放矿中黄土覆盖层运动规律的模型试验.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l a V 0 1 ．5 6 。N o ．3 A u g u s t 20 0 4 放矿中黄土覆盖层运动规律的模型试验 马建军1 ，周志华1 ，尹小鹏2 ，江兵2 ，柯清华2 1 ．武汉科技大学，武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．武钢大冶铁矿，湖北黄石4 3 5 0 0 6 摘要采用模型试验方法，模拟大冶铁矿铁门坎东采区无底柱分段崩落法回采的出矿过程，通过定量和直观对比分析不同 的方案，分析矿石块度、湿度对黄土混入、矿石放出的影响。结果表明，爆破块度对矿石回收率和黄土层的下降速率有很大影响， 湿度大不利于出矿和出土。应集中出土，并加强下水平脊部矿石回收。爆破崩落矿石的块度应适中。矿区开采应安排在旱季，为 避免黄土形成泥石流涌人巷道，雨季来临应停止生产，并崩矿封堵出矿口。 关键词采矿工程；放矿；模型试验；崩落法；黄土 中图分类号T D 2 6 5 ．3 3 ；T D 8 5 3 ．3 6 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 9 8 二0 5 大冶铁矿铁门坎东区矿体上部多年前已用露采 方式开采完毕，下部现转入地下开采，采矿方法为无 底柱分段崩落法。东区矿体的上面作为露天坑底经 长年泥水沉积，已有近2 0 m 厚黄土层，黄土层上又 陆续堆积着东露天排出的废石。崩落法是在覆盖岩 层下崩矿、出矿，因此出矿时，矿体上部黄土必然随 崩落矿石一同下移，并混入其中。这一方面造成矿 石贫化，其黏性给出矿工作造成困难，同时，在雨季 严重时可能形成泥石流[ 1 】，成为安全生产的一大隐 患。为了解决这个问题，曾提出用矿石护顶层将黄 土和崩落矿石隔开，使黄土不能直接进入巷道。为 了直观了解放矿过程中黄土覆盖层的运动，根据其 运动规律合理设计回采爆破参数，建立相应的崩矿 和出矿制度，防止泥石流的形成，进行室内模型模拟 试验。 1买验方法 根据模拟相似准则[ 2 - 3 ] 制作了木制模型，模拟 采场最上面一个分段矿石的开采。段高1 2 m ，上覆 黄土厚度2 0 m ，逐排爆破崩落，崩矿步距1 ．8 m ，进路 间距1 0 m ，三条进路同时出矿。相似比取为1 2 0 ， 模型尺寸长X 宽高 1 3 7 0 m mx3 9 0 m mx 8 1 5 m m ，一组模拟4 个步距的放矿情况【4 | 。模型四 周装观察玻璃，并标注刻度，以便进行定量观察和记 录。 试验中，将从现场取回矿石按6 个等级进行筛 分，以实际块度组合为模型试验粒级配比的基本参 收稿日期2 0 0 3 ～0 4 1 0 作者简介马建军 1 9 5 7 一 ，男，四川省泸州市人，教授，博士。 照，同时为了模拟现场多变的情况和不同的试验要 求，再设置不同模型粒级配比方案进行对比试验。 粒级配比方案共设计了5 组 见表1 ，代表破碎块 度不断增大情况下的矿岩组合。试验时，将矿石进 一步破碎达到模型模拟尺寸要求，再按试验方案设 计进行筛分称重，作好粒级配比，均匀混合后装矿， 按步距依次放出。放矿时，按现场“三点”出矿方式 铲出。依次称重计量，统计矿石和黄土、废石在不同 阶段的放出量和放出总量，并根据试验数据计算对 应的黄土和废石混入率。同时通过观察玻璃记录下 所对应的矿土或矿岩交界面形状和脊部残留的矿石 堆积形态。 表1 模型试验粒度配比方案 T a b l e1S c h e m eo fg r a n u l a r i t ym a t c h i n g i nm o d e l i n ge x p e r i m e n t 2 放矿时黄土与废石覆盖层运动状态 矿石在废石覆盖下的放出规律在放矿理论中已 有较为详尽的阐述㈣，但其上覆盖以黄土，矿石与 黄土间的混入关系、黄土与废石覆盖层相比其运动 状态的特点却鲜有研究，而这正是在黄土覆盖层条 万方数据 第3 期马建军等放矿中黄土覆盖层运动规律的模型试验 件下确定采场放矿结构参数、制定放矿制度以及进 行安全防护的重要依据。为此进行了黄土放出运动 规律与覆顶层为废石的放出规律的对比试验。 试验取粒级倪比方案I ，将配制好的试验物料 均匀混合后装入模型，以覆顶层为黄土和废石分别 进行反复放出对比试验，结果如表2 所示。不同放 出阶段黄土和废石与矿石的交界面形状分别见图1 和图2 。 表2 纯矿放出量与回收率 T a b l e2S t a t i s t i c so fp u r eo r e d r a w i n gq u a n t i t ya n dr e c o v e r yr a t e 黄土覆盖层 6 ．3 0 5 ．8 6 6 ．4 3 6 ．4 5 1 6 ．8 1 5 ．6 1 7 ．1 1 7 ．2 5 ．9 5 6 ．2 8 6 ．4 5 6 ．3 5 1 5 ．9 1 6 ．7 1 7 ．2 1 6 ．9 6 ．1 2 6 ．4 3 6 ．1 8 6 ．3 4 1 6 ．3 1 7 ．1 1 6 ．5 1 6 ．9 注每步距装矿量约3 7 ．5 k g ，湿度0 ．5 ％ 1 一放出纯矿石阶段；2 一土矿交界面到达出矿口；3 一形成黄土通道；4 一放出纯黄土阶段 图l 放矿黄土漏斗的发育图 1 一p u r eo r es t a g e ；2 一t h ei n t e r f a c eb e t w e e nl o e s sa n dr o c kr e a c h e so r em o u t h s ；3 一f o r m i n gl o e s s ’Se h u n n e l ；4 一p u r el o e s ss t a g e F i g ．1 G r o w t ho fo r e d r a w i n gf i l l e ri nl o e s s 、。。．。。三竺l t 1 8 兰g e 二．一。。⋯．． 显区别。 1 黄土下降速度快。在矿石块度、湿度和 。。。．苎竺竺量苎翌紫妻望掌 烹妻圭要} 墨繁曼 蔷手纂舞葙蒿爵蕃矗彳芸三囊盂爵菇手i 蕞茁釜 竺妻霎要至差曼差曼篡类竺，。羔耋氅竺鉴鏊皇銎美苫蓉姜茅姜裂焉斋芸；羞；基；≯；．泛差 竺竺拿鏊 篓登氅茔苎篓黧跫} 竺；呈羞i 晶i 蠢。。。；盖翁篇茹簇赫篡 黄土下降较快，两边较慢，土、矿交界面呈漏斗状，随 蚕言；言釜盖；麓生芸耗’；主磊主茎二茹；藿 万方数据 1 0 0 有色金属第5 6 卷 好是造成黄土快速下降的直接原因。 2 黄土放出 漏斗母线倾角大。黄土形成的放出漏斗形状狭长， 土矿交界面的极限漏斗倾角较大。废石所形成的放 出漏斗更发育，岩矿交界面的极限漏斗倾角较小。 可见，在黄土覆盖层下无法形成纯矿石隔离垫 层，且崩落矿石放出较少，脊部损失大，应加强和注 重下水平的脊部矿石回收。 3黄土混入率与放出量关系 为了解不同破碎块度下黄土混入率与矿石放出 量的关系，再取粒级配比Ⅲ～V 方案进行重复对比 试验，试验与计算结果如表3 所示，黄土混入率与 放出量间的关系 各方案选两次试验结果 见图3 。 表3 各方案混入率与放出量间情况统计表 每步距装矿量5 0 k g 。湿度3 ％ T a b l e 3S t a t i s t i c sb e t w e e no r e d r a w i n gq u a n t i t ya n dm i x e dr a t ei na l ls c h e m e s o r eq u a n t i t y5 0 k g 。h u m i d i t y3 ％i ne v e r yp a c e 堡 斟 一 赠 “ 瓤 啦 、 爵 赠 州 瓤 放出量，k g 蓬 篓 赆 裂 1 52 0 2 5 3 03 5 4 0 放出量，k g 1 21 62 02 4 2 83 2 1 01 21 41 61 82 0 放出量，k g 放出量／k g 图3 黄土混入率与放出量关系 F i g ．3 C u r v eo fc o n n e c t i o nb e t w e e ni n t e r f u s i n g r a t i oa n dr o c km a s s 结合试验现象和上述关系曲线可以看出，在黄 土覆盖条件下，放矿过程分为了三个阶段。 1 纯矿石阶段。虽然黄土下降速度较快，但放 矿初期仍存在一个较为短暂的放出物全是纯矿石的 阶段，且放出量的多少和矿石自身粒度有关。在试 验条件下，矿石粒度相对较小时，纯矿石放出量约为 装矿量的1 6 ．7 ％ 方案I ，见表2 。增大块度，在方 案Ⅲ、Ⅳ中，纯矿石放出量分别可达装矿量的 1 9 ．2 5 ％和2 9 ．0 8 ％。继续增大矿石块度，到方案V 时，纯矿石放出量约为2 5 ．5 ％。可见，纯矿石放出 量随块度增大而增大，但增到一定粒度后又反而降 低，存在一个使纯矿石放出阶段相对较长的最佳中 等矿岩破碎度。 2 混合放出阶段。出矿中有黄土出现，结束纯 矿石阶段而进入混合放出阶段。此时出矿中既有矿 石又有黄土，先矿多于土，很快演变为土多于矿。在 黄土混入率达到5 0 ％左右时，有一个短暂的平衡 期，此后黄土混入率突然增到9 0 ％以上，形成黄土 通道，放出矿石极少，几乎全是黄土。试验统计，从 开始贫化到黄土通道的形成，矿石块度小时，平均能 放出8 ．7 ％左右的贫化矿石，块度中等能放出1 9 ％ 。譬埒矗一州较 ． 堡静骧州韫 万方数据 第3 期马建军等放矿中黄土覆盖层运动规律的模型试验1 0 l 左右，块度较大时，仅能放出7 ％左右。此阶段能回 收的贫化矿石量少。 3 纯黄土阶段。随着放出矿石的减少，黄土漏 斗母线倾角逐渐变缓，并达到极限漏斗倾角，黄土漏 斗发育停止，余下的矿石不能再放出，成为脊部损 失。继续放矿，则只有黄土放出，此即形成完全的黄 土放出通道。随黄土下移，黄土上面的废石覆盖层 下移，并以废石漏斗形式往放矿口下移，土尽石现。 4不同块度和湿度的放矿回收率 为了解黄土覆盖下不同破碎块度的矿石在不同 湿度情况下的放矿回收率，以便为回采爆破参数设 计和建立合理的放矿制度提供依据，按前述方案I ～V ，5 个不同的块度组成，在不同的湿度条件进行 放矿回收率对比试验，找出块度、湿度对矿石无贫化 回收的影响。 试验主要进行定性对比。为了方便将从现场取 回已经有一定风干程度的矿石作为试验物料之一， 经测定其含水量为0 ．5 ％，先按I ～V 的块度组成 要求做一遍试验，再喷入适量的水，湿度为2 ％， 3 ％，4 ％，分别进行试验，统计回收率，结果见表4 。 表4 不同湿度纯矿石回收率 T a b l e4P u r eo r er e c o v e r yi nv a r l 0 1 ．1 Sh u m i d i t y 在不同块度条件下，湿度越大放出的纯矿石量 越少。这是由于矿石的湿度大，内聚力、摩擦系数增 大，流动性变差，不易放出。湿度的增大对黄土的流 动性影响较小，因此在放矿中黄土的相对流速变大， 能更快到达出矿口，导致纯矿石放出量减少。在放 矿中看到，随湿度增大，矿石放出体形状狭长，易形 成近于直立的柱状通道，此时放出矿石量极少，上部 黄土成柱状涌入巷道，俗称“放矿烟囱”，如图4 所 示。此外，湿度增大使矿石粘聚力增大，结块性增 强，当超过其重力时，出现悬拱。试验中“黄土烟囱” 和悬拱现象的出现次数见表5 。 图4 黄土的柱状通道 F i g4C o l u m ne h u n n e li nl o e s s 可见，随湿度增大，产生悬拱和“烟囱”的次数增 多。当湿度达到4 ％时，试验中有一半以上放矿都 产生悬拱或“烟囱”。矿石块度小，放出体瘦长，“烟 囱状”黄土通道的直径小；块度大，放出体较肥胖， “黄土烟囱”直径大。同时随矿石块度增大，矿石难 于放出，增强的结块性，使产生悬拱的几率增大。若 进行悬拱处理，悬顶矿石、黄土的突然垮落，呈近似 自由落体状，出矿安全性大大降低，同时黄土的直接 填入空区，又形成“黄土烟囱”。若遇雨季或有上部 水源，黄土势必突然涌入巷道，形成井下泥石流。故 应谨防“黄土烟囱”和悬顶现象的出现，尽量避免雨 季对这部分矿体进行回采出矿。 表5 产生悬拱和“放矿黄土烟囱”次数 T a b l e5T i m e ss t a t i s t i c so fh a n g i n ga r c h e sa n dl o e s sc h i m n e y si nd r a w i n go r e 注每一方案按不同湿度各进行了8 组试验 5结论 1 无法预留矿石隔层，应集中出土，见废为止。 覆盖层黄土在放矿中下降速度快，在放出崩落量约 2 0 ％的矿时，黄土就在巷道口出露，并很快形成黄土 通道。崩落法回采是挤压爆破，为了为后续爆破提供 足够的补偿空间，每次爆破至少要放出前次崩落量的 2 0 ％- - 3 0 ％，因此几乎无法形成矿石隔层。因为黄土 在放矿中流速快，可集中出土，使黄土层上的废石尽 快取代黄土进入巷道，形成正常的废石覆盖层。 下转第1 3 3 页，C o n t i n u e do nP ．1 3 3 万方数据 第3 期吴亚君等平果铝业公司赤泥的土壤改良1 3 3 S o i lA m e l i o r a t i o no fR e dM u di nP i n g g u oA l u m i n u mI n d u s t r i a lC o r p o r a t i o n W UY a q u n1 ，L IX i a o - l 嘶n 9 1 ，L E N GJ i e - b i n 2 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 ．P i n g g u oA l u m i n u mI n d u s t r i a lC o r p o r a t i o n ，P i n g g u o5 3 1 4 0 0 ，G u a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n a l y s i so fr e dm u df r o mB a y e r p r o c e s s ．t h es o i la m e l i o r a t i o n a n dp l a n t i n go nr e dm u di nt h es t o r a g ey a r do fP i n g g u oA l u m i n u mI n d u s t r i a lC o r p o r a t i o ni si n v e s t i g a t e di nl a b o ． r a t o r y ．T h ee x c e l l e n tr e s u l t sa r ea c h i e v e di nm u da m e l i o r a t i o nb yu s eo fo r g a n i ca n di n o r g a n i cm i x t u r e ，t h er e d m u d ，s o l i dw a s t e s ，b e c o m e st h eb a s ef o rp l a n tn o r m a l l yg r o w t h ．T h eg y p s u mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e a m e l i o r a t i o n ．E v e nt h o u g ht h eb a s i cc o n d i t i o nf o rp l a n tg r o w t hi ss a t i s f i e db yu s eo ft h ei n o r g a n i ca m e l i o r a t i o n s c h e m e ，t h er e s u l t sa r en o ti d e a l ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；r e dm u d ；s o i la m e l i o r a t i o n ；B a y e rp r o c e s s ；a l u m i n a 上接笫1 0 1 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 0 1 2 在黄土覆盖层下出矿，脊部损失大。黄土放 出漏斗母线倾角大，放出体形状狭长，因此崩落矿石 滞留在出矿进路问的脊部损失量大，应加强和注重 下水平的脊部矿石回收。 3 回采崩落矿石的块度应适中。爆破块度对 矿石回收率和黄土层的下降速率有很大影响，回收 率随着块度增大先增后减，粒度中等、粉矿含量少时 出矿能力最强。 参考文献 4 湿度大，不利于出矿和出土。回收率随湿度 的增大而减小，且湿度大易产生悬拱和“黄土烟囱” 现象。黄土的流动性好，当湿度达到其饱和状态，并 有流动通道，则易形成井下泥石流。因此，集中出土 应安排在旱季进行，多出快出，见废石为止。若雨季 来临，应停止矿点的生产，并崩矿封堵出矿口，形成 纯矿石隔层，以避免黄土形成泥石流涌人巷道。 [ 1 ] 吴艳梅．程潮铁矿东区采场涌泥分析及预测[ J ] ．中国矿业，2 0 0 0 ，9 s 2 1 1 5 1 2 1 ． [ 2 ] 王昌汉．放矿学[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 1 1 3 0 3 5 ． [ 3 ] 董振民．论放矿试验中的相似问题[ A ] ／／全国第四次崩落采矿法学术会议[ C ] ．成都，1 9 8 6 1 4 2 8 ． [ 4 ] 周志华，马建军，叶洲元，等．黄土覆盖层在放矿中运动规律的实验模型[ J ] ．有色金属 矿山部分 ，2 0 0 3 ， 4 1 6 1 8 ． [ 5 ] 刘兴国．放矿理论基础[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 4 9 0 9 6 ． M o d e l i n gE x p e r i m e n to nL o e s sI n t e r f u s i o nP r i n c i p l eD u r i n gO r e - D r a w i n g M AJ i a n - j u n l ，Z H O UZ h i h u a l ，Y I NX i a o - p e n 9 2 ，J I A N GB i n 9 2 ，K EQ i n g - h u a 2 1 ．W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ．D a y eI r o nM i n eo fW u h a nI r o na n dS t e e lC o ．，H u a n g s h i4 3 5 0 0 6 ，H u b e i ，C h i n a A b s t r a c t T h eo r e d r a w i n gp r o c e s so ft h es u b l e v e lc a v i n gm i n i n gi nt h ee a s ts e c t i o no fD a y eI r o nM i n ei ss i m u l a t e db y m o d e l i n ge x p e r i m e n t ．T h ee f f e c t so ft h eo r ef r a g m e n ts i z e sa n dh u m i d i t yo nt h el o e s si n t e r f u s i o na n do r e - d r a w - i n ga r eq u a n t i v e l ya n dd i r e c t l ya n a l y z e db yc o m p a r i s o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo r er e c o v e r ya n d1 0 e s sf a l l i n g v e l o c i t ya r es t r o n g l yi n f u e n c e db yt h eb l a s t e dr o c kf r a g m e n ts i z e s ，a n dt h eh u m i d i t yh a sn e g a t i v ee f f e c to nt h e d r a w i n gp r o c e s so fo r ea n dl o e s s ．I ti sn e c e s s a r yt oe x c a v a t el o e s sp r e v i o u s l yu n t i lm u l l o c kl a y e ra n dp a ya t t e n t i o n t or e c o v e rt h eo r eo nt h el e v e l ’Sr i d g e ．T h eb l a s t e do r ef r a g m e n ts i z e sa r em o d e r a t ef o ro p t i m a lo r e - d r a w i n gr e s u i t ．T h em i n i n gp r o d u c t i o ni nt h i sm i n es h o u l db ea r r a n g e di nd r ys e a s o n s ，a n db l a s t e dt ob l o c k su po r e - d r a w - i n gm o u t h si nr a i n ys e a s o n si no r d e rt oa v o i dd e b r i sp o u r i n gi n t ol a n e w a y ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；o r e - d r a w i n g ；m o d e l i n ge x p e r i m e n t ；c a v i n gm i n i n gm e t h o d ；l o e s s 万方数据