常貫峰 路增祥，2

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114000；2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源綠色開采工程研究中心，遼寧鞍山114051）

無底柱分段崩落法引進(jìn)國內(nèi)以來，以其安全高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)于金屬礦床地下開采［1］。由于其落礦和放礦是在覆巖下進(jìn)行的，放礦過程中覆蓋層廢石會(huì)大量混入，造成礦石損失貧化。為改善放礦效果，降低損失貧化，吳愛祥［2］、陶干強(qiáng)［3］等人通過研究無底柱分段崩落法的結(jié)構(gòu)參數(shù)，給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)與放礦指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系式；胡杏保［4］等人通過對(duì)無底柱分段崩落法不同回采順序的研究，分析了其對(duì)礦石損失貧化的影響；張國建［5］等人研究了崩落法松散覆蓋巖層自然分級(jí)對(duì)礦石損失貧化的影響；王培濤［6］等人通過顆粒流數(shù)值模擬研究了邊孔角對(duì)無底柱分段崩落法放礦的影響；唐玉柱［7］研究了礦石殘留體對(duì)無底柱分段崩落法放礦效果的影響；余一松［8］、張永達(dá)［9］等人研究了端部放礦端壁傾角對(duì)礦石損失貧化的影響。無底柱分段崩落法礦石損失與貧化大的影響因素較多，其中放礦控制和出礦設(shè)備的影響不可忽略。劉興國［10］、何興榮［11］等人從放礦管理、設(shè)備配套問題等方面對(duì)無底柱分段崩落法進(jìn)行了研究。宋洪勇［12］等人研究了放礦步距與端部放礦放出體的合理匹配關(guān)系，指出鏟裝深度和寬度對(duì)橢球體形態(tài)有較大影響。上述研究成果對(duì)無底柱分段崩落法的發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用。但對(duì)放礦過程中鏟機(jī)的鏟入深度對(duì)放礦效果的影響，以及鏟入深度與崩礦步距關(guān)系等方面的研究甚少。對(duì)于鏟入深度與崩礦步距的關(guān)系研究，應(yīng)建立在以損失與貧化為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的放礦效果上，使放礦效果達(dá)到最佳。

本研究以單進(jìn)路放礦模型為基礎(chǔ)，通過物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究出礦過程中鏟運(yùn)機(jī)鏟入深度與崩礦步距的關(guān)系對(duì)放礦效果的影響，有利于礦山鏟運(yùn)機(jī)選型和放礦管理。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?。按幾何?:50設(shè)計(jì)與制作“單分段-單進(jìn)路”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，模型結(jié)構(gòu)與巷道均采用透明有機(jī)玻璃板與角鋼制作。模型箱幾何尺寸為400 mm×400 mm×1 000 mm（長×寬×高），其結(jié)構(gòu)原理如圖1。模型箱中裝填礦石高度為500 mm，模擬現(xiàn)場(chǎng)分段高度25 m；廢石裝填高度為300 mm，模擬覆蓋巖高度15 m。分別以52 mm、72 mm和92 mm的礦層厚度模擬2.6 m、3.6 m和4.6 m的崩礦步距。

（2）實(shí)驗(yàn)用礦巖材料。實(shí)驗(yàn)采用礦石為磁鐵礦（黑色），廢石采用白色石英巖。礦石與廢石顆粒的粒級(jí)組成（質(zhì)量百分比）見表1。礦石與廢石的各組份經(jīng)計(jì)算、稱量和混合均勻后，按一定順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溲b填。

（3）出礦鏟設(shè)計(jì)。以4 m3（鏟斗寬2.5 m）鏟運(yùn)機(jī)為基礎(chǔ)，按1∶50設(shè)計(jì)出礦鏟寬度。出礦鏟上，調(diào)整鏟入深度的定位板為一可固定在手柄上的活動(dòng)部件，能夠保證出礦時(shí)鏟入深度的可調(diào)整。其原理如圖2。

1.2 鏟入深度確定

（1）鏟入深度計(jì)算。根據(jù)Rankine土壓力理論，Janelid和Kvapil［14］提出了鏟運(yùn)機(jī)最優(yōu)鏟入深度計(jì)算式，如式（1）。

式中，x為鏟入深度，m；H為巷道高度，m；φ為自然安息角，（°）。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)用礦石材料進(jìn)行測(cè)定，其自然安息角為38°，已知實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南锏栏叨葹?4 mm，根據(jù)式（1），在各崩礦步距下出礦時(shí)的最優(yōu)鏟入深度值為66.46 mm。為研究鏟入深度對(duì)與崩礦步距的關(guān)系，以及鏟入深度對(duì)放礦效果的影響，以66.46 mm為基礎(chǔ)，按10 mm的增減量調(diào)整實(shí)驗(yàn)中的鏟入深度，以模擬生產(chǎn)實(shí)際中0.5 m的鏟入深度變化值。實(shí)驗(yàn)鏟入深度與模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的鏟入深度對(duì)比值如表2。

（2）實(shí)驗(yàn)鏟入深度定位值計(jì)算。根據(jù)圖2模型箱中出礦巷道的長度，實(shí)驗(yàn)中礦鏟的鏟入深度定位值L

由式（2）確定。

式中，Lh為模型巷道長度，Lh=210mm；x為鏟入深度值。

2 物理模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 模型裝填

分別按2.6 m、3.8 m和4.6 m的崩礦步距對(duì)放礦實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溥M(jìn)行物料裝填。裝填時(shí)，用豎直隔板將礦石與正面廢石隔開，并保持隔板兩邊的礦石與廢石同步升高，以確保崩礦步距大小不發(fā)生變化。當(dāng)裝填到設(shè)計(jì)高度時(shí)，先整平礦石與廢石的頂面，然后將隔板豎直向上抽出，繼續(xù)裝填廢石到設(shè)計(jì)高度。為不擾動(dòng)已完成裝填的礦石層上表面，上覆廢石裝填之前，先在礦石層表面覆蓋一層廢石，然后繼續(xù)裝填廢石。

模型箱填裝過程中，要準(zhǔn)確記錄礦石的裝填量。完成裝填后的模型如圖3。

2.2 出礦要求

出礦時(shí)嚴(yán)格按下述要求進(jìn)行：

（1）不同鏟入深度下的實(shí)驗(yàn)出礦前，需先根據(jù)式（2）確定的定位值調(diào)節(jié)好定位板，并將其與手柄固定為一體，以防止出礦過程中因定位板產(chǎn)生移動(dòng)，而導(dǎo)致鏟入深度發(fā)生變化；

（2）出礦過程中，保持全斷面均勻出礦，并在鏟取礦石時(shí)模擬鏟運(yùn)機(jī)鏟斗的運(yùn)動(dòng)方式，使鏟礦后引起的模型箱內(nèi)的礦巖移動(dòng)方式，盡量與生產(chǎn)實(shí)際中鏟運(yùn)機(jī)出礦時(shí)采場(chǎng)內(nèi)的礦巖移動(dòng)方式接近；

（3）每次出礦后，將鏟出的礦石與廢石分離并分別稱重，做好實(shí)驗(yàn)記錄；

（4）以混巖率達(dá)到70%為截止放礦的標(biāo)準(zhǔn)。

3 鏟入深度與崩礦步距的關(guān)系特征

為研究鏟入深度與崩礦步距的關(guān)系研究，共進(jìn)行了3種崩礦步距、7種鏟入深度下的21組放礦實(shí)驗(yàn)。

3.1 頂部廢石漏斗演變特征

21組實(shí)驗(yàn)中，以放礦口開始出現(xiàn)廢石（也即正面侵入廢石到達(dá)出礦口）為節(jié)點(diǎn)，頂部廢石漏斗演變呈現(xiàn)出了一定的規(guī)律性。圖4顯示了鏟入深度分別為2.32 m、3.32 m和4.32 m時(shí)、對(duì)應(yīng)崩礦步距分別為2.6 m、3.6 m和4.6 m時(shí)，廢石漏斗擴(kuò)展特征。

（1）相同鏟入深度條件下，頂部廢石漏斗的凹陷深度隨崩礦步距的增大而增大。這一現(xiàn)象，可能與礦石與巖石容重的差異性有關(guān)，相對(duì)于容重較小的巖石，礦石容重越大，放礦的重力作用特征越明顯，流動(dòng)性也越好。

（2）同一崩礦步距條件下，頂部廢石漏斗的凹陷深度隨鏟入深度的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，而且，崩礦步距越小時(shí)，凹陷深度減小的現(xiàn)象越明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是放礦過程中隨著鏟入深度的增大，擴(kuò)大了礦巖的擾動(dòng)范圍，因而更有利于礦巖流動(dòng)，進(jìn)而造成正面廢石較早的侵入放礦過程。

3.2 不同鏟入深度與崩礦步距對(duì)純礦石回收量的影響

表3統(tǒng)計(jì)了21組放礦實(shí)驗(yàn)中，放礦口出現(xiàn)廢石時(shí)放出的純礦石量。

從表3可以看出：

（1）鏟入深度一定時(shí)，崩礦步距越大，放出純礦石量越多。產(chǎn)生這一特征的原因主要是在一定的鏟入深度條件下，出礦引起的礦巖擾動(dòng)范圍保持不變，當(dāng)崩礦步距加大之后，崩落體沿進(jìn)路方向的厚度增大，延緩了正面廢石到達(dá)放礦口的時(shí)間。

（2）崩礦步距一定時(shí)，隨著鏟入深度的增加，純礦石放出量出現(xiàn)了2種變化特征：一是在較小的崩礦步距（如2.6 m、3.6 m）下，呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)；而崩礦步距較大時(shí)，呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因在于不同的鏟入深度下，出礦引起的礦巖擾動(dòng)范圍不同，導(dǎo)致了正面廢石侵入放礦過程的時(shí)間早晚出現(xiàn)了較大的差異。

說明崩礦步距與鏟入深度之間存在一定的匹配關(guān)系，而這一關(guān)系則直接影響到放出體的形態(tài)發(fā)育和出礦效果。

3.3 不同鏟入深度與崩礦步距對(duì)混巖率影響

以每10次出礦為一個(gè)計(jì)算單位，圖5給出了鏟入深度分別為2.32 m、3.32 m、4.32 m和5.32 m條件下各崩礦步距的每次出礦時(shí)巖石混入率曲線，圖中箭頭位置為頂部廢石漏斗破裂的時(shí)間點(diǎn)。

由圖5可知：

（1）崩礦步距較小時(shí)，放礦口出現(xiàn)廢石較早，回收礦石量少，頂部廢石漏斗破裂后，混巖率會(huì)很快上升到放礦截止的混巖率；隨崩礦步距的增大，放礦口出現(xiàn)廢石較晚，回收礦石量增加，頂部廢石漏斗破裂后，混巖率增加速率相對(duì)平緩，到截止放礦前仍能回收較多的礦石。

（2）鏟入深度較小時(shí)，回收礦石量少；鏟入深度加大，回收礦石量增多。鏟入深度一定，出礦總量相同條件下，崩礦步距越大，巖石混入率越低；混巖率相同時(shí)，崩礦步距越大，放出總量越大；隨著鏟入深度與崩礦步距的增大，混巖率走勢(shì)越明顯。

說明不同鏟入深度時(shí)模型內(nèi)部礦巖受擾動(dòng)的范圍對(duì)放礦效果的影響顯著。鏟入深度較小時(shí)，對(duì)放礦口內(nèi)部礦巖擾動(dòng)范圍小，不利于放礦的順利進(jìn)行；隨鏟入深度增大放礦口內(nèi)部擾動(dòng)范圍增大，有利于模型內(nèi)部礦巖均勻的流出。

3.4 不同鏟入深度與崩礦步距對(duì)損失貧化的影響

實(shí)驗(yàn)總的回收率與混巖率統(tǒng)計(jì)如圖6。

由圖6可知：

（1）崩礦步距較小時(shí)，不同鏟入深度條件下，礦石回收率與混巖率波動(dòng)較大。隨崩礦步距增大，礦石回收率與混巖率在鏟入深度大于4.32 m后有逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。

（2）2.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度小于4.32 m時(shí)，回收率穩(wěn)定在50%左右，混巖率呈波動(dòng)下降趨勢(shì)；鏟入深度大于4.32 m時(shí)，回收率逐漸穩(wěn)定在57%左右。3.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度小于4.32 m時(shí)，回收率波動(dòng)上升，混巖率波動(dòng)下降；鏟入深度大于4.32 m時(shí)，回收率穩(wěn)定在58%，高出2.6 m崩礦步距1個(gè)百分點(diǎn)，此時(shí)混巖率穩(wěn)定在23%左右，較2.6 m崩礦步距時(shí)的低；4.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度小于4.32 m時(shí)，回收率波動(dòng)上升，混巖率波動(dòng)下降；鏟入深度大于4.32 m時(shí)，回收率穩(wěn)定在59%左右，高出2.6 m崩礦步距2個(gè)百分點(diǎn)，此時(shí)混巖率穩(wěn)定在18%左右，較3.6 m崩礦步距時(shí)的低了5個(gè)百分點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）鏟入深度和崩礦步距存在一定的匹配關(guān)系，而這一關(guān)系會(huì)影響到放礦過程中的放出體形態(tài)發(fā)育。放礦口出現(xiàn)廢石的時(shí)間早與晚受鏟入深度與崩礦步距的影響較大，鏟入深度一定時(shí)，崩礦步距越大，正面廢石侵入的時(shí)間越晚，反之，廢石侵入時(shí)間越早；而崩礦步距一定時(shí)，鏟入深度越大，正面廢石侵入的時(shí)間越早，反之，廢石侵入時(shí)間越晚。

（2）崩礦步距較小時(shí)，頂部廢石漏斗下凹深度小，放出純礦石量少，礦石回收率較低；崩礦步距增大，頂部廢石漏斗下凹深度增大，放出純礦石量增多，礦石回收率升高。

（3）崩礦步距一定時(shí)，鏟入深度的大小對(duì)放礦口內(nèi)部礦巖的擾動(dòng)范圍影響較大，進(jìn)而直接影響到礦石的回收率與貧化率。鏟入深度小，對(duì)礦巖的擾動(dòng)范圍也小，礦石回收率較低，混巖率也低；鏟入深度大，對(duì)礦巖的擾動(dòng)范圍也大，礦石回收率升高，混巖率也會(huì)升高。

（4）鏟入深度一定時(shí)、崩礦步距的大小對(duì)礦石的回收率與貧化率產(chǎn)生著較大影響。在總出礦量相同條件下，崩礦步距越大，巖石混入率越低。如4.6 m崩礦步距條件下，鏟入深度為5.32 m時(shí)，回收率達(dá)到最優(yōu)值59%左右，混巖率為16%左右。