低贫化放矿矿石覆盖层合理厚度研究_王平.pdf

低贫化放矿矿石覆盖层合理厚度研究 王平 1， 2 曾文旭 1 程爱平 1 李丹峰 1 张玉山 1 （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） 摘要预留矿石作为覆盖层是实现低贫化放矿的途径之一， 为了使其降低矿石损失贫化的作用得以充分发 挥， 有必要对其预留厚度进行进一步研究。基于低贫化放矿原理， 以纯矿石放出体尽可能大、 放矿过程中矿石覆盖 层厚度维持不变为原则， 总结出合理厚度的计算方法， 即在随机介质放矿理论的基础上考虑单次出矿量， 首先确定 出合理的放出体高度， 再由此确定矿石覆盖层的厚度。以程潮铁矿西区矿柱回收采场为算例， 计算得放出体高度 为28 m， 矿石覆盖层厚度为40 m， 并设置室内放矿实验验证其可靠性。实验结果表明， 矿石覆盖层厚度达到40 m 时， 矿石回收率和废石混入率都取得较优水平， 矿岩界面起伏程度相对较小， 说明此理论计算方法是可靠的。 关键词无底柱分段崩落法覆盖层厚度随机介质放矿理论 中图分类号TD853.36文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-077-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906014 Study on Reasonable Thickness of Ore Covering Layer in Low Dilution Ore Drawing Wang Ping1， 2Zeng Wenxu1Cheng Aiping1Li Danfeng1Zhang Yushan12 （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） AbstractReserved ore as overburden is one of the ways to realize low dilution ore drawing. In order to make full use of its role in reducing ore loss and dilution， it is necessary to further study the reserved thickness. Based on the principle of low dilution ore drawing，the calculation for reasonable thickness is summarized according to the principle that the ore body is as large as possible and the thickness of ore overburden remains unchanged during ore drawing. The reasonable height of ore body is determined，and then the thickness of ore overburden is determined based on the random medium ore drawing theory. Taking the pillar recovery stope in the west area of Chengchao Iron Mine as an example，the height of the ore body is calculated to be 28 m，and the thickness of the ore overburden be 40 m. The reliability of the is verified by indoor drawing experiments. The experimental results show that when the thickness of ore overburden reaches 40 m， both the recov- ery rate of ore and the mixing rate of waste rock are better， with less fluctuating degree of ore-rock interface， which shows that the theoretical calculation is reliable. KeywordsPillarless sublevel caving， Covering layer thickness， Random medium ore-drawing theory 收稿日期2019-04-27 基金项目金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室开放基金项目 （编号 ustbmslab201704） 。 作者简介王平 （1972） ， 男， 副教授， 博士后。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 覆盖层在无底柱分段崩落法中的首要功能是形 成挤压爆破条件和缓冲由顶板冒落引起的各类冲 击， 同时确定出合理的覆盖层厚度是降低矿石损失 贫化的有力手段。可以通过放顶工程、 人为诱导的 方式来形成由岩石组成的覆盖层， 或者在前几个分 段预留部分矿石来形成由矿石组成的覆盖层。 覆盖层的厚度一般从多角度综合确定， 例如张 毅 ［1］通过放矿、 渗透和漏风试验来优化覆盖层厚度； 张永达等 ［2］按松动椭球体理论和缓冲机械冲击来确 定露天转地下开采中崩落采场覆盖层厚度， 然后从 损失贫化的角度做放矿模拟进行验证； 田栋等 ［3］按降 低损失贫化和缓冲气浪冲击来确定垫层厚度。从各 案例来看， 降低矿石损失贫化是确定垫层厚度时必须 要考虑的因素， 且从此角度计算的厚度要大于考虑其 他条件时确定的厚度， 即满足放矿要求时其他的安全 要求也得到满足。对于低贫化放矿中的矿石覆盖层， 77 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 其厚度的合理性是实现低贫化放矿的途径之一 ［4］。 但许多研究中由放矿理论确定覆盖层厚度时， 简单地 将放出体高度定为1个或2个分段高度 ［1， 3］， 由此得出 的结果是不够精确的。 对于传统的结构参数采场， 需要了解放出体形 态并优化放出高度， 使放出体与纯矿石堆积体相吻 合且放出体相互之间紧密排列， 在此基础上再确定 覆盖层厚度， 提高覆盖层的作用效果。这里以程潮 铁矿西区保安矿柱回收采场为例， 该采区计划采用 预留矿石的方式形成覆盖层， 实现低贫化放矿， 需要 探究满足放矿工艺要求的矿石覆盖层厚度。 1矿石覆盖层厚度确定 1. 1低贫化放矿 低贫化放矿的实质是扩大纯矿石的放出量， 减 少贫化矿石的放出， 将必须与废石发生混杂的部分 矿石暂时留在采场内， 在开采的最后阶段按某截止 品位放出。低贫化放矿的实现方式通常有2种 一种 是当废石漏斗到达出矿口时便停止出矿， 减少矿石 贫化； 另一种方式是预留前2～3个分段的部分矿石， 前期作为安全垫层， 后期起将崩落矿石与废石隔离 开的作用， 实现低贫化 ［4］。确定矿石覆盖层的厚度首 先需要了解矿岩散体的流动规律， 即其确定需要建 立在放矿理论之上 ［5-7］。 1. 2放出椭球体 从采场放出的矿石在原矿石堆积体中占有的形 体称为放出体， 当原堆积体尺寸不限制时放出体的 形态总是呈近似椭球体， 所以也称为放出椭球体。 根据随机介质放矿理论， 垂直于采场进路方向的放 出椭球体方程［8］为 r 2 （α1） βzαln （h/z） ， （1） 式中， r、 z为放出体坐标变量； h为放出体高度； α、 β为 与散体流动性质和放出条件有关的常数。对于式 （1） ， 令dr/dz0， 计算得hze 1 α， 此时z对应的是放出 体短轴的位置， 可以看出短轴位置取决于参数α， 当 α＞1/ln2时， 短轴位于长轴中点之上， 放出体上部较 粗， 当α＜1/ln2时， 放出体下部较粗， 当α1/ln2时， 放 出体是标准椭球体。 为将矿石的损失率、 贫化率控制在较小的范围， 无底柱分段崩落法在确定采场结构参数时， 以放出 体在空间上排列紧密且放出体间重叠量尽可能小为 优 ［9］， 所以许多学者提出相邻的4个放出椭球体相切 的排列方式 ［10-11］。典型的相切结构有大间距和高分 段2种， 这2种结构都存在5个切点， 放出体间无重叠 部分， 如图1 （a） 、 图1 （b） 所示， 2种都是用来优化采场 结构参数的理想结构。图1 （c） 为传统结构， 将回采 巷道布置在放出体四周， 放出体重叠量较大。 但由式 （1） 可知， 放出体并非标准椭球体， 无法 实现上述的理想组合形式， 例如文献 ［5］ 中提出非标 准椭球体的3点相切结构， 为了尽可能使纯矿石体被 较完整地放出， 放出体紧密排列时有一定量的重叠 是难免的。 1. 3单次出矿量与放出体高度的关系 无底柱分段崩落法进入正常回采阶段后， 既要 保证完全放出整个分段内崩落的矿石， 也要避免超 量放矿带来的不利影响， 所以要严格控制放出矿石 的量。因为每次崩矿就伴随着一次放矿， 所以从矿 石总量的角度来看， 每次崩落下的矿石体积与放出 体体积要大致相等， 即 Qk1k2V, （2） 式中，k1、k2为矿石的一、 二次松散系数； V为1次崩落 矿块体积； Q 为放出体体积， 根据放矿理论［8］， Q β α1πh α1， 以此建立放出体高度和出矿量间的关 系。 1. 4覆岩厚度和放出椭球体的关系 放出体从矿石堆体中被放出后， 放出体周围矿 岩松散体向空区移动以补充空区， 移动区域称为松 动体， 因它的形状也近似椭球体， 所以也称为松动椭 球体。当覆盖层厚度不足以使松动椭球体在其中完 整发育， 松动范围扩展至覆盖层之外， 会加快矿石与 上方废石混杂速度， 导致严重的矿石损失贫化问 题。所以当覆盖层厚度和放出椭球体高度之和刚好 达到松动椭球体高度时为最佳状态， 即合理的覆盖 层厚度为松动椭球体与放出椭球体的高度之差 ［12］。 根据散体动力学理论 ［13］， 假设将松动椭球体的 形成过程分成n步， 放矿口放出Q1范围的矿石后形成 空区， 会有周围Q2范围内的矿石移动补充，Q2形成的 空区再由Q3范围内的矿石补充， 以此类推。由于散体 移动后产生二次松动， 空区的体积会逐次减小， 直至 n次移动后空区体积为零， 由此再结合椭球体体积与 高度和偏心率的关系得出 （二次松散系数取1.10） 78 ChaoXing 王平等 低贫化放矿矿石覆盖层合理厚度研究2019年第6期 hs2.46h, （3） 式中，hs为松动椭球体高度， 可以看出松动椭球体的 高度约是放出椭球体的2.46倍， 则覆盖层厚度的计 算公式dhs-h。 确定矿石覆盖层厚度的思路总结 基于纯矿石 放出体尽可能大、 生产中维持矿石覆盖层厚度不变 的原则， 首先由一次最大出矿量计算放出椭球体高 度， 再由松动椭球体高度和合理覆盖层厚度之间的 关系确定出覆盖层厚度。这一思路适用于采场为传 统结构参数且改用低贫化放矿的矿山。 2实例计算 程潮铁矿西区为确保选厂安全留设了大量保安矿 柱， 为保证矿柱稳定原使用充填法回收其中矿石， 现选 厂已开始搬迁新建， 不再需要保安矿柱， 计划在-375 m 水平以下改用生产效率高、 开采成本低的无底柱分段 崩落法进行回收， 所以设法形成覆盖层是首采问题之 一。矿柱回收采场在前3个分段留下部分矿石形成矿 石覆盖层， 实现低贫化放矿， 而程潮铁矿的采场结构 参数为传统结构参数， 其放出体高度不是1个或者2 个分段高度， 所以在确定矿石覆盖层的厚度之前有必 要确定一个合理的放出体高度， 严格管理放矿， 以达 到良好的降低矿石损失贫化效果。 通过相似实验的方法确定程潮铁矿散体流动参 数值， 实验后拟合得出放出体体积关于放出高度的 回归方程Q0.054 4h3.018， 方程相关系数R0.997， 满 足要求， 所以α2.018， β0.052 3。程潮铁矿无底柱分 段崩落法采场结构参数一贯采用分段高度进路间 距为17.5 m15 m的结构， 扇形炮孔边孔角为60， 崩 矿步距为3 m， 矿石的一、 二次松散系数分别取1.5和 1.1， 所以由式 （2） 计算出放出体体积约为1 267.2 m3， 放出椭球体高度约为28 m， 再由上述矿岩散体流动 参数根据式 （1） 可以确定放出椭球体形状， 其是一个 短轴相对中心点偏上的非标准椭球体， 将放出椭球 体按采场结构排列作图如图2。 从图2 （a） 中可以看出放出体含盖了崩落矿块的 主体部分和部分脊部残留矿石， 两侧少量崩落矿石 没有被包含在内； 从图2 （b） 中可以看出相邻放出体 间排列紧密且各自之间有少量重叠， 放出体上方存 在部分脊部残留矿石不处于任何放出体内， 这部分 矿石处于两侧松动椭球体内随放矿向下流动， 一部 分随下分段放矿放出， 一部分滞留于矿石覆盖层中， 可以得知等量的覆盖层矿石也会随之放出， 使得原 覆盖层矿石与崩落矿石逐渐发生混杂。总体来看当 放出体高度为28 m时， 相邻放出体之间组合紧密， 能 够担负起将崩落矿石接近完整地放出， 所以此放出 体高度是合适的。再根据公式可以确定当放出体为 28 m时松动体高度hs为68.88 m， 所以这里覆盖层厚 度d取为40 m。 3室内放矿实验验证 针对实例计算中所得结果， 在结果上下分别取 值以设置覆盖层厚度不同的相似模型进行室内放矿 实验， 从矿石回收角度来验证覆盖层厚度为40 m时 是否合理。 3. 1实验准备与方案 根据程潮铁矿无底柱分段崩落法采场结构参数 定制了1 ∶ 100的室内放矿模型， 设置了3个分段， 每 个分段有3～4个回采巷道， 使用1 mm厚铁皮制成可 抽插式的进路巷道 （模拟放矿时插入） ， 模型为框架 式结构， 背面材料为透明玻璃板， 以便观察矿岩的流 动， 矿石及废石取自程潮铁矿现场， 按一定比例破碎 后并染色， 崩落矿石和覆盖层矿石分别为黑色和红 色， 便于区分。用于实验的矿石及矿石初始装入如 图3所示， 矿石及废石相关参数如表1所示。 此实验是为了验证实例计算中的计算结果是否 合理， 计算结果为40 m， 所以选取不同的覆盖层厚度 值30 m、 35 m、 40 m和45 m进行4次放矿实验， 其在 79 ChaoXing 模型中的对应尺寸分别是300 mm、 350 mm、 400 mm 和450 mm。按照前文覆盖层厚度的确定原理， 放矿 时按达到固定矿石量时停止出矿， 放出体高度计算 为28 m， 对应相似模型中的放出体高度为280 mm， 计 算得一次放出矿石量达到1.7 kg时截止放矿。 3. 2实验结果及分析 4个覆盖层厚度实验模型放矿结束后， 对实验结 果进行整理并分析。由于实际矿山中矿石覆盖层在 形成后会与废石层有一定程度的混合， 而实验模型 为人工配置， 在前2个分段模拟放矿后矿石的损失贫 化率均较低， 所以仅以第三分段的放矿结果作为参 考， 第三分段总矿石量为5.08 kg。不同覆盖层厚度 对应的第三分段放矿结果如表2所示， 并计算出第三 分段的矿石回收率和废石混入率 （见图4） 。 由表2及图4可知， 当覆盖层厚度从300 mm到 400 mm递增时， 矿石回收率呈上升趋势， 废石混入率 呈下降趋势， 覆盖层厚度从400 mm变化到450 mm 时， 矿石回收率和废石混入率的变化放缓， 说明覆盖 层降低矿石贫化损失的作用在厚度上存在一个转折 点， 这一转折点可以用放矿理论解释。实验中矿石 的损失和废石的混入主要来自废石层、 矿石覆盖层 和崩落矿石层三者在放矿过程中的相互混杂， 废石 先随着矿岩交界面的波动和矿石覆盖层发生一定程 度的混合， 覆盖层矿石和崩落矿石在放矿时发生部 分交换， 在此过程中， 废石的粒径越小越容易向下运 动进入放出体， 随着覆盖层厚度的增加， 废石的混入 量越少。由于放矿时按固定矿石量截止出矿， 所以 此实验中废石的混入量成为影响矿石回收率的主要 因素。 放矿结束后对矿石覆盖层和废石层交界面进行 描摹以便观察对比， 如图5所示。对比4个覆盖层厚 度下放矿后的矿岩交界面， 交界面的起伏程度随着 覆盖层厚度的增加而降低， 覆盖层厚度为400 mm时 其起伏程度明显减缓， 起伏程度越小越有利于保持 界面的完整性， 减少废石的混杂， 同时也有利于今后 覆盖层内矿石的回收工作。综合以上可知， 覆盖层 厚度取400 mm是合理的。 4结论 （1） 根据低贫化放矿时矿石覆盖层厚度的确定 原则， 在随机介质放矿理论上考虑矿石放出量， 总结 出了矿石覆盖层合理厚度的计算方法。以程潮铁矿 矿柱回收采场为算例， 计算得放出体高度为28 m， 矿 石覆盖层厚度为40 m， 经室内放矿实验表明， 当厚度 达到40 m时， 矿石回收率达到较高水平， 矿岩交界面 起伏程度小， 说明此厚度能满足要求， 计算依据可 靠。 （2） 根据矿石覆盖层厚度确定原则， 矿山采用低 贫化放矿时需要做好长期性的放矿管理工作， 严格 按矿石量出矿， 使矿岩界面在下降过程中保持完整 性， 是充分发挥低贫化放矿中矿石覆盖层作用的基 础， 本文中关于放出体高度和矿量的计算结果， 是之 后该矿放矿工作中需要遵循的。 参 考 文 献 张毅. 覆岩合理厚度确定方法 ［J］ . 金属矿山， 2013 （12） 13-15. 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