基于PFC2D的无底柱分段崩落法放矿数值模拟

魏建海 黄兴益 戈 超 何皇兵 舒凑先

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司；2.湖南有色股份黄沙坪矿业分公司；3.北京安科兴业科技股份有限公司)

基于PFC2D的无底柱分段崩落法放矿数值模拟

魏建海1黄兴益1戈 超2何皇兵1舒凑先3

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司；2.湖南有色股份黄沙坪矿业分公司；3.北京安科兴业科技股份有限公司)

针对某铁矿采用无底柱分段崩落法开采时采场回采率低与贫化率大的问题，考虑端壁倾角与崩矿步距2个因素，对采场放矿方案进行了PFC2D数值模拟，选择回贫差最大的数值模拟试验方案进行了采场现场放矿试验，取得了较好的效果。

PFC2D数值模拟 无底柱分段崩落法 回采率 贫化率

近年来，无底柱分段崩落法在我国金属矿山特别是在铁矿山得到了广泛应用，在回采进路巷道中进行钻眼、爆破和出矿是该方法的最基本特点。在崩落的覆盖围岩下，爆破崩落的矿石借助重力或振动力由回采进路巷道一端的近似V形槽中进入回采进路巷道，放出矿石形成的椭球体易受尚未崩落岩体端壁的影响，一旦椭球体的轴线发生偏斜，易引起矿石的贫化和损失，因而有必要严格控制放矿过程[1-2]。大量学者对无底柱分段崩落法的端部放矿进行了深入研究，成果丰硕[3-5]。随着计算机及粒子流理论的迅速发展，PFC软件被广泛用于无底柱放矿数值模拟，有助于解决复杂边界条件下的放矿问题[6-7]。为此，本研究以某铁矿为例，采用PFC2D软件对该矿采场放矿方案进行数值模拟分析。

1 工程背景

某铁矿采用无底柱分段崩落法开采，回采进路间距20 m，分段高度20 m，端壁倾角90°，以单排炮孔进行崩矿，崩矿步距1.5～1.8 m，采场回采率73.5%，贫化率26.5%。进路间距、分段高度在开拓与采准工程施工时已被确定，在生产中难以调整。端壁倾角也在很大程度上影响了放矿结果，且崩矿步距、端壁倾角可在生产中灵活调整与优化。通过优化崩矿步距及放矿端部倾角，尽可能提高采场回采率并降低贫化率。

2 采场结构参数确定

端壁倾角是指回采进路中扇形炮孔的排面与水平面的夹角，有前倾与垂直2类。前倾布置时倾角取70°～85°，由于端壁倾角在很大程度上受到崩矿步距的影响，因而端壁倾角可分别取80°、85°、90°。崩矿步距与放矿步距密切相关，最优崩矿步距是指在分段高度及回采进路间距已确定的条件下确定的最佳放矿步距，计算公式为

式中，ω为最优崩矿步距，m；K为矿石碎胀推移系数，取1.2～1.25；hd为分段高度,m；hD为回采进路高度，m；m为矿石流水平厚度，0.8～0.9 m；α为中间移动角，(°)。

3 数值模拟

3.1 模拟方案

本研究中，试验因素为端壁倾角和崩矿步距，该2个因素的水平数均为3，根据正交试验设计的原理，以端壁倾角为第一因素，在崩矿步距3.2 m固定不变的情况下，在3类组合(组合一：崩矿步距3.2 m、端壁倾角90°，组合二：崩矿步距3.2 m、端壁倾角85°，组合三：崩矿步距3.2 m、端壁倾角80°)中选择出最优组合(即回贫差最大的组合)，令最优组合的端壁倾角固定不变，进行崩矿步距另外2个水平(3.4，3.6 m)的组合试验，选择出最优组合，共进行5次不同组合的数值模拟试验。

3.2 模型构建

以端壁倾角90°、崩矿步距3.4 m的组合放矿方案为例，选取垂直于矿体走向的覆盖岩层、岩体和回采进路剖面构建计算模型(图1)。该组合放矿方案的PFC2D二维数值模拟颗粒单元如图2所示，图中上部颗粒为废石颗粒，代表废石的覆盖岩层区域；下部颗粒为矿石颗粒，代表矿体区域。

图1 方案计算模型(单位：m)

图2 PFC2D二维计算颗粒单元

3.3 计算参数

模型计算中采用20%单一瞬时截止品位的放矿模式，换算成矿石颗粒与废石颗粒个数百分比为不大于1∶4时截止放矿。放矿过程：放出一定数量的纯矿石，之后出现废石产生贫化，贫化率随着放出总颗粒数的增大而增大，在大量废石颗粒混入后，当次放出的矿石颗粒品位降至截止品位时停止放矿。

(1)颗粒粒径。为更好地模拟采矿现场放矿的矿石块度与废石块度大小，确保两者均匀性一致，生产的二维颗粒半径应为一变化值。结合该矿实际生产情况，模型计算中颗粒半径设定为0.1 m。

(2)颗粒密度。矿石颗粒、废石颗粒球体容重分别为3.6×104，2.7×104kN/m3，模型计算过程中涉及的相关参数见表1。

表1 模型计算的相关参数

3.4 模拟结果

依据设计方案，崩矿步距3.2 m、端壁倾角85°组合方案的回贫差最大，因此，端壁倾角85°为最优值；在此基础上进行端壁倾角85°与崩矿步距为3.4，3.6 m的2种组合方案的模拟分析。经PFC模

拟计算，最终选定了端壁倾角85°、崩矿步距3.4 m的组合方案。各组合方案的模拟放矿结果见表2。

表2 各组合方案的模拟放矿结果

4 现场试验

依据经数值模拟优化推荐的方案(崩矿步距3.4 m、端壁倾角85°)进行采场放矿试验。结果表明：回采率为78.5%，贫化率为21.5%，与模拟试验给出的放矿回收指标有一定的出入，原因是：①二维模型无法完全反映三维矿体空间的实际情况，对于端部废石的混入未能充分考虑，从而提高了采场回采率；②现场生产放矿试验时，矿体中存在一定厚度的夹石，对于贫化率的增加有较大影响。

5 结 语

采用无底柱分段崩落法在露岩下放矿，损失率和贫化率较高，为此，以某铁矿山为例，运用PFC软件进行多组合放矿方案优选，综合考虑矿山管理与施工的实际情况，最终选定端壁倾角85°、崩矿步距3.4 m的放矿组合方案，并针对试验结果与模拟试验结果存在一定出入的原因进行了分析，为类似矿山提供参考。

[1] 余正方.大红山铁矿二期大参数放矿试验[J].现代矿业，2014(2)：14-16.

[2] 史俊美，郑建明，赵继平.五道羊岔铁矿低贫损开采优化研究[J].现代矿业，2014(2)：137-138.

[3] 汪 亮，乔登攀.底部放矿的放出漏斗与放出体方程[J].云南冶金，2006(6)：3-7.

[4] 陶干强，杨仕教，任凤玉.随机介质放矿理论散体流动参数试验[J].岩石力学与工程学报，2009(2)：3464-3470.

[5] 杨才亮，马建军.崩落法放矿计算机随机模拟的研究[J].矿业研究与开发，2014(6)：57-59.

[6] 朱焕春.PFC及其在矿山崩落开采研究中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006(9)：1927-1931.

[7] 王培涛，杨天鸿，柳小波.无底柱分段崩落法放矿规律的PFC2D模拟仿真[J].金属矿山，2010(8)：123-127.

魏建海(1967—)，男，高级工程师，650000 云南省昆明市白塔路208号。