颗粒级配对溜井放矿矿石混合特性的影响①

王刘宝， 刘艳章，2， 李 伟， 蔡原田， 肖金涛， 王 瑾

（1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉430081； 2.武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉430081）

地下生产矿山，由于采场采出矿石的块度大小不 一，级配存在差异，卸入溜井内的矿石在放矿过程中，放出矿石的粒级会发生波动，不利于后续放矿工艺管理。 对于大部分已经投产的地下矿山，溜井结构、贮放矿管理工序等已经固定，颗粒级配成为影响溜井放矿过程中矿石混合特性的主控因素［1］。

近年来有学者以放矿理论为基础，采用标志颗粒法，分析了崩落覆岩下放矿时不同粒度矿石颗粒的运移、渗透特性［2-3］及放出矿石品位变化特征［4-6］；还有学者通过室内小型物料分级模拟试验，分析了粒径对物料分级特性的影响［7-9］。 上述关于散体物料混合、分级的研究，对分析溜井放矿过程中矿石混合特性具有一定的借鉴意义，但由于溜井结构构造及井内散体受限状态不同，上述研究成果并不完全适用于溜井。本文以湖北金山店铁矿主溜井放矿过程为背景，定义中值粒径偏析量作为矿石混合特性的定量评价指标，借助相似试验、数值模拟等手段，分别采用不同品位矿石，研究了主溜井放矿过程中颗粒级配对矿石混合特性的影响，为金山店铁矿主溜井入井矿石级配控制提供指导。

1 工程概况

金山店铁矿分东、西两个采区回采矿石，其中，东采区采出矿石品位平均为30%～35%，西采区采出矿石品位通常比东采区高5%～15%，平均为50%左右。该矿采用无底柱分段崩落法回采矿石，阶段高度70 m，目前，生产作业主要集中在-410 m 水平，该水平采出的矿石经-410 m 卸载站卸入-410 ～-480 m 主溜井，经-480 m 破碎站破碎后由箕斗提升至地表。

金山店铁矿-410 ～-480 m 水平主溜井采用圆形水平断面结构布置，包括溜矿段和贮矿段两部分，如图1所示。 该水平溜井贮矿段高度38.0 m，贮矿段上部为矿仓，直径6 000 mm，其表面喷射C30 混凝土支护，贮矿段下部为放矿漏斗，其结构形似直角圆锥台［10-11］，放矿漏斗上、下口直径分别为6 m 和3 m ，高4.284 m，放矿漏斗角55°，采用钢衬板支护漏斗壁。 主溜井内矿石粒径分布在0 ～60.0 cm 范围内，具体粒径分布如表1 所示。 实际生产中，由于0 ～15.0 cm 矿石粒度远小于井内其他矿石粒度，几近粉状，通常将该范围内的矿石称为粉矿［12］，其含量通常在11%～19%范围内波动。 贮矿高度一般控制在25.0 m。

图1 -410～-480 m 水平主溜井结构示意

表1 -410～-480 m 水平现场矿石粒径范围及质量占比

2 矿石混合特性相似试验

2.1 相似试验条件

本文采用文献［13］中构建的溜井溜放矿相似试验平台，开展相似试验研究。 试验中的溜井井筒模型由C30 混凝土制备，该溜井井筒模型制备的几何相似比和应力相似比同为40、矿石密度与现场放矿密度一样，即矿石密度相似比为1。 试验用矿石分别取自矿山东、西采区生产现场，其中，西采区取样3 次，矿样品位编号分别为G1、G2和G3；东采区取样4 次，矿样品位编号分别为G4、G5、G6和G7。 对取回的代表性矿样进行TFe 品位化验和密度测定，化验及测定结果如表2 所示。

表2 矿样品位及其密度

根据表2 所得结果，采用回归分析法，对品位与密度的关系进行拟合，拟合方程为：

由式（1）可知，矿样品位与其密度呈线性正相关，矿样密度越大，其品位越高。 此外，线性相关系数的平方值R2＝0.970 6，趋近于1，表明两者的线性度较高。

根据现场矿石粒径范围，按几何相似比制备试验矿样（见表3），试验过程中按表3 中的矿石粒径进行调控。 为了排除其它因素对研究结果的影响，采用烘干矿样（含水率为0%）进行研究。

表3 试验矿样粒径

2.2 相似试验方案设计

有研究指出，溜井放矿过程中，井内小粒径矿石和粉矿是影响放出矿石混合特性的重要因素，其中，粉矿由于其较好的渗透性，对放出矿石混合特性影响最强［14］。 根据金山店铁矿主溜井内矿石的实际级配及粉矿含量，设计了以2%粉矿含量为梯度，11%～19%范围内5 种不同粉矿（粒径范围0～15.0 cm）含量的级配方案，并采用G1～G7共7 种不同品位的矿样分别对每一级方案进行放矿试验。 研究方案如表4 所示。

表4 研究方案

表4 中，Gi表示矿样品位编号，i 表示品位序列，i＝1～7。 Pj表示级配方案编号，j 表示级配方案序数，j＝1～5；k 表示粒径范围编号，k ＝1 ～4；ωjk表示各粒径范围矿石的质量比例。

表4 所示的研究方案中，各级配方案下粉矿（0 ～15.0 cm）含量ωj1已知，在计算各级配方案下其他粒径范围的质量比例时，以同一级配方案下各粒径范围质量比例之和等于1 为基本原理，以粉矿含量为15%对应级配方案中各粒径范围的质量比例为基准（即表4中的ω3k），依据下式计算其他方案中各个粒径范围矿石对应的质量比例［15］。

式中j 为级配方案序数，j＝1～5；k 为粒径范围编号，此处k ＝2，3，4，特别地，由于k ＝1 时对应的各方案中粉矿含量已认为设定，故无需再计算ωj1。

2.3 矿石混合特性评价指标

主溜井放矿过程中，使用中值粒径这一指标评价放出矿石的混合状况，可以较直观地反映放出矿石颗粒分布和混合状况，但是，其值只能对单一级配下的矿石混合状况进行评价，一旦需要对多种级配方案下的矿石混合状况进行比较及评价时，由于多种级配方案下放矿前入井中值粒径的不同和放矿后混合矿样中值粒径的差异等因素，使得中值粒径这一指标对多种级配方案间矿石混合状况及级配的变化特征难以做出直观明晰地比较。 本文以前文所述的中值粒径为基础，定义中值粒径偏析量（MDS）研究多种级配方案间矿石混合状况和级配变化特征。 中值粒径偏析量（MDS）为一个相对量，由放出混合矿样的中值粒径（d50）与放矿前初始中值粒径（d50′）的差值与d50′相比所得：

2.4 相似试验结果

放矿前，根据矿石粒径分布曲线，得到不同级配方案下放矿前的初始不均匀系数、曲率系数和中值粒径如表5 所示。

表5 放矿前各级配方案初始参数

颗粒间不均匀系数和曲率系数是判定颗粒级配情况、密实性能的两个重要指标，只有当不均匀系数超过5 和曲率系数处于1 ～3 范围内时，方可判定颗粒密实度较高、级配良好［16］。 分析表5 中的GiP1～GiP5可知，各级配曲线的曲率系数均在1 ～3 之间，但不均匀系数均小于5，不满足颗粒级配良好和高密实度条件，因此，这5 种级配方案下，颗粒彼此间的密实程度不高。

试验过程中，按表4 中各研究方案下既定的级配要求，首先将同一品位、不同粒径的矿石均匀混合，再将混合均匀后的矿样注入溜井井筒模型至625 mm处，待混合均匀的矿样注入井筒模型内静置0.5 h 后，再分次抽开放矿漏斗角底部放矿板，每次放出高度125 mm，共分5 次放矿。 根据放出矿样结果，统计放出矿样不同粒径矿石质量，绘制放出矿样粒径分布曲线，可得到不同方案下放出混合矿样的中值粒径如表6 所示。

表6 相似试验中不同研究方案下放出混合矿样中值粒径

3 矿石混合特性数值模拟

3.1 数值模型建立

根据金山店铁矿主溜井结构，采用PFC3D 离散元数值分析软件建立主溜井贮矿段数值模型，如图2 所示。 数值模型中的井壁和放矿漏斗均由“make walls command”命令生成，矿石颗粒则由“generate balls”命令随机生成。 主溜井的其他尺寸参数同图1 保持一致，贮矿高度仍为25.0 m。

图2 主溜井贮矿段数值模型

为了满足级配要求，放矿前，需不断调整矿石颗粒的生成数目，并对颗粒体积进行统计，通过颗粒密度换算为相应的质量，经多次调整，使生成的矿石颗粒满足试验方案中的级配要求。 根据试验测定的矿石及井壁支护材料的物理力学参数，参照文献［14］采用文献调研及散体剪切试验等方法确定的材料属性参数，本文数值计算采用的材料参数见表7。

表7 数值计算材料参数

3.2 数值模拟结果

数值模拟过程中，将注入溜井内的矿石分5 次放出，每次放出高度为5 m。 根据放出矿样结果，统计放出矿样不同粒径矿石质量，绘制放出矿样粒径分布曲线，可得到不同方案下放出混合矿样的中值粒径，如表8 所示。

4 相似试验结果与数值模拟结果对比及分析

根据相似试验和数值模拟得到的不同方案下放出混合矿样中值粒径（d50），并结合相似试验和数值模拟的放矿前初始中值粒径（d50′），通过中值粒径偏析量计算公式得到所有研究方案下的MDS。 同一级配方案，不同品位矿石计算所得MDS 的相似试验与数值模拟对比结果如图3 所示。

表8 数值模拟中不同研究方案下放出混合矿样中值粒径

续表8

同一品位、不同级配方案下，相似试验与数值模拟计算得到的MDS 对比结果如图4 所示。

图3 同一颗粒级配下中值粒径偏析量对比

分析图3 和图4 可知，由于相似试验过程中放矿分为5 次，多次的贮放矿过程，尤其是放矿初始和停止时刻，井内部分品位矿石发生碰撞破碎，使得该品位矿石放出质量较放矿前质量些许减少，进而造成部分方案下的放出矿石中值粒径发生波动，但对比相似试验和数值模拟结果可知，两者的变化情况基本一致。此外，由图3 和图4 分析可知，同一级配方案下，不同品位矿石放矿计算得到的MDS 变化趋势基本一致，随着放矿品位升高，MDS 均不断减小；同一放矿品位下，粉矿含量占比增加，MDS 变化情况由小变大。 当级配方案中粉矿含量占比为13%时，相似试验和数值模拟计算得到的MDS 均最小，放出矿石中值粒径波动情况最小，该粉矿含量下放出矿石混合均匀，混合状况最优。

图4 同一品位下中值粒径偏析量对比

同一级配、不同品位下，随着入井矿石品位升高，前3 次放矿所得放出矿石中值粒径越大，而后2 次放矿所得放出矿石中值粒径越小。 分析上述变化情况，原因可能为：入井矿石品位越高，其密度越大，井内矿石颗粒密实性越高，小粒径的矿石越难以向放矿口渗透，使得前3 次放矿小粒径矿石量占比越小，放出矿石中值粒径越大，后2 次放矿小粒径矿石量占比越大，放出矿石中值粒径越小。 随着入井矿石品位升高，井内矿石密实性越高，小粒径矿石渗透作用越弱，放出矿石中值粒径波动幅度逐渐减小，MDS 越小，矿石混合状况越好。

同一品位、不同级配下，随着级配中粉矿含量的增加，放出矿石中值粒径及MDS 表现出上述变化的原因可能为：研究方案中入井矿样密实性较低，大颗粒间空隙大，小颗粒向放矿口渗透性强，前2 ～3 次放矿中，小粒径矿石量占比大，放出矿石中值粒径偏小，后2 ～3次放矿，由于放出矿石中小粒径矿石量占比小，放出矿石中值粒径偏大。 同一品位下，随着级配中粉矿含量由11%逐渐增大至17%，井内矿石密实性逐渐增大，小粒径矿石渗透性能逐渐减弱，使得MDS 逐渐减小；当级配中粉矿含量增至19%时，矿石密实性能相对较高，小粒径矿石渗透性能较弱，在放矿过程中，井内矿石易在粉矿和其他级配的矿石相互作用下形成平衡拱进而破坏井内矿石正常流动，使得放出矿石中值粒径偏析程度和波动幅度变大。

5 结 论

1） 同一级配方案下，不同品位矿石放矿计算得到的放出矿石MDS 变化趋势基本一致，随着入井矿石品位升高，放出矿石MDS 均不断减小，表明矿石混合情况变好。

2） 同一品位、不同级配下，级配中粉矿含量占比增加，放出矿石MDS 表现为先减小后增大，表明矿石混合情况先变好再变差。

3） 级配方案中粉矿含量占比为13%时，此级配方案下放出矿石MDS 最小，表明矿石混合情况最优。

4） 中值粒径偏析量（MDS）统一了不同级配方案下放出矿石中值粒径波动的比较标准，便于不同级配方案之间的比较，较好地反映了不同级配下矿石的混合特性。