的信息量，試驗(yàn)點(diǎn)安排的均勻而具有代表性，試驗(yàn)所得結(jié)果可靠且能說(shuō)明問(wèn)題。因此，采用正交試驗(yàn)法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。

從放礦角度考慮，影響無(wú)底柱分段崩落法礦石回收指標(biāo)的參數(shù)因素包括分段高度(H)、進(jìn)路間距(B)、放礦步距(L)、邊孔角(α)、進(jìn)路尺寸(a×b)、崩落礦巖塊度、出礦鏟取方式、鏟取深度以及炮孔排面傾角等，但其中最主要的3個(gè)因素還是分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距。本次實(shí)驗(yàn)就是選取分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距3個(gè)因素，對(duì)放礦過(guò)程進(jìn)行模擬，以求獲得可以指導(dǎo)實(shí)際的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诖耍瑢⒂绊懙V石回收的主要因素分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距作為正交試驗(yàn)的3個(gè)代表因素。

綜合考慮目前礦山的技術(shù)裝備水平、管理水平以及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件，擬定的因子水平為3個(gè)水平，具體的因素確定情況見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal Experiment factor level

3 室內(nèi)放礦試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本次研究，主要是利用多分段立體放礦模型[8]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行放礦試驗(yàn)。由于本次試驗(yàn)根據(jù)參數(shù)選取不一樣共有9種放礦方案，因此，放礦模型也與參數(shù)對(duì)應(yīng)的有9個(gè)。模型的相似比為1:100，共有2個(gè)分段，每個(gè)分段有5～6條回采進(jìn)路，每條進(jìn)路有4個(gè)步距；采礦方法的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(H×B×L)為14 m×16 m×5 m，進(jìn)路尺寸(高度×寬度)為3 m×3 m。

3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

按照1:1 000的相似比將所取回的礦石和巖石破碎為實(shí)驗(yàn)所需塊度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，礦石塊度定為5～8 mm，巖石塊度定為 8～20 mm。為方便觀察礦石和巖石分界線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特利用油漆將巖石染為鮮紅色，以與黑色的礦石形成鮮明的對(duì)比。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)的因素水平，選用 L9(34)正交表安排本次模擬放礦試驗(yàn)。共計(jì)安排了9個(gè)放礦方案，每個(gè)方案只進(jìn)行1個(gè)分段、1個(gè)步距放礦，但安排多個(gè)進(jìn)路同時(shí)出礦。每次放礦都采用低貧化放礦方法進(jìn)行出礦，即當(dāng)?shù)V石和巖石的質(zhì)量比分別為2:1時(shí)，停止放礦。上分段放礦結(jié)束圖見(jiàn)圖 2，下分段放礦結(jié)束圖見(jiàn)圖 3。三因素三水平正交試驗(yàn)表及其模擬放礦指標(biāo)見(jiàn)表2。

3.4 結(jié)果分析

正交試驗(yàn)法中，各影響因素對(duì)結(jié)果的影響程度可用極差R來(lái)確定[9]。極差R越大，表明該因素對(duì)結(jié)果的影響也大，反之就小。通過(guò)對(duì)表2中礦石回收率極差R的比較，可以發(fā)現(xiàn)，影響礦石回收率的3個(gè)主要因素中，分段高度對(duì)礦石回收率的影響最大，進(jìn)路間距其次，影響最小的是放礦步距。

圖2 第一分段放礦結(jié)束圖Fig.2 Ore drawing final chart of first section

圖3 第二分段放礦結(jié)束圖Fig.3 Ore drawing final chart of second section

表2 三因素三水平正交試驗(yàn)表及放礦指標(biāo)表Table 2 Three factors and levels orthogonal experiment and ore drawing index

極差分析可以定量地確定3個(gè)主要因素對(duì)礦石回收率影響的敏感程度，但不能看出礦石回收率隨各因素變化的變化趨勢(shì)，以各因素為橫坐標(biāo)，以礦石回收率指標(biāo)為縱坐標(biāo)，繪制出因素與指標(biāo)的趨勢(shì)圖，如圖4所示。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：不論分段高度和放礦步距，還是進(jìn)路間距，礦石回收率的變化趨勢(shì)都是隨它們高度的增大而呈現(xiàn)先變大后減小的趨勢(shì)。這表明礦石回收率必定在該選定參數(shù)水平之間必有1個(gè)峰值，而且是最大值。因此，可以將該鐵礦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)定為：進(jìn)路間距16 m，分段高度14 m，放礦步距4 m。

4 數(shù)值模擬研究

4.1 三維放礦模型參數(shù)確定

PFC3D軟件是通過(guò)細(xì)觀力學(xué)參數(shù)表征顆粒及黏結(jié)的力學(xué)性質(zhì)[10-11]。對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析之前，必須賦予模型假定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值試樣試驗(yàn)，并將計(jì)算得到的試樣宏觀力學(xué)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，不斷調(diào)整細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致時(shí)，便可將該組細(xì)觀力學(xué)參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際計(jì)算模型。

圖4 礦石回收率趨勢(shì)圖Fig.4 Trend of ore recovery ratio

本文采用的三維放礦數(shù)值模型尺寸與室內(nèi)試驗(yàn)保持一致，顆粒相互接觸模型采用接觸-剛度模型。該模型建模參數(shù)主要包括礦石與巖石顆粒半徑、法向剛度、切向剛度、摩擦因數(shù)、密度和顏色等，通過(guò)反復(fù)調(diào)試，當(dāng)采用表3中的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)時(shí)，基本與宏觀力學(xué)參數(shù)相吻合。

4.2 數(shù)值模擬

與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)，放礦數(shù)值模擬也有9個(gè)不同的模型，本文僅以其中一組放礦參數(shù)建立放礦模型為例進(jìn)行分析[12-13]。首先定義墻體，其尺寸與室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)一致，并在該墻體控制區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成顆粒，顆粒半徑采用高斯分布。為提高顆粒的生成速度與計(jì)算效率，先生成小直徑的顆粒，在利用膨脹系數(shù)擴(kuò)大半徑，并通過(guò)膨脹生成初始應(yīng)力場(chǎng)，最后通過(guò)循環(huán)來(lái)消除模型內(nèi)部的非均勻應(yīng)力。圖5所示為放礦過(guò)程圖。

表3 顆粒參數(shù)表Table 3 Particle parameters

圖5 放礦過(guò)程圖Fig.5 Ore drawing process

4.3 模擬結(jié)果

根據(jù)計(jì)算機(jī)放礦過(guò)程，分別統(tǒng)計(jì)最后的礦石回收率與巖石混入率可得到以下結(jié)果。與室內(nèi)試驗(yàn)一致，由于首分段要保留微貧化層，并且脊部殘留較大，因此，結(jié)果統(tǒng)計(jì)以第二分段放礦數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。數(shù)值模擬放礦數(shù)據(jù)表見(jiàn)表4。

表4 數(shù)值模擬放礦數(shù)據(jù)表Table 4 Numerical simulation ore drawing data

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬出的各個(gè)放礦方案的放礦結(jié)果，建立1個(gè)只考慮分段高度、進(jìn)路間距和放礦步距三大因素的礦石回收率的回歸方程[14-15]。利用Matlab計(jì)算出各項(xiàng)回歸系數(shù)，可直接寫(xiě)出無(wú)底柱分段崩落法的礦石回收率回歸方程為：

該回歸方程可用于預(yù)估各種參數(shù)條件的礦石回收指標(biāo)并對(duì)各參數(shù)方案進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià)，也可以在更廣泛的范圍內(nèi)說(shuō)明礦石回收率與分段高度、進(jìn)路間距和放礦步距等三大影響因素的變化關(guān)系。固定回歸方程中的某些因素并將回歸方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，就可以得到不同參數(shù)對(duì)礦石回收率的影響情況如圖6所示。

綜合以上回歸分析的結(jié)果，并結(jié)合大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)理論可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 在放礦步距、分段高度以及進(jìn)路間距三大影響因素中任意2項(xiàng)因素一定后，另一因素對(duì)礦石回收率的影響均呈現(xiàn)二次曲線的變化關(guān)系，且都是呈先增大再減小的變化趨勢(shì)。

圖6 礦石回收率與影響因素關(guān)系圖Fig.6 Relationship between ore recovery ratio and influence factor

(2) 放礦步距、分段高度以及進(jìn)路間距3個(gè)參數(shù)在擬定的水平因子區(qū)間都存在1個(gè)使礦石回收率達(dá)到最大的水平因子。

(3) 根據(jù)圖 6可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)放礦步距、分段高度和進(jìn)路間距分別定為4，14和16 m時(shí)，礦石回收率可以達(dá)到最大值。

5 結(jié)論

(1) 放出體基本為橢球體，這完全符合放礦橢球體理論，即放礦過(guò)程滿足橢球體理論。這表明本研究可以保證理論上的合理性。

(2) 進(jìn)路間距、分段高度、放礦步距這 3個(gè)主要因素對(duì)礦石回收率的影響各不一樣。其中，分段高度對(duì)礦石回收率的影響最大，進(jìn)路間距其次，影響最小的是放礦步距。

(3) 將該鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)定為：分段高度14 m，進(jìn)路間距16 m，放礦步距4 m。

[1]任鳳玉, 韓智勇, 王文杰, 等. 北洺河鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2006, 15(3): 44-46.REN Feng-yu, HAN Zhi-yong, WANG Wen-jie, et al. Study on the structure parameters of sublevel caving in Beiming iron mine[J]. China Mining Magazine, 2006, 15(3): 44-46.

[2]張國(guó)聯(lián), 邱景平, 宋守志, 等. 無(wú)底柱分段崩落法回收指標(biāo)與分段數(shù)關(guān)系研究[J]. 金屬礦山, 2004(4): 14-16, 19.ZHANG Guo-lian, QIU Jing-ping, SONG Shou-zhi, et al. Study on relationship between recovery index and sublevel number in pillarless sublevel caving[J]. Metal Mine, 2004(4): 14-16, 19.

[3]張國(guó)聯(lián), 邱景平, 宋守志, 等. 張家洼礦無(wú)底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)灰色決策[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 27(4):454-457.ZHANG Guo-lian, QIU Jing-ping, SONG Shou-zhi, et al. Grey decision-making for constructional parameters of non-pillar sublevel caving in Zhangjiawa Iron Mine[J]. Journal of Northeastern University: Natural Science, 2006, 27(4): 454-457.

[4]高永濤. 放出期望體理論與電算模擬放礦的相似性[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 16(3): 201-204.GAO Yong-tao. Searching similarity of computer simulating drawing based on EVB drawing theory[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 1994, 16(3): 201-204.

[5]金闖, 董振民, 范慶霞, 等. 梅山鐵礦大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)研究與應(yīng)用[J]. 金屬礦山, 2002(2): 7-9.JIN Chuang, DONG Zhen-min, FAN Qing-xia, et al. Research and application of large space structural parameters[J]. Metal Mine, 2002(2): 7-9.

[6]董振民, 范慶霞, 金闖, 等. 大間距集中化無(wú)底柱采礦新工藝研究[J]. 金屬礦山, 2004(3): 1-4.DONG Zhen-min, FAN Qing-xia, JIN Chuang, et al.Investigation of new technology of wide-spaced centralized pillar less mining[J]. Metal Mine, 2004(3): 1-4.

[7]田冬梅, 蔣仲安, 姚建, 等. 基于正交試驗(yàn)與回歸統(tǒng)計(jì)方法的露天礦運(yùn)輸揚(yáng)塵影響因素分析[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,31(8): 957-963.TIAN Dong-mei, JIANG Zhong-an, YAO Jian, et al. Influencing factors analysis of dust mass concentration by transportation in open-pit mines based on orthogonal experiment and multiple regression statistics[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 31(8): 957-963.

[8]程愛(ài)平, 許夢(mèng)國(guó), 劉艷章, 等. 金山店鐵礦低貧化放礦試驗(yàn)研究[J]. 金屬礦山, 2010(7): 23-25.CHENG Ai-ping, XU Meng-guo, LIU Yan-zhang, et al.Experimental study on low dilution ore drawing in Jinshandian Iron Mine[J]. Metal Mine, 2010(7): 23-25.

[9]李愛(ài)兵. 邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感度的正交極差分析方法[J].勘查科學(xué)技術(shù), 1995, 13(4): 28-31.LI Ai-bing. Orthogonal polar difference analysis method of the sensitivity of the influencing factors or slope stability[J]. Site Investigation Science and Technology, 1995, 13(4): 28-31.

[10]Itasca Consulting Group Inc. Particle flow code (Version 3.0)[M].Minneapolis: ICG, 2004: 22-26.

[11]Brady B H G, Brown E T. Rock mechanics for underground mining[M]. London: Allen & Unwin, 1985: 334-339.

[12]朱煥春. PFC及其在礦山崩落開(kāi)采研究中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(9): 1927-1931.ZHU Huan-chun. PFC and application case of caving study[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006,25(9): 1927-1931.

[13]劉志娜, 梅林芳, 宋衛(wèi)東, 等. 基于PFC數(shù)值模擬的無(wú)底柱采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā), 2008, 28(1): 3-5.LIU Zhi-na, MEI Lin-fang, SONG Wei-dong, et al. Study on stope structure parameter optimization of sublevel caving without sill pillar based on numeral simulation with PFC[J].Mining Research and Development, 2008, 28(1): 3-5.

[14]鄧代強(qiáng), 高永濤, 吳順川, 等. 水泥尾砂充填體劈裂拉伸破壞的能量耗散特征[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 31(2): 144-148.DENG Dai-qiang, GAO Yong-tao, WU Shun-chuan, et al.Destroy energy dissipation characteristics of cement-tailings backfill under splitting tensile condition[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 31(2): 144-148.

[15]Sen S K, Shaykhian G A. Matlab tutorial for scientific and engineering computations[J]. Nonlinear Analysis Theory Methods and Applications, 2009, 71(12): e1005-e1020.