高聪1，于鑫1，焦东2，刘正海2
（1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051 ；2.?中国华冶科工集团有限公司，北京?100176）
摘要：无底柱分段崩落法放矿是在废石覆盖层下进行的，普遍存在损失贫化大的问题。放矿过程中，废石覆盖层中的细小废石颗粒以较快速度到达放矿口，导致放出矿石提前贫化。针对废石小颗粒运移问题，设计了物理模拟试验，对废石小颗粒混入过程以及混入量进行了分析，结果表明：在放矿过程中，细小颗粒会出现越过大颗粒提前至放矿口的现象，当放出矿量达到总出矿量的5%左右时，在漏斗口有细小颗粒废石出现；当放出矿量45%左右时，形成了废石通道，直至不再出现矿石。
关键词：崩落法；放矿；细小颗粒；相似性物理模拟试验
无底柱分段崩落法是一种通过崩落围岩来控制地压的方法，因其具有安全、机械化程度和生产效率高等特点而在金属矿山中得到广泛应用[1-2]，但其因在覆盖岩层下放矿，矿岩直接接触，因而造成矿石的损失贫化[3-4]。
覆盖岩层是一种结构非常复杂的非均匀松散介质，长期存放于采场中，频繁地受到生产中爆破的挤压、冲击作用和移动过程中相互碰撞而发生破碎现象，形成大量粉岩和小块，因围岩崩落而形成的地表塌陷区导致地表黄土也会渗透进入覆盖层，成为覆盖层中细小颗粒的一部分。这些粉岩和小块由于具有移动速度快、渗透性强的特点，随矿岩界面下降逐渐向矿岩界面聚集，并随放矿而迅速渗入矿石层中，导致矿岩混杂和提前产生矿石贫化。针对端部放矿细小颗粒混入的问题 ，本文设计一种相似性放矿物理模拟试验，对放矿过程中的粉岩和小颗粒的混入问题进行了探究。
1 崩落法废石混入过程分析
无底柱分段崩落法将矿体划分为若干阶段，再将阶段划分为若干分段，上下分段回采进路在空间上呈菱形交错布置，凿岩、爆破与出矿都在回采巷道内完成，在覆盖岩层下进行回退式开采，从回采进路一端开始，每次回采一个崩矿步距，直到采完整个进路为止，再进行下分段的回采[2,5-6]。图1.1为传统意义上的无底柱分段崩落法工艺图。
1—阶段沿脉运输巷道；2—矿石溜井；3—分段运输平巷；4—分段联络巷道；5—切割平巷；6—切割天井；7—凿岩进路；8—扇形炮孔；9—斜坡道；10—斜坡道联络道
图1.1 无底柱分段崩落法工艺图
图1.2为矿石放出过程放矿椭球体与废石漏斗发育过程，放矿开始时，初始放出体在崩落矿石爆堆里发育，这时放出的都是纯矿石。覆盖岩废石颗粒石由于所处的位置不同，下移的速度也不同，离漏口的轴线越近，下移的速度越快，下移的距离越大，这样造成原来处于同一水平上的颗粒，由于下移速度不等而形成凹陷，即废石漏斗。随着放出量的增加，漏斗最低点高度不断下降，当最低点已从漏口放出时，废石漏斗破裂，造成废石混入。
图1.2 废石混入分析
当覆盖岩层平均颗粒粒径比矿石层颗粒大时，或者覆岩颗粒与矿石层颗粒大小差异不大的情况下，废石漏斗发育过程中过程中，矿岩界线明显，即使在放矿过程中会发生极少数细小颗粒的穿流现象，但对损失贫化影响并不大；对于存在大部分粉岩和小颗粒时，由于小颗粒能够穿透矿石层而提前到达放出口，矿岩会发生明显混杂，严重造成矿石贫化。
2 细小颗粒运移过程相似性物理模拟试验
2.1 放矿模型
放矿模型采用木条和有机玻璃材料制作，巷道采用摩擦力比较小的硬纸壳代替.模型尺寸设置为0.5 m×0.5 m×1m（长×宽×高）。按1：60的模型布置了3个分段，进路按菱形布置，同分段2-3条进路。模型结构参数与实际矿山结构参数的对比如表2.1所示。
表2.1 模型结构参数与实际矿山结构参数的对比
2.2 实验材料
矿石模拟材料采用某矿山的磁铁矿，岩石模拟材料采用白云岩。矿、岩模拟材料经过破碎和筛分成所需粒径，并按实际矿山作相似性配比，并拌匀。矿石和废石粒径级配组成详见表2.2。
表2.2 矿石和废石粒径级配组成
2.3 模型装填与出矿
模型装填前，首先在模型上标记崩矿步距大小，用隔板以标记的崩矿步距大小为基准将矿石和废石区域隔离。采用平行作业的方式向放矿模型内装填矿岩模拟材料，首先向模型内装填矿石模拟材料，再向模型内装填上的白色废石模拟材料，从第三分段依次向上装填，将三个分段依次装填完毕，并在矿石正上方装填细小颗粒，继续在矿岩上部装填废石形成上部覆盖岩。模型装填效果如图2.1所示。
图2.1 模型装填效果图
对放矿模型逐分段进行放矿，实验过程全程录像，出矿过程保持全断面均匀出矿。
3 结果分析
对各个放矿时段的矿石放出量，废石放出量以及小颗粒废石放出量进行记录并分析，不同阶段矿岩界面演化情况如图3.1所示，图3.1（a）为第一二分段放矿结束后所形成的矿岩界面，即第三分段初始放矿界面，图3.1（b）-图3.1（c）为第三分段放矿过程。
（a ） （b） （ c）
图3.1 不同放矿阶段矿岩界面演化
由图可知，放矿初期崩落矿岩散体处于压实状态，散体内部颗粒间的孔隙较小;随着矿石的放出，矿岩产生了二次松散，矿岩散体内部孔隙增多且分布呈现不均匀性;放矿后期，移动区内矿岩散体处于较松散状态，散体内部可能出现大孔隙。在上述过程中就出现了细小颗粒穿越较大和中等大小的孔隙运动的现象，即细小颗粒的“穿流”现象。
放矿过程中，在中轴线附近的细小颗粒下降较快，两边较慢，随矿石放出，细小颗粒漏斗不断下移、增大。放矿刚开始细小颗粒通过间隙到达放矿口，将细小颗粒层下的放矿过程分为三阶段 ：
(1)纯矿石阶段。粉岩的粒度小、流动性好，下降速度较快。在矿石块度、湿度和出矿条件相同的情况下，但在放矿初期仍存在一个较为短暂的放出纯矿石的阶段。
(2)混合放出阶段。当放矿时出现小颗粒，则结束纯矿石阶段，进入混合放出阶段。此时出矿中既有矿石又有小颗粒废石。
(3)纯废石阶段。随着放出矿石的减少，废石漏斗母线倾角逐渐变缓，并达到极限漏斗倾角，继续放矿，则只有小颗粒废石和大颗粒废石放出，此即形成完全的小颗粒废石放出通道。余下的矿石不能再放出，成为脊部残留。
将各个放矿时段的矿石放出量，废石放出量以及小颗粒废石放出量进行记录并绘制图表如图3.2所示。
图3.2 矿岩放出指标
当矿石回采率达到5.6%左右时，在漏斗口有小颗粒废石出现；当矿石回采率45%左右时，形成了小颗粒废石的通道，以后只能放出细小颗粒和大量大颗粒废石，而很少有矿石出现。放矿前期基本都是细小废石颗粒放出，直到矿石回采率达到48%。放矿后期随着大颗粒废石放出，细小颗粒占比减小。
4 结论
崩落矿岩散体的非均匀性，使得放矿过程中矿岩散体的流动状况极为复杂，整体流动的同时细小颗粒的穿流运动也十分活跃。在自重作用下非均匀矿岩散体表现出不同的运动特征，矿岩散体颗粒在运动场内的移动速度与自身的粒径大小相关。放矿实验研究表明，放矿刚开始细小颗粒通过间隙到达放矿口，将细小颗粒层下的放矿过程分为三阶段，纯矿石阶段，混合阶段和纯废石阶段。当矿石回采率达到5.6%左右时，在漏斗口有小颗粒废石出现，随后基本都是细小废石颗粒放出，直到矿石回采率达到48%；当矿石回采率45%左右时，形成了小颗粒废石的通道，以后只能放出细小颗粒和大量大颗粒废石。
参考文献
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