由 哲¹  李万涛¹  李海洋²  范利超¹

(1.承德承钢黑山矿业有限公司；2.河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司)

摘  要：将首钢密云铁矿尾矿按一定方法分级，取-0.08 mm粒级与水泥熟料、脱硫石膏通过3级混磨形成胶凝材料，然后将胶凝材料与作为骨料的+0.08 mm铁尾矿中的某一粒级混合，并加入减水剂制备成高强混凝土材料。在其他条件一定的情况下，通过正交试验着重考察了骨料粒度、第3级混磨时间、减水剂用量对制品抗压强度的影响。试验结果表明：第3级混磨时间是影响制品抗压强度的主要因素；在合适的条件下，制得的铁尾矿混凝土材料28 d抗压强度高达97.63 MPa，制品中铁尾矿掺量达到70%。

关键词：铁尾矿；高强混凝土材料；混磨时间；抗压强度

崩落法作为一种高效的地下采矿方法，广泛应用于厚大矿体的开采中。其核心工艺是通过崩落矿体并控制放矿过程，以实现矿石的高效回收。然而，崩落法放矿过程中，矿石的损失与贫化问题一直是制约其经济效益的关键因素。矿石损失不仅降低了资源利用率，还增加了后续处理的成本；而贫化则影响了矿石的品质，进而影响选矿效率和最终产品的市场竞争力。因此，如何优化放矿工艺，降低矿石损失与贫化，成为崩落法采矿技术研究中的重要课题。

随着矿山开采深度的增加和矿体复杂性的提高，传统的放矿工艺已难以满足现代矿山高效、低耗、环保的要求，特别是在端帮矿体等复杂地质条件下，如何通过合理的放矿参数设计和工艺优化，实现矿石的高效回收，成为矿山企业亟待解决的技术难题。本研究以黑山铁矿端帮矿体为背景，基于经典的椭球体放矿理论和相似理论^[1]，通过物理模拟实验，系统研究崩落法放矿工艺中的关键参数对矿石回收率与贫化率的影响。

国内外学者在崩落法放矿工艺方面进行了大量研究。早期的研究主要集中在放矿理论模型的建立和放矿过程中矿石流动规律的分析。经典的椭球体放矿理论为崩落法放矿提供了理论基础，该理论认为矿石在放矿过程中会形成椭球体状的放出体，且放出体的形态与放矿参数密切相关^[2]。随着计算机技术的发展，数值模拟方法逐渐应用于放矿过程的研究，能够更精确地模拟矿岩流动和放矿过程中的力学行为。

在放矿工艺优化方面，国内外学者提出了多种放矿方式，如低贫化放矿、端部放矿等，旨在通过控制放矿顺序和放矿量，减少矿石损失与贫化^[3]。然而，现有的研究多集中于单一放矿参数的影响，缺乏对多参数协同作用的系统分析。此外，针对复杂地质条件下的放矿工艺研究相对较少，特别是端帮矿体等特殊条件下的放矿工艺优化仍存在较大的研究空间。

实验通过设计不同放矿顺序、进路布置和放矿量等参数，模拟矿岩流动规律，分析矿石与废石的混杂过程，揭示放矿过程中矿石损失与贫化的机理。预期通过优化放矿工艺参数，提出适用于端帮矿体的放矿工艺方案，为矿山生产提供理论依据和技术支持，推动矿山开采技术的进步与经济效益的提升。

1  物理模拟放矿实验思路

1.1  物理模拟放矿实验的必要性与思路

矿山岩体是极其复杂的复合介质体，因开采而引起的矿岩移动更是一个复杂的力学过程。在采动条件下，岩体中的不同部分、不同时间可能发生着不同性质的变形现象，这些现象形成过程具有不可见性、不可接触性，为理论研究和实际观测带来了很大的困难。同时在矿山真实条件下研究，不仅工作量大，而且费用高、历时周期长，有时对开采参数、工艺、开采顺序的改变有限，测试手段和测试方法也受到限制。而物理相似模拟试验通过用一定的相似材料来构造与实际开采条件相似的模型，来研究实际工程问题。通过在实验室利用相似材料来模拟开采过程，能在较短时间内从一定程度了解采矿过程中的力学过程和移动情况，为解决实际工程问题提供依据，并结合理论与实测参数得到普遍规律和变形机理。

物理相似模拟试验选取与现实采场崩落矿岩散体级配组成、几何尺寸、力学性质相似的矿岩颗粒，在与现实采场结构和放矿系统几何相似的模型上进行模拟试验，使放矿过程在物理上达到近似相似。用此方法直观地观测和人为控制放矿过程，来研究放矿过程的矿岩移动规律，放出体、残留体和矿岩混杂过程，矿石损失贫化过程，分析如何优化选采场结构参数，改革放矿工艺，从而达到降低矿石损失贫化的目的。

1.2  物理相似模拟原理

物理相似模拟实验研究以相似理论，量纲分析，牛顿的力学系统动力相似学说等为理论基础的实验室研究方法，遵循几何相似、运动学相似、动力学相似、初始状态相似、边界条件相似等相似原则相似理论从现象发生和发展的内部规律性和外部条件出发，以这些数理方程所固有的在量纲上的齐次性，以及数理方程的正确性不受测量单位制选择影响等为前提，通过线性变换等数学手段而得到结论。

相似模拟实验通过简化相似条件，在模型上保持同一物理本质而物理量大小成比例的相似现象，并将研究结果推广到实际相似现象中去。在模拟放矿过程中崩落矿岩颗粒移动规律时，选取的材料要符合以下相似原则：

1、几何相似，即模型和实际原型在几何形状上相似，尺寸上满足一定的线性比例，该比例称为几何相似常数。

4、初始状态相似，由于岩体是结构面与结构体的统一体，因此岩体的结构体和结构面的分布情况与其力学特性在模型上要考虑，要满足与原型相似的要求。

5、边界条件相似，即要保证模型与实际原型在边界接触面上的位移和应力状态的一致性，另外运动规律的研究中，终止条件的相似性也应该考虑。

2  放矿试验过程

平面放矿模型是根据采场结构参数，按照一定的相似比，用有机透明玻璃制作而成的物理模型，并按设定的分段高度、进路间距和进路布置形式等要求，制成一系列放矿口进行放矿试验。用这种模型可以模拟采场矿岩的运动规律以及确定矿石损失、贫化指标，确定分段高度、进路间距和崩矿步距等基本参数。

2.1  实验方案

端帮矿体的诱导冒落工程设置在+21 m水平，该分段矿体水平厚度36~76 m，平均厚度56 m，矿体倾角平均70°，矿石的容重为γ=3.26~3.28 t/m3，矿石碎胀系数η=1.12，在+21 m分段以上，矿体最高赋存标高为125 m左右，地质储量在350万 t左右，根据矿体条件、露天采场平面图和地质剖面图Ⅵ、Ⅴ+85和Ⅴ，沿A′-A′ 线作出矿体剖面图，得到矿体形态如图4.1所示。

根据回采方案，在+21 m分段，共设置11个回采进路，1~6#进路回采高度取为21 m，7~11#进路回采高度取为17 m，采区长度220 m，此分段在空场条件下端部出矿，在采场内的崩落矿石，将按放出角被放出一部分，其余部分留在采场，作为散体垫层以削弱冒落气浪的冲击危害，黑山铁矿端帮矿体出矿时将预留5.5 m厚的散体垫层（防止冒落气浪冲击危害）。在下面两个分段除了回收本分段的崩落矿石外，主要回收诱导冒落的矿体。在+3 m分段，共设置13个回采进路，回采进路间距20 m，回采进路尺寸5 m×4 m，崩矿步距为2 m。每条进路均从上盘向下盘退采，放矿方式采用低贫化放矿，即在每次放矿中，放出废石立刻停止放矿。

实验通过平面放矿物理模型，模拟+3 m分段采场实际的放矿过程，通过改变进路的回采方式，来观察矿岩界线移动规律，使矿岩界线平缓下降，减少矿石与废石的接触面积，从而达到降低矿石损失贫化增大回采率的目的，尽可能多的回收诱导冒落矿石。最后，根据平面放矿实验结果，并结合矿山实际生产条件，通过控制各个分段的进路回采顺序和出矿量，制定出合理的出矿管理方案。

本次实验采用平面放矿模型，按设定的分段高度、进路间距和进路布置形式等要求,制成一系列放矿口进行放矿试验。用这种模型可以模拟采场矿岩的运动规律以及确定矿石损失、贫化指标等。根据相似理论，对+3 m分段的采场结构参数、放矿过程等进行相似模拟，按相似比1:500制作结构模型，模型长45厘米，宽为2 cm，高度为50 cm，模拟1~11号进路回采，进路间距4 cm，放矿口为1×1 cm，放矿模型由有机玻璃板构成，并选取与矿岩体性质相符的矿石颗粒和废石颗粒（矿石模型颗粒约为2~3 mm，岩石颗粒为3~4 mm）。

结合黑山铁矿端帮水平以上的矿体形态，在模型后面有机玻璃上，用彩笔绘制出矿岩界线，每次装入的矿石都按照这个界线布置，矿石装完后，再装入6 cm高的废石，然后进行实验。每组实验前，装入4.7 kg左右的矿石和1.1 kg左右的废石，每组实验均采用低贫化放矿，放矿前的矿体初始形态如图2所示。根据不同的实验方案，记录好实验前装入的矿石量和实验结束后回收的矿石量，并算出矿石回收率。

图1  每组放矿实验前矿岩界线初始形态

第一组实验设计：装入4.72 kg矿石，1.1 kg废石，按照1~11号进路顺序放矿，直到每个放矿口放出废石为止，此时矿石残留体形态如图3所示，这种出矿方案可以回收3.4 kg矿石，回收率为72.01%。

图2  第一组实验结束后矿石残留体形态

第二组实验设计：装入4.7 kg矿石，1.1 kg废石，设计两个进路同时回采，按照1号到11号的顺序，两个两个放出，9~11号进路一起放出，直到每个放矿口放出废石为止，此时矿石残留体形态如图4所示，这种出矿方案可以回收3.66 kg矿石，回收率为77.87%。

图3 第二组实验结束后矿石残留体形态

第三组实验设计：装入4.72 kg矿石，1.1 kg废石，设计三个进路同时回采，按照1号到11号的顺序，三个三个放出，10号、11号两个进路同时放出，直到每个放矿口放出废石为止，此时矿石残留体形态如图4所示，这种出矿方案可以回收3.61 kg矿石，回收率为76.48%。

图4  第三组实验结束后矿石残留体形态

第四组实验设计：装入4.7 kg矿石，1.1 kg废石，设计四个进路同时回采，按照1号到11号的顺序，即1~4号进路同时出矿，5~8号同时出矿，9~11号进路同时出矿。直到每个放矿口放出废石为止，此时矿石残留体形态如图6所示，这种出矿方案可以回收3.61 kg矿石，回收率为76.8%。

图5  第四组实验结束后矿石残留体形态

2.2  实验结果及分析

每组实验中装入矿石量、回收矿石量以及回采率见表2.1。

表1  每组实验结果

通过模拟+3 m采场出矿过程，可以得出；对于崩落矿石层较厚和大进路间距的采场出矿时，相邻进路之间的影响比较大，不同的放矿方式和进路回采顺序，所形成的矿石残留体形态也不同，从而影响矿石的损失贫化指标。在第一组实验中，每条进路单独出矿，直到放出废石为止。这种出矿方式，增加了矿岩面接触机会，而且矿石残留体高度都比较大，造成较多的脊部损失，导致回采率低。在第二组实验中，采用两个进路同时出矿，相对于第一组实验的出矿方式，减少了矿岩接触机会，在放矿结束时，所形成的矿石残留体形态比较规整，没有出现较大的脊部残留高度，从而使矿石的回收效果较好，损失贫化小。在第三、四组实验中，增加同时回采进路的个数，虽然减少了矿岩接触机会，但部分进路间所形成的脊部残留体高度较大，影响了矿石的回收效果。在这几组实验中，所形成的矿石残留体虽然可以在下个分段回收，但对于较大的矿石残留体，在下分段回采时，容易提前造成矿石的损失贫化，使部分脊部残留变成永久损失，降低了矿石总体回采率。

3  结  论

（1）在端帮矿体条件下，首采区诱导冒落法可采用双分段采场结构，即第一分段通过形成足够大的连续回采空间诱导上部矿岩冒落，第二分段通过合理控制进路回采顺序与回采方式使冒落矿石得到充分回收，即采用低贫化放矿方式，选用双进路齐头退采方式，对冒落矿石的回收效果最好。

（2）崩落法采矿中，出矿顺序对矿石回收率和贫化率有较大影响，不同的出矿顺序可以使矿岩界线达到不同的形态，从而，形成不同的矿石残留体形态。放矿时，如果形成较规整的矿石残留体形态，有利于增大回采率，降低损失贫化。

（3）物理模拟实验得出，在端帮首采区矿岩条件下，采用低贫化放矿方式，选用双进路齐头退采方式，对冒落矿石的回收效果最好。由实验过程中所拍摄照片，可以发现，放出体基本为椭球体，这完全符合放矿椭球体理论，即放矿过程满足椭球体理论。

（4）由于诱导冒落矿体比较厚大，且采用大结构参数无底柱分段崩落法，相邻进路之间的放矿状态有较大的影响。为了降低损失贫化，增大矿石回采率，需严格按照放矿计划进行放矿。

参  考  文  献

[1]  Cundall P A, Strack O D L. A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Géotechnique, 1979, 29(1): 47-65.

[2]  Brady B H G, Brown E T. Rock Mechanics for Underground Mining[M]. Springer, 2004.

[3]  Wang J, et al. Optimization of ore drawing in block caving mines[J]. Mining Technology, 2018, 127(3): 123-135.