矿岩块度预测影响因素的分析研究.pdf

第3 l 卷第3 期 2 0 1 1 年0 6 月 矿冶工程 h ⅡN 玎q GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 l №3 J u n e2 0 1 1 矿岩块度预测影响因素的分析研究① 冯兴隆1 ，李德1 ，王李管2 ⋯，曾庆田1 ，荀雪梅1 ，何可可1 1 ．玉溪矿业有限公司。云南玉溪6 5 3 1 0 0 ；2 ．中南大学数字矿山研究中心，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；3 ．长沙迪迈信息科技有限公司，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要以现场岩体特性参数的实测资料及分析成果作为基本输入参数，采用矿岩块度预测系统，对模拟范围、节理问距分布形式、节理间 距大小、两组节理面之间的夹角、完整岩石及弱面的力学性质等因素对矿岩块度的影响程度进行了模拟研究。结果表明，当节理而范围长 度是模拟区域长度的3 倍以卜时，模拟结果不受模拟范围长度的影响，模拟区域的宽度对模拟结果有影响。根据模拟结果拟合r 模拟长方 体宽度与节理持续线长度比值与连续相关因子问的关系式。节理问距分布形式对模拟结果有很大的影响。岩体力学性质对崩落矿石块 度有一定的影响，随着岩体中各力学参数的增大，矿石块度将会增大，但这些参数的增大对块体形状组成的影响规律性不明显。为了验证 块体形状分类的效果，应用三组接近正交的理想节理组，对块度进行r 模拟，模拟结果与块体形状分类定义相一致。 关键词矿岩块度预测；自然崩落法；块度模拟 中图分类号T D 8 5 3 ．3 6 4文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 3 0 0 0 8 一0 5 A n a l y s i so fI n f l u e n t i a l F E N GX i n g l o n 9 1 ，L ID e l ， 1 ．Y u x iM i n i n gC oL t d ，Y u x i6 5 3 1 0 0 ， C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；3 ． F a c t o r sf o rO r e - r o c kF r a g m e n W A N G Y u n a n ， t i o nP r e d i c t i o n L i g u a n 2 ’3 ，Z E N GQ i n g t i a n l ，X U NX u e ．m e i l ，H EK e ．k e l C h i n a ；2 ．R e s e a r c hC e n t e ro fD i g i t a lM i n e ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ， C h a n g s h aD i g i t a lM i n el n cL t d ，C h a n g s h a4 10 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n gt h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n to fp r o p e r t yp a r a m e t e r so fi n s i t er o c kb o d ya n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sa sb a s i c i n p u t s ，as i m u l a t i o nr e s e a r c hw a sc a r r i e do u tf o rt h ee f f e c to fs e v e r a lf a c t o r so no r e r o c kf r a g m e n t a t i o nu s i n go r e r o c k f r a g m e n t a t i o np r e d i c t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gs i m u l a t i o nc o n t e x t ，d i s t r i b u t i o no fj o i n ts p a c i n g ，j o i n ts p a c i n gs i z e ，a n g l e b e t w e e nt w os e t so fj o i n tp l a n e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi n t a c tr o c ka n di t sw e a kp l a n e s ．R e s u l t ss h o ww h e nj o i n tp l a n e i st h r e em o r et i m e sa sl o n ga st h es i m u l a t i o nc o n t e x t ，s i m u l a t i o nr e s u l t sw i l lb ei n f l u e n c e db yt h ew i d t hi n s t e a do fl e n g t h o fs i m u l a t i o nc o n t e x t ．B a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，ar e l a t i o n s h i pf o r m u l ab e t w e e nt h er a t i oo ft h ew i d t ho fs i m u l a t e d r e c t a n g u l a rs o l i dt ol e n g t ho fac o n t i n u o u sl i n eo fj o i n t ，a n dc o n t i n u o u sr e l a t i v ef a c t o r sw a so b t a i n e d ．T h ed i s t r i b u t i o no f j o i n ts p a c i n gh a sab i gi m p a c to nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ．T h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c km a s sh a v es o m ei m p a c to nt h e c a v e dr o c kf r a g m e n t a t i o n ．T h er o c kf r a g m e n t a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fe a c hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c k m a s s ．H o w e v e r ，t h e r ei s n 7 to b v i o u sr u l ef o rt h ei n f l u e n c eo nb o d ys h a p ed u et oi n c r e a s i n go fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ．I n o r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c to fb o d y s h a p ec l a s s i f i c a t i o n ，t h r e ei d e a la n dn e a r l yo r t h o g o n a lj o i n ts e t sw e r eu s e df o rr o c k f r a g m e n t a t i o ns i m u l a t i o n ．I tw a sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l tw a si nl i n ew i t hd e f i n e db o d y s h a p ec l a s s i f i c a t i o n ． K e yw o r d s o r e r o c kf r a g m e n t a t i o np r e d i c t i o n ；n a t u r a lb l o c kc a v i n g ；f r a g m e n t a t i o ns i m u l a t i o n 矿岩块度的大小决定了底部结构类型、尺寸及所 使用的出矿方式和设备类型卜2 | ，在生产过程中，矿岩 落块度的分布决定了大块产出率及二次破碎方法和 药消耗量，以及矿岩流动性及放矿过程控制m9 | 。 因此，确定矿岩块度的大小有重要的意义。 从2 0 世纪7 0 年代起，众多研究者在矿岩块度测 定技术方面进行了大量的研究，提出了各种各样的测 定方法，从总体而言，矿岩块度预测方法可分为间接 、图像法和节理网络模拟法L 7J 。节理网络模拟法根 节理空间展布状态及节理面条件的统计分析结果， 用M o n t eC a r l o 模拟技术模拟节理面对岩体的切割 情况，并利用有关崩落和放矿过程的力学知识，预测崩 落矿石块度的分布J 。这种方法在预测中，各参数的 选取具有很大的主观性。因此，预测结果的准确与否 在很大程度上取决于预测者的知识水平和工程经 验∞J 。在自然崩落法可行性研究阶段，矿岩块度的预 测一般采用节理网络模拟法I7 , 1 0 j 。为了使节理网络模 拟法由经验向科学化方向发展，有必要研究影响矿岩 块度的主要因素及影响程度，使预测结果既科学、准 确，又简单、实用。为此，本文采用矿岩块度预测系统， 对模拟范围、节理间距分布形式、节理间距大小、两组 节理面之问的夹角、完整岩石及弱面的力学性质等因 ①收稿日期2 0 1 0 1 2 1 6 基金项目云南省省院省校科技合作计划项日 2 0 0 6 Y X 2 6 ；云南省技术创新暨产业发展专项项目 2 0 0 7 G A 0 0 7 作者简介冯必隆 1 9 8 0 一 ，男，山东巨野人，博士，上程师，主要从事自然崩落法与数字矿山技术的研究。 崩炸 法据采 万方数据 第3 期冯兴隆等矿岩块度预测影响因素的分析研究 9 素对矿岩块度的影响程度进行模拟研究。 1 模拟原理 为了分析影响矿岩块度分布的主要因素对矿岩块 度的影响程度，以便在矿体可崩性及矿岩块度预测研 究中由定性评价转为定量评价，以现场岩体特性参数 的实测资料及分析成果作为基本输入参数，分别改变 影响矿岩块度的主要参数，以构造面的空间展布规律 为基础，采用M o n t eC a r l o 技术模拟节理系统，采用三 维实体切割技术建立块体三维截取模型的矿岩块度预 测新模型，该模型在综合考虑节理持续性和岩体力学 性质的基础上，按照统计学原理模拟构造面的空间展 布，在指定的工程区域内，采用构造面对模型原型进行 切割，最终形成由切割块体构成的块体集合，来预测矿 岩块度，并根据一种新的块体形状分类方法，统计实体 内部由构造面切割出的岩块大小和形状分布组成，并 利用等效尺寸的概念统计大于某一尺寸的块体所占的 体积百分比，绘制块度分布曲线o7 | 。 矿岩块度预测系统原理见图1 。 种 统 计 分 布 抽 岩体构造特征参数输入 空间分布规律分 M o n t eC a r l o 随机模拟 创建岩体构造数据库 T 一 ≤≥哕 i ． 一输入测线方位角I [ ■ 咝竽出匠 计算每个节理面到l 坐标原点之问的距矧 理面是否重 形成三维节理面素描文 输入模拟实体模型 二 二] 二 翰入不连续相关因j 块度模拟 ／是否与模| 扑 围相交的节理 部对实体进往 ＼切吵 立 去除表面块 j 囔面块是香、 望 写所有块信息 到数据库 登竺 计算节理面正应力 二二二二[ 二二 计算节理面持续性系数 计算节理面及完整岩石剪切强度 计算崩落矿石块度修正系数 叫读取块体基本参数卜一 l 计算块弦长ll 计算块体积1 ．j 三 吾． 陋甄鲫匝圃 r 一r 一 也型[ 计算块顶点相关系数￡ll 计算块扁平度K 辩 计算等效尺寸卜 悬窟型j 写所有块体特征I ．订 信息到数据库广一 绘制筛下累积百Il 绘制筛上累 巢篓剿I 嚣澈 确定不问百分比l L 竺二二竺二 情况F 的阀值l E 形状分布图上绘 制块体体积分布 确定不I 可体积区 间块体表示方法 图1 矿岩块度预测原理 统计不同区阔 上的块体形状 丁 一 l 绘图l 2 影响因素分析 为了分析影响矿岩块度分布的主要因素，本文以 矿体中某一区段各模型参数为基本量，分别在可行的 范围内改变节理间距的分布形式、大小，两组节理面之 间的夹角和完整岩石及弱面力学性质，进行了各模型 参数条件下的矿岩块度预测。 我国某铜矿28 0 0m 巷道岩体中节理系统几何参 数的分布研究表明，在5 ％的显著性水平下，节理面倾 角、倾向服从正态分布，节理间距服从对数正态分布。 本文以该铜矿矿体中一区段岩性的统计参数为基本 量，见表1 。改变研究参数，研究各因素对矿岩块度组 成的影响。 表l 模型基本参数输入 组百分比 塑塑』 塑 里竺堡鱼』 持续性 号 ／％ 最小最大均值方差均值方差均值方差系数 l2 6 ．62 51 0 05 5 ．1 51 2 ．2 70 ．1 2 80 ．1 4 75 2 ．6 71 2 ．7 90 ．6 7 6 22 8 ．21 2 02 0 51 9 2 ．8 21 5 ．6 70 ．2 0 2O ．1 9 65 3 ．4 81 7 ．8 7 0 ．8 5 6 33 2 ．42 7 5 3 7 03 0 2 ．6 81 9 ．7 60 ．1 0 20 ．1 1 36 4 ．3 91 3 ．2 6 0 ．8 3 2 注表中组号表示节理组的序号，百分比表示每组节理占总节理的百 分比，倾向表示节理组的倾向范围。 2 ．1 模拟范围对块度的影响分析 在其它参数不变的情况下，产生沿测线方向3 0m 范围的节理，然后模拟范围取长方体，模拟时长方体在 测线方向上始终处于测线中部，长方体的宽和高取2 ． 5m ，长分别取2 ．5 、5 、8 、1 0 、1 2 、1 5 和1 8m 进行模拟实 验，结果如表2 所示，模拟块度的等效尺寸分布曲线如 图2 所示。 表2 不同模拟长度范围时筛下累积百分率对应的大小 从表2 可见，模拟范围长度在2 ．5 ～1 0m 之间时 各种模拟情况下的D 巧，D 5 0 和D “ D 笛，D 5 0 和巩分别 表示占总体积2 5 ％、5 0 ％和7 5 ％时块体体积的大小 基本相同，模拟范围长度在1 2 1 8m 之间时各种模拟 情况下的D 为、D ，。和D ，，逐渐减小，块度预测曲线也呈 同样趋势。由此可见，在测线方向的节理面范围长度 是模拟区域长度的3 倍以上时，模拟结果不受模拟范 围长度的影响。 万方数据 1 0矿冶工程第3 l 卷 块体等效尺寸／m 图2 不同模拟长度范围时块度预测曲线 在其它参数不变的情况下，产生沿测线方向3 0 m 范围的节理，节理持续线长度为2m ，然后模拟范围取 长方体，模拟时长方体在测线方向上始终处于测线中 部，长方体的长取5m ，宽和高取值相同，分别取2 ．5 、 3 、4 、5 和6m 进行模拟实验，统计结果见表3 。 表3 不同宽度和高度模拟范围时筛下累积百分率 根据模拟结果，拟合了模拟范围宽度与节理持续 线长度比值菇与不连续相关因子间的关系，如图3 所 示，拟合的公式为 F i 。 0 ．0 8 6 1 x 2 0 ．5 0 9 8 x 1 ．0 5 5 9 1 式中F 汹为不连续相关因子；菇为模拟范围宽度与节理 持续线长度比值。 模拟矩形宽度与节理持续线长度比值 1 1 t 3 F 蒜与模拟范围宽度与节理持续线长度比值的回归曲线 由此可见，模拟范围的宽度和高度对块度有很大 的影响，根据式 1 ，在对块度进行模拟时，可以根据 模拟长方体宽度与节理持续线长度比值来选择不连续 相关因子。 2 ．2 节理间距分布形式对块度的影响分析 在其它参数不变的情况下，分别取节理间距的分 布形式为对数正态分布、正态分布和指数分布，进行模 拟计算，块度的等效尺寸分布曲线如图4 所示。 块体等效尺寸／m 图4 不同节理间距分布形式时块度预测曲线 图4 中，对数、正态和指数表示节理间距为对数正 态分布、正态分布和指数分布时对应的筛上累积百分 率。由图可见，节理间距为正态分布的情况下计算的 矿岩块度尺寸比其它两种分布下计算的尺寸大。正态 分布的筛上累计百分率曲线比较缓，说明块体的尺寸 分布的范围更大，意味着在节理间距为正态分布的情 况下，岩体内容易生成较小的和较大的块。在这3 种 不同的节理间距分布形式下，指数分布情况下预测的 矿岩块度筛下累计百分率曲线为最低边界。 对于上述3 种节理间距的分布状态下，预测结果 的块体形状和体积联合统计表明，块体形状组成无规 律性，其中立方体占0 ．8 6 ％～3 ．5 2 ％，立方一细长体占 1 ．8 0 ％～3 ．1 1 ％，细长体占2 1 ．9 4 ％～5 2 ．2 2 ％，细长一 扁平体占2 5 ．9 8 ％一4 8 ．4 9 ％，扁平体占5 ．1 5 ％一 7 ．O l ％，扁平- 立方体占9 ．1 1 ％～2 2 ．5 7 ％。 2 ．3 节理间距及节理面之间的夹角对块度的影响 为了验证块体形状分类的效果，产生3 组接近正 交的理想节理组，分别进行模拟研究。3 个方案在节 理模拟时，节理组的倾向和倾角不变，仅改变节理间 距，目的是模拟被细长体、扁平体或等尺寸块体控制下 的岩体。3 个方案的节理组参数见表4 。 表4 模拟节理组参数 组百分比倾向／ 。 间距／r i l l倾角／ 。 号／％ 均值方差均值方差均值方差 13 7 ．61 7 0 O ．0 0 l0 ．2 ．0 ．1 。O ．30 ．1 1 7 ，0 ．1 0 5 ，0 ．1 3 4 8 00 ．0 0 1 23 2 ．21 7 0 0 ．0 0 10 ．2 ．0 ．6 。0 ．30 ．1 1 7 ，0 ．2 2 4 ，0 ．1 3 4 1 00 ．0 0 1 33 0 ．28 0 0 ．0 0 l0 ．8 ．0 ．6 ，0 ．30 ．1 0 5 ，0 ．2 2 4 。0 ．1 3 4 8 00 ．0 0 1 注表巾不同的节理间距的均值和对应的方差代表不同的方案，共3 个方案。 万方数据 第3 期冯兴隆等矿岩块度预测影响因素的分析研究 根据实验结果 详见文献[ 7 ] ，作了体积和形状 联合统计，结果如图5 、图6 和图7 所示。图中C 代表 ∞1 0 0 舯 零 篓6 0 1 皿 溪帅 k 擐2 0 0 ％21 ．6 2 8 1 氏；5 ．0 8 4 巩 1 4 ．2 7 4 ％ } J ’ | 五 ； ／／ 立方体、C E 代表立方一细长体、P C 代表扁平- 立方体、P 代表扁平体、E P 代表细长一扁平体、E 代表细长体。 仉0 0 0 1 仉0 叭0 ‘0 l 0 ．1l 1 01 0 0 块体体积／I n I 图5方案一块体体积和形状联合统计 a 块体体积筛下累积百分率； b 不同体积区间上各形状块体占总体积百分率； c 不同块体体积的形状分布图 a 1 0 0 舯 零 纂6 0 1 丑 垂柏 k ． 喾如 0 ‰D ∞ 0 - 0 ．3 9 4 4 7 l ／ 口k 2 ．3 3 7 ／ 三 | f ‰ ／ D ≮ ／ 仉0 ∞l0 ．∞l0 ．0 ln ll1 01 0 0 块体体积／h e 图6 方案二块体体积和形状联合统计 a 块体体积筛下累积百分率； b 不同体积区间上各形状块体占总体积百分率； c 不同块体体积的形状分布图 ∞1 0 0 釉 葶 篓6 0 1 皿 篷 衅加 k ． 撰 0 惫三怒／ r D ，●3 ．0 7 0f ％ ／ 见 ／ D 。i ≯ ，一 0 ．0 0 叭0 ．0 0 10 - 0 l0 ．1l1 01 0 0 块体体积／I n 3 图7方案三块体体积和形状联合统计 a 块体体积筛下累积百分率； b 不同体积区间上各形状块体占总体积百分率； c 不同块体体积的形状分布图 由图5 可见，随着块体体积的增加，块体形状变化 很小。第三组节理间距相对于第～、二组增大，块体的 扁平度增大，迫使体积较大的块体更接近块体形状图 的顶端，这和块体形状分类定义相一致一J 。 由图6 可见，由于没有相互平行的节理存在，产生 的细长体比扁平体要少。相对于节理组1 ，增加节理 组2 和3 的间距值，在节理方向面内块体的纵横比增 加，体积较大的块体集中在形状图左边的下部，进一步 验证了块体形状分类定义一。的正确性。 由图7 可见，在体积较小的块内，所有的形状类型 都存在，在体积较大的块内，主要存在立方体形状的 块。块体形状随着块体体积的变化，证明了节理面夹 万方数据 1 2 矿冶工程第3 l 卷 角的变化影响了岩块的的几何形状。 2 ．4 完整岩石及弱面力学性质对块度的影响 分别采用下列4 种完整岩石及弱面力学性质参数 进行模拟计算，如表5 所示。模拟得到的矿岩块度等 效尺寸分布曲线如图8 所示。 表5 模拟节理组参数 零 ＼ 碍 求 1 皿 娶 略 q 擐 块体等效尺寸／m 图8 不同方案下块度预测曲线 由图8 可见，在弱面力学性质不变的情况下，随着 完整岩石强度的提高，矿石大块率将会增加，当完整岩 石内聚力增加9M P a ，内摩擦角增加2 。时，大于1 ．2m 3 的大块率增加3 ．5 ％，而大于1 ．5m 3 的大块率将增加 1 0 ．6 ％。在完整岩石力学性质不变的情况下，改变弱 面力学性质，表现出来同样的规律。由此可见岩体力 学参数对大块产出率有影响，对小块分布影响不大。 3 结语 应用矿岩块度预测系统对影响矿岩块度的各因素 进行了模拟研究，定量地讨论了各因素对矿岩块度尺 寸及形状组成的影响程度，得到了以下结论 1 当节理面范围长度是模拟区域长度的3 倍以 上时，模拟结果不受模拟范围长度的影响，模拟区域的 宽度对模拟结果有影响，根据模拟结果拟合了模拟长 方体宽度与节理持续线长度比值与连续相关因子间的 关系式。 2 节理间距分布形式对模拟结果有很大的影响。 3 岩体力学性质对崩落矿石块度有一定的影响， 随着岩体中各力学参数的增大，矿石块度将会增大，但 这些参数的增大对块体形状组成的影响规律性不 明显。 4 为了验证块体形状分类的效果，应用三组接近 正交的理想节理组，对块度进行了模拟，模拟结果与块 体形状分类定义相一致。 参考文献 [ 1 ] 董卫军．矿石崩落块度的三维模型与块度预测[ J ] ．矿冶。2 0 0 2 。 1 1 2 1 3 ． [ 2 ] 朱志根，吴爱祥．崩落矿石块度对放矿的影响分析[ J ] ．矿业快 报，2 0 0 6 ，2 2 1 0 1 0 1 2 ． [ 3 ]王李管．矿块崩落法崩落矿石块度预测技术研究[ D ] ．中南工业 大学采矿系，1 9 8 8 ． [ 4 ] B r o w nET ．B l o c kC a v i n gG e o m e c h a n i e s [ M ] ．J u l i u sK r u t t s c h n i t t M i n e r a lC e n t r e ，A u s t r a l i a ，2 0 0 3 ． [ 5 ]王李管，潘长良．矿石块度影响因素的定量分析研究[ J ] ．中南 矿冶学院学报，1 9 9 2 ，2 3 5 5 1 4 5 1 9 ． [ 6 ] 魏建伟．金川H I 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