陸玉根 章 林 孫國權(quán) 劉海林 盧玉華

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

高變分段低貧化放礦及其參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

陸玉根1，2，3章 林1，2，3孫國權(quán)1，2，3劉海林1，2，3盧玉華1，2，3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

放礦工作是無底柱分段崩落法的核心工作，結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取則是放礦工作所要解決的重要內(nèi)容，其直接影響著采場的出礦效率及各項(xiàng)回貧經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。采場主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距，根據(jù)放礦學(xué)理論，這3個(gè)參數(shù)的不同組合將直接影響最終的回貧指標(biāo)。大紅山鐵礦一期采用的是20 m×20 m的大結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，即分段與進(jìn)路間距都為20 m，二期規(guī)劃擬在400 m水平以下采用30 m×20 m的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即將分段高度提高到30 m，屬于高變分段放礦形式。針對大紅山鐵礦二期高變分段的放礦形式，利用實(shí)驗(yàn)室相似材料制作放礦模型，進(jìn)行低貧化放礦研究，得到了高變分段下放出體發(fā)育形態(tài)，高變分段下最優(yōu)崩礦步距及進(jìn)路口規(guī)格，試驗(yàn)結(jié)果證明采用低貧化放礦明顯提高了資源回收率，有效降低了礦石的損失貧化。

高變分段 低貧化放礦 回收率 貧化率 參數(shù)優(yōu)選

針對大紅山鐵礦現(xiàn)狀及其高變分段開采規(guī)劃，為進(jìn)一步提高資源回收率，降低貧化，在實(shí)驗(yàn)室利用幾何相似材料制作了高變分段透明放礦模型，采用低貧化放礦，揭示了30 m×20 m結(jié)構(gòu)參數(shù)下放出橢球體的發(fā)育形態(tài)及其發(fā)育規(guī)律，對不同放礦步距下得到的回貧指標(biāo)進(jìn)行分析得到高變分段下最優(yōu)放礦步距、崩礦步距及進(jìn)路口參數(shù)，首次研究探索變步距放礦形式，以期進(jìn)一步探索無底柱分段崩落法放礦規(guī)律。

1 放出體發(fā)育形態(tài)研究

1.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)無底柱分段崩落法現(xiàn)場端壁放礦特征，按與現(xiàn)場1∶100的比例縮小制作單體試驗(yàn)料箱，試驗(yàn)在采用相似端壁情況下，下部預(yù)留一出礦口(相當(dāng)于采場進(jìn)路)，利用鏟斗將模型內(nèi)礦巖逐步鏟出，同時(shí)，將預(yù)裝入的標(biāo)志顆粒進(jìn)行回收。根據(jù)標(biāo)志顆粒被放出的順序，可以將不同放出高度下的放出體圈出，因此，可求得端壁條件下各種發(fā)育高度的放出體。該試驗(yàn)共進(jìn)行2組，分別取4.2 cm×4 cm和4.9 cm ×4 cm進(jìn)路尺寸，即分別相當(dāng)于現(xiàn)場進(jìn)路口寬度為4.2 m和4.9 m，高度4 m，每組試驗(yàn)進(jìn)行2次，計(jì)算本礦石條件下的橢球體發(fā)育參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)根據(jù)記錄的標(biāo)志顆粒數(shù)據(jù)，可推導(dǎo)出4.2 cm×4 cm與4.9 cm ×4 cm出礦口不同高度上的橢球體及橢球體缺發(fā)育的大致形態(tài)，見圖1、圖2、圖3、圖4，并記錄其偏心率及半軸值，見表1、表2。從放出體發(fā)育圖可以看出，放出體為一上大下小的近似橢球體缺，且與端壁之間存在一定的夾角，這是由于與端壁存在一定的摩擦力造成的。

圖1 4.2 cm×4 cm出礦口橫剖面放出體發(fā)育圖

圖2 4.2 cm×4 cm出礦口縱剖面放出體發(fā)育圖

圖3 4.9 cm ×4 cm出礦口橫剖面放出體發(fā)育圖

圖4 4.9 cm×4 cm出礦口縱剖面放出體發(fā)育圖

放出體高度/cm長半軸/cm縱短半軸/cm橫短半軸/cm偏心率(縱向)偏心率(橫向)104.031.511.630.92720.9146209.0153.653.120.91440.93823014.015.125.110.93080.93114019.036.086.080.94760.9476502487.180.94280.95426029.0359.469.180.94540.9487

(2)根據(jù)所描繪出各層高度的放礦橢球體，發(fā)現(xiàn)在相同的放出高度下，4.9 cm×4 cm進(jìn)路口的放出橢球體比4.2 cm×4 cm出礦口的放出橢球體略微瘦些，如圖5、圖6所示。

(3)分析所得的半軸值，發(fā)現(xiàn)其橫半軸和縱半軸值與放出體高度之間存在近似線性關(guān)系，如圖7所示的4.9 cm×4 cm放礦口放出橢球體橫半軸值、縱半軸值與放出體高度值。

表2 4.9 cm×4 cm出礦口放出體半軸值及偏心率參數(shù)Table 2 Axle value and Eccentricity parameter table of drawing body of 4.9 cm×4 cm access adit

圖5 不同出礦口橢球體縱短半軸值對比圖

圖6 不同出礦口橢球體橫短半軸值對比圖

圖7 4.9 cm×4cm放礦口橢球體橫半軸值、縱半軸值與放出體高度值對比圖

這表明在相同的放出高度下，并不是放礦口的寬度越大其放出橢球體越大、放出量越多，但其橫半軸和縱半軸總體而言變化不大，橫半軸和縱半軸值與放出體高度之間存在近似線性關(guān)系。

2 低貧化放礦研究

2.1 試驗(yàn)方案

針對無底柱分段崩落法貧化大的問題，借鑒于礦石隔離層下放礦，根據(jù)崩落礦巖移動(dòng)規(guī)律采用一種新的放礦方式——低貧化放礦，即在模型的上部第一分段和第二分段中的所有進(jìn)路中按巖石截止混入率5%(質(zhì)量)進(jìn)行控制放礦。其余的第三分段、第四分段、第五分段按原先設(shè)定的40%截止巖石混入率(質(zhì)量)進(jìn)行放礦。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶磁c現(xiàn)場比例1∶100制作，模型為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu),正面尺寸統(tǒng)一為長×寬=1 600 cm×800 cm。巷道呈菱形交錯(cuò)布置,共布置5個(gè)分層，每個(gè)分層3～4個(gè)進(jìn)路，進(jìn)路間距為20 cm，每個(gè)進(jìn)路布置4個(gè)步距，各步距均采用可抽出式鐵皮制作，模型正面結(jié)構(gòu)面板如圖8所示。試驗(yàn)取步距6.72 cm，按照低貧化放礦和普通放礦方式分別進(jìn)行放礦試驗(yàn)。

圖8 模型正面結(jié)構(gòu)面板

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

低貧化放礦的特點(diǎn)是當(dāng)?shù)V巖界面正常到達(dá)端部出礦口水平，即放礦開始有巖石混入而產(chǎn)生貧化時(shí)即便停止放礦。但放礦過程中，礦巖直接接觸，同時(shí)礦巖都是由大小相差不大的多種塊度組成的散體，礦巖塊移動(dòng)具有很大的隨機(jī)性，因此，為了判別礦巖界面是否正常到達(dá)出礦口，允許有一些巖石混入后再停止出礦。

2種放礦方式試驗(yàn)結(jié)果見表3?？梢钥闯觯谕瑯拥膮?shù)組合立體模型下，采用低貧化放礦的回貧指標(biāo)皆明顯優(yōu)于未采用低貧化放礦的回貧指標(biāo)。這說明，對于無底柱分段崩落法出礦，采用低貧化放礦管理可以有效地提高礦石回收率，降低廢石混入率，提高回貧綜合指標(biāo)。

表3 兩種放礦方式試驗(yàn)結(jié)果對比Table 3 Test results comparison of two kinds of ore drawing

3 最優(yōu)參數(shù)組合研究

3.1 試驗(yàn)方案

因大紅山二期屬于高變分段放礦形式，分段高度20、30 m不等，400 m水平以下至340 m水平為2個(gè)30 m高分段，為了與該高分段放礦形式相適應(yīng)，減少損失貧化，提高生產(chǎn)能力和回收率，進(jìn)路間距取為20 m。立體模擬試驗(yàn)需在此分段高度及進(jìn)路間距條件下，選擇合適的放礦步距及進(jìn)路參數(shù)組合，放礦步距擬分別取5.04、6.16、6.72、7.56 cm，進(jìn)路口擬取為4.2 cm×4 cm和4.9 cm×4 cm兩種。

試驗(yàn)分別就放礦步距與進(jìn)路寬度的參數(shù)組合分別進(jìn)行放礦試驗(yàn)，采用低貧化放礦，得到各參數(shù)組合條件下的回貧指標(biāo)，從中尋求最佳放礦步距及進(jìn)路尺寸參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵才c低貧化放礦試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖愃?，與現(xiàn)場比例1∶100，端壁采用透明玻璃制作，以便直觀地觀察放礦過程中礦巖流動(dòng)規(guī)律。巷道呈菱形交錯(cuò)布置,共布置5個(gè)分段，第三、四段模擬現(xiàn)場400 m水平以下2個(gè)30 m高分段，其余各分段高度20 cm，進(jìn)路間距為20 cm，模型如圖9所示。

圖9 立體放礦試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇放礦橢球體完整的進(jìn)路口放出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，計(jì)算各分段及所有分段的放出礦巖總量、放出礦石量、放出巖石量，并計(jì)算礦石的回收率、廢石混入率及相應(yīng)的回貧差等值，見表4?？梢钥闯?，這些指標(biāo)較現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際要好，原因是實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)條件均為理想狀態(tài)，模型內(nèi)礦巖流動(dòng)性較強(qiáng)，端部、脊部及貼壁部分損失較小，但其不影響對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合優(yōu)劣的評價(jià)。

表4 立體試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 4 Summary table of stereo ore drawing results

分析表4可以得出，回收率處于前3位的參數(shù)組合依次為7.56 cm×4.2 cm、6.72 cm×4.2 cm、7.56 cm×4.9 cm，廢石混入率較低的前3位依次是6.72 cm×4.2 cm、6.16 cm×4.2 cm、6.16 cm×4.9 cm,回貧差較優(yōu)的前3位依次是6.72 cm×4.2 cm、7.56 cm×4.2 cm、6.72 cm×4.9 cm。雖然參數(shù)7.56 cm×4.2 cm回收率最佳，但其廢石混入率較高，并非為最佳組合參數(shù)。

綜合分析各立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕厥章省⒇毣屎蛷U石混入率指標(biāo)，可以得出在變分段高度在20～30 m，進(jìn)路間距為20 m時(shí)，在所有的立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，放礦步距為6.72 cm，進(jìn)路尺寸寬4.2 cm高4 cm時(shí)回貧指標(biāo)最優(yōu)，此時(shí)的回收率為92.81%，廢石混入率為11.54%，回貧差為81.28%;其次為7.56 cm×4.2 cm組合。由于本礦未進(jìn)行工業(yè)放出體試驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場的參數(shù)不能換算，本次試驗(yàn)合理放礦步距應(yīng)在6.72～7.56 cm，其現(xiàn)場的合理崩礦步距區(qū)間并未得到。但依據(jù)其他礦山經(jīng)驗(yàn)及工業(yè)放出體與實(shí)驗(yàn)室放出體對比，一般實(shí)驗(yàn)室的放礦步距是現(xiàn)場崩礦步距的1.2～1.4倍，即修正系數(shù)K=1.2～1.4。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，礦山選擇的段高和進(jìn)路間距都比較大，因此選取K=1.4進(jìn)行修正，由此求得本礦現(xiàn)場的合理崩礦步距應(yīng)為4.8～5.4 m。

4 變步距放礦形式研究

4.1 試驗(yàn)方案

可變步距模型與固定步距模型的不同點(diǎn)在于步距的變化，各分段上的放礦步距應(yīng)隨著分段高度的變化而變化，當(dāng)分段高度變大放出體增高的情況下放礦步距必然隨著放礦橢球體的變大而增大?？偨Y(jié)原有的放礦經(jīng)驗(yàn)，共進(jìn)行2組變步距模型試驗(yàn)，組合參數(shù)如表5。圖10為可變步距放礦模型。

表5 可變步距參數(shù)組合Table 5 Variable step parameter combinations

圖10 可變步距放礦模型側(cè)視圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)得到的變步距參數(shù)放礦模型回貧指標(biāo)見表6。

表6 變步距參數(shù)放礦模型回貧指標(biāo)Table 6 Recovery and dilution depleted of variable step ore drawing model

將變步距參數(shù)放礦模型與之前得到的固定步距放礦模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)項(xiàng)比較分析，發(fā)現(xiàn)變步距(4.5/4.5/5.5/6/5.5)cm×4.2 cm參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果其回收率為91.42%僅次于6.72 cm×4.2 cm與7.56 cm×4.2 cm組合。2種參數(shù)組合的巖石混入率都較低，即從試驗(yàn)結(jié)果可以看出采用變步距參數(shù)立體模型可以有效地降低廢石混入率，且具有較高回收指標(biāo)。但在現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐中這種變步距出礦方式較復(fù)雜，要求具有較高的生產(chǎn)組織技術(shù)水平，目前在礦山要得到推廣實(shí)踐還有一定的難度，但相對于傳統(tǒng)的出礦方式已是一大創(chuàng)新，具有很大的研究空間。

5 結(jié) 語

(1)通過單體放礦試驗(yàn)研究得出高變分段下放出橢球體缺在不同放出高度下的發(fā)育參數(shù)，如半軸值及偏心率等，揭示了橢球體缺的發(fā)育規(guī)律。

(2)通過對高變分段模型采用低貧化放礦，設(shè)置對比試驗(yàn)，證明在此高變分段情況下，相對于以往的截止品位放礦，低貧化放礦可明顯提高回貧指標(biāo)。

(3)在分段高度30 m，進(jìn)路間距20 m的高變分段情況下，優(yōu)選不同的放礦步距與進(jìn)路寬度的參數(shù)組合，分別進(jìn)行放礦試驗(yàn)，得到各參數(shù)組合條件下的回貧指標(biāo)，從中尋求最佳放礦步距及進(jìn)路尺寸參數(shù)，放礦步距為6.72 cm，進(jìn)路尺寸寬×高(4.2 m×4 m)時(shí)回貧指標(biāo)最優(yōu)。

(4)創(chuàng)新性地提出了變步距放礦模式，試驗(yàn)結(jié)果證明采用變步距放礦可有效降低廢石混入率，具有較好的回貧指標(biāo)。

[1] 劉興國，周 驥.放礦理論基礎(chǔ)[M] .北京：冶金工業(yè)出版社,1995 . Liu Xingguo，Zhou Ji.Foundation of Ore Drawing Theory[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,1995.

[2] 王昌漢.放礦學(xué)[M] .北京：冶金工業(yè)出版社，1982 . Wang Changhan.Ore Drawing Science[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,1982.

[3] 解世俊.金屬礦床地下開采[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2006. Xie Shijun.Metal Deposit Mining Under Ground[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,2006.

[4] 胡杏保.低貧化放礦工藝現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].金屬礦山，2002(1):16-18. Hu Xingbao.Technology status and application prospect of low dilution ore drawing[J].Metal Mine,2002(1):16-18.

[5] 胡杏保,牛有奎.無底柱分段崩落法合理放礦方式探討[J].金屬礦山，2004(2):8-10. Hu Xingbao,Niu Youkui.Reasonable ore drawing investigate of pillarless sublevel caving[J].Metal Mine,2004(2):8-10.

(責(zé)任編輯 石海林)

Experimental Study on Low Dilution Drawing of High and Variable Sublevel and its Parameter Optimization

Lu Yugen1,2，3Zhang Lin1,2，3Sun Guoquan1,2，3Liu Hailin1,2，3Lu Yuhua1,2，3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Maanshan243000,China；2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000,China；3.NationalEngineeringResearchCenterofHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResources，Maanshan243000,China)

Ore drawing is the core work of the pillarless sublevel caving method，and the selection of the structural parameters in stope is an important work of ore drawing，which directly impacts on the mining efficiency and mining economic indicators (including recovery and dilution depleted).The main structural parameters of the stope are sublevel height，access space and caving step.According to the theory of ore drawing，different combinations of these three parameters will affect the final index.Large structural parameters combination of 20×20m was used in phaseⅠof Dahongshan iron mine，and sublevel height and access space were both 20m.phase II planned to adopt 30×20m structural parameters combination，that is，the sublevel height is raised to 30m，which belongs to high and variable sublevel ore drawing.In connection with the high and variable sublevel ore drawing in Phase II Project of Dahongshan Iron mine，similar materials in laboratory were used to produce ore drawing model and conduct low dilution ore drawing research，achieving the developmental morphology of drawn-out ore-body，optimal caving space and intersection hole under high and variable sublevel condition.The test results prove that the low dilution ore drawing significantly improved resource recovery，and effectively reduced ore loss and dilution.

High and variable sublevel，Low dilution ore drawing，Recovery，Dilution rate，Parameter optimization

2013-11-29

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB14B01)。

陸玉根(1987—)，男，助理工程師，碩士。

TD853.36

A 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 1001-1250(2014)-04-012-05