魏敬芮WEI Jing-rui；陈清运CHEN Qing-yun；游正君YOU Zheng-jun；徐正碧XU Zheng-bi；曾顺洪ZENG Shun-hong；卢骏LU Jun；樊海云FAN Hai-yun

（①武汉工程大学资源与安全工程学院，武汉 430074；②中铁上海工程局集团市政环保工程有限公司，上海 201900；③云南磷化集团有限公司，昆明 650600；④武钢资源集团程潮矿业有限公司，鄂州 436000；⑤武钢资源集团金山店矿业有限公司，大冶 435116）

0 引言

我国自从上世纪60 年代引进无底柱分段崩落法以来，由于该采矿法拥有结构简单、产量大、机械化水平高、成本低和较为安全等优点[1]，被广泛应用于我国各大矿山[2]。

在无底柱分段崩落法矿山的崩矿步距优化研究中，计算机模拟技术越来越被重视，其中PFC 颗粒流数值模拟软件就在崩矿步距优化方面就有着诸多研究及应用，比如，丁航行等[3]利用PFC3D颗粒流数值模拟软件对梅山铁矿18m×20m 采场结构参数条件下所设的六组崩矿步距方案展开单漏斗放矿模拟，研究确定了最优崩矿步距为2.2m。李彬等[4]采用PFC3D数值模拟试验的研究方法，基于程潮铁矿生产实践，对不同放矿步距方案展开数值模拟放矿研究及分析，得出现行采场结构参数下最优放矿步距为3m。本文以金山店铁矿张福山矿区的生产实践为研究背景，通过PFC3D数值模拟试验，综合考虑顶部覆盖岩层和正面废石混入因素，建立单漏斗放矿模型，研究探讨金山店铁矿张福山矿区东采区最优崩矿步距。

1 矿山生产概况

湖北省武汉钢铁资源集团金山店铁矿张福山矿区坐落于金山店南侧，矿床倾向为170°到215°，倾角表现为西陡东缓，北陡南缓，上陡下缓。金山店铁矿张福山矿床属于接触交代矽卡岩型铁矿床，矿体软弱破碎，分东西两个采区，其中东采区主要分为Ⅰ号矿体和Ⅱ号矿体。本文重点研究Ⅰ号矿体，其矿体埋藏于地下，赋存标高为+16～-1000m，矿体形状呈简单规则，似层状，拥有上薄而下厚，东厚而西薄的变化特点，其厚度一般为20～80m，平均厚度为27.18m。矿体在平面上-340m，水平阶段高度为70m，采取大间距结构，分段高度为14m，进路间距为16m。目前矿山采用3.0m 为采场崩矿步距，对应的矿石回采率为80.05%～83.00%、贫化率在25%左右。

2 数值模拟试验研究

2.1 PFC 软件介绍

PFC 是Particle Flow Code 的缩写名称，其中文名称为颗粒流程序，于1971 年在Cundall 博士[5]的主持下，采用他所提出的细观离散元理论为基础核心，研发的一款商业用途的数值模拟软件，该软件使用时必须要通过其内置的FISH 语言，编写代码建立模型。当前有二维（PFC2D）和三维（PFC3D）两种模式的软件，PFC2D软件最小颗粒单元为圆，PFC3D则在空间上呈现为球，并且PFC 颗粒流数值模拟软件是由颗粒单元间的细观物理参数表征材料的宏观力学行为。PFC 颗粒流软件既可以模拟解决静态问题，还可以进行模拟动态过程，较为广泛的被用于优化和预测参数，该软件拥有比现场工业试验和实验室物理模拟试验在使用上更加灵活方便，并且能过反复多次试验等诸多优点[6-7]。

2.2 PFC 基本假设

PFC 数值模拟放矿最重要的问题就是创建模型，在建模的过程当中，一般只考虑颗粒的重力、颗粒之间的粘结力和摩擦力、颗粒与边界的接触的情况。

为了达到与实际情况相符的要求，在采用计算机模拟之前，应对模型的模拟情况做出假设：

①所有颗粒均为圆形或球形；

②所有颗粒均为刚性体；

③颗粒之间有粘结力的存在；

④颗粒与颗粒之间以及颗粒与墙体之间的接触均为点接触；

⑤颗粒之间可以有一定重叠，但重叠量相比于粒径要小得多。

2.3 矿岩颗粒参数选择

通过实验室试验和查阅资料，并辅以大量演算及调整，最终确定最符合工程实际的矿岩颗粒参数如表1 所示。为了便于计算机计算，更快建立放矿模型，本研究采用矿岩颗粒的平均半径作为放矿模型中矿岩颗粒半径。

表1 矿石、岩石颗粒参数

2.4 模型墙体构建

本研究利用PFC3D颗粒流软件依次建立崩矿步距为2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 和4.0m 的五种单漏斗放矿模型。固定分段高度×进路间距为14m×16m，进路高度×进路宽度为3.3m×3.6m，边孔角为50°，经过查阅资料选择合理覆盖岩层厚度为20m[8]。如图1 所示，图1 是崩矿步距为3.5m的单漏斗放矿模型的墙体结构图。

图1 模型墙体结构

2.5 数值模拟放矿过程

在本次PFC3D数值模拟放矿研究中，通过编写FISH语言程序进行控制放矿。放矿过程由矿岩颗粒自身重力主导，不添加任何外力。研究中，金山店铁矿的放矿方法为截止品位放矿，放矿截止品位采取15%，经实验室实验和查阅资料得到金山店铁矿张福山矿区东区的矿石地质品位是45%，岩石品位取0 值。现已知放矿截止品位的计算公式为：

以上公式（1）、（2）、（3）中，∝j为放矿截止品位，单位为“%”；∝d为矿石地质品位，单位为“%”；nk为放矿口矿石颗粒个数；ny为放矿口岩石颗粒个数；ρk为矿石密度，单位为“kg/m3”；ρy为岩石密度，单位为“kg/m3”；vk为单个矿石颗粒体积，单位为“m3”；vy为单个岩石颗粒体积，单位为“m3”；Ry为矿石颗粒半径，单位为“m3”；Rk为岩石颗粒半径，单位为“m3”。

公式（1）、（2）、（3）联立，将如表1 所示矿岩颗粒参数带入联立公式，已知本次研究中所采用的放矿截止品位∝j=15%，矿石地质品位∝d=45%，通过计算可得当放出矿石品位达到截止放矿品位时，进路中的矿岩颗粒比即nk:ny=2:1。即PFC3D数值模拟单漏斗放矿过程中，当进路中的矿石颗粒个数与废石颗粒个数之比为2:1 时，立即停止放矿。

2.6 数值模拟放矿结果

本研究对崩矿步距分别为2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 和4.0m 的五个单漏斗放矿模型进行数值模拟放矿，放矿过程如图2、图3、图4 所示（以崩矿步距为3.5m 的放矿模型为例）。每隔2000 时步记录一次放出矿岩颗粒数据，当进路中矿石与废石之比等于2 时，停止放矿并记录下最后一次放矿数据。五次数值模拟放矿结果如表2 所示。

图2 放矿初期

图3 放矿中期

图4 放矿末期

表2 数值模拟放矿结果

2.7 试验结果分析

①由表2 可知，当崩矿步距为3.0m 时，其对应的矿石回采率为83.07%，贫化率为18.37%，这与金山店铁矿现场实际矿石回采率83.00%左右、贫化率在25%左右的技术经济指标较为吻合。综合考虑建模过程中，为方便计算机快速建模放矿而采用了平均半径的做法，以及PFC3D数值模拟软件的功能不支持完全模拟出矿山现场的实际情况等因素，本次模拟试验结果在可接受的误差范围之内。因此，表1 中所选参数合理，可作为本数值模拟研究的基本参数。

②根据表2 绘制如图5 所示的各崩矿步距（B）与矿石回采率、贫化率和回贫差关系曲线。由图5 可知，随着崩矿步距增大，贫化率逐渐减小，而回采率呈现先增大后减小的趋势。当崩矿步距为3.5m 时，其矿石回收率最高达到了85.67%，较3.0m 崩矿步距时提高了两个百分点，贫化率也比3.0m 崩矿步距时降低了两个百分点，同时通过崩矿步距—回贫差曲线可以看出，当崩矿步距为3.5m 时，其回贫差达到最大，得出金山店张福山铁矿现用14m×16m 采场结构参数最佳崩矿步距应为3.5m。

图5 崩矿步距与回采率、贫化率、回贫差关系曲线

3 结论

本文以金山店铁矿张福山矿区为研究背景，采用PFC3D数值模拟的研究方法，详细分析顶部覆盖岩层与正面废石混入对放矿回贫指标的影响，对五种不同崩矿步距方案进行单漏斗数值模拟试验，得出结论如下：①贫化率随崩矿步距的增大而减小，在试验区间内呈近似线性变化规律；②回采率随崩矿步距的增大呈抛物线变化规律；③金山店铁矿东区无底柱分段崩落法采场结构参数为14m×16m（分段高度×进路间距），最佳崩矿步距为3.5m，可以达到回采率85.67%，贫化率16.96%的技术经济指标。