铲入深度对无底柱分段崩落法放出体形态的影响_常贯峰.pdf

铲入深度对无底柱分段崩落法放出体形态的影响 常贯峰 1， 2 路增祥 1 （1. 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 安徽理工大学能源与安全学院， 安徽 淮南 232001） 摘要崩落体、 放出体和崩矿步距之间的相互制约关系影响着无底柱分段崩落法放矿过程中的损失贫化。 以大结构参数单进路放矿试验为基础， 进行了3.6 m崩矿步距条件下5种不同铲入深度的物理模拟放矿试验。通 过放出标志颗粒的位置信息获取内部滑移面的位置， 研究了铲入深度对放出体发育形态的影响， 并分析了铲入深 度与放出体之间的关系以及放出体与崩矿步距的匹配关系。结果表明 ①3.6 m崩矿步距、 5种不同铲入深度条件 下， 沿进路方向放出体发育的轮廓都大于崩落体的轮廓； ②铲入深度对放出体形态的发育有一定影响， 放出体发育 高度随铲入深度增大呈先增加后减小的趋势， 放出体沿进路方向的发育宽度呈增加趋势， 从纯矿石回收量、 矿石回 收率方面分析， 铲入深度为5.32 m较好， 相应的回收率为57.74。 关键词无底柱分段崩落法铲入深度放出体形态相似模拟试验 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-027-05 DOI10.19614/ki.jsks.201905005 Effects of Shoveling Depth on the Shape of Drawn-out Body in Non-pillar Sublevel Caving Chang Guanfeng1， 2Lu Zengxiang12 （1. School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China； 2. College of Energy and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China） AbstractThe loss and dilution in the ore drawing process of non-pillar sublevel caving is influenced by the mu- tual restrictive relations among caved orebody， drawn-out body and caving pace.Based on the large structure parameter with a single drawing drift， physical simulation test with five different shovel depths under 3.6 m caving pace are carried out.The posi- tion of the sliding surface is obtained by the position ination of the drawn-out marker particles， effects of the shoveling depth on the development of the drawn-out body is studied， and the relationship between shovel depth and drawn-out body and the matching relationship between draw body and caving pace are analyzed.The results show that①the maximum outline of drawn-out body along the drifting direction is larger than that of the caving body under the caving pace of 3.6 m and 5 different shoveling depths； ②the shoveling depth has a certain influence on the development of the shape of drawn-out body， the height of drawn-out body increases first and then decreases with the increase of the shoveling depth， the width of drawn-out body along the drifting direction is increased， based on the analysis of pure ore recovery amount and ore recovery rate， the ide- al shoveling depth is 5.32 m， and the corresponding recovery rate is 57.74. KeywordsNon-pillar sublevel caving ， Shoveling depth， Shape of drawn-out body， Similar simulation test 收稿日期2019-03-08 基金项目 “十二五” 国家科技支撑计划项目 （编号 2013BAB02B08） 。 作者简介常贯峰 （1989） ， 男， 博士研究生。通讯作者路增祥 （1965） ， 男， 执行院长， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 无底柱分段崩落采矿法具有安全性高、 回采效 率高、 低成本等优势， 在国内地下铁矿山得到了广泛 应用 ［1］， 但该方法在回采过程中存在矿石损失贫化 大、 回收效果差等不足。张国建等 ［2-3］研究了放出体、 松动体和崩落体之间的相互制约关系， 并以体积参 数为基础， 建立了三者之间的循环函数关系； 陶干强 等 ［4］结合神经网络模型， 对放出体形态的预测方法进 行了研究； 原丕业等 ［5］分析了大间距结构参数条件下 的爆破堆积体、 脊部残留体与放出体的关系； 孙明志 等 ［6］基于RFID无线射频识别技术， 讨论了工业试验 中的放出体形态特征； 孙浩等 ［7］基于PFC3D程序， 分析 了颗粒形状、 摩擦系数及放矿口尺寸对放出体形态 的影响； 常帅等 ［8］总结了崩落体形态的影响因素， 认 为现场准确实测是崩落体形态研究的难点， 物理模 27 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 拟、 数值模拟是崩落体形态研究的主要手段， 深入研 究放出体、 松动体、 崩落体三者之间的关系机理， 有 助于充分回收矿石； 李广辉 ［9］以放矿理论、 松散介质 理论、 最小耗能原理和耗散结构理论为基础， 对崩落 体的形成机理进行了研究， 并进一步分析了崩落体 形态对矿石损失贫化的影响； 刘娜等 ［10］分析了分段 之间进路非菱形布置、 出矿口眉线破坏、 爆破隔墙、 大块堵塞出矿口一侧等常见现象对放出体形态的影 响； 孟凡展 ［11］结合眼前山铁矿开采现状， 采用理论分 析、 计算机模拟和实验室试验等手段， 对不同崩落体 形态下放出体的形态特征进行了研究； 陈小伟等 ［12-13］ 通过室内物理模拟试验、 PFC颗粒流软件， 数值模拟 分析研究了不同端壁倾角及进路宽度对放出体形态 的影响。上述研究从多个角度对放出体形态进行了 分析， 丰富了无底柱分段崩落法的内涵。 无底柱分段崩落法放矿时， 铲运机的铲入深度 对放矿效果影响较大 ［14］， 对崩矿步距也有一定的影 响 ［15］。崩落体形态和放出体形态的匹配关系决定了 矿石的回采指标， 崩矿步距影响着崩落体形态 ［16-17］。 为改善无底柱分段崩落法的回采指标， 提高矿石回 收率， 降低贫化率， 大量学者从不同角度进行了研 究， 但在放矿过程中铲运机的铲入深度对放出体形 态影响方面的研究涉及较少。文献 ［18］ 尽管对铲运 机的铲入深度对放出体形态发育的影响进行了讨 论， 但并未详细分析不同铲入深度下放出体的发育 形态与放出纯矿石量、 放出体特征、 矿石回收率之间 的关系。本研究在文献 ［18］ 的基础上， 进一步分析 铲运机的铲入深度对放出体发育形态的影响， 为矿 山生产放矿管理提供有益参考。 1试验方案 1. 1试验准备 本研究试验模型长0.4 m、 宽0.4 m、 高1 m （图1 ） ［ 18 ］。 标志颗粒每层间隔50 mm， 总高度为0.8 m； 沿模型宽 度方向间隔为20 mm， 总宽度为0.2 m。标志颗粒按 图2中的定位坐标编号定位后再摆放。试验崩矿步 距为3.6 m， 分段高度为25 m， 参照崩落体大小装填模 型， 即厚度为92 mm， 高度为55 mm ［19］。 试验用于标志颗粒定位的定位片如图2所示 ［ 20 ］。 标志颗粒采用粒径约10 mm的矿石制作， 用白色压敏 胶带包裹后并编号。 试验用黑色磁铁矿颗粒作为矿石， 用白色石英 颗粒作为覆盖层， 试验散体物料级配组成如表1、 表2 所示。 1. 2铲入深度选取 为探究铲入深度对放出体形态的影响， 选定铲 入深度间隔为1 m， 试验中铲入深度取值分别为2.32、 3.32、 4.32、 5.32、 6.32 m ［14］ 。。 1. 3模型装填与放矿 逐层向上按崩落体大小进行模型装填， 模型内 部摆放完成的第3层、 4层、 12层如图3所示。 28 ChaoXing 常贯峰等 铲入深度对无底柱分段崩落法放出体形态的影响2019年第5期 试验中保持铲入深度定位板不产生移动， 并模 拟铲运机铲斗的运动方式进行全断面均匀出矿， 记 录每次铲出的矿石与废石质量， 计算混岩率， 待混岩 率达到70后停止放矿。 2放出体演变特征 2. 1不同时间点的放出体特征 随着放矿的进行， 顶部废石漏斗呈现出一定的 特征， 如图4所示。 为分析不同阶段放出体的发育特征， 统计了放 矿口初见废石、 顶部废石漏斗边际线触及眉线2个时 间点放出的纯矿石量及对应时刻放出的标志颗粒， 如图5所示。 从图5分析可知 （1） 放出的标志颗粒与装入的标志颗粒相比， 出 现 “缺层” 现象， 是由于设定混岩率为70的截止放矿 条件使得最上部的数层标志颗粒没有被放出， 但并 不影响对放出体形态的预测。 （2） 不同的放矿时间点和铲入深度条件下， 放出 体呈现出2个基本特征。低于4.32 m铲入深度时， 放 出的标志颗粒排数与层数基本一致， 即沿进路方向 放出体的轮廓变化不大； 当高于4.32 m铲入深度时， 放出标志颗粒的层数减小， 但其排数处于增加趋 势。可见， 铲入深度小时， 扰动范围小， 每次铲取物 料少， 延长了放矿过程， 导致更高层的矿岩被放出； 铲入深度增加后， 出矿铲对内部扰动的范围也在增 大， 导致正面矿岩流动范围增大， 从而促使正面的废 石较早进入放矿过程。 （3） 放矿过程中， 随着铲入深度的增大， 放矿口 初见废石时放出的纯矿石量逐渐减小， 总体变化幅 度较大； 正面矿岩交界面处， 放出的标志颗粒集中于 5号、 6号2条轴线上， 层数逐渐减小， 排数基本不变， 该时间点未发现上部废石漏斗破裂， 说明铲入深度 增大后， 加快了正面废石的侵入。继续放矿， 上部废 石漏斗逐渐下移至破裂， 此时回收的纯矿石量呈现 出先减后增的趋势， 但该时间点回收的纯矿石量总 体波动不大； 正面矿岩交界面处， 放出的标志颗粒集 中于5号、 6号2条轴线上， 层数呈先增后减趋势， 排 数逐渐增加， 说明铲入深度增大， 对内部的扰动范围 逐步增大， 在一定时间范围内不考虑废石混入时， 放 出的废石会增多， 放出的纯矿石量也会增加。因此， 应综合考虑采场结构参数、 崩落体、 放出体、 铲入深 度等因素之间的关系， 选取合理的截止放矿时的岩 石混入率， 以平衡矿石的损失与贫化， 使得矿山经济 效益最大化。 2. 2放出纯矿石量、 放出体、 回收率分析 放矿结束时放出纯矿石量、 放出体特征、 矿石回 收率之间的关系如图6所示。 由图6可知 在不同铲入深度下， 从开始放矿到 初见废石， 回收的纯矿石量随铲入深度增大而减小； 从初见废石到顶部废石漏斗破裂， 该阶段6.32 m铲入 深度回收的纯矿石量最多， 但漏斗破裂时回收的纯 矿石总量波动不大； 从漏斗破裂到截止放矿， 铲入深 度为5.32 m时回收的纯矿石最多， 为5 603.8 g， 该铲 入深度下总的纯矿石回收量最多， 为21 610.9 g， 回收 率也最高， 为57.74， 但漏斗破裂时回收的纯矿石量 最少， 为16 007.1 g， 该条件下放出标志颗粒到第13 29 ChaoXing 层、 G排。 放矿过程中， 铲入深度为4.32 m及以下时， 放出 标志颗粒层数均达到12层， 放出标志颗粒排数有增 加趋势； 铲入深度为5.32 m时， 放出标志颗粒层数达 到13层， 放出标志颗粒排数达到G排， 且放出G排标 志颗粒的层数增多； 铲入深度达到6.32 m时， 放出标 志颗粒层数降低到12层， 但放出G排标志颗粒的层 数增加。由此可见 （1） 铲入深度对放出体发育有一定的影响， 随着 铲入深度的增大， 放出体发育高度呈现先增加后减 小的趋势， 放出体沿进路方向的发育宽度呈增加趋 势， 进一步说明放矿口内部扰动范围随铲入深度增 加而增大。 （2） 放矿时， 小颗粒会穿过大颗粒间的空隙向下 快速移动， 小颗粒会聚集于静止角内， 形成较为稳定 的堆积体。铲入深度较小时， 矿铲触及不到静止角， 静止角保持相对稳定， 矿铲对矿岩的流动影响较小； 增大铲入深度时， 静止角被破坏， 矿岩流动范围在一 定程度上增大， 导致放出标志颗粒的排数增加， 即沿 进路方向放出体的发育宽度增大。 3铲入深度、 放出体、 崩矿步距的关系特征 根据放出标志颗粒的编号信息， 得到沿进路方 向不同铲入深度时的放出体轮廓， 如图7所示。 由图7 （a） 可知 正面废石侵入点在巷道标高水 平以上1～1.5 m， 放出体在该处的倾角约70。适当增 加崩矿步距， 崩落体可能与放出体较为吻合， 此时正 面废石侵入的角度和高度会增加； 崩矿步距继续增 大时， 崩落体沿进路方向的分布范围可能大于放出 体的轮廓， 会造成正面崩落的部分矿石残留， 从而降 低矿石回收率。由图7 （b） 可知 试验中， 出矿巷道顶 板所在的水平矿岩流动范围边界为3～4 m， 此处放出 体的倾角约60。 进一步分析图7可知 （1） 在 3.6 m 崩矿步距、 5 种不同铲入深度条件 下， 沿进路方向放出体发育的轮廓均大于崩落体轮 廓， 说明在该条件下， 崩落体与放出体不匹配， 即崩 矿步距不合理， 适当增大崩矿步距有利于降低废石 混入， 从而有利于提高矿石回收率。 （2） 从放出体沿进路方向的发育轮廓分析， 铲入 深度对放出体的发育形态有一定的影响， 但影响程 度不大； 从放出体发育高度方面分析， 适当增加分段 高度， 可以增加相同崩矿步距条件下的矿石回收量。 4结论 （1） 铲入深度对放出体的发育形态有一定的影 响， 放出体的发育高度随铲入深度增大呈先增加后 减小的趋势， 放出体沿进路方向的发育宽度呈增加 趋势。从纯矿石回收量、 矿石回收率方面分析， 认为 铲入深度为 5.32 m 较好， 相应的矿石回收率为 57.74。 （2） 在 3.6 m 崩矿步距、 5 种不同铲入深度条件 下， 放出体沿进路方向发育的轮廓均大于崩落体沿 进路方向的轮廓。说明在该条件下， 崩落体与放出 体不匹配， 即崩矿步距不合理。 （3） 本研究通过模拟放矿试验再现了矿山放矿 过程， 在一定程度上反演了放出体的动态发育特征， 但不足在于试验中对边界条件考虑不足， 未能考虑 顶部及周围压力的影响。下一步工作中将结合现场 工业性试验进行进一步探讨。 参 考 文 献 王青， 任凤玉.采矿学 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 2011. 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