崩落体状态及内部矿岩移动规律研究*

高常胜 温彦良

(1.鞍钢矿业集团公司弓长岭矿；2.辽宁科技大学矿业工程学院)



崩落体状态及内部矿岩移动规律研究*

高常胜1温彦良2

(1.鞍钢矿业集团公司弓长岭矿；2.辽宁科技大学矿业工程学院)

为了解决无底柱分段崩落法采矿中损失贫化大的问题，通过数值模拟，对崩落体形成过程进行了模拟，确定了崩落体的外部形态，并通过放矿过程中对颗粒位移监测的方式进行了矿岩移动规律研究。研究结果对指导矿山生产具有很强的实际意义。

无底柱分段崩落法 崩落体 放矿 数值模拟

无底柱分段崩落法具有作业效率高、安全性好、生产强度大、成本低的优点，在我国地下铁矿山得到了广泛的推广应用[1-2]，目前已占到地下铁矿山总产量的80%左右。由于该采矿方法的爆破和生产出矿都是在松散岩层的覆盖下进行的，其损失率和贫化率大一直是该方法面临的严重问题[3]。为此，国内外专家学者针对松散矿岩的移动规律、爆破参数的优化设计以及出矿管理方面进行了大量的研究和试验，然而由于研究对象的片面性效果并不理想。张国建等[4-5]提出了崩落体的概念，研究发现了崩落体在生产系统中的决定性作用形成及内部矿岩移动规律，具有重要的实际意义。

1 崩落体

崩落体是在爆破作用下，在松散覆盖岩层中形成的矿石爆堆[4-5]，既是爆破作用形成的松散矿石体，也是放矿工作的对象。因此，崩落体处于爆破工作和生产放矿的中心环节。爆破参数的改变势必影响崩落体的外形和内部状态，不同的崩落体状态对应不同的放矿效果。爆破、放矿、再爆破、再放矿为采矿生产的一个循环工作，因此前一步距的放矿会影响下一步距的崩落体形成，如果崩落体状态不好，就会形成不好的循环状态，而好的崩落体状态会始终保持较好地生产技术指标。

由于该方法的爆破和放矿是在覆盖岩层下进行的，因此难以在生产现场准确观测崩落体形态及其内部矿岩移动规律。随着计算机技术和数值计算方法的发展，数值模拟技术已成为该研究方向的主要手段，研究中采用颗粒流程序PFC2D模拟了崩落体的状态及放矿过程中内部矿岩颗粒的移动规律。

2 模拟方法

PFC2D二维颗粒流程序是由Itasca公司开发的离散元软件，该程序可以模拟圆形颗粒介质的运动及其颗粒间的相互作用，作为研究颗粒介质特性的模拟软件，在滑坡、采矿、爆破等很多领域得到了广泛应用[6]。颗粒流方法采用显式时步中心有限差分循环运算法则， 介质被假定为离散体，颗粒之间需满足平衡方程而不需满足变形协调方程，这明显不同于连续介质力学问题。如果作用于颗粒上的合力和合力矩不等于零，则颗粒运动规律按牛顿第二定律确定。颗粒的运动不是自由的，要受到周围接触颗粒的阻力限制。颗粒流的最基本特征是：允许粒子发生有限位移，而且转动粒子间可以完全脱离；颗粒流在计算过程中能够自动辩识新的接触。

3 崩落体形态及矿岩移动规律

3.1 模型建立

为了模拟爆破作用下崩落体的外观形态以及放矿前崩落体内的应力分布特征，研究中参照实际矿山参数进行了数值模拟试验。试验参数设置如下：分段高度12 m，崩矿高度18 m，覆盖岩层厚度 24 m，出矿进路高度3 m，崩矿步距2 m，模型中矿石颗粒块度10～15 cm，共生成矿石颗粒1 140个，覆盖岩层块度20～30 cm，生成顶部和正面覆盖岩层颗粒7 300 个。模型矿岩颗粒力学参数见表1。

表1 矿岩颗粒的物理力学参数

3.2 崩落体形态

研究中崩落体形态的模拟分3个步骤进行：①进行覆盖岩层的初始应力平衡，初始应力平衡状态作为矿石爆破的边界条件；②增大矿石颗粒半径模拟矿石爆破，被爆矿石对周边覆盖岩层形成挤压作用；③通过改变崩落矿石半径的方法，将矿石颗粒半径改回初始状态，模拟爆破后的回缩作用，覆盖岩层和崩落矿石形成放矿前新的应力平衡状态。通过以上3个步骤形成崩落体，放矿前形态如图1所示。模拟结果显示，崩落体形态近似于椭球缺，崩落体宽度大于崩矿步距，宽度约为崩矿步距的1.3倍，崩落体高度大于崩矿高度，但增大幅度不明显。由此可见，爆破作用的膨胀方向是沿回采进路的水平方向，垂直膨胀并不明显。崩落体的边界不是光滑的，成明显的锯齿状，表明崩落体最外层存在矿岩混杂现象，这是爆破的膨胀和回缩作用引起的。

图1 崩落体形态及测点布置

3.3 崩落体内矿岩移动规律分析

为了研究放矿过程中崩落体的演变以及内部矿岩移动规律，在崩落体状态形成的基础上有规律地进行了出矿工作，出矿的同时对崩落体和周边覆盖岩层的矿岩移动进行了监测，监测方案如图1所示。在数值模型中均匀地设置了4个标定层，每个标志层设置监测颗粒，监测指标主要包括x向位移、y向位移，通过这些指标研究放矿过程中颗粒的运动规律。根据研究的需要，在模型中设置4层监测点，监测点在每个监测层均匀布置，共23个。其中第1层监测点号由左至右为1#～5#，第2层监测点号由左至右为6#～11#，第3层监测点号由左至右为12#～17#，第4层监测点号由左至右为18#～23#。放矿过程中1#测点、6#测点的位移与放矿时步的关系如图2所示。

放矿过程中，崩落体内部矿岩颗粒移动规律：

(1)崩落体内中部矿石颗粒的移动规律表现为：在矿石从上向下的运动过程中，初期各点矿岩颗粒水平运动不明显，垂直运动相对较为稳定，但是垂直运动的位移量随距爆破端壁距离的增大而减小，后期水平运动逐渐加大，流动性增强，这是由于逐步靠近放矿口所造成的。

(2)覆盖层与崩落体顶部接触处矿石颗粒以垂直移动为主，靠近爆破端壁的矿岩基本没有水平位移，随着与端壁距离的增大，水平移动趋于明显，崩落体与覆盖岩层的交界面向爆破端壁移动，导致崩落体的宽度逐渐变窄。

4 结 论

(1)数值模拟了崩落体的形成，经历了初始应力平衡、膨胀挤压和爆后回缩3个阶段，矿石颗粒的增大和缩小，较好地反映了崩落体的真实形成状态，崩落体的状态近似椭球体，上宽下窄，爆破膨胀主导方向为水平方向。

(2)放矿过程中，崩落体下部颗粒垂直运动速度先大后小，而水平运动速度先小后大；崩落体中部靠近爆破端壁的矿石颗粒以垂直运动为主，水平移动不明显；远离端壁的颗粒随放矿进行水平移动越来越明显；顶部颗粒移动规律与中部颗粒近似，只是水平移动显现更为滞后。

[1] 陈清运，何玉早.中小型矿山无底柱崩落法结构参数优化[J].金属矿山，2005(1)：23-25.

图2 测点监测结果

[2] 安 宏，胡杏保.无底柱分段崩落法应用现状[J].矿业快报，2005(9)：6-8.

[3] 张志贵，刘兴国，于国立.无底柱分段崩落法无贫化放矿—无贫化放矿理论及其在矿山的实践[M].沈阳：东北大学出版社，2007.

[4] 张国建，蔡美峰.崩落体形态及其影响研究[J].中国矿业，2003(12)：38-42.

[5] 张国建，翟慧超.无底柱分段崩落法放出体、松动体、崩落体三者关系研究[J].中国矿业，2010(3)：68-71.

[6] 周 健，池 永，池毓蔚，等.颗粒流方法及PFC2D程序[J].岩土力学，2000(3)：271-274.

Study of the Shape of Caving Body and Its Internal Ore-rock Moving Laws

Gao Changsheng1Wen Yanliang2

(1.Gongchangling Iron Mine,Anshan Iron and Steel Group Mining Co.,Ltd.; 2.School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning)

In order to solve the problem of high loss and dilution of ore by using the pillar-less sublevel caving method, the formation of caving body is numerical simulated, the shape of caving body is determined. The moving laws of the internal ore-rock of caving body is studied by monitoring particle displacement in the ore drawing process.The study results of the paper has strong guiding significance for the actual production of mine.

Pillar-less sublevel caving method,Ore drawing,Caving body,Numerical simulation

*国家自然科学基金项目(编号：51174110)。

2016-06-20)

高常胜(1974—)，男，工程师，111007 辽宁省辽阳市。