李海亮(中國華冶科工集團有限公司北票分公司，遼寧 北票 122104)

綜合技術(shù)

無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

李海亮(中國華冶科工集團有限公司北票分公司，遼寧 北票 122104)

首先對高分段和大間距兩種典型的無底柱分段崩落法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行對比分析，然后采用正交試驗法進行了大間距采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化試驗，得出的試驗結(jié)論對無底柱分段崩落法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化具有一定的指導意義。

無底柱分段崩落法； 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)； 正交試驗法

1 前 言

無底柱分段崩落法由瑞典的基律納鐵礦山在20世紀60年代首先使用，因為這種采礦結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單、機械化程度高、安全性好、采礦效率高等特點，在全世界采礦領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無底柱分段崩落法采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅直接影響到開采和回采的工作量，而且會直接影響礦山的投資成本和采礦效益。我國自引進這種采礦方式后，采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著采礦設(shè)備的發(fā)展而不斷增大，當前先進的電動、全液壓大型采礦設(shè)備要求這種采礦工藝的采場結(jié)構(gòu)向大型化和精準化方向發(fā)展，所以如何進行針對性的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，對我國的采礦領(lǐng)域發(fā)展具有重要的指導意義。

2 高分段與大間距采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，實質(zhì)是基于放出橢球體理論的放出體空間排列優(yōu)化問題[1]，盡量使放出橢球體相切，放出體密度最大，這就逐步發(fā)展優(yōu)化出2種采場結(jié)構(gòu)：高分段結(jié)構(gòu)形式和大間距結(jié)構(gòu)形式，這2種采場結(jié)構(gòu)的形式理論上是等價的，下面對兩種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行對比分析。高分段與大間距排列是以放出橢球體的空間排列形式進行定義，高分段采場結(jié)構(gòu)如圖1所示,分段高與進路間距關(guān)系為:

(1)

式中:H——分段高度，m；

L——進路間距，m;

a——放出橢球體長軸，m；

b——放出橢球體短軸，m。

圖1 高分段放出橢球體排列形式示意圖

大間距采場結(jié)構(gòu)形式如圖2所示,分段高與進路間距關(guān)系為:

(2)

圖2 大間距放出橢球體排列形式示意圖

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化就是在高分段或大間距條件下尋找最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，我國在引進無底柱分段崩落法之初，參數(shù)是10m×10m，隨著開采設(shè)備的大型化和自動化程度逐漸提高，加上多年的開采實踐，結(jié)構(gòu)參數(shù)有明顯增大的趨勢，典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)指標如表1所示。

表1 典型結(jié)構(gòu)參數(shù)指標

從表1可知，貧化與回收兩項指標的方差比較大，也就是兩頭好、中間差,這就印證了上述兩種優(yōu)化過的結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

高分段和大間距2種排列形式在理論效益上沒有大的區(qū)別，但結(jié)合我國開采領(lǐng)域的實際情況，大間距排列具有如下優(yōu)點：一是爆破效率高、鑿巖深度小、貧化損失少。采用大間距排列時，進路間距增加1m，鑿巖深度只增加0.5m，而高分段排列的鑿巖深度為1m。以15m的進路間距為例，假定放礦橢球體偏心率為0.92，分段高度為11.1m，則高分段形式的分段高度為19.2m，進路間距為8.66m。二是大間距形式相比高分段形式的下盤三角礦體損失較小，當?shù)V體的傾斜角度較小時，相對的礦體損失更小。三是大間距排列形式增大了開采進路的分布間距，相應(yīng)減少了對礦體周圍的巖體破壞和應(yīng)力集中，降低了巖體的地壓狀況，保證了生產(chǎn)的安全程度。四是大間距排列的進路間距改變更加靈活。采用大間距排列時只需要在打進路巷道時開鑿巷道就可以。綜上可知,在目前情況下采用大間距排列形式更符合現(xiàn)階段我國采礦行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平[2]。

3 正交試驗法進行大間距采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

正交試驗法是以排列整齊的正交試驗水平表為基礎(chǔ)，通過較少的試驗次數(shù)來進行整體設(shè)計和對比分析，找到較好的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法[3]。這種試驗方法比較科學并且具有代表性，試驗結(jié)果具有實際意義，能夠獲得較多的信息量。以下以正交試驗法為例，探討大間距采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問題。

無底柱分段崩落法采礦工藝影響回采效果的因素有很多，如分段高度、進路間距、進路規(guī)格(a×b)、崩礦步距(L)、邊孔角(α)、出礦順序、大塊率以及炮孔排面傾角、孔底距等，其中，最主要的影響因素是分段高度、進路間距和崩礦步距。結(jié)合目前采礦裝備水平和采礦工藝實際，擬定的正交試驗因素水平表如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表

3.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

本次研究主要采取實驗室模擬試驗的方式進行，根據(jù)試驗參數(shù)共組合出9個放礦方案，所以應(yīng)制作9個相應(yīng)的試驗?zāi)Ｐ?。模型的比例尺?∶100，每個模型分段有5～6條回采進路，每條進路選取4 個步距，共兩個分段。采礦方法的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為14m×16m×5m，進路尺寸為3m×3m。進行礦石塊度設(shè)定后，將礦石顏色和巖石顏色進行區(qū)分，以便于觀察放礦的分界線動態(tài)變化情況。

3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗的因素水平，選用L9(34)正交表安排本次模擬放礦理論試驗。9 個放礦方案中，每個方案只進行1 個分段和1 個步距放礦試驗，但安排多個進路同時出礦。放礦均采用低貧化出礦，礦石和巖石的比例臨界點設(shè)置為2∶1 ，達到臨界點時停止出礦。三因素三水平正交試驗表及其模擬放礦指標見表3。

表3 三因素三水平正交試驗表及其模擬放礦指標

3.3 結(jié)果分析

正交試驗法過程中，可以用極差R來衡量各個因素對效果的影響程度。某個因素的極差R越大表明該因素對效果的影響也大，反之則小。通過極差分析可以得到如下結(jié)果[4]。一是分段高度對礦石回收率的影響最大，其次是進路間距，最次是放礦步距。二是礦石回收率的變化趨勢均是隨著3個因素的高度增大而呈先變大后減小的趨勢發(fā)展。這就說明礦石回收率存在1個峰值，所以在上述的試驗條件下，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)定為：進路間距為16m，分段高度為14m，放礦步距為4m。三是3大影響因素中任意確定2項因素后，另一因素對礦石回收率的影響均呈先大再小的二次曲線變化關(guān)系。四是3個參數(shù)都存在1個使礦石回收率達到最大的水平因子。

4 結(jié)語

針對我國采礦行業(yè)設(shè)備和工藝變化的實際情況，對兩種典型的無底柱分段崩落法的排列形式(高分段和大間距)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行比較，由對比分析可知，大間距的排列形式更加適合于我國當前的設(shè)備和工藝水平，在此基礎(chǔ)上，采用正交試驗法對大間距排列形式的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進行了重點研究，通過對試驗結(jié)果的分析得出了一般性的結(jié)論，對無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化研究具有一定的參考價值。

[1] 張志貴，劉興國，于國立.無底柱分段崩落法無貧化放礦—無貧化放礦理論及其在礦山的實踐[M].沈陽:東北大學出版社，2007.

[2] 張國聯(lián)，邱景平，宋守志.無底柱分段崩落法最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法[J].中國礦業(yè)，2003，(12):49-51.

[3] 董振民，范慶霞，金 闖.大間距集中化無底柱采礦新工藝研究[J].金屬礦山，2004,(3):1-4.

[4] 喬登攀，汪 亮，張宗生.無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法研究[J].采礦技術(shù)，2006，(3):233-236.

Stope structure parameters optimization of non-pillar sublevel caving method

First, the stope structure parameters of two typical non-pillar sublevel caving methods, one with high sublevel and one with large space, were compared and analyzed. Then, the orthogonal test of large space structure parameters were carried on. The conclusion has guiding significance for the structure parameters optimization of non-pillar sublevel caving method.

non-pillar sublevel caving method; stope structure parameter; orthogonal test

TD853.36+2

A

李海亮(1984-)，男，河北內(nèi)丘人，總工程師/采礦工程師，從事采礦工程技術(shù)管理工作。