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)?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)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。
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。
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)。
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)。
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。
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。
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。
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)。
(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。