某铁矿矿岩中含水量对放出体形态影响的试验研究_时磊.pdf

某铁矿矿岩中含水量对放出体形态影响的 试验研究 时磊 1 汪龙 2， 3 黄滚 2， 3 王满 2， 3 （1. 新疆天华矿业有限责任公司， 新疆 尼勒克 830000； 2. 重庆大学资源及环境科学学院， 重庆 400044； 3. 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400044） 摘要合理的采场结构参数和放矿管理可以取得较好的矿石贫损指标， 矿岩放出体形态对采场结构参数优 化调整及放矿管理尤为重要。为研究某铁矿矿岩中含水量与放出体形态的关系， 在不同含水量条件下 （含水量ω 分别为0、 4和6） ， 对取自该铁矿井下采场的矿岩材料进行了单体放矿物理相似模拟试验。结果表明 ①沿进路 方向， 矿岩中含水量对放出体形态的影响较小， 但随着含水量的增加， 顶部矿石在放出矿石量中占比越来越大； ② 在垂直进路方向， 当矿岩中不含水时， 放出体形态接近椭圆， 矿石放出效果好； ω4时， 放出体下部偏 “瘦” ， 表明侧 面矿石放出困难； ω6时， 放矿过程中多次出现矿石成拱堵塞现象， 导致放出体形态异常； ③降低矿岩散体中的含 水量有利于无底柱分段崩落法爆堆中矿岩散体连续、 顺利放出。 关键词地下开采无底柱分段崩落法单体放矿放出体形态含水量物理相似模拟 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-032-05 DOI10.19614/ki.jsks.201905006 Experimental Study on the Effect of Water Content in Ore-rock on the Shape of Drawn-out Orebody in an Iron Ore Shi Lei1Wang Long2， 3Huang Gun2， 3Wang Man2， 32 （1. Xinjiang Tianhua Mining Co.， Ltd， ， Nilka 830000， China； 2. College of Resources and Environmental Science， Chongqing University， Chongqing 400044， China； 3. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control， Chongqing 400044， China） AbstractReasonable stope structure parameters and oredraw management can acquire better index of ore loss and dilu- tion indicators， and the shape of drawn-out ore and rock is particularly important for optimizing stope structure parameters and oredraw management.In order to study the relationship between water content water content ω is 0， 4 and 6 in the shape of draun-out orebody in an iron mine in Xinjiang， physical similarity simulation experiment of single ore drawing is carried out with ore-rock materials taken from underground stope of the mine.The experimental results show that①the water content in ore-rock has little influence on the shape of drawn-out orebody along the drift， but with the increase of water content， the pro- portion of top ore on the amount of ore drawing is increasing； ②in the vertical direction of drift， when there is no water in ore- rock， the shape of drawn-out orebody is close to an ellipse， which indicates that the effect of ore drawing is good； when ω is 4， compared with other conditions， the underpart of the drawn-out orebody is narrow， which indicates that it is difficult to draw side ore at this time； when ω is 6， arch blockage of ore occurs many times in the process of ore drawing， which leads to abnormal shape of drawn-out orebody； ③reducing the water content in ore-rock bulk is beneficial to the continuous and smooth drawing of ore-rock granular of muckpile in non-pillar sublevel caving. KeywordsUnderground mining， Non-pillar sublevel caving， Single ore drawing， Shape of drawn-out orebody， Water con- tent， Physical similarity simulation 收稿日期2019-03-26 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 50492074） 。 作者简介时磊 （1986） ， 男， 工程师。 通讯作者黄滚 （1972） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 32 ChaoXing 无底柱分段崩落法因其采场生产能力大、 开采 结构布置简单、 井下机械化程度高、 作业安全等优点 被广泛应用于金属矿山地下开采。特别是在黑色金 属矿山， 无底柱分段崩落法更是首选开采方法。但 由于该方法中崩落矿石为覆岩下放矿， 覆盖层中废 石易混杂于矿石堆中被一并放出， 从而导致矿石损 失贫化加大。无底柱分段崩落法覆岩下放矿方式是 导致矿石损失、 贫化加大的根本原因， 不合理的采场 结构参数、 粗放的放矿管理方式和复杂的矿岩散体 流动规律是导致矿石损失贫化加大的直接原因 ［1-3］。 为提高矿石贫损指标， 大量学者在采场结构参数优 化、 放矿管理方式改进、 矿岩散体流动规律分析等方 面进行了深入研究 ［4-8］。其中， 在矿岩散体流动规律 分析方面， 学者们多采用放矿物理相似模拟试验来 研究矿岩散体的流动放出规律 ［9-10］， 但随着计算机技 术的发展及离散元软件在模拟放矿方面的应用， 物 理放矿试验和数值模拟被大量应用于分析矿岩散体 材料、 形状、 粒级组成、 含水量、 放矿口尺寸等因素对 放矿规律的影响 ［11］。在诸多因素中， 矿岩中的含水 量对放矿的影响较为明显， 不少学者针对该问题进 行了研究。王昌汉 ［12］、 吴爱祥等［13］研究发现， 当崩落 矿石中粉矿含量较高时， 在含水量的影响下， 矿石放 出过程中易出现粉矿结拱现象， 从而使得矿石放出 困难； 文献 ［14］ 研究表明， 随着矿岩中含水量的增 加， 废石层中细颗粒的渗移运动明显； 朱志根等 ［15］利 用动态直剪装置分析了散体抗剪强度和含水量之间 的关系， 认为当矿岩中含水量为8～10时， 矿岩散 体颗粒流动性差。上述研究倾向于分析含水量对矿 岩散体流动性的影响， 对于矿岩中含水量对矿岩散 体的放出体形态影响的研究涉及较少。在无底柱分 段崩落法生产矿山中， 研究并掌握放出体形态对放 矿工作管理和采场结构参数优化意义重大。 本研究以新疆某铁矿为例， 结合该矿近3 a采出 矿石量中的含水率情况， 利用该矿井下生产采场的 矿岩材料， 采用实验室单体放矿物理相似模拟试验， 首先分析不同含水量条件下矿岩散体的放出过程， 得出相应条件下矿石的放出体形态； 然后从矿石放 出体形态角度讨论不同含水量条件下矿岩的流动放 出情况。 1单体放矿物理相似模拟试验 1. 1物理相似模型构建 大量实践证明， 在放矿物理相似模拟试验中， 通 过保证模型与放出体几何相似， 并尽可能满足放矿 起始条件及边界条件相似， 在动力相似条件无法有 效满足的情况下， 也能使模拟放矿与实际放矿过程 达到近似相似， 并取得较理想的试验效果 ［16］。本研 究放矿试验模型如图1所示， 模型相似比为1100， 模 型尺寸为40 cm40 cm100 cm （长宽高） ； 端壁 放矿口宽3.8 cm、 高3.6 cm； 模型侧壁每隔5 cm划一 水平刻度， 用以确定标志颗粒安放的层面位置 ［17］。 放矿试验选用的矿岩材料均取自新疆某铁矿井 下生产进路中崩落的矿石和废石， 利用粒度分析软 件Nano Measurer 1.2.5分析矿石的粒度分布， 将所取 矿岩材料按1 ∶ 100相似比破碎成不大于0.6 cm的块 度， 用于单体放矿试验的矿岩散体粒度的具体分布 情况见表1 ［18-19］。 将含水量ω0、 4和6的矿石散体按2.20 g/cm3 的密度进行装填， 标志颗粒按试验要求每隔5 cm高 度进行放置， 每层距放出口呈扇形分布， 标志颗粒布 置如图2所示， 相邻标志颗粒间距为2 cm。 1. 2试验过程及分析方法 矿岩散体装填完毕后， 从端部放出口逐次放出 物料以模拟矿岩散体的放出过程。首先称量放出矿 时磊等 某铁矿矿岩中含水量对放出体形态影响的试验研究2019年第5期 33 ChaoXing 岩散体的质量， 并统计各标志颗粒的达孔量值； 然后 根据试验得到的达孔量值与标志颗粒位置之间的关 系， 分别绘制出垂直进路方向和沿进路方向的达孔 量曲线； 最后由达孔量曲线确定出不同分层高度下 达孔量值相等所对应的点， 将达孔量值相等的点用 光滑曲线进行连接， 即可得到不同含水量条件下， 垂 直进路方向和沿进路方向某一放出量所对应的放出 体形态 ［20-21］。试验过程如图3所示。不同含水量下矿 岩散体的放出体形态如图4、 图5、 图6所示。 2试验结果分析 2. 1垂直进路方向的放出体形态 由不同含水量条件下矿岩散体的放出体形态可 知， 在垂直进路方向， 放出体形态有较大差异。对图 4 （a） 、 图5 （a） 及图6 （a） 中不同高度下的放出体椭圆 短半轴进行分析， 结果如图7所示。 由4 （a） 可知 当矿岩散体中不含水（ω0）时， 矿 岩散体流动性好， 放出体形态接近椭圆， 顶部和侧面 矿石散体都有放出， 放矿效果好。由图7可知 在放 矿后期， 矿岩散体中不含水时， 放出体短半轴的增加 速度大于ω4时的放出体短半轴， 说明ω0时， 侧面 矿石散体放出速度较快， 侧面矿石放出效果好。当 矿岩散体中含水量ω4时， 在放矿初期， 其放出体 短半轴最小， 在图5 （a） 中表现为放出体下部形态较 “瘦” ， 但放出体上部无较大区别， 可见此时含水量增 加会对进路侧面矿石散体放出产生影响， 使侧面矿 石散体的放出速度降低， 一次放出量中绝大部分矿 石散体来自顶部。 金属矿山2019年第5期总第515期 34 ChaoXing 由图6 （a） 和图7可知 随着含水率进一步增加 （ω6） ， 在放矿中后期， 侧面矿石散体放出速度慢 的现象依然存在， 不同的是， 该条件下放矿初期， 放 出体形态较 “胖” ， 是因为在模拟放矿过程中， 放矿口 上方多次出现成拱堵塞现象 （图8） ， 从而使得顶部和 侧面的矿石散体粘结成拱无法被放出， 在人为干预 下使拱破裂， 顶部和侧面的矿石散体大量垮落， 造成 放出体形态与前2次存在较大差异。 在新疆某铁矿山中， 当井下采场含水量较大时， 采场内多条回采进路出现 “悬顶” 现象。通过单体放 矿物理相似模拟试验 （ω6） 发现， 在含水量较高的 情况下， 矿石散体颗粒之间的黏结力增大、 散体流动 性变差， 矿石散体较易成拱堵塞而使拱上方的矿岩 散体不易被放出， 导致放出体形态异常发育， 并最终 造成矿石提前贫化， 加大了矿石损失， 与朱志根等 ［15］ 的研究结果相符。 2. 2沿进路方向的放出体形态 根据沿进路方向矿岩散体的放出体形态 （图4 （b） 、 图5 （b） 及6 （b） ） ， 得到3种不同含水量 （ω0、 4 和6） 条件下放出体的最大放矿步距 （即沿进路方向 放出体形态的最大短半轴长度） 分别为6.4、 6.6、 6.5 cm。可见 沿进路方向， 最大放出体短半轴大小整体 上无较大差异， 但随着矿岩中含水量的增加， 在放矿 后期， 正面和顶部矿岩散体的放出量在当次矿岩散 体放出量中的占比不同。通过进一步对比分析3种 不同含水量条件下沿进路方向的矿岩散体放出体形 态可知 在放矿后期， 矿岩中含水量ω0时， 当次矿岩 散体放出量中， 端部正面矿石散体及顶部矿岩散体 均有放出， 此时放矿效果好； 当矿岩中含水量增加至 4， 不同高度下放出体下部曲线贴合较近， 说明正面 矿石散体在当次矿岩散体放出量中占比下降， 正面 矿石散体放出变得困难； 随着含水量进一步增加 （ω 6） ， 由图6 （b） 可观察出， 不同高度下放出体下部曲 线紧密贴合， 说明矿岩中含水量的增加导致放矿后 期正面矿石散体放出越来越困难， 顶部矿石散体在 一次放出量中的占比越来越大， 随着放矿的进行， 放 出的矿岩散体中绝大部分散体来自顶部。结合单体 放矿物理相似模拟试验结果可以推测， 随着崩落矿 岩散体中含水量的增加， 放矿过程中正面矿石流动 困难， 使得回采进路正面崩落矿石尚未来得及被大 量放出， 顶部崩落矿石已经大量被放出， 且随着放矿 继续进行， 顶部废石开始混入矿石爆堆被一并放出， 且废石量占当次放出量的比例越来越大， 初次贫化 时间提前， 贫化加大， 直至达到截止品位， 停止放矿， 此时回采进路正面仍有大量矿石未被放出， 造成矿 石损失。 3结论 （1） 矿岩散体中不含水（ω0）时， 矿岩散体流动 性好， 放出体形态接近椭球状， 放矿椭球体发育较正 常， 放矿效果好。 （2） 当矿岩中含水量增加至4时， 垂直进路方向 放出体下部形态较正常时窄， 在此含水量条件下， 进 路侧面矿石散体放出速度降低， 一次放出量中绝大 部分矿石散体来自顶部， 从而导致顶部废石提前混 入矿石散体中， 造成正面矿石损失加大和矿石提前 贫化。 （3） 随矿岩散体中含水量的进一步增加 （ω 6） ， 顶部矿石散体大量被放出、 侧面矿石散体放出 速度慢的现象依然存在， 不同的是， 该含水量条件 下， 矿石散体中易出现成拱堵塞现象。为防止崩落 矿石散体自行成拱堵塞造成矿石散体无法被正常放 出， 同时使回采进路顶部废石混入矿石堆的时间减 缓， 并尽可能减少正面矿石损失量以便回收更多的 矿石， 采场含水量较大的铁矿山应积极采取疏排水 措施。 参 考 文 献 常帅， 李 楠， 张国建， 等.无底柱分段崩落法崩落体形态的研 究现状与展望 ［J］ .金属矿山， 2018 （11） 1-6. Chang Shuai， Li Nan， Zhang Guojian， et al.Research status and prospects of the caved ore-body shape in pillarles sublevels caving ［J］ .Metal Mine， 2018 （11） 1-6. Veljko L， Slavko T.Numerical investigation of caved rock mass fric- tion and fragmentation change influence on gravity flow ation in sublevel caving ［J］ .Minerals， 2017， 7 （4） 56-73. 何荣兴， 任凤玉， 宋德林， 等.大结构参数无底柱分段崩落法的发 展及技术问题探讨 ［J］ .金属矿山， 2015 （6） 1-5. ［1］ ［2］ ［3］ 时磊等 某铁矿矿岩中含水量对放出体形态影响的试验研究2019年第5期 35 ChaoXing ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ He Rongxing， Ren Fengyu， Song Delin， et al.Discussion on develop- ment and technical problems of sublevel caving with large structur- al parameters ［J］ .Metal Mine， 2015 （6） 1-5. Castro R， Fuenzalida M， Fernando L.Experimental study of gravity flow under confined conditions［J］ .International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2014， 67164-169. 宋晓双， 杨溢， 刘磊.兰尖铁矿无底柱分段崩落法采场结构 参数研究 ［J］ .金属矿山， 2016 （4） 16-19. Song Xiaoshaung， Yang Yi，Liu Lei.Study on structural parameters of pillarless sublevel caving in Lanjian Iron Mine ［J］ .Metal Mine， 2016 （4） 16-19. 刘娜， 任凤玉， 何荣兴.无底柱分段崩落法损失贫化细部控制 方法研究 ［J］ .金属矿山， 2016 （11） 10-15. Liu Na， Ren Fengyu， He Rongxing.Approach of ore loss and dilu- tion control in sublevel caving ［J］ .Metal Mine， 2016 （11） 10-15. 王洪江， 尹升华， 吴爱祥.崩落矿岩流动特性及影响因素实验研 究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2010， 39 （5） 693-698. Wang Hongjiang， Yin Shenghua， Wu Aixiang.Experimental study of the factors affecting the ore flow mechanism during block caving ［J］ .Journal of China University of Mining Technology， 2010， 39 （5） 693-698. 王述红， 任凤玉， 魏永军.矿岩散体流动参数物理模拟实验 ［J］ . 东北大学学报 自然科学版， 2003， 24 （7） 699-702. Wang Shuhong， Ren Fengyu， Wei Yongjun.Experimental physical simulation of mineral moving ［J］ .Journal of Northeastern University Natural Science Edition， 2003， 24 （7） 699-702. 陶干强， 杨仕教， 任凤玉.崩落矿岩散粒体流动性能试验研究 ［J］ .岩土力学， 2009， 30 （10） 2950-2954. Tao Ganqiang， Yang Shijiao， Ren Fengyu.Experimental research on granular flow characters of caved ore and rock［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2009， 30 （10） 2950-2954. 汪锐， 赵坤， 单强.无底柱超高分段室内物理放矿模拟试 验 ［J］ .现代矿业， 2011 （4） 4-6. Wang Rui， Zhao Kun， Shan Qiang.Simulating experiment of non- pillar super-high sublevel indoor physics drawing ［J］ .Modern Min- ing， 2011 （4） 4-6. 孙浩， 金爱兵， 高永涛， 等.崩落法采矿中放出体流动特性的影 响因素 ［J］ .工程科学学报， 2015， 37 （9） 1111-1117. Sun Hao， Jin Aibing， Gao Yongtao， et al.Influencing factors on the flow characteristics of an isolated extraction zone in caving mining ［J］ .Chinese Journal of Engineering， 2015， 37 （9） 1111-1117. 王昌汉.放矿学 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 1982. Wang Changhan.Ore Drawing［M］ .BeijingMetallurgical Industry Press， 1982. 吴爱祥， 古德生， 戴兴国.含水量对散体流动性的影响 ［J］ .中南 矿冶学院学报， 1994 （4） 455-459. Wu Aixiang， Gu Desheng， Dai Xingguo.The influence of water con- tent on the flow property of bulk solid ［J］ .Journal of Central-South Institute of Mining and Metallurgy， 1994 （4） 455-459. 吴爱祥， 孙业志.散体动力学理论及其应用 ［M］ .北京 冶金工业 出版社， 2002. Wu Aixiang， Sun Yezhi.Granular Dynamic Theory and Its Applica- tion ［M］ .BeijingMetallurgical Industry Press， 2002. 朱志根， 吴爱祥， 习泳.含水量对矿岩散体流动特性影响分析 ［J］ .矿业研究与开发， 2006， 26 （6） 23-26. Zhu Zhigen， Wu Aixiang， Xi Yong.Analysis on influence of water content on the flowing property of bulk ore- rock［J］ .Mining Re- search and Development， 2006， 26 （6） 23-26. 李涛.崩落法放矿过程中散体矿岩运移规律研究 ［D］ .北京 北 京科技大学， 2018. Li Tao.Study on the Migration Law of Granular Ore- rock under Draw by Caving ［D］ .BeijingUniversity of Science and Technology Beijing， 2018. 行鹏飞， 时磊， 汪龙， 等.某铁矿无底柱分段崩落法崩矿步距 优化 ［J］ .中国矿业， 2018 （12） 118-123. Xing Pengfei， Shi Lei， Wang Long， et al.Optimization of indepen- dent advance of ore breaking in one iron mine with non-pillar sub- level caving ［J］ .China Mining Magazine， 2018（12） 118- 123. 唐小龙， 黄滚， 时磊， 等.某铁矿采场结构参数优化 ［J］ .现代 矿业， 2017 （9） 77-79. Tang Xiaolong， Huang Gun， Shi Lei， et al.Optimization of the stope structure parameters in an iron mine ［J］ .Modern Mining， 2017 （9） 77-79. 张国建， 徐国权.崩落法松散覆盖岩层自然分级对矿石损失贫 化的影响 ［J］ .金属矿山， 2010 （5） 21-24. Zhang Guojian， Xu Guoquan.Effect of the natural grade classifica- tion of loose-covered rock with caving on ore loss and dilution ［J］ . Metal Mine， 2010 （5） 21-24. 刘兴国.放矿理论基础 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 1995. Liu Xingguo.Basic Drawing Theory［M］ .BeijingMetallurgical In- dustry Press， 1995. 牛伦.无底柱分段崩落法放出体测试方法研究 ［D］ .沈阳 东北 大学， 2014. Niu Lun.Study on Measure Technology of Draw Body Shape in Sub- level Caving ［D］ .ShenyangNortheastern University， 2014. （责任编辑王小兵） 金属矿山2019年第5期总第515期 36 ChaoXing