（采矿工程专业论文）大间距无底柱采矿新工艺放矿随机模拟研究.pdf

摘要 摘要 我国无底杜矿山长期以来，基本上采用1 0 m x1 0 m ( 分段高度进路间距) 左 右的小结构参数，限制了无底柱采矿法优越性的发挥，制约着我国地下矿山的发 展。 大间距无底柱采矿工艺的研究与应用使无底柱分段崩落法在其结构参数及其他 技术工艺方面产生重大变革，使放矿理论得以丰富。大间距结构参数较小结构参数 而言，对增大开采强度，减少采准工程量，降低采矿成本等均具有明显的效果。大 间距无底柱采矿工艺尤其是其结构参数的研究具有重要的意义。 研究了崩落矿岩的移动规律，在大间距理论研究的基础上，对北沼河铁矿的大 间距结构参数进行放矿仿真研究。第一，以v b 6 0 语言为平台，按改进的随机介质 理论数学模型编写了大间距随机介质放矿仿真程序。第二，利用自编仿真程序针对 北沼河铁矿1 5 m 分段高度，不同进路间距参数进行放矿模拟分析。第三，分析仿真 结果，研究了迸路间距与相关放矿指标之间的关系，得出1 5 m 进路间距时的大间距 结构参数的优化方案。 大间距结构参数的优化，增大了开采强度，减少了采准工程量，降低了采矿成 本。分析得出：1 5 m 分段高度，1 8 m 1 9 m 进路间距的结构参数时，放矿效果良 好。1 5 m 1 9 m 的大间距结构参数为最优方案。 图2 4表3参4 7 关键词：大间距；随机模拟：崩落矿岩：放矿 分类号：t d 8 0 1 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nl o n gt i m e ，t h es m a l ls t r u c t u r ep a r a m e t e rt h a tw a s1 0 m 1 0 mw a sa d o p t e db yn o n - p i l l a rm i n ei no u rc o u n t r y ，w h i c hr e s t r i c t e dt h ea d v a n t a g eo fn o n p i l l a rt oe x e r ta n do n r s u b l e v e lm i n et od e v e l o p t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h el a r g es p a c en o n p i l l a rm i n e r a lt e c h n i q u em a d et h e s t r u c t u r ep a r a m e t e ra n do t h e rt e c h n i q u ep r o d u c ei m p o r t a n tc h a n g e , w h i c he n r i c h e dt h eo r e d r a w i n g b yc o m p a r i n gw i t ht h es m a l ls t r u c t u r ep a r a m e t e r , t h el a r g es p a c ep a r a m e t e ri s s u p e ri ns o m ea s p e c t s ，s u c h a si m p r o v i n gm i n i n gi n t e n t i o n ，a n dr e d u c i n gp r e p a r a t o r yw o r k ， a n dd e b a s i n gm i n i n gc o s t i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c h i n gt h el a r g es p a c en o n p i l l a rm i n e r a l t e c h n i q u ee s p e c i a l l yi t sp a r a m e t e r b a s e do i lt h el a r g es p a c et h e o r e t i cr e s e a r c h ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h e m o v e m e n tl a wo fb r o k e no r ea n d r o c k ，a c c o r d i n gt ot h el a r g es p a c es t r u c t u r ep a r a m e t e ro f t h eb e i m i n g h ei r o nm i n e t h es y s t e m a t i cr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t ，b a s e do i lt h e v i s u a lb a s i c6 0p r o g r a m ，o r ed r a w i n gs i m u l a t i v ep r o g r a m m i n gw a sw r i t t e nu p o nt h e i m p r o v e dr a n d o mm e d i a lt h e o r ya n ds i m u l a t i v em a t h sm o d e l s e c o n d ，u s i n gs e l f - m a d e p r o g r a m m i n g ，s i m u l a t i v ea n a l y s i sh a sd o n eo nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fv a r i o u sa c c e s s s p a c e s ，u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ef i x e ds u b l e v e lh e i 【g h to fb e i m i n g h e t h i r d ，ad e t a i l e d s t u d yo f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c c e s ss p a c ea n d o r el o s sa n dd i l u t i o nh a sb e e nm a d e t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e rh a st h em i n i n gi n t e n t i o ni m p r o v e d ，t h ep r e p a r a t o r yw o r k r e d u c e d ，a n dt h em i n i n gc o s td e b a s e d b yr e s e a r c ha n da n a l y s i s ，t h ep a p e rd r a wa c o n c l u s i o nt h a ti st h eb e t t e rl a r g es p a c es t r u c t u r ep a r a m e t e ro f15 ms u b l e v e lh e i g h tw h i c h i s1 8 m 1 9 m t h eb e s ts t r u c t u r ep a r a m e t e r i s1 5 m x l 9 m f i g u r e2 4 t a b l e3r e f e r e n c e4 7 k e y w o r d s ：l a r g es p a c e ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；b r o k e no r ea n dr o c k ；d r a w i n g c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 8 0 1 i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解n - 4 1 ；理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲啤新虢避嗍必州日 引言 引言 无底柱分段崩落法自上世纪6 0 年代中期在我国开始使用以来，以其结构简单、 管理方便、效率高、成本低等诸多优点，在金属矿山获得迅速推广，特别是铁矿山 更为广泛，目前其产量约占地采铁矿石的8 0 左右。 国外无底柱矿山于上世纪8 0 年代开始技术革新，主要是结构参数大型化，设备 大型化、液压化、电动化，以提高出矿强度，减少采准工程量，降低采矿成本。然 而我国自从上世纪6 0 年代引入该采矿工艺以来，基本上延续着l o m xl o m 的小结构 参数，严重制约了无底柱分段崩落采矿法优越性的充分发挥。使我国无底柱采矿技 术与世界先进水平的距离明显加大。我国无底柱矿山面临着技术革新的问题。 加大和优化采场结构参数是无底柱矿山技术变革的首要问题。从多个放出体空 间排列分析，当几个椭球体五点相切时，放矿效果最好，此时存在两种空间排列形 式，即高分段结构形式和大间距结构形式。由于受国内凿岩设备的限制，大间距结 构形式更适合我国无底柱矿山的生产力发展水平。 对此，国内做过大量研究与试验，“十五”期间，梅山铁矿针对大间距结构参 数进行攻关，取得一定的成果。之后，大间距结构参数在梅山铁矿、桃冲铁矿、板 石沟铁矿进行了工业应用，北洛河铁矿在分析研究的基础上也实臆了此项工艺技 术。 大间距结构参数的研究与实施，在理论上促进了无底柱分段崩落法的发展，丰 富了放矿理论；在实际应用过程中，提高了采矿强度，减少了采准工程量，充分发 挥了无底柱采矿工艺的优越性。 本文就北沼河铁矿的大间距结构参数，以自编放矿仿真程序进行研究，得出大 问距结构参数与相关放矿指标之间的关系，提出了结构优化方案。对大间距无底柱 放矿工艺与矿山的生产具有一定的指导意义。 河北理工大学硕士学位论文 1 文献综述 无底柱分段崩落法广泛应用于厚大矿体，特别是急倾斜厚矿体的开采中。这种 方法大多采用高效率的深孔落矿工艺，不留矿柱而省去回采矿柱的环节，采用大型 设备回采矿石，大大简化了采矿工艺，因此结构简单、管理方便、效率高、成本 低。但是由于没有矿柱，崩落岩石与崩落矿石直接接触，在放矿过程中稍有不慎， 导致崩落围岩随矿石放出，造成大量矿石损失贫化，从而影响了各项经济指标。因 此研究放矿过程中崩落矿岩的移动规律，合理地确定结构参数，力求降低矿石的损 失贫化，取得较好的经济效果，具有极其重要的意义。 放矿理论研究覆岩下崩落矿岩的移动规律。对预测矿石损失贫化，确定合理的 结构参数和放矿管理制度，以及提高矿山经济效益都有十分重要的作用。 1 1 放矿理论研究现状 放矿理论体系中，研究较多且较成熟的放矿理论有连续介质放矿理论和放矿随 机介质理论。连续介质放矿理论主要分为椭球体放矿理论和类椭球体放矿理论，放 矿随机介质理论以东北大学任风玉教授的随机介质放矿理论及其应用最为代表 性。 1 1 1 连续介质放矿理论 原苏联学者r m 马拉霍夫将放矿理论建立在等速体( 等速面) 过渡基础之上， 即马拉霍夫放矿理论。马拉霍夫根据等速面过渡关系建立了速度移动迹线方程，研 究了多漏口放矿条件下的移动规律，提出了贫化计算和结构参数确定的方法以及放 矿管理制度等。该理论的主要问题是放出体与等速体的形状相互矛盾。原苏联学者 b b 库罩柯夫曾子i 9 6 5 、1 9 7 2 、1 9 8 0 年三次撰写放矿专著，库里柯夫立足于放出体 是椭球体和放出体的过渡关系，首先建立了表述放矿移动规律的基本方程，根据放 出体表面颗粒在移动过程中保持相关关系不变( j ，0 纸= 爿h ) 建立了理想散体完 全椭球体放矿理论。该理论是比较成熟的放矿理论。 东北大学刘兴国教授于1 9 7 9 年建立了偏心率放矿理论f j 】口该理论在给出偏心率 放矿理论的数学方程的同时，并应用坐标交换方程解决漏口放矿问题。1 9 8 3 年西安 建筑科技大学李荣福教授在试验研究的基础上首先提出了偏心率方程： 1 一p 2 = k h l7 并建立了放矿基本规律统一的数学方程1 2 1 形成了偏心率截头椭球 2 一 1 文献综述 体放矿理论。并在多孑l 放矿的研究，数值模拟放矿边界条件等研究方面取得了开创 性的成果。 1 9 9 2 年东北大学博士研究生吕爱钟在其博士论文【3 1 中利用蠕流理论对放出体进 行研究，得出了放出体为椭球体的结论，为椭球体理论提供了理论依据。 1 9 9 4 年西安建筑科技大学教授李荣福通过试验和理论研究创立了类椭球体放矿 理论】。该理论包括了椭球体放矿理论的正确内容和结论，并且克服了椭球体放矿 理论的不足和错误之处，与实验结果和散体力学的有关结论达到了良好的吻合。从 目前的放矿理论看，该理论是比较严密和完备的放矿理论。类椭球体放矿理论将连 续介质放矿理论向前推进了一步。 1 1 2 放矿随机介质理论 放矿随机介质理论是将矿岩( 散体) 按随机介质处理，运用概率论的方法研究 散体移动过程而形成的理论体系。 散体移动随机介质理论最早始于2 0 世纪6 0 年代，波兰地表移动专家 l i t w i n i s z y n 在文献【6 】中认为，松散介质运动过程是随机过程，可以用概率论的方法 研究。l i t w i n i s z y n 建立了随机介质模型。从模型描述的现象引出推论松散介质 移动的随机性，并参照所建立的模型的移动方式给出了离敞岩体随机移动状态的构 思和一般性描述的微分方程。 1 9 6 2 年王泳嘉教授发表了放矿理论研究的新方向随机介质理论1 7 】一 文，提出理想散体移动的球体模型。将球体介质连续化处理后给出理想介质移动密 度方程，并推导出散体颗粒移动速度方程和迹线方程、放出漏斗方程、放出体方 程，从而建立了放矿随机介质理论体系。 1 9 7 2 年原苏联出版b b ky r lhkob c0bme ctha 且t , i 1 1obt0pha 月pa 3pa_otkapy 且hb ix me c t0po 承且ehhn 书，书中对放矿 随机介质理论进行了较为深入的研究。他仍采用球体模型，把球体视为不变形、运 动彼此独立的随机介质，研究了放矿的平面问题和空间问题。1 9 8 0 年b b 库里科夫 出版了bb1 7 i yck py 且b i 一书，对随机介质放矿理论又进行了深入的研 究。 1 9 9 2 年东北大学博士研究生任风玉在其博士论文1 7 】中建立以实验为基础且符合 实际的移动概率密度函数，放出体形态完全由散体移动概率密度函数确定，使放出 体形态与实际相符。建立了散体概率密度函数方程 8 1 河北理工大学硕士学位论文 p ( x ，y ，z ) 式中： 壶e x p ( 一等 口，芦散体流动参数 该理论能够反映出放出体是可变的，由口，卢的变化可以实现放出体形态( 上大 下小、上小下大、上下基本接近) 的变化。并研究了放出1 ：3 对放出体形态的影响， 推导了端壁放矿以及倾斜边壁条件下放矿的概率密度方程。1 9 9 4 年任风玉出版了 随机介质放矿理论及其应用一书。将放矿随机介质理论提高到一个新的水平。 1 1 3 放矿理论评价 综上所述，连续介质放矿理论和放矿随机介质理论是比较系统和完整的理论体 系。该二种理论各自建立了自己的数学方程，解决问题亦具有一定的深度和广度， 能够给出放矿和散体运动中遇到的许多问题和重要解释。但是，连续介质放矿理论 中的以点代量和随机介质中的理想颗粒皆是数学和物理上的简化和抽象，由此引起 的误差能否通过参数的调整加以消除还有待于进一步的研究。 1 2 计算机仿真研究现状 对于放矿研究而言，现场观察法可以说是最古老的研究方法了，其随之被实验 室试验方法所取代。实验室试验依然是一种重要的研究方法，实验室模型试验研究 放矿问题直接、方便，其结果比较客观准确，至今仍发挥着重要的作用，但是其仍 然未能摆脱费时费力，很难对多种方案、多种因素进行全面深入的研究。随着计算 机的广泛应用计算机仿真法在放矿研究领域亦迅速得到应用，并收到很好的效 果。计算机仿真方法具有快速、方便、准确等优点，能够给出满意的效果，从而深 受欢迎。 基于不同放矿理论的计算机模拟方法主要有以下三种： 1 2 1 计算机数值模拟 数值模拟以颗粒点移动方程为数学模型，用计算机模拟不同边界条件下放矿过 程的矿岩移动规律及放出情况，并给出各种量的计算，以期达到预测矿石损失与贫 化的目的。 数值模拟方法| 9 1 2 1 基本上解决了两方面的问题： d 1 文献综述 1 解决了放矿过程中崩落矿岩移动规律问题，即放出体、矿石残留体以及矿岩 接触面移动变化过程； 2 解决了矿石的损失与贫化问题。可以给出矿石损失、贫化的计算值及回收 率，并可根据此结合具体条件优化采矿方案、结构参数和控制放矿等。因此数值模 拟具备了模型试验的功能，同时又俱备模型试验无法比拟的优点。 但是，数值模拟方法存在以下缺陷n “： 1 数值模拟的数学基础是插值公式和数值积分，是种近似计算方法，因此存 在一定的误差； 2 达孔量场矿岩的物理力学性质和边界条件变化很大，至今尚没有形成统一的 表达式，给理论分析带来很大的不便； 3 达孔量场的测定工作很大。 1 2 2 计算机随机模拟 随机模拟方法最早由加拿大学者d a v i dj o l l e y - 于1 9 6 8 年提出钔，他将崩落的矿 岩理想地划分成许多规则排列的小方块，方块一块一块地从漏孔放出，每放出一块 就产生一个空位，此空位由上一层九个方块中的一个来填补，由哪一块填补按蒙特 卡罗法决定，由此不断地向上传递空位，下面经漏孔不断地一块一块地放出，达到 规定的贫化率为止。国内于1 9 7 8 年开始此项研究。北京钢铁学院、昆明工学院及东 北工学院的研究工作做的比较广泛和深入，分别对各种条件下的放矿问题进行了模 拟，取得了较好的效果。 在d j o l l e y 九块递补模型中，由哪一模块下将是随机的。具体说来，每从漏孔 放出一个模块就在漏口产生一个空缺位置，相当于塞入一个空位，该空位其上第一 层相邻模块按给定的概率随机递补，在递补模块下移之后，其原来位置变为空位， 这样空位由漏口向上传递到第一层：第一层上的空位又在第二层模块递补中传递到 第二层，依此类推。空位如此向上逐层随机传递，直到进入岩石层为止。计算机随 时记录下空位传递中模块的变更，并随时累计放出的矿石模块和岩石模块数，以此 模仿出放矿的全过程。 在九块递补模型的基础上，有人先后做了六块模型、七块模型、六角式模型以 及一次下落四个模块的模型，也取得了良好的效果卯。 河北理工大学硕士学位论文 随机模拟在各种边界条件下都能求出放出体和矿石残留体的形状及矿岩接触面 的移动情况，并同时可求出放出量、回收率、贫化率以及损失率等问题。借助这些 结果便可优化采矿工艺以及其结构参数，完善放矿管理制度。 尽管随机模拟优点显而易见，但是其保真度依然存在问题，虽然也做了上述的 几种改进，但保真度问题并没有很好的解决，究其原因是d j o l l e y 的仿真数学模型 移动概率场方程与实际出入较大。 任风玉在文献瞪1 中对概率场方程作了改进，引入了口、两个散体流动参数， 通过调整两个参数的大小产生不同的放出体形状，使之适应不同情况的放矿过程。 改进后的随机模拟方法可以对包括复杂边界条件在内的各种放矿条件及放矿方案进 行模拟，不仅能够给出各个阶段的放矿结果，而且能展示崩落矿岩移动的全过程， 并得到较高的逼真度，使放矿随机介质理论更为完善。但是，其概率赋值问题依然 有待于进一步研究。 1 2 3 离散元法 1 9 8 6 年王泳嘉在金属矿山上发表了介绍离散元法在矿业中应用的文掣阍。 2 0 0 2 年5 月李昌宁在有色金属上发表有关离散元法计算机模拟的文章【1 刀与数值 模拟和随机模拟相比具有自身的特点。该方法认为，离散体运动过程是块体间旧的 力系平衡遭到破坏，寻求建立新的力系平衡的过程。该方法从离散体块之间的接触 入手，找出其接触的本构关系，从而建立接触的物理力学模型，并由牛顿第二定律 建立力、加速度以及位移之间的关系，对放矿过程进行模拟计算。 由于该方法考虑了模块间力的作用，从而使放矿研究的内容更为丰富，由于力 学因素的引入，使其在一些方面更具有说服力，可以定性分析和反映散体移动变化 趋势。但是。引入力学因素使散体位移问题变得非常复杂，此外，其对崩落矿岩的 物理力学性质尚未提出完满的模拟方法。因此，该方法还需进一步研究。 1 2 4 计算机放矿仿真评价 数值模拟法虽然解决了崩落矿岩的移动规律问题和矿石的损失与贫化问题，但 是其对复杂边界条件下放矿问题还不能很好的解决；离散元法在放矿模拟的过程当 中，引入了力学因素并且考虑了各个矿岩模块之间的接触关系，使其可以定性分析 和反映散体移动变化趋势。但是该方法由于力学因素的介入使问题变得复杂化，对 崩落矿岩的物理力学性质尚未提出完满的模拟方法，模拟的结果并不是很理想：随 6 1 文献综述 机模拟放矿尽管做了多种放矿模型方面的改进，但是其本质问题_ d j o l l y 的仿真 数学模型与实际出入较大这一问题没有得到解决，因此，其保真度问题一直没有得 到很好的解决；改进的随机介质理论对概率场方程做了改进，使放矿随机介质理论 得到完善，对各种散体在不同边界条件下的放矿过程，均具有较高的逼真度，其适 用范围更为广泛。 综上所述，改进的随机介质仿真模型更能准确的反映崩落矿岩的流动特征，更 适合作为救矿仿真的数学模型。本文以此作为数学仿真模型，对大间距放矿进行分 析研究。 1 _ 3 无底柱分段崩落法应用现状 无底柱分段崩落采矿法具有操作简单，开采强度大，机械化程度高，安全可 靠，采矿成本相对比较低等优点，在国内外矿山得到大范围地推广应用。增大采场 结构参数，增加一次崩矿量，采用电动、全液压的大型无轨采矿设备，以达到减少 采准工程量，提高全员劳动生产率和降低采矿成本的目的，是无底柱分段崩落法的 未来发展方向1 8 j 们。例如：瑞典的基鲁纳铁矿，它的分段高度进路间距的演变方 式为1 0 m 1 0 m 一1 2 m x1 l m 一1 2 m 1 6 5 m 一2 0 m 2 2 5 m 一2 7 m x 2 5 m 2 0 12 ，并采 用全液压凿岩台车和重型液压凿岩机，一次崩矿量由8 0 0 吨增至5 0 0 0 吨，出矿采用 4 6 m 3 电动铲运机，大幅度提高了采矿强度。其采准工程量减少了5 0 ，采矿成本 降低了3 0 ，经济效益十分显著。马尔姆贝尔格铁矿由1 5 m x1 5 m 增加到2 0 m x 2 2 5 m ，此外，乌克兰的克里沃罗阁矿区地下矿的分段高度也增加到2 5 4 0 m 。文献 2 2 1 还指出，基鲁纳铁矿计划2 0 0 0 年采用3 0 m 的分段高度。这可能是该矿同时计划 丌始试验所谓的“超级采场”旺引即阶段崩落法。 我国于2 0 世纪6 0 年代首次从瑞典引进无底柱分段崩落采矿法时的参数为分段 高度1 0 m ，进路间距1 0 m ( 1 0 m x l o m 结构) ，先后在大庙、酒钢镜铁山、符山、梅 山等矿山进行无底柱分段崩落采矿法的试验攻关，并获得了成功阱】。由于受到设备 的影响，其结构参数在应用了几十年之后几乎没有得到发展，依然局限在小参数、 小间距的范围内，其结果造成采矿效率低下、采准工程量大等问题，制约了该采矿 方法优势的充分发挥。国外典型矿山的实践证明，要进一步提高无底柱矿山的生产 能力和经济效益，必须走优化结构参数，走大参数，设备大型化和科学管理化之 路。 - 7 - 河北理工大学硕士学位论文 为提高矿山生产能力，提高采矿强度，结构参数的优化就变得迫切起来。国内 相关矿山做了大量工业试验研究。河北铜矿、漓渚铁矿采用高端壁进路间距 ( 4 0 m 1 2 5 m ) 的双巷高端壁无底柱分段崩落采矿法，镜铁山铁矿也采用过高分 段、大间距的无底柱分段崩落采矿法，金山店铁矿利用现有设备实施了1 5 m xl o r e 的无底柱高分段崩落采矿法，余华寺分矿也将试验分段高度扩大为1 2 5 m 2 5j 。通过 “十五”攻关计划在梅山铁矿的实践攻关盼们，梅山铁矿将采场结构参数由l o m x 1 0 m 、1 5 m 1 5 m 调整到1 5 m 2 0 m 的大间距结构参数，并取得较好的经济效果。 通过分析可以看出，国内无底柱采矿工艺参数变化的主要障碍是地下采矿设 备，尤其是受凿岩设备的影响。目前国内凿岩设备的凿岩深度一般为1 5 m 2 0 m ， 若加大分段高度，则凿岩深度达不到要求。高端壁放矿采用菱形双巷凿岩，解决了 凿岩深度不足的问题，但是并没有使采准工程量得到降低；若分段高度不变或略有 增加的情况下，同时加大进路间距，现行凿岩设备完全可以达到要求，同时可以实 现增加一次崩矿量，减少采准工程量，降低采矿成本的目的。 从理论分析来看，传统的放矿理论主要研究孤立的单个放出体的性质特征，很 少考虑多个放出体之间的相互关系。从多个椭球体的平面排列来看，当椭球体五点 相切时，排列的孔隙度最小，即其矿石回收效果最好。而此时存在两种椭球体的组 合，即高分段结构和大间距结构哳1 。结合国内当前的矿山机械设备( 尤其是地下 凿岩设备) 等因素，凿岩深度尚不能满足高分段结构分段高度的要求，而大间距无 底柱采矿工艺更加适合我国当前的生产力发展水平，便于应用和推广。因此，大间 距结构为我国无底柱矿山首选结构参数。 1 4 研究方法和研究内容 以上相关内容及研究分析，为本文研究放矿过程中散体流动过程的仿真方法提 供了依据和奠定了基础。本论文主要工作是在总结以往的放矿仿真程序成果的基础 之上，进一步研究大间距放矿模拟方法，进一步得出大间距结构参数的优化方案。 本文以北沼河铁矿大间距采矿方法相关结构参数为依据，首先按照改进的随机仿真 数学模型编制放矿仿真程序：其次利用编制程序针对北沼河铁矿的大间距结构参数 进行分析计算，详细分析分段高度、进路间距与矿石损失、贫化之间的关系，据此 以优化大间距结构参数。 2 大间距理论分析 2 大间距理论分析 从近年来的放矿模拟及多个椭球体的平面空间排列分析，l o m l o m 的结构参 数( 进路间距与分段高度相等) 并不是最好的参数组合。当同一竖直平面内的四个 椭球体五点相切时放矿效果最佳。此时，有两种组合方式高分段结构和大间距 结构。 2 1 大间距与高分段结构参数的区别 1 9 7 8 年马鞍山矿山研究院和北京科技大学在河北铜矿2 4 矿体开展了高端壁放矿 的无底柱分段崩落法工业试验研究。此外，马鞍山矿山研究院在浙江漓渚铁矿进行 双巷菱形高分段崩落法的试验研究工作1 。但是，受凿岩设备的影响，上述两个 试验由于均设有凿岩分段，其只是增加了一次崩矿量，但采准工程量并没有得到减 少，因此只是实现了高端壁放矿，而没有达到真正意义上的高分段结构参数【2 8 3 0 】。 所谓高分段结构是指，多个椭球体的平面空间排列中，椭球体五点相切，此时 其分段高度日与进路间距l 之比为： 日肛坐2 詈( 2 )6 、。 式中： 口放出体长半轴长； 6 放出体短半轴长。 如图l 所示： 9 - 河北理工大学硕士学位论文 l 。 琴尹 e 善虱 ， 图1 高分段结构形式 f i g 1t h eh i g hs u b l e v e if o r m 多个椭球体空间排列五点相切如图2 所示： 图2 大间距结构形式 f i g 2t h el a r g es p a c ef o r m 此时分段高度与进路间距l 之比为 肌= 塑6 式中： 口放出体长半轴长； 1 0 - 2 大间距理论分析 b 放出体短半轴长。 该结构参数形式即为大间距结构形式。可以看出大间距结构形式与高分段结构 形式其实质是放出体空间排列的问题，两种结构形式孔隙度同为最小，即两种结构 参数都有损失贫化小、节约工程量、一次崩矿量大等优点。 根据图1 、图2 分析，按高分段公式三= 半兰计算，如果迸路间距保持 zd 1 5 m ，分段高度需要达到3 0 m 以上才能取得大间距的同样效果；大间距公式 胃他：! 三导表明，分段高度保持1 5 m 不变，进路间距增至t 8 2 0 m 即可。 o口 结合我国凿岩机凿岩深度分析，炮孔深度达3 0 m 以上时质量很难得以保证，而 2 0 m 炮孔深度是可以实现的【2 2 】。显然，通过具体工艺分析可发现大间距结构具有凿 岩深度比较短，炮孔质量易于保证，装药容易等优点。大间距结构参数更适合我国 当前无底柱矿山的生产力发展水平。 2 2 结构理论分析 大间距无底柱采矿工艺在国外虽然已经广泛采用，但缺少相应理论研究的支 撑，国内矿山大间距无底柱采矿技术理论研究已经取得重大突破。该理论指出了结 构参数的优化，其实质是放出体的空间排列问题【2 6 3 “，而不是深究单个放出体的形 态。 由图2 可知4 个放出体的5 点相切的排列，就是大间距的排列形式。由于椭球 体数学计算上的困难，为了便于分析，将纯矿石放出椭球体视为直径为1 的单位球 体，把原坐标x y z 坐标系改变为n v w 系列，则有： i x2c n y = a v ( 4 ) l z ：b w 这样原艇z 坐标系列的薯+ 吾+ 吾= l 的椭球体方程，就变换成 ：+ 矿z 十2 ：1 的球体方程了。其雅可比系数k 可由下式求得柳： 河北理工大学硕士学位论文 叙l a w l 里l ：咖 a p l 鱼i 却i 当坐标需要重新换算回x z z 系统时，j 、l ，、z 三个方向上的修正系数在数值上 分别等于椭球体的半轴口、6 、c 。 如图3 所示，上下两个球体c 、d 相切，左右两个球体一、丑两个球体被球体 c 、d 分开，并且与c 、d 相切。此时分段高度为c e ，且考虑到矿方向上的变换系 数日，则分段高度值相当于口。进路间距为4 b ，且考虑到矽方向上的变换系数6 ， 则进路间距为2 3 6 。所以大间距分段高度与进路间距之比为式3 。 图3 矿石放出体优化排列图 f i g 3t h ef i g u r eo fo p t i m i z e do r ed r a w i n g 由此可看出，大间距是一种新的结构形式。其“大”字的含义在于椭球体无量 纲化的间距比分段大。不管间距尺寸和分段高的具体尺寸为多少，凡是符合上述这 种形式的即为大间距结构( 如表1 所示) 。 由表l 可知，当放出椭球体长半轴口( 分段高度) 小于2 5 m 左右时，z - l 之值 小于1 ，大间距结构参数中的进路间距要大于分段高度，理论上的大间距和实际上 大间距完全一致；当放出椭球体长半轴大于2 5 m 时，h l 之值大于1 ，理论上的 大i - 白j 距在实际的表现中，进路间距反而要小于分段高度。目前我国所采用的分段高 度离2 5 m 还很远，基本属于小型的，大间距参数的理论意义和实际形式能高度统 1 2 缸一c宅砂一却出一加缸一加钞一抛出一抛 力一、 一u如瓦 2 大间距理论分析 通过分析可以看出，与传统无底柱分段崩落法相比，大间距结构参数具有诸多 优点： 1 由于进路间距加大，采准工程量明显减少； 2 采用大间距结构参数，有利于提高采准工程的稳定性，在一定程度上，有利 于矿山地压的控制； 3 降低了矿石的损失贫化，增大了一次崩矿量，提高了出矿强度，降低了采矿 成本。 河北理工大学硕士学位论文 3 1 随机模拟模型概述 3 1 1d j o l l e y 模型 3 矿岩移动规律仿真 自从1 9 6 8 年加拿大学者d a v i dj o l e y 提出用电子计算机模拟放矿的方法，即用 九块流动模块模拟放矿以来，崩落采矿法的计算机随机模拟就诞生了。其基本思想 是：将崩落矿岩堆体用坐标网格划分成规格一致的模块( 图4 ) ，当n 层某一模块 受到扰动下移之后，形成的空位由其上n + l 层的相邻九块之一下移递补，九块中 哪一模块下移，由其自身的概率密度值及随机模拟过程中产生的随机数决定：模块 与空位的距离不等，下移概率值亦不等。 锻茹嘏 锯成 i 钎下移方块 l 图4d j o l l e y 仿真概型 f i g 4d j o l l ys i m u l a t i o nm o d e l d j o l l e y 本人给出的概型： 1ll 72 i ， g2 i p 2 1 6 4 模块之间递补概率值分配满足关系如下： ：= 1g ， = 一1r ，+ 4 ( p p q 2 + g ) = 1 2 j g 一7 + + g j = 1 - 1 4 - ( 6 ) ( 7 ) 3 矿岩移动规律仿真 放矿时各模块从漏孔一块块地放出，放下模块所留下的空位以一定常概型不 断逐层由下向上传递，直到放出岩石块中的废石比例达到截止岩石混入率，而停止 出矿。 d j o l l e y 放矿模拟法提出后，因其方法新颖，简单易行，为放矿理论研究提供了 一种崭新手段，拓广了放矿研究范围。围绕提高d j o t l e y 放矿仿真的保真度问题， 广大采矿学术界人士进行了大量的研究工作，其中比较系统的理论研究可分为两个 方面，其一为研究d j o l l e y 模型的概率赋值问题；其二为研究模块的递补模型” 3 6 1 。 前苏联学者b p m meh htob 为了使模拟模块递补概率与散体流动性质联系 t 起来，在p = 妄g 的假定条件下，依据马尔可夫随机过程理论，推导出d j o l l e y 模型 概率相似特征值q 的计算式： n - 矿石划分层数： n 废石出现前放出的矿石模块数； c ；二项式系数： zf a ，= ff1 2 ( c o s o lc o s 0 2 + c o s 0 i + c o s 0 3 3 ) d o l d 0 2 d 岛。 ”f f 式中q 值的存在与大小取决于放矿层( n 1 ) 的高度。文献啪1 对n l 取1 5 、2 0 、 2 5 、3 0 四组实验数据求算q 值，仅在n l = 1 5 的条件下求得有效根q = 0 0 5 9 6 6 ，其余 n - 值均无根存在。由此可见，式3 2 局限性较大，求得的q 值能否反映散体移动特 征值尚值得怀疑。 霍祖照等对九块模型的概率赋值问题也进行了研究。在大量的物理实验的基础 上，用回归分析的方法，建立q 值与放出量和放出高度的关系式，将物理模拟实验 得出的放出量和放出高度值代入分析式，计算出q 值。并以此q 值进行仿真，放出 体形态略有改变。 文献73 在研究了不同放出高度，采用不同q 值的方法的基础上，证实无论q 值取什么样的常数值，放出量随放出高度的增长速度，也赶不上物理模拟实验值。 因此，针对d j o l l e y 模型的概型，引入了调整系数，将离放出体中心较远的模块赋 ca 旦己击 生n 中 式 河j b 理工大学硕士学位论文 于较大的移动概率值，这种方法可使放出量与放出高度不协调的关系得以改善，但 仍未能从根本上解决上述问题。所以被迫引入放出体过渡关系和相关系数两个约束 条件。这样虽能够改善放出量与放出高度的关系，但是使随机模拟解决实际问题的 通用功能受到极大的限制。 此外，文献列对递补模块进行了较为详细的研究，其试图通过改变模块递补 模型，以达到改善模拟效果的目的，提出了七块递补模型和六角递补模型( 图 5 ) ，研究结果表明，这两种模型通过适当地调整递补概率值，对于改善放矿模拟效 果是不太明显的。这种仅靠改变递补模型的办法，对改善放矿模拟相似程度也是有 限的。 n ( 曲六角模型( 曲七块逛辛f 模型( 0 五角模型 卅1 屡 h 层 图5 其他仿真模型 f i g 5o t h e rs i m u l a t i o nm o d e l s 文献口4 1 通过对d ，j o l l e y 模型的概率场特性分析，提出九块模型与五块模型的组 合模型将放出体分成上下两部分，下部采用五块模型，以抑制放出体下部发育过 快，上部采用九块模型，解决放出体上部达孔量不足的问题。研究表明，该模型在 一定程度上改善了达孔量相似程度，组合模型模拟的放出体形态和达孔量场与物理 模拟的试验结果比较相似。 上述研究对d j o l l e y 模型虽然作出了许多改进，但仍没有很好地解决该法的保 真度问题b 7 剐。究其主要原因，是d j o l l e y 仿真数学模型模块移动概率场 方程与实际出入比较大。 1 6 移审旬 矽彬由够铲移雩 ! 蔓堂整垫塑堡堕塞 3 1 2 改进的随机介质理论新模型 任风玉从图6 所示的理想散体移动模型出发，推导出理想散体移动概率密度公 式7 踟： p ，：) ； e x p ( 一) ( 9 ) 叫昭 z 根据无边界条件物理模拟实验结果，得出散体放出时空位扩散位移方差形式如 下： 式中 盯2 = 昙肛“ 口、芦散体流动系数。 ( 1 0 ) 3 6 49 11 4 - i 一 “ 酗 v 矗 刊 11 49 1宣日g o 甚 凸 。o ， 一 “ dy 11 26 82 2 09 57 9 29 2 47 9 24 9 52 2 06 右 l z l f “) 11 04 61 2 02 l o2 5 28 1 01 2 0, t 51 0 l 182 85 67 05 f i0 88 l i i 坯mp + 1 层 1 6 1 52 01 56 1 i 谨补概率 1 6 4l | j ，ji n 层 l l 。i 121 i s 芒但 ol 伯) 图6 理想散体移动模型 f i g 6t h em o v i n gm o d e lo fi d e a ll o o s es u b s t a n c e 在理论角度而言，改革了传统的以放出椭球体偏心率占来唯一描述放出体形 态的做法。总体而言，口决定放出体的上、下结构( 相对形态) ，卢影响放出体的 粗细状态。口、相互配合，可给出各种各样的放出体形态，从而导出实际散体空 间问题移动概率密度方程，建立了不同于d j o l l e y 模型的放矿随机介质理论新模 - 1 7 妒 小 巾 巾 ；- 河北理工大学硕士学位论文 型a 改进的随机仿真模型，其电算模拟放出量与放出高度的关系，对确定的实验数 据的回归拟合，同实验值达到了良好的吻合，说明电算模拟达孔量与物理模拟相应 高度达孔量的相似程度较好。 3 1 3 仿真模型评价 3 1 3 1d j o l l e y 概型分析 d j o l l e y 模型简单易行、应用广泛，研究较多，但是该模型缺乏理论基础。 分析d j o l l e y 模型的移动概率场方程( 图4 ) 7 川： 州，j ，芷) 2 专酬“c ”) 式中： c 组合记号。 经连续化处理后，仿真移动带中任一点的移动概率为： p ( x ，y ，z ) ：上e x p ( 一型) ( 1 2 ) 不难看出，d j o l l e y 模型的移动概率型场是一个常数型概率场，d j o l l e y 模型本 身存在着固有的缺陷，如果不从根本上改变模型，不可能从实质上改善随机模拟效 果。要达到电算模拟达孔量和放出体形态与实验结果的相似，往往是靠调整模块之 间的递补概率值来解决，这种调整带有较强大随机性，也没有规律可循，特别是随 着放出高度的增加，放出量的偏差会随之增大。 由图( 7 a ) 可见，d j o l l e y 概率场确定的移动场中，放出漏斗宽度较窄，放出体 形态较细瘦，由此造成放出量随放出高度的变化关系失真。这种失真的放出量差值 与放出高度有关，由图( 7 b ) 所示，当放出体高度较小时，放出量失真并不明显， 然而随着放出高度的增加，表现为放出量的差值急剧增大，并且放出高度达到一定 值时，该差值会造成放矿仿真结果的显著失真。 因此，这类随机模拟模型的仿真，其可靠性是值得怀疑的。 1 8 3 矿岩移动规律仿真 图7d j o l l e y 概型移动场偏差 f i g 7d j o l l e ym o v i n gf i e l dw a r p e 厨 ( 6 ) 3 1 3 2 改进的随机仿真模型分析 任风玉改进的随机仿真模型，是基于理想的散体移动概率，推导出空位扩散移 动概率方程，继而以此推导出考虑放矿口、各类边界条件影响的较为系统的放矿理 论，使随机介质理论研究跃上一个新的高度。其所建立的各类边界条件的计算机模 拟放矿过程的数学模型，从理论上完善了放矿的计算机随机模拟体系。 改进的放矿随机仿真模型，其模拟放矿的保真度较好，可以代替物理模拟实 验。此外其各类放矿边界条件有机地融合与模型之中，适用范围较广，可以向实际 放矿生产的范围推广。 3 2 仿真准则与仿真概率场方程 放矿过程计算机仿真的主要目的。在于研究散体颗粒的宏观位置变化，即颗粒 移动与放出量在统计意义上的对应关系。因此用放出体形态及放出量随放出高度的 变化关系两项指标来评价仿真效果是合理的哺1 。而这两项指标从前面讨论可知，完 全由移动场确定。只有整个移动带内每一部位上防真模块的移动状态与实际散体的 移动状态在统计意义上保持一致。才能保证仿真放出体形态及其大小与实际一致。 因此，应以移动场相似作为计算机仿真的准则。 1 9 河北理工大学硕士学位论文 按照这一准则，