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颗粒级配对溜井放矿矿石混合特性的影响 ① 王刘宝１， 刘艳章１，２， 李 伟１， 蔡原田１， 肖金涛１， 王 瑾１ （１．武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 ４３００８１； ２．武汉科技大学 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 将放出混合矿样的中值粒径（ｄ５０）与放矿前初始中值粒径（ｄ５０′）的差值与 ｄ５０′的百分比定义为中值粒径偏析量（ＭＤＳ），并将 其作为矿石混合特性的定量评价指标。 以湖北金山店铁矿主溜井放矿过程为背景，借助相似试验与数值模拟，采用 ＴＦｅ 品位在 ２４．７５％～５９．２１％的 ７ 种铁矿石，以及粉矿含量为 １１％～１９％对应的 ５ 种颗粒级配，组成 ３５ 种不同品位的矿石级配方案，研究主溜井 放矿过程中矿石的混合特性。 结果表明相似试验与数值模拟所得结果吻合性较高；同一级配方案下，不同品位矿石放矿计算得到 中值粒径偏析量的变化趋势基本一致，随着入井矿石品位升高，ＭＤＳ 均不断减小，矿石混合均匀性越高；同一品位、不同级配下，级 配中粉矿含量占比不断增大，ＭＤＳ 表现为先减小后增大，矿石混合情况首先变好逐渐变差；粉矿含量为 １３％对应级配方案下，ＭＤＳ 最小，矿石混合情况最优；ＭＤＳ 能对溜井放矿过程中矿石的混合特性进行有效评价。 关键词 放矿； 混合特性； 中值粒径偏析量； 颗粒级配； 主溜井； 金山店铁矿 中图分类号 ＴＤ８５３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０２０．０２．００３ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０２０）０２-００１２-０７ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｇｒａｉｎ-Ｓｉｚｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｘｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｏｒｅｓ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｏｒｅ Ｐａｓｓ ＷＡＮＧ Ｌｉｕ-ｂａｏ１， ＬＩＵ Ｙａｎ-ｚｈａｎｇ１，２， ＬＩ Ｗｅｉ１， ＣＡＩ Ｙｕａｎ-ｔｉａｎ１， ＸＩＡＯ Ｊｉｎ-ｔａｏ１， ＷＡＮＧ Ｊｉｎ１ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００８１， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｂｅｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００８１， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｅｄｉａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｍｉｘｅｄ ｏｒｅ ｓａｍｐｌｅｓ （ｄ５０） ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｍｅｄｉａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｂｅｆｏｒｅ ｏｒｅ ｄｒａｗｉｎｇ （ｄ５０′） ｉｓ ｄｅｆｉｎｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍｅｄｉａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ （ＭＤＳ） ｆｏｒ ｄｒａｗｎ ｏｒｅ ａｎｄ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｆｏｒ ｏｒｅ ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｅ-ｄｒａｗｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｏｒｅ ｐａｓｓ ｉｎ Ｊｉｎｓｈａｎｄｉａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｓｅｖｅｎ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｉｒｏｎ ｏｒｅｓ ｇｒａｄｉｎｇ （ＴＦｅ） ｗｉｔｈｉｎ ２４．７５％～５９．２１％， ｕｓｉｎｇ ｆｉｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒａｉｎ-ｓｉｚｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｏｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｉｔｈｉｎ １１％～１９％， ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ３５ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｏｒｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｏｒｅ ｐａｓｓ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｌｍｏｓｔ ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｉｚｅ-ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ， ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ＭＤＳ ｆｏｒ ｄｒａｗｎ ｏｒｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｒｏｎ ｇｒａｄｅ ｉｓ ａｌｍｏｓｔ ｓａｍｅ ｉｎ ｖａｒｉａｔｉｏｎ． Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｒｅ ｇｒａｄｅ ｃａｎ ｌｅａｄ ｔｏ ａ ｇｒａｄｕａｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ＭＤＳ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｏｒｅ． Ａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｒｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｇｒａｄｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ， ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｏｒｅ ｔｈｅｒｅｉｎ ｃａｎ ｌｅａｄ ｔｏ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｆｔｅｒ ａｎ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ＭＤＳ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｅｓ． Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｒｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｏｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｔ １３％ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ＭＤＳ ａｎｄ ｂｅｓｔ ｏｒｅ ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ＭＤＳ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｏｒｅ ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｏｒｅ ｄｒａｗｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｒｅ ｄｒａｗｉｎｇ； ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ｍｅｄｉａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ； ｇｒａｉｎ-ｓｉｚｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ； ｍａｉｎ ｏｒｅ ｐａｓｓ； Ｊｉｎｓｈａｎｄｉａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ 地下生产矿山，由于采场采出矿石的块度大小不一，级配存在差异，卸入溜井内的矿石在放矿过程中， ①收稿日期 ２０１９-１１-０５ 基金项目 国家自然科学基金面上项目（５１０７４１１５，５１５７４１８３）；湖北省自然科学基金重点项目（２０１５ＣＦＡ１４２） 作者简介 王刘宝（１９９３-），男，河南开封人，硕士研究生，主要研究方向为采矿技术及岩土力学。 通讯作者 刘艳章（１９６９-），男，湖北汉川人，博士，教授，主要从事矿山岩石力学、采矿工艺、矿山测试技术等方面的研究。 第 ４０ 卷第 ２ 期 ２０２０ 年 ０４ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №２ Ａｐｒｉｌ ２０２０ ChaoXing 放出矿石的粒级会发生波动，不利于后续放矿工艺管 理。 对于大部分已经投产的地下矿山，溜井结构、贮放 矿管理工序等已经固定，颗粒级配成为影响溜井放矿 过程中矿石混合特性的主控因素［１］。 近年来有学者以放矿理论为基础，采用标志颗粒 法，分析了崩落覆岩下放矿时不同粒度矿石颗粒的运 移、渗透特性［２-３］及放出矿石品位变化特征［４-６］；还有 学者通过室内小型物料分级模拟试验，分析了粒径对 物料分级特性的影响［７-９］。 上述关于散体物料混合、 分级的研究，对分析溜井放矿过程中矿石混合特性具 有一定的借鉴意义，但由于溜井结构构造及井内散体 受限状态不同，上述研究成果并不完全适用于溜井。 本文以湖北金山店铁矿主溜井放矿过程为背景，定义 中值粒径偏析量作为矿石混合特性的定量评价指标， 借助相似试验、数值模拟等手段，分别采用不同品位矿 石，研究了主溜井放矿过程中颗粒级配对矿石混合特 性的影响，为金山店铁矿主溜井入井矿石级配控制提 供指导。 １ 工程概况 金山店铁矿分东、西两个采区回采矿石，其中，东 采区采出矿石品位平均为 ３０％ ～３５％，西采区采出矿 石品位通常比东采区高 ５％ ～１５％，平均为 ５０％左右。 该矿采用无底柱分段崩落法回采矿石，阶段高度 ７０ ｍ， 目前，生产作业主要集中在-４１０ ｍ 水平，该水平采出 的矿石经-４１０ ｍ 卸载站卸入-４１０～ -４８０ ｍ 主溜井， 经-４８０ ｍ 破碎站破碎后由箕斗提升至地表。 金山店铁矿-４１０～ -４８０ ｍ 水平主溜井采用圆形 水平断面结构布置，包括溜矿段和贮矿段两部分，如图１ 所示。 该水平溜井贮矿段高度 ３８．０ ｍ，贮矿段上部为 矿仓，直径 ６ ０００ ｍｍ，其表面喷射 Ｃ３０ 混凝土支护，贮 矿段下部为放矿漏斗，其结构形似直角圆锥台［１０-１１］， 放矿漏斗上、下口直径分别为 ６ ｍ 和 ３ ｍ ，高 ４．２８４ ｍ， 图 １ -４１０～-４８０ ｍ 水平主溜井结构示意 放矿漏斗角 ５５，采用钢衬板支护漏斗壁。 主溜井内 矿石粒径分布在 ０～６０．０ ｃｍ 范围内，具体粒径分布如 表 １ 所示。 实际生产中，由于 ０～１５．０ ｃｍ 矿石粒度远 小于井内其他矿石粒度，几近粉状，通常将该范围内的 矿石称为粉矿［１２］，其含量通常在 １１％ ～１９％范围内波 动。 贮矿高度一般控制在 ２５．０ ｍ。 表 １ -４１０～-４８０ ｍ 水平现场矿石粒径范围及质量占比 现场矿石粒径／ ｃｍ质量占比／ ％ （０～１５．０］１５．０ （１５．０～３０．０］１５．０ （３０．０～４５．０］４５．０ （４５．０～６０．０］２５．０ ２ 矿石混合特性相似试验 ２．１ 相似试验条件 本文采用文献［１３］中构建的溜井溜放矿相似试 验平台，开展相似试验研究。 试验中的溜井井筒模型 由 Ｃ３０ 混凝土制备，该溜井井筒模型制备的几何相似 比和应力相似比同为 ４０、矿石密度与现场放矿密度一 样，即矿石密度相似比为 １。 试验用矿石分别取自矿 山东、西采区生产现场，其中，西采区取样 ３ 次，矿样品 位编号分别为 Ｇ１、Ｇ２和 Ｇ３；东采区取样 ４ 次，矿样品 位编号分别为 Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６和 Ｇ７。 对取回的代表性矿样 进行 ＴＦｅ 品位化验和密度测定，化验及测定结果如 表 ２ 所示。 表 ２ 矿样品位及其密度 编号品位 α／ ％密度 ρ／ （ｔｍ -３ ） Ｇ１５９．２１４．５８ Ｇ２５４．８３４．４３ Ｇ３４８．２４４．２４ Ｇ４４２．５７４．０７ Ｇ５３６．３８３．７３ Ｇ６３０．９６３．３１ Ｇ７２４．７５３．０３ 根据表 ２ 所得结果，采用回归分析法，对品位与密 度的关系进行拟合，拟合方程为 α ＝ ０．２１３ ６ρ - ０．４１１ ６（１） 由式（１）可知，矿样品位与其密度呈线性正相关， 矿样密度越大，其品位越高。 此外，线性相关系数的平 方值 Ｒ２＝０．９７０ ６，趋近于 １，表明两者的线性度较高。 根据现场矿石粒径范围，按几何相似比制备试验 矿样（见表 ３），试验过程中按表 ３ 中的矿石粒径进行 ３１第 ２ 期王刘宝等 颗粒级配对溜井放矿矿石混合特性的影响 ChaoXing 调控。 为了排除其它因素对研究结果的影响，采用烘 干矿样（含水率为 ０％）进行研究。 表 ３ 试验矿样粒径 现场矿石粒径／ ｃｍ试验矿样粒径／ ｃｍ （０，１５］（０，０．３７５］ （１５，３０］（０．３７５，０．７５０］ （３０，４５］（０．７５０，１．１２５］ （４５，６０］（１．１２５，１．５０］ ２．２ 相似试验方案设计 有研究指出，溜井放矿过程中，井内小粒径矿石和 粉矿是影响放出矿石混合特性的重要因素，其中，粉矿 由于其较好的渗透性，对放出矿石混合特性影响最 强［１４］。 根据金山店铁矿主溜井内矿石的实际级配及 粉矿含量，设计了以 ２％粉矿含量为梯度，１１％ ～ １９％ 范围内 ５ 种不同粉矿（粒径范围 ０～１５．０ ｃｍ）含量的级 配方案，并采用 Ｇ１～Ｇ７共 ７ 种不同品位的矿样分别对 每一级方案进行放矿试验。 研究方案如表 ４ 所示。 表 ４ 研究方案 级配方案矿样品位％ Ｐｊｋ 粒径范围 ／ ｃｍ ωｊｋ ／ ％ Ｇ１Ｇ２Ｇ３Ｇ４Ｇ５Ｇ６Ｇ７ ５９．２１ ５４．８３ ４８．２４ ４２．５７ ３６．３８ ３０．９６ ２４．７５ Ｐ１ １（０～１５．０］１１ ２ （１５．０～３０．０］１６ ３ （３０．０～４５．０］４７ ４ （４５．０～６０．０］２６ Ｇ１Ｐ１Ｇ２Ｐ１Ｇ３Ｐ１Ｇ４Ｐ１Ｇ５Ｐ１Ｇ６Ｐ１Ｇ７Ｐ１ Ｐ２ １（０～１５．０］１３ ２ （１５．０～３０．０］１５ ３ （３０．０～４５．０］４６ ４ （４５．０～６０．０］２６ Ｇ１Ｐ２Ｇ２Ｐ２Ｇ３Ｐ２Ｇ４Ｐ２Ｇ５Ｐ２Ｇ６Ｐ２Ｇ７Ｐ２ Ｐ３ １（０～１５．０］１５ ２ （１５．０～３０．０］１５ ３ （３０．０～４５．０］４５ ４ （４５．０～６０．０］２５ Ｇ１Ｐ３Ｇ２Ｐ３Ｇ３Ｐ３Ｇ４Ｐ３Ｇ５Ｐ３Ｇ６Ｐ３Ｇ７Ｐ３ Ｐ４ １（０～１５．０］１７ ２ （１５．０～３０．０］１５ ３ （３０．０～４５．０］４４ ４ （４５．０～６０．０］２４ Ｇ１Ｐ４Ｇ２Ｐ４Ｇ３Ｐ４Ｇ４Ｐ４Ｇ５Ｐ４Ｇ６Ｐ４Ｇ７Ｐ４ Ｐ５ １（０～１５．０］１９ ２ （１５．０～３０．０］１４ ３ （３０．０～４５．０］４３ ４ （４５．０～６０．０］２４ Ｇ１Ｐ５Ｇ２Ｐ５Ｇ３Ｐ５Ｇ４Ｐ５Ｇ５Ｐ５Ｇ６Ｐ５Ｇ７Ｐ５ 表 ４ 中，Ｇｉ表示矿样品位编号，ｉ 表示品位序列， ｉ＝１～７。 Ｐｊ表示级配方案编号，ｊ 表示级配方案序数， ｊ＝１～５；ｋ 表示粒径范围编号，ｋ ＝ １～４；ωｊｋ表示各粒径 范围矿石的质量比例。 表 ４ 所示的研究方案中，各级配方案下粉矿（０～ １５．０ ｃｍ）含量 ωｊ１已知，在计算各级配方案下其他粒径 范围的质量比例时，以同一级配方案下各粒径范围质 量比例之和等于 １ 为基本原理，以粉矿含量为 １５％对 应级配方案中各粒径范围的质量比例为基准（即表 ４ 中的 ω３ｋ），依据下式计算其他方案中各个粒径范围矿 石对应的质量比例［１５］。 ωｊｋ＝ ω３ｋ １ - ω３１（１ - ωｊ１） （２） 式中 ｊ 为级配方案序数，ｊ＝１～５；ｋ 为粒径范围编号，此 处 ｋ＝２，３，４，特别地，由于 ｋ＝ １ 时对应的各方案中粉 矿含量已认为设定，故无需再计算 ωｊ１。 ２．３ 矿石混合特性评价指标 主溜井放矿过程中，使用中值粒径这一指标评价 放出矿石的混合状况，可以较直观地反映放出矿石颗 粒分布和混合状况，但是，其值只能对单一级配下的矿 石混合状况进行评价，一旦需要对多种级配方案下的 矿石混合状况进行比较及评价时，由于多种级配方案 下放矿前入井中值粒径的不同和放矿后混合矿样中值 粒径的差异等因素，使得中值粒径这一指标对多种级 配方案间矿石混合状况及级配的变化特征难以做出直 观明晰地比较。 本文以前文所述的中值粒径为基础， 定义中值粒径偏析量（ＭＤＳ）研究多种级配方案间矿 石混合状况和级配变化特征。 中值粒径偏析量 （ＭＤＳ）为一个相对量，由放出混合矿样的中值粒径 （ｄ５０）与放矿前初始中值粒径（ｄ５０′）的差值与 ｄ５０′相比 所得 ＭＤＳ ＝ ｄ５０ - ｄ ５０′ ｄ５０′ １００％（３） ２．４ 相似试验结果 放矿前，根据矿石粒径分布曲线，得到不同级配方 案下放矿前的初始不均匀系数、曲率系数和中值粒径 如表 ５ 所示。 表 ５ 放矿前各级配方案初始参数 方案 编号 不均匀 系数 曲率 系数 相似试验中 ｄ５０′ ／ ｃｍ 数值模拟中 ｄ５０′ ／ ｃｍ ＧｉＰ１２．８９９１．６９８０．９３５ １３７．４０５ ４ ＧｉＰ２３．４８５２．００００．９３０ ７３７．２２９ ８ ＧｉＰ３３．９２５２．２０７０．９１７ ６３６．７０３ １ ＧｉＰ４４．４３６２．２４６０．９０４ ４３６．１７６ ５ ＧｉＰ５４．９３２２．２８４０．８９６ ６３５．９８５ ０ 颗粒间不均匀系数和曲率系数是判定颗粒级配情 况、密实性能的两个重要指标，只有当不均匀系数超过 ５ 和曲率系数处于 １～３ 范围内时，方可判定颗粒密实 ４１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing 度较高、级配良好［１６］。 分析表 ５ 中的 ＧｉＰ１～ ＧｉＰ５可 知，各级配曲线的曲率系数均在 １～３ 之间，但不均匀 系数均小于 ５，不满足颗粒级配良好和高密实度条件， 因此，这 ５ 种级配方案下，颗粒彼此间的密实程度 不高。 试验过程中，按表 ４ 中各研究方案下既定的级配 要求，首先将同一品位、不同粒径的矿石均匀混合，再 将混合均匀后的矿样注入溜井井筒模型至 ６２５ ｍｍ 处，待混合均匀的矿样注入井筒模型内静置 ０．５ ｈ 后， 再分次抽开放矿漏斗角底部放矿板，每次放出高度 １２５ ｍｍ，共分 ５ 次放矿。 根据放出矿样结果，统计放 出矿样不同粒径矿石质量，绘制放出矿样粒径分布曲 线，可得到不同方案下放出混合矿样的中值粒径如 表 ６ 所示。 表 ６ 相似试验中不同研究方案下放出混合矿样中值粒径 方案 编号 不同放矿次数放出混合矿样中值粒径（ｄ５０） ／ ｃｍ １２３４５ Ｇ１Ｐ１０．９３５ ５０．９１３ ６０．９２４ ２０．９５４ ７０．９３９ ４ Ｇ２Ｐ１０．９３５ ７０．９１４ ５０．９２６ ７０．９５２ ７０．９４２ １ Ｇ３Ｐ１０．９３４ ３０．９１１ １０．９１８ ４０．９５９ ７０．９４７ ９ Ｇ４Ｐ１０．９３４ １０．９１２ ４０．９２０ ６０．９５７ ６０．９５８ ４ Ｇ５Ｐ１ ０．９３３ ５０．９１１ ９０．９１９ ００．９６２ ９０．９５５ ７ Ｇ６Ｐ１０．９３３ ３０．９１０ ００．９１５ ７０．９６１ ２０．９６６ ０ Ｇ７Ｐ１０．９３３ ５０．９０４ ９０．９０８ ３０．９６４ ８０．９６２ １ Ｇ１Ｐ２０．９３０ ００．９２９ ７０．９２９ ６０．９３３ ２０．９４０ ２ Ｇ２Ｐ２ ０．９３１ ３０．９２６ ３０．９２５ ２０．９３０ ３０．９３７ ９ Ｇ３Ｐ２０．９２９ ００．９２８ ８０．９２６ ４０．９３８ ３０．９４１ ９ Ｇ４Ｐ２０．９２７ ９０．９２２ ７０．９２１ ６０．９４２ ９０．９４５ ９ Ｇ５Ｐ２０．９２５ ３０．９２０ ７０．９２５ ２０．９４０ １０．９５７ ８ Ｇ６Ｐ２ ０．９２６ ２０．９２２ ３０．９１９ ７０．９４２ ３０．９５３ ２ Ｇ７Ｐ２０．９２６ １０．９２０ ５０．９１７ ５０．９４６ ３０．９６３ １ Ｇ１Ｐ３０．９１６ ８０．９０３ ７０．９１０ ６０．９２２ １０．９３６ ０ Ｇ２Ｐ３０．９１４ ２０．９０２ ５０．９０６ ４０．９２７ ８０．９３１ ５ Ｇ３Ｐ３０．９１５ ２０．９０３ １０．９０４ ８０．９２６ ００．９３５ １ Ｇ４Ｐ３０．９１０ ８０．９０１ ５０．８９７ ２０．９３０ ３０．９３９ ３ Ｇ５Ｐ３０．９１２ ００．８９３ ４０．８９４ ４０．９３４ １０．９３６ ９ Ｇ６Ｐ３０．９０６ ００．８９５ ８０．８９２ ８０．９３２ ７０．９４３ ９ Ｇ７Ｐ３０．９０８ ００．８９１ ７０．８９２ ４０．９３７ ９０．９４９ ５ Ｇ１Ｐ４０．９０２ ４０．９０４ ００．９０３ ６０．９０５ ２０．９２１ ６ Ｇ２Ｐ４０．８８９ ６０．９０２ ４０．９０２ ４０．８９５ ２０．９１９ ０ Ｇ３Ｐ４０．８９９ ６０．８９０ ８０．８９９ ６０．８９６ ４０．９２５ ２ Ｇ４Ｐ４０．９０２ ６０．８９９ ２０．８９５ ６０．９０３ ８０．９３０ ０ Ｇ５Ｐ４０．８９６ ４０．８９８ ４０．８９９ ６０．９０１ ２０．９２８ ０ Ｇ６Ｐ４０．８９４ ８０．９０１ ４０．８９２ ４０．９０８ ００．９３０ ３ Ｇ７Ｐ４０．８９１ ８０．８９５ ６０．８８９ ３０．９１５ ２０．９３５ １ Ｇ１Ｐ５０．８９５ ６０．８８３ ７０．８６５ ３０．９０９ ６０．９２４ ０ Ｇ２Ｐ５０．８９５ ２０．８８５ ００．８６２ ５０．９１３ ３０．９２８ ０ Ｇ３Ｐ５０．９１２ ４０．８７９ ７０．８６０ ９０．９１１ ２０．９２８ ８ Ｇ４Ｐ５０．９０６ ４０．８７８ １０．８５６ ９０．９１３ ６０．９３８ ３ Ｇ５Ｐ５０．９０３ ６０．８８１ ８０．８５８ ３０．９２１ ７０．９３３ ５ Ｇ６Ｐ５０．８９２ ８０．８７６ ５０．８５２ ５０．９１９ ６０．９４０ ４ Ｇ７Ｐ５０．８８６ ９０．８７７ ５０．８５４ ６０．９２１ ６０．９３７ ９ ３ 矿石混合特性数值模拟 ３．１ 数值模型建立 根据金山店铁矿主溜井结构，采用 ＰＦＣ３Ｄ 离散元 数值分析软件建立主溜井贮矿段数值模型，如图 ２ 所 示。 数值模型中的井壁和放矿漏斗均由“ｍａｋｅ ｗａｌｌｓ ｃｏｍｍａｎｄ”命令生成，矿石颗粒则由“ｇｅｎｅｒａｔｅ ｂａｌｌｓ”命 令随机生成。 主溜井的其他尺寸参数同图 １ 保持一 致，贮矿高度仍为 ２５．０ ｍ。 图 ２ 主溜井贮矿段数值模型 为了满足级配要求，放矿前，需不断调整矿石颗粒 的生成数目，并对颗粒体积进行统计，通过颗粒密度换 算为相应的质量，经多次调整，使生成的矿石颗粒满足 试验方案中的级配要求。 根据试验测定的矿石及井壁 支护材料的物理力学参数，参照文献［１４］采用文献调 研及散体剪切试验等方法确定的材料属性参数，本文 数值计算采用的材料参数见表 ７。 表 ７ 数值计算材料参数 方案 编号 颗粒刚度 ／ ＭＰａ 井壁刚度 ／ ＭＰａ 颗粒间 摩擦系数 颗粒与井壁间 摩擦系数 颗粒粘结强度 ／ ｋＰａ ＧｉＰ１１０１０００．３３０．３６３．０４ ＧｉＰ２１０１０００．４１０．４４３．１８ ＧｉＰ３１０１０００．４６０．４９３．３１ ＧｉＰ４１０１０００．４９０．５５３．５３ ＧｉＰ５１０１０００．５８０．５３３．６７ ３．２ 数值模拟结果 数值模拟过程中，将注入溜井内的矿石分 ５ 次放 出，每次放出高度为 ５ ｍ。 根据放出矿样结果，统计放 出矿样不同粒径矿石质量，绘制放出矿样粒径分布曲 线，可得到不同方案下放出混合矿样的中值粒径，如表 ８ 所示。 ４ 相似试验结果与数值模拟结果对比 及分析 根据相似试验和数值模拟得到的不同方案下放出 ５１第 ２ 期王刘宝等 颗粒级配对溜井放矿矿石混合特性的影响 ChaoXing 表 ８ 数值模拟中不同研究方案下放出混合矿样中值粒径 方案 编号 不同放矿次数放出混合矿样中值粒径（ｄ５０） ／ ｃｍ １２３４５ Ｇ１Ｐ１３７．５２５ ６３６．４９２ ４３６．９６７３８．２８３ ２３７．６３３ ３ Ｇ２Ｐ１３７．５３３ １３６．４６２ ４３６．８０３ １３８．２４２ ８３７．９４２ ８ Ｇ３Ｐ１３７．５０９ ６３６．３３２ ８３６．７１０ ６３８．４８６ ４３８．１５０ ３ Ｇ４Ｐ１３７．３７７ ７３６．３０４ １３６．７６２ ７３８．５３０ １３８．４７１ ５ Ｇ５Ｐ１３７．３７３ １３６．１２０ １３６．６００ ０３８．６３０ １３８．６３５ ３ Ｇ６Ｐ１３７．３３３ ５３６．１７９ ７３６．５２３ ３３８．７０３ ４３８．６５０ ３ Ｇ７Ｐ１３７．２７３ ５３６．０３９ ３３６．４１５ ９３８．７６６ ２３９．０１６ １ Ｇ１Ｐ２３６．７３５ １３７．２１３ ９３７．２０５ ４３７．３０９ ６３８．２３５ ３ Ｇ２Ｐ２３６．７３５ １３７．２１３ ８３７．１５０ ０３７．３４１ ５３８．２９９ １ Ｇ３Ｐ２３６．６７１ ２３７．２０６ ９３７．０２２ ３３７．３７４ ５３８．２９９ １ Ｇ４Ｐ２３６．６７１ ２３７．１６６ ０３６．８７８ ７３７．４５３ ３３８．３６３ ０ Ｇ５Ｐ２３６．６２３ ３３７．０８６ ２３６．７９８ ９３７．６９２ ７３８．４２６ ８ Ｇ６Ｐ２３６．６０７ ４３６．９７４ ５３６．７３５ １３７．７５６ ５３８．６０２ ４ Ｇ７Ｐ２３６．５４３ ５３６．９４２ ５３６．５１１ ６３７．９３２ １３８．７１４ １ Ｇ１Ｐ３３６．６０７ ４３６．５５９ ５３６．７０３ １３６．５５９ ５３７．３４１ ５ Ｇ２Ｐ３３６．４９５ ７３６．５４３ ５３６．６０７ ４３６．７６７ ０３７．５６５ ０ Ｇ３Ｐ３３６．３６８ ０３６．５４３ ５３６．４７９ ８３６．９１０６３７．６２８ ８ Ｇ４Ｐ３３６．２５６ ３３６．４３１ ８３６．４３１ ８３６．９７４ ５３７．６９２ ７ Ｇ５Ｐ３ ３６．２４０ ３３６．３８３ ９３６．３８３ ９３７．００６ ４３７．８０４ ４ Ｇ６Ｐ３３６．２０８ ４３６．４８３ ９３６．２５６ ３３７．０８６ ２３７．８２０ ３ Ｇ７Ｐ３３６．０６４ ８３６．３９３ ９３６．０９６ ７３７．１３４ １３８．０７５ ７ Ｇ１Ｐ４３５．８７３ ２３５．９２１ １３６．４５９ ５３６．６７１ ２３６．４７９ ７ Ｇ２Ｐ４３５．８２５４３５．８０９ ４３６．３８３ ９３６．６２３ ３３６．５４３ ５ Ｇ３Ｐ４３５．８２５ ４３５．８０９ ４３６．１９２ ４３６．３６８ ０３６．６０７ ４ Ｇ４Ｐ４ ３５．７７７ ５３５．７１３ ６３６．１６０ ５３６．２０８ ４３６．６０７ ４ Ｇ５Ｐ４３５．７６１ ５３５．６３３ ８３６．１２８ ６３６．１４４ ６３６．７８２ ９ Ｇ６Ｐ４３５．７４５ ６３５．４２６ ４３６．０９６ ７３６．３６８ ０３６．９５８ ５ Ｇ７Ｐ４３５．５８６ ０３５．１８７ ０３５．９５３ ０３６．５１５ ９３７．２７７ ７ 续表 ８ 方案 编号 不同放矿次数放出混合矿样中值粒径（ｄ５０） ／ ｃｍ １２３４５ Ｇ１Ｐ５３５．６２２ １３７．０７７ ５３４．１３３ ６３６．５５９ ５３６．７５１ Ｇ２Ｐ５３５．４９０ ２３６．４７９ ７３３．６０６ ９３６．４９５ ７３６．８９４ ７ Ｇ３Ｐ５３５．６５８ ３３６．７８２ ９３３．８４６ ３３６．３１８ １３６．４３１ ８ Ｇ４Ｐ５３５．４１０ ４３６．２７２ ２３３．５２７ １３６．６５５ ３３７．１０２ １ Ｇ５Ｐ５３５．０８２ ７３６．４５４ ３３３．５９１ ０３６．６０７ ４３７．２１３ ９ Ｇ６Ｐ５３５．２８２ ７３５．７７９ ７３３．３６７ ５３７．０３８ ３３７．１５０ ０ Ｇ７Ｐ５３４．７３４ ８３５．８２５ ４３３．２８５ ７３７．１１５ ９３７．２１３ ９ 混合矿样中值粒径（ｄ５０），并结合相似试验和数值模拟 的放矿前初始中值粒径（ｄ５０′），通过中值粒径偏析量计 算公式得到所有研究方案下的 ＭＤＳ。 同一级配方案， 不同品位矿石计算所得 ＭＤＳ 的相似试验与数值模拟 对比结果如图 ３ 所示。 同一品位、不同级配方案下，相似试验与数值模拟 计算得到的 ＭＤＳ 对比结果如图 ４ 所示。 分析图 ３ 和图 ４ 可知，由于相似试验过程中放矿 分为 ５ 次，多次的贮放矿过程，尤其是放矿初始和停止 时刻，井内部分品位矿石发生碰撞破碎，使得该品位矿 石放出质量较放矿前质量些许减少，进而造成部分方 案下的放出矿石中值粒径发生波动，但对比相似试 验和数值模拟结果可知，两者的变化情况基本一致。 放矿次数 5.0 2.5 0.0 -2.5 -5.0 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ G1P1相似 G2P1相似 G3P1相似 G4P1相似 G5P1相似 G1P1数值 G2P1数值 G3P1数值 G4P1数值 G5P1数值 G6P1相似 G7P1相似 G6P1数值 G7P1数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ ▲ ▲ ▲ ▲ 放矿次数 4 2 0 -2 -4 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ G1P3相似 G2P3相似 G3P3相似 G4P3相似 G5P3相似 G1P3数值 G2P3数值 G3P3数值 G4P3数值 G5P3数值 G6P3相似 G7P3相似 G6P3数值 G7P3数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ 放矿次数 6 3 0 -3 -6 -9 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ G1P5相似 G2P5相似 G3P5相似 G4P5相似 G5P5相似 G1P5数值 G2P5数值 G3P5数值 G4P5数值 G5P5数值 G6P5相似 G7P5相似 G6P5数值 G7P5数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ 放矿次数 4.5 3.0 1.5 0.0 -1.5 -3.0 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ G1P2相似 G2P2相似 G3P2相似 G4P2相似 G5P2相似 G1P2数值 G2P2数值 G3P2数值 G4P2数值 G5P2数值 G6P2相似 G7P2相似 G6P2数值 G7P2数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ 放矿次数 4 2 0 -2 -4 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ G1P4相似 G2P4相似 G3P4相似 G4P4相似 G5P4相似 G1P4数值 G2P4数值 G3P4数值 G4P4数值 G5P4数值 G6P4相似 G7P4相似 G6P4数值 G7P4数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ abc ed 图 ３ 同一颗粒级配下中值粒径偏析量对比 （ａ） 方案 ＧｉＰ１； （ｂ） 方案 ＧｉＰ２； （ｃ） 方案 ＧｉＰ３； （ｄ） 方案 ＧｉＰ４； （ｅ） 方案 ＧｉＰ５ ６１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing 放矿次数 4 2 0 -2 -4 -6 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ G1P1相似 G1P2相似 G1P3相似 G1P4相似 G1P5相似 G1P1数值 G1P2数值 G1P3数值 G1P4数值 G1P5数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ a 放矿次数 4 0 -4 -8 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ 4 0 -4 -8 中值粒径偏析量/ G2P1相似 G2P2相似 G2P3相似 G2P4相似 G2P5相似 G2P1数值 G2P2数值 G2P3数值 G2P4数值 G2P5数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ b 放矿次数 第1次第2次第4次第5次第3次 G3P1相似 G3P2相似 G3P3相似 G3P4相似 G3P5相似 G3P1数值 G3P2数值 G3P3数值 G3P4数值 G3P5数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ c 放矿次数 6 3 0 -3 -6 -9 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ 6 3 0 -3 -6 -9 中值粒径偏析量/ G4P1相似 G4P2相似 G4P3相似 G4P4相似 G4P5相似 G4P1数值 G4P2数值 G4P3数值 G4P4数值 G4P5数值 6 3 0 -3 -6 -9 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ d 放矿次数 第1次第2次第4次第5次第3次 G5P1相似 G5P2相似 G5P3相似 G5P4相似 G5P5相似 G5P1数值 G5P2数值 G5P3数值 G5P4数值 G5P5数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ e 放矿次数 第1次第2次第4次第5次第3次 中值粒径偏析量/ 6 3 0 -3 -6 -9 中值粒径偏析量/ G6P1相似 G6P2相似 G6P3相似 G6P4相似 G6P5相似 G6P1数值 G6P2数值 G6P3数值 G6P4数值 G6P5数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ f 放矿次数 第1次第2次第4次第5次第3次 G7P1相似 G7P2相似 G7P3相似 G7P4相似 G7P5相似 G7P1数值 G7P2数值 G7P3数值 G7P4数值 G7P5数值 ■ ● ▲ ▲ ◆ ■ ● ▲ ▲ ◆ g 图 ４ 同一品位下中值粒径偏析量对比 （ａ） 方案 Ｇ１Ｐｊ； （ｂ） 方案 Ｇ２Ｐｊ； （ｃ） 方案 Ｇ３Ｐｊ； （ｄ） 方案 Ｇ４Ｐｊ； （ｅ） 方案 Ｇ５Ｐｊ； （ｆ） 方案 Ｇ６Ｐｊ； （ｇ） 方案 Ｇ７Ｐｊ 此外，由图 ３ 和图 ４ 分析可知，同一级配方案下，不同 品位矿石放矿计算得到的 ＭＤＳ 变化趋势基本一致，随 着放矿品位升高，ＭＤＳ 均不断减小；同一放矿品位下， 粉矿含量占比增加，ＭＤＳ 变化情况由小变大。 当级配 方案中粉矿含量占比为 １３％时，相似试验和数值模拟计 算得到的 ＭＤＳ 均最小，放出矿石中值粒径波动情况最 小，该粉矿含量下放出矿石混合均匀，混合状况最优。 同一级配、不同品位下，随着入井矿石品位升高， 前 ３ 次放矿所得放出矿石中值粒径越大，而后 ２ 次放 矿所得放出矿石中值粒径越小。 分析上述变化情况， 原因可能为入井矿石品位越高，其密度越大，井内矿 石颗粒密实性越高，小粒径的矿石越难以向放矿口渗 透，使得前 ３ 次放矿小粒径矿石量占比越小，放出矿石 中值粒径越大，后 ２ 次放矿小粒径矿石量占比越大，放 出矿石中值粒径越小。 随着入井矿石品位升高，井内 矿石密实性越高，小粒径矿石渗透作用越弱，放出矿石 中值粒径波动幅度逐渐减小，ＭＤＳ 越小，矿石混合状 况越好。 ７１第 ２ 期王刘宝等 颗粒级配对溜井放矿矿石混合特性的影响 ChaoXing 同一品位、不同级配下，随着级配中粉矿含量的增 加，放出矿石中值粒径及 ＭＤＳ 表现出上述变化的原因 可能为研究方案中入井矿样密实性较低，大颗粒间空 隙大，小颗粒向放矿口渗透性强，前 ２～３ 次放矿中，小 粒径矿石量占比大，放出矿石中值粒径偏小，后 ２～３ 次放矿，由于放出矿石中小粒径矿石量占比小，放出矿 石中值粒径偏大。 同一品位下，随着级配中粉矿含量 由 １１％逐渐增大至 １７％，井内矿石密实性逐渐增大， 小粒径矿石渗透性能逐渐减弱，使得 ＭＤＳ 逐渐减小； 当级配中粉矿含量增至 １９％时，矿石密实性能相对较 高，小粒径矿石渗透性能较弱，在放矿过程中，井内矿 石易在粉矿和其他级配的矿石相互作用下形成平衡拱 进而破坏井内矿石正常流动，使得放出矿石中值粒径 偏析程度和波动幅度变大。 ５ 结 论 １） 同一级配方案下，不同品位矿石放矿计算得到 的放出矿石 ＭＤＳ 变化趋势基本一致，随着入井矿石品 位升高，放出矿石 ＭＤＳ 均不断减小，表明矿石混合情 况变好。 ２） 同一品位、不同级配下，级配中粉矿含量占比 增加，放出矿石 ＭＤＳ 表现为先减小后增大，表明矿石 混合情况先变好再变差。 ３） 级配方案中粉矿含