崩落法放矿过程中充填体细颗粒运移特征研究_王平.pdf

收稿日期2019-09-18 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51604195） 。 作者简介王平 （1972） ， 男， 副教授， 博士。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 崩落法放矿过程中充填体细颗粒运移特征研究 王平 1， 2 李丹峰 1 程爱平 1 曾文旭 1 张玉山 1 谭涛 11 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081） 摘要由于选厂搬迁， 程潮铁矿西区保安矿柱由充填法转为崩落法开采， 原充填体人工矿柱在崩落法开采 过程中易产生粒化， 导致矿石贫化， 因此， 亟需开展崩落法放矿过程中充填体细颗粒运移规律研究， 为崩落法开采 工艺参数确定提供理论支撑。利用PFC3D离散元软件制定充填体细颗粒运移初步试验与全面实验方案， 对放矿过 程中不同块度充填体细颗粒在矿石覆盖层中的渗移过程进行模拟， 并开展不同放矿时期细颗粒运移特征研究。研 究结果表明 ①块度在0.3～0.7 m的充填体在放矿过程中更容易发生细颗粒渗移， 造成矿岩覆盖层的混杂； ②覆盖 层散体与充填体的块度均对细颗粒渗移有显著影响， 覆盖层散体块度的影响是高度显著的； ③不同放矿时期细颗 粒的运移方式有显著不同， 且细颗粒的速度与其所处的相对位置有关。在此研究基础上建议将采场上方的矿石隔 离层进行诱导冒落， 合理控制其块度以减少细颗粒渗移现象的发生。 关键词崩落法冒落充填体散体块度细颗粒渗移PFC3D 中图分类号TD853.36文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-040-06 DOI10.19614/ki.jsks.201912006 Study on Migration Characteristics of Fine Particles of Filling Body during Caving Process Wang Ping1， 2Li Danfeng1Cheng Aiping1Zeng Wenxu1Zhang Yushan1Tan Tao12 （1. School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China； 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China） AbstractDue to the relocation of the dressing plant，the security pillar in the west area of Chengchao Iron Mine is mined from filling to caving . The original artificial pillar of filling body is prone to produce granulate in the pro- cess of caving mining，resulting in ore dilution. Therefore，it is urgent to carry out the research on the fine particle migration law of filling body in the caving process，so as to provide theoretical support for determination of mining process parameters of the caving . The PFC3D discrete element software is used to make the preliminary test and comprehensive test plan of fine particle migration of filling body to simulate the seepage process of fine particles of filling body with different block size in the ore overburden during the ore drawing process. The research of fine particle migration characteristics in different ore drawing periods are carried out. The results show that ① the filling body with block size of 0.3～0.7 m is more likely to have fine particle seepage movement in the process of ore drawing，resulting in the mixture of ore and rock overburden；② the block size of covering body and filling body has significant influence on fine particle seepage movement，and the influence of covering body block size is highly significant；③ the migration mode of fine particles is significantly different in different ore drawing periods，and the moving speed of fine particles is related to its relative position. On the basis of this study，it is sug- gested that the ore isolation layer above the stope should be induced to fall， and its block size should be controlled reasonably to reduce the occurrence of fine particle migration. KeywordsCaving ， Caving filling body， Bulk block， Fine particle migration， PFC3D 程潮铁矿西区为保护选厂， 对选厂下方的保安 矿柱采用充填法开采。现西区选厂开始搬迁， 充填 采场下方的保安矿柱将恢复崩落采矿法进行开采。 崩落法采矿的特点是崩落矿石与覆盖岩层直接接触 Series No. 522 December2019 40 ChaoXing 并在覆岩的包围下从放矿口放出。放矿过程中冒落 充填体易穿过覆盖层与矿石混杂， 造成放出矿石的 贫化， 进而造成矿产资源的浪费与矿山经济效益的 下降 ［1］。因此， 亟需开展对放矿过程中覆盖层上方的 细颗粒运移过程的的研究。 研究冒落充填体在覆盖层散体中的运移规律本 质上是研究放矿过程中细颗粒的运移过程。国内外 学者主要通过理论研究、 室内实验与数值模拟三方 面进行研究。刘传平 ［2］等通过将非牛顿流体理论求 得颗粒流粘性本构关系预测值与实验结果相对比， 证明了 “拟流法” 研究颗粒流的可行性。Christopher ［3］ 视细颗粒为非牛顿流体， 并在此基础上从计算力学 角度对放矿过程中细颗粒渗移速度与位移关系做了 研究。马玉亮 ［4］认为均匀散体由于颗粒间空隙一般 不大于自身尺寸而很少发生穿流作用， 而非均匀散 体由于颗粒间的空隙大小不一， 会发生细小颗粒的 下渗。潘峰 ［5］通过室内试验对矿山构成废石覆盖层 的冒落充填体做了研究， 认为放矿过程中的二次破 碎作用不会使得冒落的充填体大量成粉。Bridgwa- ter ［6］通过在室内物理实验中调整剪切盒的角度探讨 细颗粒的渗移距离与粗级颗粒直径比与剪切应变的 关系。柳小波 ［7］基于离散元思想建立了以崩落矿岩 散体为对象的非均匀散体碰撞运动模型， 并基于此 模型利用编程语言研发了放矿仿真系统。李涛 ［8］通 过EDEM软件针对矿山自然崩落法放矿过程中废石 层中的细颗粒渗移过程进行了模拟。本研究以程潮 铁矿为实例， 通过PFC3D数值模拟软件建立三维放 矿模型， 对冒落充填体在放矿过程中的的渗移做出 模拟， 利用数值模拟软件对放矿过程进行混合水平 的全面模拟实验， 找到放矿过程中对冒落充填体穿 流作用影响显著的因素； 通过数值模拟的结果对覆 盖层中充填体颗粒的渗移特征进行分析， 为崩落法 开采工艺参数确定提供理论支撑。 1细颗粒渗移数值模拟 1. 1工程条件 程潮铁矿西区矿体赋存于较稳定的花岗岩与矽 卡岩之间， 西区-375 m水平之上采用充填法回采保 安矿柱， -375 m之下采用无底柱分段崩落法进行回 采， 铁矿石的平均品位为 45， 采用进路铲运机出 矿， 进路断面尺寸为4 m3 m （宽高） ， 即为放矿口 尺寸； 分段高度为 17.5 m； 放矿步距为 5 m。本次模 拟的实际工况为-37.5 m水平上方的充填体人工矿 柱、 -375～-392.5 m水平之间为保护下方采场以及防 止充填体冒落后预留的隔离矿柱以及下方的崩落采 场， 出矿水平为-410 m水平。模拟在矿块开采较多、 拉底水平增大的情况下， 上方隔离矿柱由于受到拉 应力的作用而破坏冒落至矿石散体上方， 其块度和 覆岩散体相近， 而隔离矿柱上方的充填体由于采用 分层充填， 其强度较低， 冒落至下方的散体可能会产 生二次破坏， 破碎块度未知。在相同的放矿过程中， 冒落的充填体在不同块度的矿石覆盖层中的渗移距 离也大不相同。 1. 2数值模拟方案 PFC 是由 ITASCA 公司开发的颗粒流分析程序 （Particle Flow Code） ， 由于颗粒介质内部应力的不确 定性， 只能靠建立松散介质的简化模型， PFC3D就是 通过模拟球形颗粒介质的运动来计算或测定内部应 力和位移 ［9］。颗粒间的接触方式为点接触， 接触特性 为柔性接触。详细建模步骤如下 ①用CAD软件建 立放矿模型， 用PFC数值模拟软件生成对应三维模 型； ②用分布膨胀法研究模型内球体， 对模型内的球 体， 墙体赋予合适的细观参数值并通过时步循环达 到应力平衡； ③打开放矿口进行放矿， 下方设置接收 盒用来接收放出的矿石。 按照符合现场的放矿截止条件进行放矿， 观察 细颗粒在相同的放矿过程中的渗移情况。改变充填 体细颗粒及矿石覆盖层的块度进行重复试验。模型 的细观参数取自本课题组对于程潮铁矿的相关室内 试验和模拟反复确定的参数， 见表1。 针对放矿过程中可能影响充填体渗移距离的因 素进行筛选， 选定覆盖层块度与冒落充填体块度2因 素进行数值模拟的全面实验， 从而得到各因素对最 终数值模拟结果的影响程度。矿石覆盖层由现场统 计块度集中在0.8～2 m之间， 由于充填体冒落现场无 法进入而无法获得其破坏后块度分布。故先做初步 放矿模拟试验找到对细颗粒渗移结果影响显著的充 填体块度范围， 之后根据初步试验结果制定数值模 拟全面实验的实验方案， 并进行放矿模拟。数值模 拟采用单漏斗放矿模型， 模型框架及参数见图1 （其 中放矿步距为5 m， 即模型厚度） ， 按照模型框架的尺 寸要求， 建立重力条件下矿岩充填体应力平衡的放 矿模型， 模型中各颗粒通过半径扩大法生成， 充满各 自的几何空间并达到应力平衡， 见图2。 2019年第12期王平等 崩落法放矿过程中充填体细颗粒运移特征研究 41 ChaoXing 1. 3充填体块度范围确定数值实验 全面试验的各因素中， 矿石覆盖层块度由现场 统计可得， 块度集中在0.8～2 m之间， 冒落充填体块 度未知， 故需做初步试验来确定放矿过程中对细颗 粒影响显著的充填体块度范围。数值模拟试验条件 为 矿石覆盖层块度为0.8～2 m， 增大充填体块度依次 做相同截止条件的放矿模拟， 放矿截止条件为大块 矿石覆盖层放出。每次放矿结束后统计充填体重力 方向最大位移， 以此来反应不同块度的充填体在相 同放矿条件下的最大渗移距离。对放矿结束时矿岩 混杂严重的关键区域 （图3） 进行对比， 分析放矿结束 时矿石覆盖层与不同块度的冒落充填体颗粒混杂情 况， 将放矿结束后矿石覆盖层与冒落充填体接触面 以下区域作为研究对象， 以混杂在矿石覆盖层中的 充填体颗粒所占总面积之比定义为放矿结束后冒落 充填体细颗粒混入矿石覆盖层中的混入率， 将放矿 结束后充填体最大的下渗位移与充填体混入率做统 计， 对应关系曲线见图4。 由图3、 图4可知 在相同的放矿条件下， 随着充 填体块度的增大， 充填体混入矿石覆盖层的体积逐 渐减少。当充填体块度小于0.3 m时， 细小的充填体 颗粒堵塞在矿石覆盖层的大块空隙之间， 阻止了细 小的充填体颗粒的进一步下渗； 当充填体块度为0.3 m时， 放矿结束后发生了严重的充填体与矿石覆盖层 的混杂， 穿流作用明显， 混入率为15； 当充填体块 度为0.5 m时， 放矿结束后发生了轻微的混杂， 穿流 作用不明显， 充填体混入率为10； 当充填体进块度 进一步扩大 （大于0.7 m） ， 其余矿石覆盖层的分界面 比较明显， 矿石覆盖层中基本无充填体的混入， 无穿 流作用， 充填体混入率趋向于0， 充填体重力方向位 移也趋于稳定值 （7.5 m） 。其中当充填体块度在0.3～ 0.7 m的范围内时， 其重力方向的最大位移变化幅度 较大， 充填体混入率变化幅度也较大 （7～19 m） 。当 充填体块度大于0.7 m时， 其重力方向位移在稳定7～ 8 m之间， 变化范围不大 （此位移为矿石放出后覆盖 层与冒落充填体的整体下降位移） 。 故放矿过程中， 对充填体细颗粒渗移影响显著 的充填体块度范围在0.3～0.7 m之间， 全面实验中的 充填体块度取值范围由此确定。 金属矿山2019年第12期总第522期 42 ChaoXing 1. 4充填体细颗粒渗移数值模拟全面实验 为确定充填体块度与矿石覆盖层块度对充填体 在放矿过程中重力方向最大位移的影响程度， 本数值 模拟选取充填体块度以及覆盖层块度2个参数进行2 因素混合水平的全面实验， 充填体块度取值范围由初 步试验确定， 取0.3 m、 0.5 m和0.7 m 3水平， 矿石覆盖 层块度取0.8 m、 1.1 m、 1.4 m、 1.7 m和2.0 m 5水平。 数值模拟全面实验在初步试验的基础上进行， 其基本步骤为 建立模拟所需要的放矿模型， 在指定 区域依次生成矿石、 矿石覆盖层以及充填体散体并 分组赋参数打开下方放矿口进行放矿； 放矿结束后 统计充填体细颗粒最大下降位移， 改变充填体的块 度或覆盖层的块度依次进行实验， 各次实验取值及 实验结果见表2。 2数值模拟结果分析 充填体与矿石覆盖层的块度均对放矿实验的结 果有明显影响， 由于数值模拟的可重复性保证了结 果的单一性， 多次重复试验得出的结果相同。故对 矿石覆盖层块度与充填体块度做2因素无重复实验 的方差分析， 找出对实验结果影响显著的因素， 因素 的方差分析数据表如表3所示， 表中因素A为充填体 块度， 因素B为矿石覆盖层块度。因素取值依次为前 述的全面实验取值。 表 3 中，x ˉi，x ˉj分别表示A的第 i 个水平与 B 的 第 j 个水平组合试验平均观测值。由文献 ［10］ ， 将 试验各因素试验观测值代入总偏差平方和的计算 公式中， 可得SA 13.70，SB 74.64，SE 309.44。因 此得FA 14.43，FB 29.91， 查阅文献 ［11］F分布 表可知，F0.05（2， 8） 4.46，F0.05（4， 8） 3.84， 由于FA＞ F0.05 2,8， 拒绝假设H01， 认为A的主效应显著； 同理 FB＞ F0.05 4,8， 认为 B 的主效应也显著。值得注意 的是FB 29.91远大于F0.05（4， 8） ， 故矿石覆盖层块度 对放矿过程中充填体的最大下渗位移的影响是高度 显著的。综上可知， 充填体块度的大小与矿石覆盖 层块度的大小均对放矿过程中充填体下降的最大位 移有显著的影响， 矿石覆盖层的块度对充填体下渗 位移的影响是高度显著的。矿石覆盖层与充填体最 大下渗位移的关系曲线见图5。 由图5可知， 在矿石覆盖层块度不变的前提下， 当充填体块度增加时， 随着放矿的进行， 冒落充填体 的最大下渗位移呈减少的趋势， 且矿石覆盖层块度越 大， 充填体块度差所引起的最大下渗位移差也越大， 矿石覆盖层块度变化所引起的位移差远大于充填体 块度变化所引起的位移差， 验证了矿石覆盖层块度 是影响放矿过程的冒落充填体重力方向最大位移的 高度显著因素； 对数值模拟实验数据进行线性拟合， 发现拟合结果相关系数不高， 均低于0.8。故对实验 结果进行非线性拟合， 拟合关系式为yax2bxc， 取 得了很好的拟合效果， 拟合结果见表4。 2019年第12期王平等 崩落法放矿过程中充填体细颗粒运移特征研究 43 ChaoXing 结合图5、 表4可知， 放矿过程中， 冒落充填体细颗 粒下渗距离与矿石覆盖层块度分布呈二次函数关系， 矿石覆盖层块度越大， 充填体细颗粒渗移的距离越 大， 越容易引起下分段放矿过程中矿石的提前贫化。 3运移特征分析 放矿过程中， 由于不同时期覆盖层的松动程度 不一致， 散体空隙中细颗粒的主要运动状态也有所 不同。由文献 ［12］ 可知小块度散体细颗粒在放矿过 程中的运动形式主要由 3种 图 6 （a） 随大块一起运 动； 图6 （b） 在大块上或大块之间自由滚动； 图6 （c） 在 大块与大块之间的空隙做自由下落运动。 本项目以全面实验中方案5为例对不同时期放 矿过程中充填体细颗粒的主要运动形式进行分析， 见图7、 图8。 由图7知， 放矿初期， 放出矿石较少， 覆盖层块体 还未发生大的松动， 此时细小颗粒的主要运动形式 为随着矿石覆盖层大块一起运动， 见图7 （a） ， 充填体 细颗粒的运动方向基本与重力方向保持一致， 随大 块一起向下缓慢移动； 随着放矿的进一步进行， 覆盖 层散体发生进一步松动， 散体之间的空隙增大， 由于 散体运动的随机性， 空隙的大小也呈现不均匀性， 见 图7 （b） ， 充填体细颗粒的运动方向不再与重力方向 保持一致， 此时充填体颗粒的主要运动形式为在大 块上自由滚动移动； 放矿后期松动体内的矿岩空隙 进一步增大， 细颗粒的运动方向基本与重力方向一 致， 此时充填体颗粒的发生为在大块之间的空隙自 由下落的运动形式， 见图7 （c） 。通过对放矿不同阶 段的细颗粒主要运动形式的分析基本符合文献 ［12］ 中对散体内细颗粒运移的特征的描述。 为探究放矿过程中细颗粒渗移的速度分布规 律， 在数值模拟软件中对截止放矿时充填体细颗粒 的速度场进行处理， 用箭头表示充填体细颗粒的运 动， 箭头方向为充填体细颗粒的运动速度方向， 箭头 大小即为运动速度的大小， 图9为方案5放矿截止时 充填体细颗粒的速度场。对各次放矿结束后充填体 颗粒的速度场分布进行分析可知， 细颗粒的运动速 度与其在松散体内的位置有关。同一水平面上， 位 于放矿口轴线附近的颗粒运动速度较大， 距离放矿 口轴线越远的细颗粒运动速度越小； 同一轴线上充 填体细颗粒越接近放矿口运动速度越大， 距离放矿 口越远运动速度越小。 4结论 （1） 无底柱分段崩落法放矿的过程中， 当上覆矿 岩散体上方有冒落的充填体， 且充填体块度在 0.3～ 0.7 m之间时， 会发生较大程度的细颗粒穿流， 并造成 比较严重的矿石覆盖层与充填体混杂的情况 （2） 不同的放矿时期放入充填体细颗粒运动方 式有显著的不同， 放矿前期细颗粒主要随着大块一 金属矿山2019年第12期总第522期 44 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ 起向下移动； 放矿中期细颗粒在大块上自由运动； 放 矿后期细颗粒在大块的空隙之间自由下落。 （3） 细颗粒运动的速度与颗粒所处的位置有关， 距离放矿口及其中轴线越近颗粒运动速度越快， 距 离放矿口及其中轴线越远， 颗粒运动速度越慢。 （4） 上覆矿岩散体与冒落充填体的块度均对崩 落法放矿过程中充填体细颗粒的渗移有显著影响， 矿石覆盖层块度对充填体细颗粒渗移的影响是高度 显著的。矿石覆盖层块度越大， 细颗粒渗移越明显， 充填体细颗粒的下渗距离越大。在崩落法采矿的首 分段出矿前， 崩落采场上方的矿石隔离层应进行诱 导冒落， 合理控制矿石覆盖层的块度， 减少充填体细 颗粒渗移现象的发生。 参 考 文 献 王少勇，吴爱祥，韩斌，等. 自然崩落法矿岩可崩性模糊物 元评价方法 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2014，33 （6） 1241- 1247. 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