地下采矿课件第七章崩落采矿法崩落法放矿理论基础

崩落采矿法崩落法放矿理论基础主讲：北京矿山新技术研发中心 龚浩源2022年11月21日星期一1 一、概述一、概述 1、放矿理论是随着崩落采矿法在地下矿山的大量使用而发展起来的。由于崩落采矿法具有回采强度大、效率高以及成本低等优点，在地下矿山特别是大中型地下矿山中得到广泛使用。但是，崩落采矿法的特点之一是依靠崩落围岩充填采空区、释放地压来达到管理地压的目的，采矿过程中崩落矿石与废石（崩落围岩）直接接触，形成了崩落采矿法的特殊性覆岩下放矿。很显然，覆岩下放矿，控制不好就会造成严重的矿石损失和贫化问题，从而恶化采矿的各项技术经济指标。正是因为放矿工作的好坏在很大程度上影响到崩落法的技术经济效果，放矿工作成为崩落采矿法各生产工序中最为重要和最为关键的工作之一，为此，国内外采矿界都对覆岩下放矿问题进行了长期深入而细致的研究。2022年11月21日星期一2世界上对崩落法放矿问题的研究最早始于二十世纪四十年代的前苏联，两位采矿工程师塔尔塔柯夫斯基和米纳耶夫对崩落法放矿问题进行了卓有成效的初期研究。对崩落法放矿问题最有成效的研究则是二十世纪五十年代由前苏联学者马拉霍夫在大量实验的基础上提出的椭球体理论为代表。椭球体理论的提出，标志着放矿理论研究开始形成较为完整的理论体系。由于椭球体理论是在大量实验的基础上建立并在生产实践中得到证实，对指导崩落法矿山的生产特别是放矿工作取得良好效果起到了积极作用，因而被广大采矿理论及实践工作者所接受。虽然其后也有人提出过这样或那样的理论体系，但都因为固有的缺陷或是因为实用性太差而未被广泛接受。长期以来，椭球体理论在崩落法放矿理论研究中一直占有主导地位。鉴于椭球体理论的实践性和实用性，我们对无底柱分段崩落法放矿的研究，仍然是以椭球体理论为基础进行的。2022年11月21日星期一3 2、椭球体理论与单孔放矿时的矿岩移动规、椭球体理论与单孔放矿时的矿岩移动规律律（1）椭球体放矿理论）椭球体放矿理论：单孔放矿时，从漏孔或放矿口放出的矿石在原采场崩落矿岩堆中所占的空间位置在形态上近似为一旋转椭球体，这一椭球体被称之为放出椭球体。随着矿石的放出，在采场的崩落矿岩堆体中相应产生松动范围的形态也近似为一旋转椭球体，称之为松动椭球体。在松动范围内各水平层呈漏斗状凹下，称之为移动漏斗，已到达放矿口的移动漏斗称之为降落漏斗。2022年11月21日星期一4(2)单孔放矿时崩落矿岩的移动规律单孔放矿时崩落矿岩的移动规律放出体和松动范围在形态上近似旋转椭球体的论断已被大量的实验室研究和生产实践所证明,如图所示。Qf放出椭球体 Hf放出椭球体高度 Hs松动椭球体高度Qs松动椭球体QL1移动漏斗QL2降落漏斗QL3破裂漏斗J矿岩颗粒移动迹线Qf漏孔放出矿石量 图 单孔放矿时崩落矿岩移动规律2022年11月21日星期一5 3、经过抽象后的放出体的基本性质主要有以下三点、经过抽象后的放出体的基本性质主要有以下三点：（1）放出体的形状近似为一旋转椭球体）放出体的形状近似为一旋转椭球体 根据散体流动连续性特征可将放出体简化为完全椭球体，其体积计算式为：Qf=Hf3(1-2)6 式中：Qf放出椭球体体积；Hf放出椭球体高度；放出椭球体偏心率。放出椭球体偏心率是表征和影响放出椭球体形态的重要参数：等于1时为柱体，为0时为圆球体；大小主要受矿岩的松散性、湿度、漏口宽度以及块度组成状况等因素的影响，通常通过实验方法确定。图为实验室测定的放出椭球体偏心率变化曲线。2022年11月21日星期一6（2）放出体在放出过程中，其表面仍保持近似椭球体形态）放出体在放出过程中，其表面仍保持近似椭球体形态 在矿石的放出过程中，放出椭球体的表面仍保持近似的椭球体形态，称之为移动椭球体。随着矿石的放出，移动椭球体不断向上发展，体积不断增加，其表面的颗粒点被同时放出。椭球体的这个基本性质可用下图来说明。图2-3 椭球体放出过程（a）放出椭球体的缩小过程；(b)放出椭球体表面的移动过程2022年11月21日星期一7（3）移动椭球体表面上各颗粒点的高度相关系数）移动椭球体表面上各颗粒点的高度相关系数（X/H）在放出椭球体移动过程中保持不变）在放出椭球体移动过程中保持不变 即：X0 X1 X2 高度相关系数=H0 H1 H2 放出体的基本性质是椭球体理论的重要组成部分，崩落矿岩移动规律的表达式大都是根据放出体基本性质建立的，它同时也为放矿过程计算机数值模拟奠定了数学基础。2022年11月21日星期一8 二、多孔放矿时的矿岩移动规律二、多孔放矿时的矿岩移动规律 1、概述、概述;多孔放矿时崩落矿岩移动规律仍然以椭球体理论为基础，但多孔放矿时相邻漏孔之间会产生相互影响，产生联合作用，矿岩颗粒的位移发生叠加。由于矿岩界面的移动和矿石残留体的大小对放矿过程中矿石损失贫化的大小有显著影响，因此，在研究多漏孔放矿的矿岩移动规律时，矿岩界面的移动状况以及矿石残留体情况成为人们关注的重点。多漏孔放矿时的矿岩界面移动及矿石残留体情况主要与漏孔采取的放矿方式（放矿顺序）有关，具体分为平面放矿、立面放矿和斜面放矿三种。2022年11月21日星期一9 2、平面放矿、平面放矿 亦称等量均匀放矿，也就是说，放矿时每个漏孔按顺序（或同时）均匀放出等量的矿石。由于实行等量均匀放矿，放矿时相邻漏孔间的相互影响基本相同，矿岩界面首先是近似平面状的平缓下降，当矿岩界面在下降到一定高度（极限高度）后开始出现凹凸不平现象。随着矿石的不断放出，矿岩界面的凹凸不平现象愈加明显，直至矿岩界面到达漏孔，在漏孔间形成最初也是最大的脊部矿石残留体。矿岩界面到达漏孔后的放矿成为贫化放矿，当漏孔放出矿石品位达到截止品位时，放矿结束，矿岩界面的形态以及矿石残留体的大小也就最后固定下来。平面放矿时矿岩界面的移动及矿石残留体情况如图所示。平面放矿的矿岩接触面最小，正常情况下放矿产生的矿石损失贫化也是最小。因此，对于有条件的崩落法放矿，都应尽可能采用平面放矿方式。2022年11月21日星期一10 图2-4 平面放矿时矿岩界移动及矿石残留情况1、移动矿岩界面；2、矿石残留体；No1No7、漏孔编号2022年11月21日星期一11 3、立面放矿、立面放矿 亦称依次全量放矿，每个漏孔一次性地放出全部负担的漏孔矿量。立面放矿的矿岩界面在下降过程中出现凹凸不平现象早，矿岩接触面积大，因而产生矿石贫化也大。立面放矿通常用在相邻漏孔放矿没有影响或影响不大、平面放矿的后期以及矿石只有一次回收机会等情况下。立面放矿时矿岩界面移动及矿石残留体情况如下图所示。2022年11月21日星期一12立面放矿的矿岩界面移动及矿石残留体情况 2022年11月21日星期一13 3、斜面放矿、斜面放矿 这种放矿方式介于前面两种放矿方式之间。采用这种放矿方式的主要目的时减少矿岩接触面积，将水平与垂直的两个矿岩接触面变为一个倾斜的接触面。斜面放矿一般用于连续推进的崩落采矿法。斜面放矿的矿岩界面移动及矿石残留体情况如图所示。2022年11月21日星期一14 三、采场边界条件三、采场边界条件 采场的边界条件与矿岩移动规律有着非常密切的关系；它直接影响到矿岩界面的移动过程、矿石残留体的空间位置、形态和数量以及放出体的形态和空间位置等，从而对矿石回收指标产生影响。因此，采场边界条件与矿岩移动过程成为放矿研究的重点之一。采场边界条件的基本形式主要有无限边界、垂直边界和倾斜边界条件等三种边界条件。2022年11月21日星期一15 1、无限边界条件、无限边界条件 无限边界条件下放矿的基本特征是，放矿不受采场边界的限制，放出体是完整的。无限边界条件的矿岩移动过程可用单孔放矿时的情况予以表述。2、垂直壁边界条件（亦称半无限边界条件）、垂直壁边界条件（亦称半无限边界条件）在垂直壁边界条件下放矿，不仅矿岩的移动要受到垂直壁的影响，放出体因受垂直边壁的限制而发育不完全，其形态是不完整的。为分析研究方便，一般可将垂直壁边界下的放出体视为椭球体的一部分，见图所示。无底柱分段崩落法端部出矿就是比较典型的垂直边界放矿。2022年11月21日星期一16 垂直壁（半无限）边界条件放矿 2022年11月21日星期一17 3、倾斜壁边界条件（复杂边界条件）、倾斜壁边界条件（复杂边界条件）在倾斜壁边界条件下放矿，放出体的形态发生变异，既不是完整的椭球体，也不是椭球体的一部分。在这种条件下放矿，除了漏孔间的脊部矿石残留外，还要产生相当数量的下盘矿石残留，见图所示。2022年11月21日星期一18 4、放矿边界条件结语、放矿边界条件结语 对于无限边界和垂直壁边界条件放矿，根据放出体为旋转椭球体或其一部分可以推导出崩落矿岩的移动方程，以移动方程为数学模型建立起的数值模拟理论体系，可以展现崩落矿岩移动过程并预测放矿过程矿石的损失和贫化指标。但是，对于倾斜壁边界条件，由于放出体形态发生变异，迄今尚未建立统一的数学表达式，因而难以建立移动方程进行数值模拟。倾斜壁条件下的放矿可以通过其它方式如计算机随机模拟方式进行。2022年11月21日星期一19 四、崩落法放矿过程中矿石损失与贫化的关系四、崩落法放矿过程中矿石损失与贫化的关系 1、概述、概述 一般来讲，崩落法覆岩下放矿矿石损失与贫化的关系可由下图说明2022年11月21日星期一202022年11月21日星期一21 也就是说，在一定的崩落矿量下，增加放矿量，可以提高矿石回收率，降低矿石损失，但矿石贫化率（岩石混入率）也会随之增加；反之，若减少放出矿量，则会增大矿石损失，但可降低矿石的贫化程度。换句话讲，崩落法覆岩下放矿时矿石损失与贫化之间存在着一种此起彼伏的直接相关关系；国际上也普遍认为如此。（见上图）但是，对于无底柱分段崩落法来讲，特别是矿体开采条件较好（厚度大、倾角陡）的情况，我们的研究表明，事实并非如此。2022年11月21日星期一22 2、无底柱分段崩落法放矿时矿石损失与贫、无底柱分段崩落法放矿时矿石损失与贫化的关系化的关系（不同贫化程度的放矿方式）分段矿石回收率变化情况分段岩石混入率变化情况2022年11月21日星期一23分段纯矿石回收率变化情况矿块纯矿石回收率变化2022年11月21日星期一24无底柱分段崩落法矿石损失与贫化的关系曲线2022年11月21日星期一25 结论：分析上图可以得出以下几个非常重要和有价值的结论：（1）不论是何种放矿方式，就总体来讲，其工业矿石回收率（Qk/Q）与视在矿石回收率（Qc/Q）间都呈近似线性关系，而不是通常认为的二次曲线关系；出矿贫化程度不同，直线有不同的斜率；贫化程度越高，斜率越小。（2）从总体上讲，无底柱分段崩落法多分段放矿时，工业矿石回收率与出矿贫化程度以及贫化率（岩石混入率）都不存在明显的直接相关关系。（3）出矿贫化程度一定时，放出矿石的贫化率（岩石混入率）在整个开采期间却没有太明显的变化，而且这些不太明显的变化主要是由于放矿时实际放矿截止点控制不一致造成；2022年11月21日星期一26 （4）如果矿床地质品位没有大的改变，正常情况下在整个开采期内放出矿石的贫化率（岩石混入率）及品位变化不大。（5）放出矿石贫化率（岩石混入率）与出矿贫化程度直接相关，出矿贫化程度是影响放出矿石贫化率及出矿品位的主要因素。出矿贫化程度越高，采出矿石的贫化率（岩石混入率）就越大。（6）虽然每个步距都有一定比例的纯矿石放出，但由于在装载、运输、转运和储存等工序中与贫化矿石产生混合，如果矿山地质品位没有明显变化，从总体上讲，矿山采出的矿石都是贫化程度相差不大的贫化矿石。（7）只有无贫化放矿，才能得到品位与工业矿石最为接近的采出矿石。2022年11月21日星期一27 上述结论的得出，导致了一种新的放矿方式的产生无贫化放矿方式以及一种新的放矿理论的诞生无贫化放矿理论 无贫化放矿方式的提出，为从根本上解决无底柱分段崩落法矿石贫化严重的问题提供了一个可行的途径。无贫化放矿方式已经包括酒钢镜铁山矿在内的多个矿石成功应用并取得良好效果，创造了该采矿方法的世界最好指标（无底柱分段崩落法的矿石贫化率为68）2022年11月21日星期一28 结语：研究放矿的根本目的在于减少放矿时矿石的损失与贫化，提高采矿的经济效果。为此，许多采矿工作者对崩落法放矿问题进行了大量而卓有成效的研究，取得了丰富的研究成果。就放矿理论来讲，现已基本形成了一个比较完整的理论体系并指导在矿山生产实践中取得了很大的成效。但是，应该看到，现有的崩落法放矿理论还很不完善，特别是对无底柱分段崩落法放矿的研究，不仅不完善，而且有关其放矿规律、矿石残留体的种类及其作用、多分段放矿以及放矿过程中矿石损失贫化关系、结构参数与矿石回收指标的关系等还存在许多片面甚至错误的认识。可以说，正是因为这些问题的存在，使其不能正确指导矿山生产实践，导致无底柱分段崩落法矿石严重贫化问题长期得不到根本解决。2022年11月21日星期一29