行鵬飛，時(shí) 磊，汪 龍，王 滿，黃 滾

(1.葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830001； 2.新疆天華礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044)

無底柱分段崩落法廣泛運(yùn)用于地下鐵礦石的開采[1],但由于該法需在覆巖下放礦，導(dǎo)致礦石的損失和貧化較大[2]。多年來，為解決無底柱分段崩落法中礦石貧損指標(biāo)差的問題，很多學(xué)者專家都對其進(jìn)行了理論研究，并提出了許多采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的理論與方法[3-5]，即通過調(diào)整無底柱分段崩落法采場中分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距的參數(shù)大小，使三者滿足一定比例關(guān)系[6-7]，從而實(shí)現(xiàn)礦山貧損指標(biāo)更優(yōu)的目的。但對于一個(gè)生產(chǎn)礦山，分段高度和進(jìn)路間距參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)就已確定，且在三級礦量達(dá)到要求的前提下，要調(diào)整兩者大小難度較大、調(diào)整所需時(shí)間長；而崩礦步距的調(diào)整靈活、彈性大、所需時(shí)間短，且對于分段高度和進(jìn)路間距參數(shù)已經(jīng)確定的礦山，總存在一個(gè)合理的崩礦步距值，使采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)[8]。故對崩礦步距的優(yōu)化研究是簡單、合理調(diào)整采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效手段，對降低礦石貧損指標(biāo)、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益有著積極的意義。

新疆某鐵礦采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為20 m×15 m，炮孔直徑為76 mm，孔底距為2.5～2.8 m，崩礦步距有1.8 m、2.2 m和3.2 m三種不同形式，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)原鐵礦石100萬t。目前該鐵礦在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)了生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、礦石貧損指標(biāo)差等問題[9]。為了解決鐵礦出現(xiàn)的問題，本文以鐵礦為工程背景，采用了室內(nèi)相似材料模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場跟班標(biāo)定的相結(jié)合的方法對該鐵礦的崩礦步距進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。該優(yōu)化研究方法操作性強(qiáng)，適用于崩落體形態(tài)較復(fù)雜且受其他因素(如爆破質(zhì)量、地下水)影響較大的礦山，可為該類礦山進(jìn)行崩礦步距的優(yōu)化提供解決思路。

1 室內(nèi)相似材料放礦模擬試驗(yàn)

1.1 單體放礦相似模擬試驗(yàn)

單體放礦相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，模型相似比為1∶100，模型尺寸為：長×寬=40 cm×40 cm，高100 cm；端壁放礦口寬3.8 cm、高3.6 cm；模型側(cè)壁每隔5 cm劃一水平刻度，用以確定標(biāo)志顆粒安放的層面位置。

本次室內(nèi)相似材料放礦模擬試驗(yàn)所選用的礦巖材料均取自松湖鐵礦回采進(jìn)路中崩落的礦石和廢石，利用粒度分析軟件Nano Measurer1.2.5分析礦石的粒度分布，將取自松湖鐵礦的礦巖材料也按1∶100相似比破碎成不大于0.6 cm的塊度，用于單體放礦相似模擬試驗(yàn)的礦巖散體粒度具體分布情況見表1。

將礦石散體按2.20 g/cm3的裝填密度進(jìn)行裝填，標(biāo)志顆粒按試驗(yàn)要求每隔5 cm高度進(jìn)行放置，每層距放出口呈扇形分布，標(biāo)志顆粒布置如圖2所示，相鄰標(biāo)志顆粒之間間距2 cm。裝填完畢后，從端部放出口逐次放出物料，稱量并統(tǒng)計(jì)各標(biāo)志顆粒的達(dá)孔量值[10]，所得垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向達(dá)孔量數(shù)據(jù)見表2和表3;再根據(jù)試驗(yàn)得到的達(dá)孔量值與標(biāo)志顆粒位置之間的關(guān)系，分別作出垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向的達(dá)孔量曲線;最后由達(dá)孔量曲線確定出達(dá)孔量相等所對應(yīng)的點(diǎn)，將達(dá)孔量值相等的點(diǎn)用光滑曲線連接起來，可得到垂直進(jìn)路方向和沿進(jìn)路方向在某一放出量時(shí)其所對應(yīng)的放出體形態(tài)，如圖3所示。

圖1 單體放礦試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 放礦模擬試驗(yàn)中礦巖散體粒度分布

圖2 標(biāo)志顆粒布置

表2 垂直進(jìn)路方向各標(biāo)志顆粒所對應(yīng)達(dá)孔量值

表3 沿進(jìn)路方向各標(biāo)志顆粒所對應(yīng)達(dá)孔量值

圖3 放出體形態(tài)

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，有放出體曲面方程見式(1)[11]。

(1)

式中：ZH為放出體鉛直高度；α、β為垂直進(jìn)路方向散體流動參數(shù)；α1、β1為沿進(jìn)路方向散體流動參數(shù)；k為壁面影響系數(shù)，影響放出體長軸形態(tài)；ω=(α+α1)/2。

當(dāng)x-kzα/2=0時(shí)，式(1)改寫為式(2)。式(2)為垂直進(jìn)路方向放出體曲面方程。

(2)

當(dāng)y=0時(shí)，式(1)改寫為式(3)和式(4)。式(3)為沿進(jìn)路方向放出體曲面方程。

(3)

g(z)=kzα1/2

(4)

圖3(a)、圖3(b)放出體形態(tài)分別用式(2)、式(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。以垂直進(jìn)路方向放出體曲面式(2)為例，將式(2)改寫為式(5)。

(5)

(6)

對式(6)兩邊同時(shí)取對數(shù)，得式(7)。

(7)

Y=A+αX

(8)

從圖3(a)中拾取垂直進(jìn)路方向放出體形態(tài)數(shù)據(jù)，并計(jì)算各組數(shù)據(jù)的X值、Y值，數(shù)據(jù)見表4；然后按式(8)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖4所示，圖4中擬合直線公式為：Y=-0.6669+1.7674X。故參數(shù)α=1.7674，(ω+1)β=0.2153。

從圖3(b)中拾取沿進(jìn)路方向放出體長軸形態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見表5；然后按式(4)進(jìn)行冪函數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖5所示，圖5中擬合冪函數(shù)公式為g(z)=13.1320z0.9084，故k=13.1320，α1=1.8168。將得到的k和α1代入式(3)，采用上述擬合方法可得β1=0.0505，ω=1.7921，β=0.0771。

表4 垂直進(jìn)路方向放出體形態(tài)數(shù)據(jù)

圖4 X-Y線性擬合

表5 沿進(jìn)路方向放出體長軸形態(tài)數(shù)據(jù)

綜上，得到室內(nèi)單體放礦相似模擬試驗(yàn)條件下：垂直進(jìn)路方向礦石散體流動參數(shù)α=1.7674，β=0.0771，沿進(jìn)路方向礦石散體流動參數(shù)α1=1.8168，β1=0.0505；k=13.1320，ω=1.7921。

1.2 立體放礦相似模擬試驗(yàn)

為探究在分段高度和進(jìn)路間距一定時(shí)，不同崩礦步距對礦石貧損指標(biāo)的影響，應(yīng)用編組試驗(yàn)法，進(jìn)行放礦步距分別為4.5 m、5.5 m、6.5 m和7.5 m的立體放礦模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示，模型相似比為1∶100。根據(jù)相似理論，分別對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料顆粒、放礦過程等進(jìn)行相似模擬，其中：采場分段高度和進(jìn)路間距分別為20 cm和15 cm，放礦步距分別為4.5 cm、5.5 cm、6.5 cm和7.5 cm；礦巖散體選用表1中的粒度分布，且礦石散體和廢石散體的裝填密度分別為2.20 g/cm3、1.45 g/cm3；當(dāng)次放出的礦石與廢石重量之比達(dá)到0.79時(shí)，停止放礦。每組模擬試驗(yàn)需裝填兩個(gè)分段高度的礦石和一個(gè)分段高度廢石，每分段安排3～5個(gè)進(jìn)路出礦，各分段的貧損指標(biāo)取其平均值。

圖5 z-g(z)冪函數(shù)擬合

圖6 立體放礦試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.3 立體放礦試驗(yàn)結(jié)果與分析

四組立體放礦模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6～9。

將四組試驗(yàn)中回貧指標(biāo)與放礦步距的關(guān)系如圖7所示。

表6 20 cm×15 cm×4.5 cm各分段貧損指標(biāo)

表7 20 cm×15 cm×5.5 cm各分段貧損指標(biāo)

表8 20 cm×15 cm×6.5 cm各分段貧損指標(biāo)

表9 20 cm×15 cm×7.5 cm各分段貧損指標(biāo)

圖7 放礦步距與回貧指標(biāo)關(guān)系

從圖7可看出：在室內(nèi)立體放礦相似模擬試驗(yàn)中，當(dāng)崩礦步距為5.5 cm時(shí)，其礦石回采率最高，貧損指標(biāo)最優(yōu)。所以，該鐵礦采場中放礦步距宜為5.5 m?？紤]到放礦步距與崩礦步距之間存在1.3～1.5的比例關(guān)系[12]，該鐵礦采場中最優(yōu)崩礦步距在3.7～4.2 m之間。最優(yōu)崩礦步距值還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場出礦標(biāo)定結(jié)果來確定。

2 現(xiàn)場出礦跟班標(biāo)定

2.1 跟班標(biāo)定方案

出礦跟班標(biāo)定跟蹤了CM31、CM12和CM33三條回采進(jìn)路，其崩礦步距值分別為1.8 m、2.2 m和3.2 m。出礦鏟運(yùn)機(jī)鏟斗斗容有2 m3和3 m3兩種規(guī)格，兩種鏟運(yùn)機(jī)連續(xù)兩次取樣間隔分別為10斗和7斗，取樣點(diǎn)選擇在鏟運(yùn)機(jī)鏟斗，均勻取樣，每次取樣后利用金屬品位快速分析儀測量礦石樣品品位5次并取平均值。礦石品位達(dá)到截止出礦品位時(shí)，停止標(biāo)定，記錄測得礦石品位與其對應(yīng)鏟斗數(shù)。

2.2 跟班標(biāo)定結(jié)果與分析

將跟班標(biāo)定測得礦石品位隨出礦鏟斗數(shù)變化關(guān)系做成曲線，如圖8所示。

從圖8中可以看出：①在出礦過程中，礦石品位會出現(xiàn)兩次較大的下降，而金屬快速品位分析儀測得的礦石品位實(shí)際上是所取礦石樣品的平均品位，即出礦品位，表明礦石品位下降較快是由廢石開始大量混入所造成；②根據(jù)單體放礦相似模擬試驗(yàn)中測得的放出體形態(tài)(圖3)可知，在出礦早期，放出體長軸較小，頂部廢石不會隨放出體一起被放出，端部正面為混入廢石的主要來源，由此造成出礦品位第一次快速下降，隨著放礦的繼續(xù)進(jìn)行，放出體形態(tài)越來越大，由頂部和側(cè)面混入的廢石引起出礦品位的第二次快速下降；③廢石第二次的大量混入使出礦品位很快接近該鐵礦的截止品位，從而使出礦工作提前結(jié)束，造成礦石損失，因此，為取得較好的貧損指標(biāo)，應(yīng)盡量使頂部廢石第二次混入時(shí)間推遲，即在放出高度一定時(shí)，放出體形態(tài)應(yīng)盡可能小，也即放出量應(yīng)盡可能小。

3 崩礦步距的優(yōu)化

將單體放礦相似模擬試驗(yàn)測得的散體流動參數(shù)代入放出量計(jì)算式，見式(9)[12]。

(9)

式中：A為端壁切余系數(shù)；Q計(jì)算公式見式(10)。

(10)

圖8 礦石品位隨出礦鏟斗數(shù)的變化曲線

3 m3鏟運(yùn)機(jī)每鏟斗礦石量約為1.95 m3，分別計(jì)算出CM31、CM12和CM33中廢石第一次和第二次混入時(shí)的放出量Q1、Q2,再根據(jù)式(10)將CM31、CM12和CM33中廢石第一次和第二次混入時(shí)的放出量ZH1、ZH2分別計(jì)算出來，計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 不同時(shí)間礦石放出量與橢球體高度

由式(9)計(jì)算得放出量與放出高度關(guān)系式不滿足量綱原則[13]，故用量綱分析法假設(shè)放出量Q(m3)與放出體鉛直高度ZH2(m)，滿足式(11)。

(11)

根據(jù)表10，按式(11)分別計(jì)算出不同崩礦步距CM31、CM12和C33的λ值，將不同崩礦步距與所對應(yīng)的λ值作成如圖9所示曲線。

圖9 崩礦步距與λ關(guān)系

根據(jù)上文的分析，ZH2一定時(shí)，放出量Q越小，λ值應(yīng)越小。從圖9可以看出，崩礦步距越大，λ值越小，一定放出體高度下，放出體形態(tài)越小，廢石混入率低，截止放礦時(shí)間推遲，可回收更多礦石?？紤]爆破質(zhì)量的影響，再結(jié)合上文分析，推薦該鐵礦采場崩礦步距優(yōu)化值為4 m，一次爆兩排，排距為2 m。

4 結(jié) 論

1) 通過室內(nèi)單體、立體放礦相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，測得礦巖流動參數(shù)和放出體形態(tài)，得到最優(yōu)崩礦步距的范圍在3.7～4.2 m之間；結(jié)合現(xiàn)場跟蹤標(biāo)定結(jié)果，分析得到適合該鐵礦的崩礦步距優(yōu)化值為4 m。

2) 以量綱分析法簡單構(gòu)建了放出量Q(m3)與放出體鉛直高度ZH2(m)的計(jì)算公式，并以此分析出崩礦步距與放出體形態(tài)、貧損指標(biāo)的之間的定性關(guān)系，即：在放出體鉛直高度一定時(shí)，崩礦步距越大，礦石放出量越小，放出體形態(tài)也越小，此時(shí)廢石混入率較低，截止放礦時(shí)間推遲，可回收更多的礦石。

3) 式(9)為放出量與放出體鉛直高度常用計(jì)算公式，但該計(jì)算公式中放出量(m3)的量綱與等式右邊量綱不相同；如何用理論公式對礦巖散體流動參數(shù)、放出體形態(tài)參數(shù)和放出量三者之間的關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確描述是今后研究端部放礦理論的一個(gè)方向。