张永达，梁新民，明建，谢经鹏，王莉

（1．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

基于多方法联合的无底柱采场端壁倾角优选

张永达1，2，梁新民1，2，明建1，2，谢经鹏1，2，王莉1，2

（1．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

以首云铁矿为工程背景，联合运用物理模拟试验法及PFC2D软件数值模拟试验法，分别对端壁倾角为80°、85°、90°三种不同方案进行模拟试验研究，并且绘制出了三种不同方案条件下矿石的回收率、废石的混入率以及回贫差的变化曲线。通过其变化曲线可知，当端壁倾角在85°左右时，矿石回收率以及回贫差取得最优值。进而为矿山端壁倾角的选择提供科学依据。

无底柱分段崩落法；端壁倾角；回收率；回贫差

首云铁矿是一个露天转地下开采的矿山，现已经成功完成两者之间的过渡，地下开采选用的是无底柱分段崩落采矿法，矿石品位比较低，地质平均品位仅在30%左右。众所周知，崩落法采矿最大的不足之处就是损失贫化比较严重［1－2］。随着近些年全球经济的不景气，铁精粉价格大幅度下降，因此对于这样一个低品位的矿山来说，降低矿石的损失贫化程度成为目前矿山急需解决的难题。

关于无底柱分段崩落法损失贫化的研究，国内外做了大量工作并取得了不错的成果，大多是针对分段高度、进路间距、放矿步距等结构参数指标进行研究［3－4］。但对端壁倾角在放矿过程中的影响研究相对较少。因此本文以首云铁矿为工程背景，运用物理模拟实验以及数值模拟实验的手段研究端壁倾角对矿石损失贫化的影响，为以后矿山采场端壁倾角选择提供科学依据。

1 物理模拟试验法研究端壁倾角

1．1 试验方案

本次模拟试验选用平面物理模拟放矿模型，模型规格为长×宽×高：160cm×14cm×120cm，为了清晰地观察到矿岩颗粒在模型中的移动情况，模型正面安装的是0．5cm厚的钢化玻璃。采用模型比例为η＝1∶50，结合首云铁矿采场现场实际参数指标值，得到模型各设计参数详见表1。首云铁矿采用截止品位放矿，截止品位为15%，模拟试验采用同样的放矿方式。通过公式换算得，当次称量放出废石和矿石质量之比达到2．38时，即停止本次放矿试验［5］。

表1 现场参数尺寸与模型参数尺寸对比表Table 1 Size comparison of the field parameters and model parameters

为研究不同端壁倾角对覆盖岩层下放矿废石混入的来源影响，掌握废石移动规律，优选出最佳端壁倾角。模拟放矿试验分别选取端壁倾角为80°、85°、90°来进行研究。设计方案模型如图1所示。

1．2 试验过程

1）建立物理模型

根据表1可知模型总长度为900mm，高度为500 mm，宽度为80mm。需要用三合板把平面物理放矿模型分割成相应的尺寸，保证试验操作的准确性。

2）模型装填矿岩

图1 不同端壁倾角方案设计图Fig．1 Design programs of different end－wall angles

检查工作完成后，准备开始装填工作。以端壁倾角80°的模型为例，介绍装填矿岩步骤：按照先装填前部正面废石，再装填矿石，最后装填上部覆盖废石的顺序进行。在装填物料之前，把步距板插好，安装出矿进路并加以固定。然后按照图1设计方案开始装填，先装填红色正面废石，装填时不需计重；其次装填矿石，也是从模型底部开始逐渐到指定位置，但在装填矿石时需要先用电子秤称量每次装入矿石的质量并记录下来，再接着填装下一步距的矿石，直到把所有放矿步距都装填满，并作好称量记录；最后装入顶部白色覆盖岩层，装填废石时不需称量计重。

端壁倾角为85°、90°试验模型装填矿岩时，按照上述装填步骤进行，模型装填完成如图2所示。

3）放矿过程及数据记录

装填之后，准备开始模拟放矿工作。首先把出矿进路条抽到第一个步距位置，抽掉步距板，开始模拟放矿试验。使用自制出矿铲进行出矿，为使试验更符合现场实际出矿，需要在出矿铲的手柄上做上标志，保证每一铲的深度。为便于称量计重，按照每5铲称量一次，分别称量矿岩总质量、矿石质量、上部覆岩白色岩石质量、正面红色废石质量，并作记录。当连续三次出矿称量时，称量的废石、矿石质量之比达到2．38时，立即停止放矿。然后抽掉下一个步距板，按照上述步骤进行出矿作业，直到完成整个模拟试验。不同端壁倾角方案设计模型放矿截止状态如图3所示。

1．3 试验数据分析

通过上述物理模拟放矿试验，可得到放矿过程中放出的矿石量、废石量、矿石回收率、损失率等回收指标值。用origin软件以端壁倾角为横坐标，以各个回收指标为纵坐标，绘制出随着端壁倾角逐渐变化，矿石回收率、贫化率、回贫差等参数指标的变化曲线，如图4所示。

图2 端壁倾角为80°、85°、90°的模型初始状态图Fig．2 The model initial state diagram with end－wall angle of 80，85and 90degrees

图3 端壁倾角分别为80°、85°、90°的模型放矿截止状态图Fig．3 The model ore－drawing cutoff state diagram with end－wall angle of 80，85and 90degrees

图4 物理模拟试验不同端壁倾角下放矿指标比较Fig．4 Comparison of the ore－drawing indices with different end－wall angles in physical simulation test

1）由图4中回收率变化曲线可知，随着端壁倾角的逐渐增大，矿石的回收率先逐渐增大然后趋于稳定。说明当端壁倾角增大到85°以后矿石的回收率受端壁倾角变化较小，基本趋于稳定。

2）由图4中贫化率变化曲线可知，当端壁倾角由80°逐步增加到90°时，矿石的贫化率先由26．52%增大到30．87%。说明随着端壁倾角的增大，废石混入的量越来越多，造成矿石严重贫化。

3）由图4中回贫差变化曲线可知，随着端壁倾角的逐渐增大，回贫差先逐渐增大后开始减小，当端壁倾角为85°时，回贫差达到最大值。

2 PFC2D数值模拟法研究端壁倾角

为与物理模拟放矿试验所得数据结果进行对比，本文采用PFC2D软件颗粒流程序对不同端壁倾角条件下矿石回收率、贫化率的影响进行数值模拟研究，使结果更具说服力［6］。

2．1 模型参数选择

本次所建模型所涉及到的参数指标有粒径、颗粒容重、颗粒间孔隙度、截止品位及刚度等。

1）粒径。现场实际中矿石、废石块度是不确定的、随机的。但在本次建模时，使模型运算时，耗时少、效率高。模型中的物料颗粒球采用的都是等直径的。废石颗粒直径df＝600mm，矿石颗粒直径dk＝500mm。

2）颗粒容重。为保证所建模型更符合现场实际放矿情况，矿岩颗粒球的容重应与现场实际保持一致。根据首云铁矿有关地质资料数据，选取废石颗粒球密度ρF＝2．8×103kg/m3；矿石颗粒球密度ρK＝3．7×103kg/m3。

3）孔隙度。现场实测矿岩的孔隙度难度比较大，可以通过松散系数间接来获得其孔隙度大小［7］，本次模型中选取孔隙度大小为0．4。

4）截止品位。数值模拟放矿采用截止品位放矿，品位为15%。在数值模拟运算中，为方便统计放矿过程中当次放出矿石的品位，可转化为通过控制废石与矿石颗粒球数目的比值来达到截止品位控制放矿的目的，经公式转换计算得其比值为1．86。

5）模型中其他参数指标

模型中涉及到的其他参数指标选择如表2所示。

2．2 模型构建及模拟运算

根据模拟相似原则，综合考虑矿山现场实际情况，在分段高度和进路间距不变的情况下，按照表1、2中的参数指标值构建端壁倾角分别为80°、85°、90°的三种方案模型。本文仅以端壁倾角为80°的模型为例进行分析，模拟试验过程以及结果如图5所示。

表2 模型中其他参数指标值Table 2 The values of other parameters in the model

图5 模拟放矿过程及结果图Fig．5Process and results of ore drawing simulation

模型中上部颗粒球代表上部覆盖岩层部分，右边颗粒球代表正面废石部分，左边颗粒球代表矿石部分。从图5中首先可以看出在放矿过程中出现了“空洞［8］”，在实际放矿过程中壁面处流动性比较好，上部覆盖废石很快就流到放矿口处，与正面废石形成了一个包围圈把矿石颗粒夹在中间，导致废石提前混入矿石中造成贫化；最后从放矿截止图可以看出矿石颗粒残留比较多，矿石损失比较严重。

2．3 数据整理及分析

根据PFC2D软件模拟运算的最终结果，统计了模拟放矿过程中矿石的回收指标，根据数值模拟试验统计数据，通过origin绘图软件，以端壁倾角为横坐标，以各个回收指标为纵坐标，绘制出随着端壁倾角逐渐变化，矿石回收率、贫化率、回贫差等参数指标的变化曲线，如图6所示。

图6 数值模拟试验同端壁倾角下放矿指标比较Fig．6 Comparison of the ore－drawing indices with different end－wall angles in numerical simulation test

1）从图6中回收率变化曲线可知，随着端壁倾角逐渐变大，矿石的回收率曲线呈现先增大后略微减小的趋势。说明端壁倾角在增大到一定程度之后，对矿石回收率的影响较小。

2）由图6中贫化率变化曲线可知，随着端壁倾角逐渐变大，废石混入率曲线呈逐渐增大的趋势。说明端壁倾角越大，废石混入的越多，导致矿石贫化越严重。

3）由图6中回贫差变化曲线可知，随着端壁倾角逐渐变大，回贫差变化曲线呈现先逐渐增大后减小的趋势，并且在端壁倾角为85°左右时出现最大值。

3 结论

通过运用室内物理模拟试验法及PFC2D软件数值模拟试验法，研究不同端壁倾角条件下对放矿过程中矿石损失贫化的影响，得到矿石回收率、废石混入率以及回贫差的变化曲线。试验表明：

1）垂直端壁倾角时矿石回收率很高，但废石的混入率也相当高，导致其回贫差比较低。所以大多数矿山采用的垂直端壁倾角不一定是合理的，要根据矿山实际情况选取合理端壁倾角。

2）随着端壁倾角逐渐变大，矿石的回收率曲线呈现先增大后略微减小的趋势；废石混入率曲线呈逐渐增大的趋势；回贫差变化曲线呈现先逐渐增大后减小的趋势。

3）以矿石回收率以及回贫差作为评优指标，可以看出当端壁倾角在85°左右时，矿石回收率已基本趋于稳定，且回贫差指标值达到最优。根据首云铁矿实际情况，建议矿山选用85°左右的端壁倾角，对提高矿石回收率以及减少废石混入率具有重要意义。

［1］刘兴国．放矿理论基础［M］．北京：冶金工业出版社，1995：90－116．

［2］孙光华，吕广忠．我国无底柱分段崩落法的发展方向［J］．河北理工学院学报，2007（2）：12－16．

［3］余一松，陈小伟，明世祥．无底柱采场端壁倾角变化对矿石损失和贫化的影响［J］．金属矿山，2009（增刊1）：241－245．

［4］王昌汉．放矿学［M］．北京：冶金工业出版社，1982：101－113．

［5］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．

［6］安龙，徐帅，李元辉，等．基于多方法联合的崩落法崩矿步距优化［J］．岩石力学与工程学报，2013，32（4）：754－759．

［7］赵坤．崩落采矿法放矿时矿石移动的基本规律［D］．北京：北京科技大学，2011．

［8］刘兴国．崩落采矿法放矿时矿石移动的基本规律［J］．有色金属（矿山部分），1979（4）：1－5．

Optimization of end－wall angle in non－pillar sublevel caving method based on multi－method joint application

ZHANG Yongda1，2，LIANG Xinmin1，2，MING Jian1，2，XIE Jingpeng1，2，WANG Li1，2
（1．State Key Laboratory of High－Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education，Beijing 100083，China；2．School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

With the engineering background of Shouyun Iron Mine，physical simulation test and PFC2Dnumerical simulation test method are combined to study on three different programs that the end－wall angle is 80°，85°and 90° respectively，and the changing curves of the ore recovery rate，the waste in－ore rate and the ratio difference between recovery and dilution are drawn out under the condition of three different programs．The curves show that when the end－wall angle is about 85°，the ore recovery rate and the ratio difference between recovery and dilution obtain the optimal value．Furthermore it will provide scientific basis for the choice of end－wall angle in mine．

non－pillar sublevel caving method；end－wall angle；recovery rate；ratio difference between recovery and dilution

TD853．36

Α

1671－4172（2015）04－0004－05

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．002

中央高校基本科研业务费专项资金项目（FRF－TP－14－077A2）

张永达（1988－），男，硕士研究生，矿业工程专业，主要从事金属矿床开采理论与工艺、放矿理论研究。