汪為平 薛小蒙

(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.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000)

硫化礦石是重要礦種之一，該類礦石在采場(chǎng)回采破碎后，在一定壓力、溫度和濕度環(huán)境耦合作用下，容易二次結(jié)塊板結(jié)［1］，導(dǎo)致出礦與放礦困難，并且可能自燃［2-3］，影響到礦山的正常作業(yè)生產(chǎn)。

結(jié)塊礦石的強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)體力學(xué)性質(zhì)。在同等破壞的條件下，動(dòng)態(tài)沖擊比靜態(tài)荷載作用的破碎能量消耗更少［4］。巖石結(jié)構(gòu)在沖擊動(dòng)荷載作用下主要表現(xiàn)出拉裂破壞的特征［5-6］。針對(duì)銅坑礦的結(jié)塊礦石，可以利用下部開采崩頂實(shí)施誘導(dǎo)崩落［7-8］沖擊破碎。本研究利用ANSYS/LS－DYNA 軟件數(shù)值仿真方法，在對(duì)實(shí)施誘導(dǎo)崩落沖擊崩解的技術(shù)參數(shù)模擬基礎(chǔ)上，分析不同條件下的結(jié)塊礦石的跌落破碎效果，優(yōu)化礦山的誘導(dǎo)崩解技術(shù)參數(shù)，為誘導(dǎo)崩落沖擊破碎結(jié)塊礦石技術(shù)的實(shí)施提供理論基礎(chǔ)。

1 模型構(gòu)建

銅坑礦細(xì)脈帶高含硫礦體依靠整體崩落開采，礦山鏟裝、運(yùn)輸能力不足，導(dǎo)致大量崩落礦石積壓結(jié)塊。

擬采用誘導(dǎo)崩落結(jié)塊礦石的方法實(shí)現(xiàn)礦石的自然分解。誘導(dǎo)崩落分解的主要力學(xué)機(jī)制是:動(dòng)荷載比靜荷載能夠更加有效實(shí)現(xiàn)巖石的破壞，通過尖點(diǎn)沖擊作用，能夠強(qiáng)化沖擊破壞效果。結(jié)塊礦石跌落后以不同角度與目標(biāo)面碰撞，產(chǎn)生較大的沖擊動(dòng)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，礦石塊之間的膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)體在沖擊動(dòng)拉應(yīng)力作用下易發(fā)生斷裂破壞，形成結(jié)塊礦石的崩解。

1.1 建立分析模型

以銅坑礦結(jié)塊礦石為研究對(duì)象，建立仿真模型如圖1。圖1 中礦石塊體間為硫化物膠結(jié)弱結(jié)構(gòu);結(jié)塊礦石計(jì)算目標(biāo)中的單個(gè)礦石模型尺寸為0.3 m(直徑)×0.15 m(厚)的六棱柱體，礦石和膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的結(jié)塊礦石模型尺寸為0.95 m× 0.59 m×0.15 m，目標(biāo)面尺寸為2.26 m×2.26 m×0.11 m;計(jì)算過程選擇為自然跌落，各材料的力計(jì)算學(xué)參數(shù)取值如表1 所示，目標(biāo)面為剛性體。

圖1 結(jié)塊礦石崩落模型Fig.1 Model of induction caving of caking ore

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

1.2 方案設(shè)計(jì)

仿真模擬的主要參數(shù)定義:跌落高度是在誘導(dǎo)崩落沖擊跌落過程中模型的“長邊”與目標(biāo)面平行的情況下，模型最低點(diǎn)與目標(biāo)面的垂直高度;跌落角度是模型寬邊與目標(biāo)面所成的最小角度，其中0°是結(jié)塊的礦塊跌落觸地時(shí)，礦塊面與目標(biāo)面全部接觸的水平跌落?？估瓘?qiáng)度和抗壓強(qiáng)度主要考慮結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)，即結(jié)塊后硫化物膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度參數(shù)。模擬試驗(yàn)中，針對(duì)待考察的影響因素，采取其他因素取定值，該考察因素為變量的方法。

為分析結(jié)塊礦石的放頂誘導(dǎo)崩落沖擊動(dòng)力學(xué)特性和崩解的效果，利用ANSYS/LS－DYNA 軟件對(duì)模型進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)見表2。在表1 材料參數(shù)的條件下，對(duì)誘導(dǎo)崩解的工藝參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)而確定合理的誘導(dǎo)崩落高度和跌落角度等工藝參數(shù)。

表2 仿真試驗(yàn)參數(shù)Table 2 The simulation parameters

2 結(jié)果分析

結(jié)塊礦石的回收利用主要就是解決礦石二次破碎的難題。利用下層礦體的正常回采誘導(dǎo)結(jié)塊礦石實(shí)現(xiàn)崩解，是一種新的技術(shù)思路。為合理評(píng)估崩解的效率，定義崩解率為仿真模擬中的結(jié)塊礦石誘導(dǎo)崩解后的塊數(shù)與原生礦石塊數(shù)的比值

式中，η 為結(jié)塊礦石的崩解率;N0為崩解后的礦石破碎塊數(shù);Nb為二次結(jié)塊礦石的初始礦石塊數(shù)，Nb=10。

2.1 崩解特性分析

結(jié)塊礦石從5 m 高度不同角度跌落后的崩解效果如圖2 所示，0°條件下，結(jié)塊礦石無法順利崩解。30°、60°、90°條件下能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)塊礦石的崩解，其崩解主要沿著結(jié)塊的膠結(jié)弱面發(fā)生。在30°時(shí)結(jié)塊礦石的崩解效果最好，達(dá)到了100%。

圖2 跌落角度不同時(shí)的崩解效果Fig.2 Caving effect under different dropping angle

2.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下礦石崩解效果統(tǒng)計(jì)如圖3。從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，材料抗拉、抗壓強(qiáng)度及跌落角度一定的條件下，隨著跌落高度的增加，結(jié)塊礦石的崩解率呈線性增加。因此，滿足安全生產(chǎn)條件下，應(yīng)選擇盡可能大的跌落高度。跌落角度與崩解率之間呈現(xiàn)一種非線性的關(guān)系，這主要是由于不同的跌落角度下，沖擊產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力與接觸點(diǎn)的關(guān)系差異影響所致。

圖3 礦石崩解率與跌落參數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between caving rate and dropping parameters

崩解效果與高度之間存在一定的線性關(guān)系，隨跌落高度的增加，結(jié)塊礦石的崩解率也會(huì)有相應(yīng)的增加。但在實(shí)際工程中，空區(qū)高度越大可能帶來更大的安全隱患，需要在滿足崩解要求的情況下，盡可能降低放頂高度，提高作業(yè)的安全性。

2.3 膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)崩解效果的影響

結(jié)塊礦石的弱結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)具有不確定性，是膠結(jié)過程中的膠凝強(qiáng)度、塊石分布、膠凝時(shí)間等的函數(shù)，一般而言隨著膠凝時(shí)間的增加，其強(qiáng)度愈強(qiáng)。為合理考慮誘導(dǎo)工藝的控制參數(shù)，對(duì)膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行分析。

取5 m 為計(jì)算的跌落高度，選取不同的弱結(jié)構(gòu)抗拉和抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行模擬，其參數(shù)見表2。對(duì)不同大小的抗壓和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行組合，以分析弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值對(duì)崩解效果的影響規(guī)律。本計(jì)算主要選取30°、60°和90°這3 種跌落角度進(jìn)行分析，其計(jì)算分析的崩解率見圖4。

圖4 礦石崩解率與弱結(jié)構(gòu)體參數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between caving rate and weak structure parameters

分析發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)固定的情況下，崩解率與弱結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度無相關(guān)性，崩解率隨著抗壓強(qiáng)度的增加不發(fā)生改變。從力學(xué)分析也可知，在跌落過程中，主要表現(xiàn)出的破壞為動(dòng)拉應(yīng)力破壞，因此，弱結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度對(duì)二次結(jié)塊礦石的崩解影響可以忽略，見圖4(a)。崩解率與抗拉強(qiáng)度與呈現(xiàn)出一種負(fù)相關(guān)性，隨著抗拉強(qiáng)度的增加而減少，雖然抗拉強(qiáng)度的變化梯度較小，只有抗壓強(qiáng)度變化梯度的1/20，但仍然對(duì)礦石的崩解效果產(chǎn)生顯著影響，而且跌落角度不同，崩解率變化的程度也不同。30°時(shí)，崩解率變化最小，只有當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值1.5 MPa 時(shí)，崩解率才會(huì)出現(xiàn)減少;60°和90°跌落情況下，崩解率變化最為顯著，見圖4(b)。

3 結(jié) 論

(1)結(jié)塊礦石的崩解效果受弱結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度的影響，隨著抗拉強(qiáng)度的降低，崩解率增加;抗壓強(qiáng)度對(duì)崩解率的影響不顯著。由于膠結(jié)時(shí)間越長，膠結(jié)體強(qiáng)度會(huì)越大，所以應(yīng)盡早實(shí)施誘導(dǎo)回收工程，在膠結(jié)弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低情況下實(shí)施崩解，可以取得更好的崩解效果。

(2)誘導(dǎo)工程的技術(shù)參數(shù)主要是控制結(jié)塊礦石的崩落高度和跌落角度，在條件允許的情況下，結(jié)塊礦石與跌落面的高度差至少應(yīng)達(dá)到5 m;誘導(dǎo)爆破超深面與水平面的夾角為5° ～30°。

(3)該研究表明利用誘導(dǎo)崩落技術(shù)回收、破碎結(jié)塊礦石是可行的。同時(shí)，該方法還需要進(jìn)一步的理論研究，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)。

［1］ 李孜軍，鄧艷星，舒愛霞.基于正交試驗(yàn)的硫化礦石結(jié)塊影響因素分析［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2011，29(14):41-45.

Li Zijun，Deng Yanxing，Shu Aixia.Analysis of caking factors of sulfide ores based on the orthogonal experiments［J］.Science ＆ Technology Review，2011，29(14):41-45.

［2］ 孫 浩，陽富強(qiáng)，吳 超，等. 硫化礦石自燃機(jī)理及防治技術(shù)研究進(jìn)展［J］.金屬礦山，2009(12):5-10.

Sun Hao，Yang Fuqiang，Wu Chao，et al.Research progress on mechanism of spontaneous combustion for sulfide ores and the control techniques［J］.Metal Mine，2009(12):5-10.

［3］ 胡文志，謝振華，趙 軍.硫化礦石自燃傾向性鑒定技術(shù)［J］. 金屬礦山，2011(6):146-148.

Hu Wenzhi，Xie Zhenhua，Zhao Jun. Identification technology about spontaneous combustion tendency of sulfide ores［J］. Metal Mine，2011(6):146-148.

［4］ Wang S Y，Sloan S W，Liu H Y，et al. Numerical simulation of the rock fragmentation process induced by two drill bits subjected to static and dynamic (impact)loading［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering，2011，44(3):317-332.

［5］ Refahi A，Aghazadeh Mohandesi J，Rezai B. Comparison between bond crushing energy and fracture energy of rock in a jaw crusher［J］.Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy，2009，109:709-717.

［6］ 李啟月，顧春宏，李夕兵，等. 沖擊加載下矽卡巖破碎能耗與塊度關(guān)系的試驗(yàn)研究［J］.礦冶工程，2009，29(4):18-21.

Li Qiyue，Gu Chunhong，Li Xibing，et al. Experimental research on relationship between energy consumption and fragmentation size of skarn subjected to impact loading［J］.Mining and Metallurgical Engineering，2009，29(4):18-21.

［7］ 曹建立，任鳳玉. 誘導(dǎo)冒落法處理時(shí)采空區(qū)三體墊層的安全厚度［J］.金屬礦山，2013(3):45-48.

Cao Jianli，Ren Fengyu. Research of dispersions bedding＇s safety thickness in processing deposits with induced caving［J］. Metal Mine，2013(3):45-48.

［8］ 高 峰.頂板誘導(dǎo)崩落機(jī)理及次生災(zāi)變鏈?zhǔn)叫?yīng)控制研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2009.

Gao Feng.Study on Mechanism of Induced Caving Roof and Control of Its Secondary Catastrophe Chain Effect［D］. Changsha:Central South University，2009.