（采矿工程专业论文）石人沟铁矿分段崩落法放矿制度研究.pdf

摘要 摘要 石人沟铁矿是一个露天转地下矿山，该矿- 6 0 m 水平以下将主要采用无底柱分段 崩落法开采。放矿制度直接影响着矿石的回收率和贫化率，而这两个指标对矿山的 经济效益有着很大的影响因此，本文主要针对石入沟铁矿的矿体条件进行分段崩 落法放矿制度研究 在分析放矿时散体颗粒移动规律的基础上，探讨了不同放矿截止品位时矿石残 留体对矿石损失和贫化的影响。结合石人沟铁矿- 6 0 m t g 平以下的矿体条件，建立了 计算机模拟的矿块模型。通过对极限截止品位放矿、组合截止品位放矿、无贫化放 矿等不同放矿制度原理的分析，按最上分段可能实现的最低贫化率5 、极限截止贫 化率7 2 ，设计了九种放矿制度模拟方案。 利用d j o l l e y 九块随机模拟放矿模型，建立了放矿随机模拟系统，对设计的九种 放矿制度模拟方案进行了计算机模拟，并给出了计算机放矿模拟的相似判据。运行 结果表明，该系统具有友好的人机交互界面、操作简单、运行速度快等特点。 通过对模拟结果进行分析对比，得出了适合石人沟铁矿无底柱分段崩落法开采 的放矿制度：上部分段尽量采用比较低的截止品位放矿、最后一个分段采用极限截 止品位放矿的组合截止品位放矿制度。 图1 0 表1 2 参6 5 关键词：分段崩落法；放矿制度：放矿截止品位；贫化率；计算机模拟 分类号：t d 8 3 5 河北理i ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t s h i r e n g o ui r o nm i n ei sam i n et h a th a dc h a n g e du n d e r g r o u n dm i n ef r o ms t r i pm i n e ， b e l o w - 6 0 ml e v e lm a i n l yw i l lu s es u b l e v e lc a v i n gm e t h o dt oe x p l o i t a t i o n t h es y s t e mo f o r ed r a w i n ga f f e c t st h eo r er e c o v e r ya n dd i l u t i o nd i r e c t l y ，a n dt h et w oo r ed r a w i n gt a r g e t s a f f e c tt h em i n e se c o n o m i cb e n e f i tg r e a t l y t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l em a i n l ya i m sa tt h eo r e b o d yc o n d i t i o no fs h i r e n g o ui r o nm i n et oc a r r yo nt h es y s t e mo fs u b l e v e l ：、r i n gm e t h o d o r ed r a w i n g t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e dm o v i n gl a wo fo r ea n dr o c kg r a i na so n ee n do r ed r a w i n g , a n dt h e na n a l y z e do r er u d i m e n t a lb o d yo nd i f f e r e mc u t - o f fg r a d ea f f e c t i n gt ot h eo r el o s s a n dd i l u t i o n t h e nt h r o u g ha n a l y z e dt oo r ed r a w i n gt h e o r yo fe x t r e m ec u t - o f fg r a d eo fo r e d r a w i n g , c o m b i n a t i o nc u t - o f fg r a d eo fo r ed r a w i n g , a n du n d i l u t i o nc u t - o f fg r a d eo fo r e d r a w i n g ，a c c o r d i n gt ou n d e r - 6 0 mo r eb o d yc o n d i t i o no fs h i r e n g o ui r o nm i n e ，h a s e s t a b l i s h e dt h eo r eb l o c km o d e la n do nt h eb a s ed e s i g n e dn i n es i m u l a t i o ns c h e m eo fo r e d r a w i n gs y s t e m , b e t w e e nm i nc u t - o f f g r a d e5 a n de x t r e m cc u t - o f f g r a d e7 2 u s eo f t h ed j o l l e yn i n eb l o c kr a n d o ms i m u l a t i o n sm o d e l ，e s t a b l i s h e dt h eo r ed r a w i n g r a n d o ms i m u l a t o rs y s r e m ，a n dt h e na c c o r d i n gh a v ed e s i g n e dn i n es i m u l a t i o ns c h e m eo f o r e d r a w i n gs y s t e mi ns h i r e n g n ui r o nm i n et oc a r r yo nt h ec o m p u t e rr a n d o ms i m u l a t i o n s a n d p u tf o r w a r ds i m i l i t u d e c r i t e r i o no fc o m p u t e rr a n d o ms i m u l a t i o n t h r o u g hc o m p u t e r r a n d o ms i m u l a t i o n , i n d i c a t i n gt h i ss y s t e mh a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l yt h r o u g hc a r r i e so nt h ea n a l y s i sc o n t r a s tt ot h es i m u l a t e dr e s u l t , e d u c e dt h e s y s t e mo fo r ed r a w i n gt h a ts u i t e ds u b l e v e lc a v i n gm e t h o di ns h i r e n g o ui r o nm i n e ，n a m e l y c o m b i n a t i o nc u t - o f f g r a d eo f o r ed r a w i n gs y s t e mt h a tu p s i d es u b s e c t i o nu s e st h eq u i t el o w c u t - o f f g r a d eo f o r ed r a w i n g ，t h el a s ts u b s e c t i o nu s e se x t r e m ec u t - o f f g r a d eo f o r ed r a w i n g ， f i g u r e io ；t a b l e l 2 ；r e f e r e n c e6 5 k e y w o r d s ：s u b l e v e lc a v i n gm e t h o d ，s y s t e mo fo r ed r a w i n g ，c u t - o f fg r a d ef o r o r ed r a w i n g ，d i l u t i o nr a t e , c o m p u t e rs i m u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 8 3 5 1 1 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： 日期：2 翌年年月k 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、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) 虢卜名避吼职脚 引 言 引言 无底柱分段崩落法是五十年代以来随着新的采矿工艺和设备的出现而逐步发展 起来的一种高效率、高度机械化、结构简单、生产安全、成本较低廉的采矿方法。 该法自2 0 世纪6 0 年代中期在我国开始使用以来，在金属矿山获得迅速推广，特别 是在铁矿山更为广泛，目前已占地下铁矿山矿石总产量的8 5 左右 尽管无底柱分段崩落法在冶金矿山得到了广泛的应用，但仍然存在矿石损失贫 化大的问题。矿石损失大的主要原因是由于回采巷道破坏造成的，为解决这个问 题，原冶金部矿山司组织采矿技术攻关，在攻关中针对矿岩软破地压活动大的条 件，从控制采场地压活动和加强支护方砸搞出一套行之有效的办法，基本上解决了 回采巷道的破坏问题。 矿石贫化大的问题迄今尚未有效解决，大部分矿山矿石贫化率为2 0 2 5 之 上，构成无底柱分段崩落法的一个主要缺点。矿石贫化大的主要原因是现行的极限 截止品位放矿制度造成的。其特征是用最低的截止品位控制放矿。这个最低的截止 品位是以步距为单元按最大盈利原则确定的，这样求得的截止品位很低，在放矿过 程中只有放出大量岩石之后才可能使当次放出矿石品位到如此低的截止品位。这样 使得每一步距都产生贫化，贫化次数多，不可避免的造成贫化大所以，只有改革 现行的放矿制度，重新确定截止品位，才能降低矿石贫化率，克服无底柱分段崩落 ，法贫化大的缺点。 研究放矿制度，就要首先研究崩落矿岩的移动规律，研究崩落矿岩移动规律最 主要的方法是实验室试验法( 物理模拟模型实验法) 和计算机模拟试验法。实验室 试验法虽然研究问题直接和方便，但它仍未摆脱费时、费力等缺点。而利用计算机 对放矿过程迸行模拟具有快速、方便和准确等优点，能给出令人满意的结果，从而 成为深受欢迎的研究方法。石人沟铁矿是一个露天转地下开采矿山，该矿6 0 m 水平 以下将主要采用无底柱分段崩落法开采。因此，本课题结合石人沟铁矿实际，采用 计算机模拟放矿过程中崩落矿岩的移动规律，通过对不同的放矿制度的损失贫化进 行比较，找出一种适合石人沟铁矿的放矿制度，对以后石人沟铁矿的无底柱分段崩 落法开采、降低矿石损失贫化将具有重要的意义。 河北理i ：人学硕士学位论文 l 文献综述 1 1 无底柱分段崩落法放矿理论研究发展与现状 放矿研究始于二十世纪三十年代的苏联，当时的一些科学家对崩落矿岩放出过 程进行了大量的观察和研究到了五十年代，前苏联学者h m 冯拉霍夫提出了椭球 体放矿理论。到了二十世纪六十年代，又相继出现了以流动带的曲线方程为依据所 形成的放矿漏斗理论；以松散矿岩流向漏斗口的流动面与水平面所夹的放矿角，作 为放矿分析和指标计算基础的放矿角理论；端部放矿以扁椭球体缺为依据的三轴椭 球缺理论等等。另外，前苏联的科学家还提出了菱形放矿和连续放矿，随机理论开 始应用于放矿研究。他们对振动放矿理论的研究和应用为全面实现井下采矿连续出 矿机械化和自动化创造了有利条件i i j 。 到了二十世纪七十年代，国内外学者开始探讨利用教体力学理论研究崩落矿岩 流动规律，对放出体形成原理和散体流动带内的应力状态进行了研究，并日益受到 人们的重视。计算机技术的发展与应用，使放矿的研究进入了一个新的阶段，以随 机理论为依据来研究松散矿岩流动规律t e l ，利用计算机进行随机模拟【3 】和数值模拟放 矿的研究【4 】，把放矿的研究与基础科学和现代科学技术紧密结合起来。为了更有效 地控制生产放矿和及时掌握矿石品位的变化，加快品位的分析，快速品位分析仪也 得到了迅速发展。此时振动出矿技术开始在我国应用和推广。 到了二十世纪八十年代，放矿管理和放矿质量监控方法开始受到重视并进行了 研究离散元法开始应用于放矿研究1 5 l 。放矿椭球体理论1 6 】进一步完善并得到广泛推 广应用，计算机随机模拟1 7 1 与数值模拟隅j ，特别是前者得到了更大的发展。 到了二十世纪九十年代，计算机随机模拟放矿研究得到长足的发展1 9 1 。在寻求 放矿的最佳控制方法与预报放矿指标上取得了实际的效果。然而，对于揭示放矿本 质的放矿动力学过程的研究仍处于起步阶段，还存在许许多多的难题有待人们去探 索和解决。 在崩落矿岩流动特性【1 0 l 、放出体i l l l 、松动体、矿石残留体、端部出矿规律、复 杂边界条件下放矿、非理想介质放矿等崩落矿岩的流动特性与移动规律研究方面， 国外学者前苏联的米纳耶夫、h m 马拉霍夫、b b 库里柯夫，k v a p i lr ，j u s tg 、 d ，我国学者刘兴国、苏宏志、王昌汉、熊国华、李荣福、王泳嘉、董振民、任凤 玉、黄德玺、魏善力等人做了大量研究工作，并建立了描述散体运动现象的各种方 2 i 文献综述 程1 1 2 1 ，形成了椭球体放矿理论。1 9 3 8 年，前苏联的米纳耶夫在实验研究的基础上首 次提出了放出体为一旋转椭球体的概念，引起人们的广泛关注。1 9 5 2 年，前苏联学 者h m 马拉霍夫在其专著崩落矿块的放矿一书中证实了放出体是旋转椭球体的 结论1 9 6 5 年，b b 库里柯夫在其所著的金属矿床的联合开采与二次开采 一书 中，发展了单孔放矿理论，提出放出漏斗方程以及放出体表面颗粒在放出体移动过 程中保持相对高度不变的观点。之后他对单孔放矿理论进行了深入研究，并在1 9 8 0 年出版了放矿专著放矿，书中对单孔放矿理论做了大量的阐述国内东北工学 院、马鞍山矿山研究院、北京钢铁学院和中南矿冶学院等单位在椭球体理论研究方 面做出了突出贡献。东北大学刘兴国教授通过大量研究认为放出体与等速体不能同 时为椭球体，且等速体不存在过渡关系。他认为放出体的过渡关系是成立的，即放 矿过程中散体颗粒点从较大放出体表面完整地过渡到较小的放出体表面，颗粒群呈 椭球体形状向出矿口移动。他将放出椭球体的偏心率取为定值，由此得出颗粒移动 迹线为一直线。西安冶金建筑学院李荣福教授提出放出椭球体偏心率随放出高度是 变化的，并考虑了漏孔直径的影响，对完善椭球体理论具有重要作用。魏善力、苏 宏志用统计数学方法整理实验数据，提出期望放出体的概念是确定放出体形状方面 的进步。在接近放出口部位颗粒移动迹线的形状，用直线描述比用抛物线描述与实 验现象相差更远。因此，人们为提高椭球体理论的计算精度，对放出体的偏心率随 放出高度的变化关系进行了大量的实验研究，提出了多种改进方法东北大学任风 玉教授认为，放出过程散体的运动场是管形场，提出散体连续流动条件的检验方 程，限定了放出体偏心率的变化形式，并把放矿研究从平面问题推向空间问题，颗 粒移动逊线介于直线与抛物线之触。椭球体放矿理论从开始到现在一直占据着主导 地位，尽管由于不同学者的侧重点不同，给出的方程式不尽相同，但所采用的研究 方法均基于物理模拟实验得出放出体形态，对放出体从小到大形成过程进行反分 析，再经过适当的简化，给出描述散体运动现象的理论方程。对于无限边界条件和 半无限边界条件，椭球体理论建立了完整的理论体系1 1 3 】。但它对于倾斜壁边界条件 下散体的移动规律问题难以处理。另外，该理论的放出体形态不灵活( 恒为椭球体或 椭球缺) ，实际中因散体流动性质与放出条件的差异，放出体形态呈现多样性。尽管 如此，由于其简单实用，该理论体系对指导放矿研究与生产发挥了很大的作用。 波兰j e r z yl i t w i l f i s z y n 、前苏联b b 库里柯夫、我国的王泳嘉、任风玉等人，将 概率论方法用于分析散体的运动过程，建立了散体运动的随机介质放矿理论【1 4 1 。散 体运动的随机介质理论最早由波兰j e r z yl i t w i n i s z y n 教授于1 9 5 6 年提出，他应用概 - 3 河北理i 大学硕十学位论文 率论方法给出了散体运动的微分方程0 5 1 ；1 9 6 2 年，我国东北工学院王泳嘉教授给出 了放矿平面问题的理论方程，1 9 7 2 年，前苏联b b 库里柯夫又将平面问题扩展为空 间问题。在上述随机介质理论中，放出体形状为下粗上细与实际不相符合随后东 北大学任凤玉教授将随机介质方法与散体流动的实际物理过程相结合，对各种边界 条件的散体运动过程建立了系统的理论方程，引入两个反映散体流动特性的参数， 使放出体形态与实际相符，完善和发展了该理论体系【l 酊，使该理论在实际应用方面 向前跨进了一大步 在无底柱分段崩落法放矿研究过程中，国内外的许多专家学者做了大量的工 作，取得了可喜的成果。古德生、李觉新、吴爱祥等人在振动出矿技术研究方面 1 1 7 1 ；d a v i dj o l l e y 、熊国华、王泳嘉、李晓枫、刘兴国、任风玉、董振民、王昌汉等 人以及马鞍山矿t h t i # 究院地采室等单位在放矿计算机模拟研究方面【l8 】；前苏联的 x a 巴尔哈夫、我国的王昌汉、吴爱祥等人在放矿松散介质力学研究方面【嘲：刘兴 国、张国联、张志贵等人在无贫化或低贫化放矿研究方面l 撇1 i ；穆清海在出矿控制 点与矿岩块度关系的上面，取得了很大进展1 2 2 1 。综上所述，在崩落矿岩移动规律研 究方面，形成了指导采场结构参数优化和放矿工艺方法的放矿理论。但该理论一方 面，没有把回采系统作为一个有机整体进行系统研究，另一方面，既没有考虑放矿 对象一崩落体的实际形态问题，又没有深入考虑回采系统及其进化对放矿的整体要 求，研究工作处于对问题的局部优化，基本上以崩落矿岩流动的几何形态变化和放 矿运动学为特征的规律研究为主，采场结构参数的优化考虑放出椭球体空间几何关 系较多，缺乏对崩落体及其回采系统的内在联系与相互影响研究，理论与实际存在 一定差距，损失贫化问题仍不够理想。 1 2 无底柱分段崩落法放矿制度研究现状 尽管无底柱分段崩落法在冶金矿山得到了广泛的应用，但仍然存在矿石损失贫 化大的问题。矿石损失大的主要原因是由于回采巷道破坏造成的，为解决这个问 题，原冶金部矿山司组织采矿技术攻关，在攻关中针对矿岩软破地压活动大的条 件，从控制采场地压活动和加强支护方面搞出一套行之有效的办法，基本上解决了 回采巷道的破坏问题。以小官庄为例，解决了巷道破坏之后，矿石回采率从5 0 k 右提高到8 0 以上，生产正常，生产能力也大有提高田j 矿石贫化大的问题迄今尚未有效解决，大部分矿山矿石贫化率为2 0 2 5 之 上，构成无底柱分段崩落法的一个主要缺点。矿石贫化大的主要原因是现行的极限 4 l 文献综述 截止品位放矿造成的。其特征是用最低的截止品位控制放矿这个最低的截止品位 是以步距为单元按最大盈利原则确定的，这样求得的截止品位很低，在放矿过程中 只有放出大量岩石之后才可能使当次放出矿石品位到如此低的截止品位这样使得 每一步距都产生贫化，贫化次数多，不可避免的造成贫化大所以，只有改革现行 的放矿制度，重新确定截止品位，才能降低矿石贫化率，克服无底柱分段崩落法贫 化大的缺点 陈卫星打破了各放矿步距相互独立的传统观点，把整个矿体作为一个放矿单 元，通过电算比较，否定了以单个放矿步距盈利最大即达到矿体总盈利最大的传统 观点，提出从上到下分段贫化率递增的组合截止品位放矿制度，能大大降低矿块总 的贫化率，大大提高矿山总盈利，这一发现无疑是对单一截止品位放矿制度的挑 战，为矿山降低贫化，提高经济效益开辟了美好前景 2 4 1 。这一实质性的发现，在后 来的研究工作中得到了证实。刘兴国、张志贵所做物理模拟实验结果表明，采用无 贫化放矿方式，即上面各分段采用零贫化，最后分段采用极限截止品位出矿的组合 截止品位放矿制度，可使矿石贫化率由1 5 2 5 下降到4 6 l 。该种放出方 式的特点是。当矿岩界面正常到达漏口水平，即放出矿石开始贫化( 岩石混入) 时便 停止放矿。每个放矿口和每个分段都这样进行放矿，在阶段的最后一个分段放矿 时，仍采用极限截止品位放矿由于无底柱分段崩落法崩落矿岩移动空间具有连续 特点，其残留矿石也具有“前面留后面收”和“上面丢下面捡”的特点，所以随着4 回采工作的向后或向下推进，逐步以接近纯矿石形式回收残留在采场中的矿石，避 免了放矿时产生大量的岩石混入，从而达到在矿石充分回收的情况下，大幅度降低 放矿过程中的矿石贫化。 实验结果表明，生产矿山由截止品位放矿改为低贫化放矿后，分段回采率有一 个过渡变化过程1 2 “。头两个用低贫化放矿的分段矿石回采率，要比用极限截止品位 放矿分别低2 0 和1 0 个百分点左右，其原因是低贫化放矿增大了矿石残留体所致。 这部分少放出的矿石，是作为形成低贫化放矿正常回收所需矿石残留的一部分而暂 留于采场中。由于无底柱分段崩落法的回采进路是交错布置的，因而至少需要两个 分段低贫化放矿后，才能在整个采场范围内形成正常回收所需要的各种矿石残留 体。到第三个分段低贫化放矿，分段的矿石回采率就可接近甚至超过原极限截止品 位放矿的分段矿石回收指标进入正常放矿后，低贫化放矿的分段矿石回采率将保 持在原极限截止品位放矿同一水平上。该项试验研究表明，这种放矿方式最适合于 矿体下盘倾角为7 5 。8 护以上，或者厚大矿体中间矿块。但该项研究成果未回答当 5 河北理工人学硕士学位论文 矿体的倾角变缓以后( 缓倾斜矿体) ，且分段数目较少( 少于3 个分段) 时，采用低贫化 放矿制度可能出现的问题。 当矿体的倾角变缓以后，特别是对于缓倾斜矿体采用低贫化放矿方式，北京科 技大学的桑茂桢、宋海燕进行了大量的研究工作 桑茂桢结合小官庄铁矿诬区矿体的缓倾斜难采的特点，展开了缓倾斜矿体无底 柱分段崩落法的变化放矿截止品位研究1 2 7 1 他首先利用物理模拟放矿和电算随机模 拟放矿对变化放矿截止品位的理论基础进行了论证，即上下分段的放矿步距的贫损 不是相互独立的，上分段的步距不按极限截止品位放矿，不仅不降低矿体的总回收 率，而且大大降低总贫化率。研究结果表明，对于缓倾斜矿体，除下盘最后分条 按极限截止品位放矿外，其余各步距取较小的截止贫化率截止放矿能使矿块总盈利 达到最大。但该项研究成果存在以下方面研究不足： 1 ) 构成组合截止品位数过多，生产中难以实现； 2 ) 由现行极限截止品位放矿改为优选的组合截止品位放矿时，如何解决过渡期 矿石产量和年经济效益下降的问题未予研究； 3 ) 采用组合截止品位放矿方案后，各进路( 或步距) 因处于不同的放矿层位，其 出矿品位和出矿量不同，由此而产生出矿量和出矿品位的波动等生产均衡性问题未 给予考虑； 4 ) 在各个组合截止品位放矿方案的优选中，只分别考虑了贫损指标及吨工业矿 石盈利，对方案优选的其它影响因素没有考虑，更没有进行综合评价。 宋海燕根据小官庄铁矿西矿体的赋存特点，建立了三种不同赋存条件的矿体模 型，对三种不同类型的矿体用各个组合截止品位放矿方案进行了电算模拟研究，预 测这些不同方案的贫损指标和盈利1 2 s 。宋海燕的研究成果，使组合截止品位放矿方 案在生产应用上前进了一步。表现在： 1 ) 研究结果表明，即使在缓倾斜的条件下，无论它的倾角厚度如何，均以上分 层采用统一放矿控制可能实现最低当次贫化的低贫化率和最下一分层采用极限截止 品位的高贫化率的放矿方案是最佳的组合方案。从而极大地减少了截止品位数； 2 ) 在此基础上，文献结合西区- 7 0 m - 2 9 0 m 三个分层矿块的具体情况，研究了 在西区从7 0 m 分层开始实行。一步到位”、。二步到位”、。三步到位”的三种过 渡方案的利弊，为矿山选用何种过渡方案提供了决策依据。 3 ) 在评价指标中引进了金属回收率和资金现值。 - 6 - 1 文献综述 马从安在桑茂桢、宋海燕研究的基础上通过对小官庄铁矿四类矿体组合放矿方 案的随机放矿模拟计算及回归分析，得出如下结论： 矿体类型( 倾角、厚度) 不同，其回采率和贫化率不同，无论采用何种放矿制 度，矿体愈陡，厚度愈大者总是回采率愈高，贫化率愈低。因而必须分别进行贫化 和损失预计和评价；在不违反回采顺序的前提下，注意厚薄兼采，尽可能实现产量 质量和效益等均衡。 无论何种类型的矿体，随着上部分层截止贫化率降低，其回采率和贫化率都 降低，但贫化率降低的速度大于( 或远大于) 回采率。考虑到每一百分点贫化率的含 岩量总是高于一个百分点回采率的含矿量，因而在通常的精矿价格水平和采选成本 水平下，采用低贫化率组合截止品位总是有利于效益提高 从现行单一的极限贫化截止放矿制度改为上部分层为低贫化的组合截止品位 放矿制度，各种类型矿体回采率降低值相差不大，但贫化率的降低却很悬殊。厚而 陡，可采分层数愈多的矿体降低贫化的作用愈显著。 对各类矿体各种放矿制度，分层回采率和贫化率均存在差异，即分层矿石 ( 金属) 产出量和出矿品位均不同，即都存在层间产出量和质量的波动。 用分层回采率和贫化率对回采率和贫化率的偏离大小来衡量层问产出量和质 量的波动。显然，现行单一极限贫化放矿制度的层问产、质量的波动最小；上部分 层截止品位愈高，波动度愈大；矿体厚度愈大，波动度愈小，因而越易减轻层间产 质量的波动性所带来的不良影响，更宜采用更低贫化的组合。 最优放矿制度的选择还和各类矿体储量所占全矿储量的比例有关。厚矿体所 占比例愈大，愈利于采用更低贫化的组合 各种类型矿体都表现了同一规律：当上部分层截止贫化率愈低，分层回采率 愈低时，最下分层的回采率愈高，贫化率愈低，效益愈好：反之则结论相反。这种 “上丢下拣”的滞后回收时问随矿体愈厚愈长。 1 3 计算机随机模拟放矿研究现状 目前，为了获取矿岩流动规律，最直接的方法是现场试验法和物理模型试验 法。其中物理模拟方法是最基本、最常用的方法。根据物理模拟实验和现场试验得 出的放矿规律，而导出的放矿数学模型，用计算方法求得放矿问题的有关参数，这 种方法叫做放矿数学模拟试验法。放矿数学模拟法又分为三类：数学分析法、计算 河北理j ：人学硕士学位论文 机数值模拟法和计算机随机模拟法。其中计算机数值模拟法和计算机随机模拟法应 用范围最为广泛。 计算机数值模拟法是建立在期望体和期望体达孔量场基础上的模拟方法。通过 测定具体条件下的期望达孔量场和矿岩接触面上特征点的坐标值，根据插值原理求 出自某一放出孔放出一定量的放出体表面坐标，同时利用数值积分方法求出放出体 的体积和混入废石体积，求得当次贫化率、累计贫化率等指标。应用此方法，就可 以方便求出任一达孔量与矿岩移动坐标的关系，同时得出残留体形态 2 9 3 0 1 应用数值 模拟方法，可以测定任何边界条件下的达孔量场和矿岩接触面坐标，应用范围比数 学分析法更为广泛但是，也存在以下缺点：数学模拟的数学基础是插值公式和 数值积分是一种近似方法，因此存在计算误差；达孔量场矿岩的物理力学性质和 边界条件变化很大，至今还没有形成统一的表达式，给理论分析带来不变；达孔 量场的测定工作量非常大。 计算机随机模拟放矿，实质上就是在计算机上做放矿试验。通过将实际放矿系 统的崩落教体映射为计算机中的空耐网状方块，依据随机模拟系统中块体的运动， 仿真实际过程的崩落散块的运动，从而达到预测崩落法放矿中矿石损失贫化的研究 目的。放矿随机模拟具有灵活性大、适用范围广、理论性强的优点，所以得到了广 泛的应用。 1 9 6 8 年加拿大学者d a v i dj o l l e y 提出用电子计算机模拟放矿的方法，即用九块 流动模型模拟放矿【3 1 1 ，崩落采矿法计算机随机模拟就诞生了。d a v i dj o l l e y 放矿模拟 方法提出后，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 a v i dj o l l e y 放矿仿真的保真度问题，广大采矿界人士 进行了大量的研究工作，其中比较系统的理论可分为两个方面：其一是为研究 d a v i dj o l l e y 模型的概率赋值问题：其二是为研究模块的递补模型。 霍祖照等对九块的概率赋值问题进行了研究，在进行了大量的物理试验的基础 上，用回归分析的方法，建立碍值与放出量和放出高度的关系式，即概率赋值式。 从模拟结果来看，放出体依然下部偏大，上部偏小；只有随放出层高度增大而增大 q 值，模拟的放出体形态才略有改善【3 2 3 4 1 。 吴龙在研究了不同的g 值的方法基础上，证实了无论q 值取什么样的常值，放 出量随放出高度的增长速度，怎么也赶不上物理模拟值【3 5 嗣。为此，针对d a v i d j o l l c y 模型的概型，引入调整系数，将离放出体中心较远的模块赋予较大的移动概 率，这种方法可使放出量与放出高度不协调关系得到改善，但未从根本上解决上述 - 8 - l 文献综述 问题，最后以过渡关系和相关关系原理作为约束条件的空位传递过程能够准确地模 拟出矿岩运动规律，放出体形状和放出量增长关系，但由于过渡方程和相关关系原 理没有考虑到矿岩的二次松散，使随机模拟解决实际问题的功能受到了限制 在研究模块的递补模型上，李卓伟通过对d a v i dj o l l e y 模型的概率场特性分析指 出，常数型概率场不能较好的反映散体流动特征，散体流动实际上表现为一种变数 型概率场。于是将变数型概率场简化为一种组合模型，即九块模型与五块模型的组 合模型 3 7 1 放出体分成上下两个部分，下部采用五块模型，以抑制放出体下部过 快。上部采用九块模型，可以解决放出体上部达孔量不足的问题，模拟结果表明： 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 李晓枫、赵庆和等在吸收九块流动模型的基础上，指出放矿系统中投入运动的 散块是逐渐发展的“运动椭球体”，随着放出量增加，自由空问扰动范围扩大，逐 渐滋长、抗衡，开始是扩大趋向为主，逐次变成缩小为主，最后终止运动，形成一 闭合的椭球体，并提出了空位扩散模型( m m v d ) 3 s 4 0 i 。然而，由于空位扩散模型是 建立在统计理论基础上，在实际应用中，模拟系统结果和实际系统的结果存在较大 差异 钟书玉等在分析前人建立的m m v d 模型的基础上，建立了任意边界条件下的 空位扩散模型1 4 l 】，研究表明：模拟放矿的达孔量场与物理模型试验结果是一致的， 但放出体形态的相似性却没有进行研究。 杨鹏提出了用改进后的空位扩散模型与柱状放出体模型相结合的模型，来模拟 矿块崩落法放矿过程。即放矿的第一阶段是在待崩落的矿体下放矿，基本上属于空 场状态下放矿的纯矿石回收阶段，此时采用柱状放出体模型。第二阶段是整个崩落 层高度的矿石全部崩落后，在崩落围岩下放矿，此时采用改进的空位扩散模型，模 拟在覆盖岩下放矿过程中，崩落矿岩的移动过程和混杂情况，从而可以从宏观上和 微观上控制放矿过程 4 2 1 ，使改进的空位扩散模型在实际生产中得到了进一步的应 用。但对于放出体形态的研究问题上，仍然没有解决。 任凤玉、刘兴国、王泳嘉等从理想散体移动模型出发，研究散体的移动规律， 提出了统一的无边界条件下的散体移动概率密度方程，并由该方程推导建立了反映 放矿现象的移动速度场，颗粒移动迹线，放出漏斗方程，以及放出体与颗粒移动方 程，形成了新的放矿随机介质理论 4 3 4 9 1 。从研究结果可知，该理论体系所描述的放 出体形态与物理模型试验的结果很吻合，适用范围广。但从参数a 、夕的求解来 看，对于放出一定量矿岩散体，便可确定一组a 、，参数值，并且将其视为求解的 9 河北理工人学硕士学位论文 参数而确定下来，并不随放出量的变化而变化。从概率移动方程也可看出，对于给 定的矿岩条件，概率密度函数仍是一个常数型概型，与d a v i dj o l l e y 模型相比，具有 较大的继承性。另一方面，从物理模型试验结果来看，放出体形态是随放出层高度 的变化而变化，不是不变的琊n 。吕爱钟利用参数辨识方法虽然在求解d 、夕的方 法上进行了改进1 5 2 1 ，但仍没有解决常数型概率场问题它只是对随机介质理论模型 的种完善，而随机介质理论也是在d a v i dj o l l e y 模型在实际应用中的一种特殊情 况。因此，改进的随机介质理论模型也不可避免的带有局限性 至此，计算机随机模拟放矿的理论，以d a v i dj o l l e y 的九块模型研究为核心的模 拟技术己经发展到比较成熟的时期，接下去的研究重点是如何利用现代化的计算机 技术和计算机语言将这些理论研究成果，方便灵活的应用于崩落法矿山的放矿计划 编制及放矿管理中。 需要指出的是，计算机放矿仿真系统的判别准则问题一直是计算机随机模拟放 矿研究的一个重要的内容。 吴龙、童光煦比较系统地提出了无底柱分段崩落法放矿模拟的三个判据，即物 理模拟与电算模拟达孔量曲线是否拟合、物理模拟与电算随机模拟同一高度所放出 的体积是否一致及达孔量场相似程度 3 5 3 6 1 。 任凤玉认为放矿模拟理论的逼真程度集中反映在放出体形态上，只有理论放出 体与实际放出体相符，理论揭示的移动场才是一致的。因此指出：放矿理论对实际 放出体形态的适应能力是衡量理论体系适用性的重要指标之一嗍。 李卓伟提出，以电算随机模拟与物理模拟的达孔量场和放出体形态的相似程 度，作为判断电算模拟与物理模拟相似的判据 3 7 1 。 杨鹏在详细分析了上述人员的研究工作后，提出了以达孔量场相似程度、模型 本身的理论体系是否健全和完善等盘条准则 4 2 1 。 由此可见，计算机放矿仿真系统的判别准则还是围绕着以物理模拟试验结果和 放矿模型本身的理论体系是否准确来进行。 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 通过对前入研究的不同截止品位放矿时矿岩移动规律分析。以深刻理解和 认识废石混入和贫化产生的原因、采用不同放矿截止品位时的优缺点以及矿石残留 体对于回贫指标、后续放矿的重要影响作用、转段回收和步距间放矿的非独立性、 上下分段贫损相关等等。 1 0 l 文献综述 ( 2 ) 根据石人沟铁矿的矿体赋存条件，选择具有代表性的矿体建立矿块模型， 通过对不同放矿制度的原理进行分析。设计放矿制度模拟方案。 ( 3 ) 选择d j o l l e y 九块放矿模型，应用计算机随机模拟原理，设计无底柱分段 崩落法放矿计算机流程图，对所设计的放矿制度模拟方案进行计算机模拟。 ( 4 对设计的各方案模拟结果进行分析对比，从而得出最优的放矿制度方案。 河北理l = 人学硕七学位论文 2 不同截止品位放矿时矿岩移动规律 覆盖岩层下放矿，崩落矿岩移动规律主要包括放出体( 放出矿石在矿石堆体中占 有的空间形体) 、矿石残留体( 矿石残留的空间位置、形体和数量) 、崩落矿岩在放出 过程中的移动与混杂过程。 2 1 端部放矿时矿岩散体颗粒的移动 无底柱分段崩落法中，崩落矿石是从回采进路端部放出，称为端部放矿，它属 于半无限( 端壁) 边壁条件放矿，其壁面与散体颗粒固有的移动迹线重合端部放矿 的特点主要通过矿岩在放矿口、矿岩接触面、独立回采单元、放出口矿石流动机 会、出矿点观察条件、放出体发育条件、重力流形状、矿石损失发生部位等方面的 表现反映出来，有以下特征： ( 1 ) 放矿口为矩形，其长度即为回采进路宽度，宽度为崩落矿岩流动带的宽 度，实验测得其值约为1 m 1 5 m 。 ( 2 ) 崩落矿石的上部是松散覆岩，其正面和一侧或者两侧也被松散的覆岩包围。 ( 3 ) 考虑到采用的放矿截止方式的不同，回采单元亦不同。采用极限截止品位放 矿时，是以单个步距作为一个回采单元，而采用组合截止品位放矿方式时，是以整 个矿块作为一个回采单元。 ( 4 ) 爆堆各部分矿石由于受到诸如铲运机铲斗宽度、司机的操作习惯、巷道宽 度、眉线整齐程度等众多因素影响，被装走的机会常常差别很大。 ( 5 ) 如果矿石和岩石易于区别，往往采用目测法依据实际经验凭观察就可以判别 是否应该截止放矿。 ( 6 ) 由于放出体的发育受到放矿口一侧未崩落的端部矿壁的限制，放出体是一个 三轴不等的椭球缺，其流轴与硬壁有一定的夹角，当炮孔边孔角大于放矿静止角 时，放出体还要受到孔外两侧未崩落矿体的限制。 ( 7 ) 矿石在巷道端部自然堆积，铲走下面矿石后，上部矿石就往下流动。重力流 断面近似矩形，其厚度和宽度相差较大，厚度只有0 5 m 1 5 m ，而宽度可达3 m 4 m 。 ( 8 ) 端部放矿时，由于分段高度不大，底部残留的损失程度小于底部放矿，而贴 壁、脊部和正面残留体则是造成矿石损失的直接原因。当结构参数不合适或者采取 不当的放矿控制方式时，这些残留体可能会混入覆盖岩中，成为永久损失锕。 1 2 - 2 不同截j r 品何放矿时矿岩移动规律研究 在覆岩下进行回采进路端部放矿时，矿石从放矿口上部的放出体内放出矿石 放出后，放出体周围矿岩发生二次松胀，放出矿石原来占据的空间体积被二次松胀 矿岩的膨胀体积所充填，发生二次松胀运动的矿岩轮廓包容体称为松动体。显然， 松动体在放出体的外部，两者的长轴共线。放矿时，松动体以外的崩落矿岩不发生 移动。 无底柱分段崩落法的崩落矿岩属于非均匀散体，由于矿岩的构造、物理力学性 质和所用爆破参数等的不同，其大小、形态各异在端部放矿时，这些崩落矿岩散 体颗粒将随放矿口散体的放出而不断下移，其运动速度大小主要受到两个方面的影 响； 矿岩散体颗粒的移动速度与其块度大小和粒级配比有关。 因为，散体颗粒之日j 总是存在着许多空隙，这些空隙由于形成原因不同，其大 小、形状也不同。大颗粒之间可能形成大的空隙或中等程度大小的空隙，而小颗粒 之间可能形成小的空隙，大的颗粒和小的颗粒之间可能形成中等程度大小的空隙。 这样，小颗粒就可能穿过大颗粒形成的大空隙或中等程度大小的空隙，细小颗粒可 以穿越小颗粒形成的空隙。粉状物颗粒则可以穿越几乎所有颗粒间形成的空隙：，。而 均匀散体运动时散体颗粒之间只是产生接触性滚动，一般不能相互穿越；非均匀散 体颗粒具有多种运动特性，如图1 所示：在自重作用下，非均匀散体颗粒具有不同的 运动特征。 国”骚 ( 1 ) 在大颗粒问的自由下落运动 ( 2 ) 髓_ 着大颗粒一起移动 ( 3 ) 在大颗粒上或者其间 的自由滚动运动 图i 非均匀散体颗粒的几何运动状态示意图p 3 i f i g 1g e o m e l a ym o v i n gs t a t es k e t c hm a p o f n o t w e l l - p r o p o r t i o n e df a l l e no r ea n dr o c k 5 3 1 由于矿岩散体颗粒在运动场中的运动速度因其块度不同而不同，以及小颗粒移 动速度快，穿越不同散体问的界面或穿越同一散体的不同层面能力强，所以在放矿 过程中岩石颓粒的分布将发生变化。其主要特征为：距放矿口较远的地方，小块度 1 3 河北理i ：人学硕十学位论文 颗粒少，大块度颗粒多：随着离放矿口距离的接近，小块度颗粒比例增加，大块度 颗粒比例减少。在放矿口附近，产生了大量粉状岩石的堆积。不过，在统计整个放 出矿石中小块与大块所占的比例时，情况却并非所谓的“在贫化放矿阶段放出的岩 石中，大块所占比例逐渐增加而小块所占比例逐渐减少”而是随着贫化程度的不断 增加，放出矿石中大块与小块所占比例都在逐渐增加 5 4 1 。 矿岩散体颗粒的移动速度与其在运动场( 松动体) 内的相对位置有关。散体颗 粒在向出矿口移动的过程中，颗粒位置不同，其下移速度不同：距放出体流轴越 近，散体颗粒运动速度越快，下移距离越大；反之，距放出体流轴越远，散体颗粒 运动速度越慢，下移距离越小；位于放出体流轴处的颗粒运动速度最大，在松动体 轮廓线上的颗粒速度为零；并且距离出矿口越近，颗粒的移动速度越大。随着矿石 的不断放出，矿岩接触面发生弯曲，出现放出废石漏斗。废石漏斗的轴线与放出体 长轴一致，其上口边界与松动体的边界重合。当高度相当于矿层厚度的放出体放出 后，矿岩接触面形成的废石漏斗的底部到达放矿口，这时的废石漏斗称为降落废石 漏斗。此后，如果继续放矿，放出体将伸展到顶面废石中，降落废石漏斗的顶端将 伸展到放矿口以外并发生破裂，矿石与废石一齐放出，贫化开始产生。如果放出体 伸入到侧面废石中，同样产生贫化。贫化开始后，如果继续放矿，则混入的废石越 来越多，放出矿石的品位越来越低，将很快到达放矿截止品位 2 2 不同放矿截止品位时的矿石残留体 在无底柱分段崩落法中，为保证放出椭球体与崩落矿石堆积体的轮廓在垂直进 路方向断面上一致，上下分段回采进路严格( 或者尽可能地) 按交错原则成菱形布 置。放矿后在进路间形成矿石脊部残留体，由于它的存在，使得崩落矿石层高度很 大，一般接近两个分段高度，而崩矿步距一般仅2 m 3 m 。因此，出矿时几乎总是正 面废石首先到达出矿口，使紧贴端壁的一部分矿石不能放出，这部分残留矿石称为 贴壁残留体，而正面不能放出的残留矿石则称为正面残留体。这些矿石残留体的形 态和大小主要与采场结构参数、出矿铲取深度及放矿截止品位这三者有关，并对放 矿效果产生着重要影响。 在矿石回采中，通常所说“前面丢后面捡”、“上面丢下面捡”，即“转段回 收”，其目的就是将“三体”( 脊部残留体、贴壁残留体和正面残留体) 尽可能地在 后续