0 引言

自1895年自然崩落法在美国试验成功以来，经过100余年的不断发展，目前已在美国、加拿大、智利、印尼、南非、菲律宾等20多个国家的50多座矿山中得到了应用。自然崩落法已经成为一种生产能力大、劳动生产率高、开采成本低廉、工艺简单、作业安全性好的地下采矿方法，在条件适宜的金属矿山普遍受到欢迎，它是目前唯一可与露天开采相媲美的一种地下采矿方法^[1]。

自然崩落法虽然具有上述的一些优势，但在我国有色金属矿山应用并不广泛，国内应用比较成功有中条山的铜矿峪，而金川三矿区应用该法开采贫矿尚处于可行性研究阶段。自然崩落法在我国有色金属矿山应用不广，除与矿山开采岩体质量有关外，还与我国现阶段自然崩落法放矿控制研究不成熟密切相关，放矿好坏将直接关系到自然崩落法应用的成败，而放矿贫化是衡量放矿控制的一个标准。

自然崩落法放矿基本上都是在覆盖岩层下进行的，废石很容易混杂到矿石中，造成放出矿石的贫化。对覆盖岩层下放矿的研究，其主要的方式还是通过室内模拟实验，从崩落矿岩散体物理力学性质着手，分析矿岩颗粒在放出过程中的流动特性，进而对放矿贫化过程进行研究，探明其影响因素。

1 矿岩散体性质及流动特性 1.1 崩落矿岩散体性质

崩落矿岩是一种非理想的散体介质^[2]。受崩落岩体物理力学性质、崩落速度等因素影响，崩落矿岩一般块度较大，且分布极为不均匀，同时，矿岩在几何形状上也存在很大差异。矿岩散体其物理性质存在的上述差异，在很大程度上决定了矿岩流动特性，是放矿贫化研究的重要内容。

1.1.1 块度不均匀性

覆盖岩层下放矿，放出矿石贫化与矿岩块度大小、颗粒级配有很大关系。当矿岩层颗粒大于覆盖层废石颗粒时，放矿中最常见的一个特点就是细小颗粒的渗透作用，造成放出矿石的提前贫化。崩落矿岩的不均匀性可以用块度不均匀系数K_b来描述^[3]，即：

(1)

式中：K_b——块度不均匀系数；

σ——标准离差；

d_dj——几种不同等级矿岩块的平均直径；

d_pj——某一级块度的平均直径；

μ_i——相应某一级块度所占重量百分比。

1.1.2 孔隙率

崩落矿岩松散性的一个重要特征，是矿岩块之间有较多的孔隙，矿岩散体间的孔隙用孔隙率来衡量。根据矿岩松散体结构的不同，其孔隙率也不同。块矿结构的孔隙率较大，粉矿结构的孔隙率较小；同时，孔隙率大小能反映矿岩散体的压实情况，以及放矿过程矿岩二次松散状况。孔隙率越大，散体间孔隙越多，矿岩流动性越好，细小颗粒渗透性越强，放矿越容易产生提前贫化^[3]。

1.2 崩落矿岩流动特性

在矿岩放出过程中，对于单个矿岩颗粒，其本身具有不可压缩和变形的固体性质；对于整个矿岩散体来说，矿岩散体又具有流动性。崩落矿岩在空间的流动非常复杂，矿岩颗粒不仅有朝放矿口方向的刚体运动，同时在颗粒之间还存在一定的相对滑动、滚动等运动形式。就单一的矿岩颗粒来说，其运动具有很大的随机性，但整体移动又表现出一定的规律性。

1.2.1 压力平衡拱

放矿过程中由于受放矿口大小的限制，不能使所有的矿岩颗粒都自由下落，这样势必会造成放矿口上部矿岩颗粒的相互挤压，从而形成压力拱，拱上矿石处于一个暂时稳定平衡状态，如图 1所示。

图中的这种压力拱往往是不稳定的，拱在上部矿岩重力作用下，其平衡状态很容易被破坏。在平衡拱破坏的瞬间，矿岩接触面上的废石会混杂到矿石中，随矿石一起从放矿口放出，从而形成矿岩接触面上的贫化。

1.2.2 矿岩颗粒运动特点

从整个放矿过程来看，平衡拱的形成和破坏交替进行，拱形成时矿岩流动瞬间停止，拱破坏后矿岩继续流动，矿石的放出呈现脉动过程，如图 2所示。

矿石放出时形成的脉动过程，使颗粒大小不同的矿岩向下运动速度也不同，小颗粒向下运动速度要明显大于大颗粒。所以，小颗粒废石往往能以更快的速度到达放矿口，造成放矿的提前贫化。细小颗粒运动的形式大体上有三种：随大块一起运动、在大块上或其间的自由滚动和在大块间自由下落运动，如图 3中（a）、（b）和（c）^[2]所示。

2 放矿贫化模拟实验及分析 2.1 实验模型

根据上面对矿岩流动特性分析，结合实验的方法对矿石贫化进行研究。实验中分别采用了不同矿石颗粒组成和废石颗粒组成，实验模型采用单体放矿模型，模型尺寸为50cm×50cm×150cm；放矿口位于模型底部的中央，尺寸为4cm×4cm；漏斗斜面倾角为58°，漏斗高度为12cm，出矿巷道为4cm×4cm，见图 4所示。

由于在实验过程中很难直接观测到矿岩的流动情况，为监测放矿高度与贫化的关系，在矿石中布置标志性颗粒，特别是在矿岩接触面附近，每隔2cm布置一层标志性颗粒^[4,5]。

2.2 矿石块度组成对放矿贫化的影响

为研究崩落矿岩散体块度不均匀系数与放矿贫化的关系，进行了3种不同矿石块度组成下的放矿实验。矿石经筛分后，分别配成3种不同块度组成的实验物料，矿石块度组成见表 1，放矿实验结果见表 2。实验中所用的覆盖层废石为小于16mm，且含有各粒级颗粒大小的大理岩，矿岩散体不均匀系数可由公式（1）求得。实验1中矿石块度不均匀系数K_b= 0.472；实验2中矿石不均匀系数K_b=0.546；实验3的中矿石块度不均匀系数K_b=0.449。

由表 1、表 2可以看出，实验1、实验2和实验3放矿都产生了提前贫化。在实验1和实验2中，当增大矿石块度不均匀系数时，矿石块度组成越不均匀，废石层细小颗粒向下渗透速度越快，放矿提前贫化高度越小，放出矿石越容易出现过早贫化；反之，放矿提前贫化高度增加，放出矿石提前贫化率越小。但矿石提前贫化不仅与矿石块度不均匀系数有关，还与矿石中大块含量有关。从实验1和实验3可以看出，当矿石块度不均匀系数相差不大时，减少粉矿含量，增加大块含量，矿石中孔隙率增大，废石细小颗粒越容易提前到达放矿口，放矿贫化高度减小，贫化率增大。

上述实验结果是通过放出的标志性颗粒确定，为验证其可行性，对放矿过程进行摄影拍照，在每放出一定矿石量后对放出体拍摄一张照片，直到放出矿石中出现废石颗粒。

图 5分别为实验1、实验2和实验3矿石贫化时的放出体形状。在图 5中，（a）中放出体最下面废石颗粒基本上是到达放矿口时，放出矿石才出现贫化的，这说明了放矿贫化主要是发生在矿岩接触面上的贫化；（b）和（c）中放出体最下面废石颗粒都是还没有到达放矿口时，放出矿石就出现贫化，说明放矿进入了提前贫化过程。这与上面通过标志性分析的结果相吻合，所以，矿石贫化中是提前贫化还是矿岩接触面上的贫化占主导地位，与矿石块度组成有很大关系。

2.3 覆盖层废石颗粒组成对放矿贫化的影响

放矿提前贫化不仅受矿石颗粒组成的影响，还与覆盖层废石颗粒的大小有关。实验中，固定矿石颗粒组成，采用3种不同覆盖层废石颗粒组成进行实验^[6]。实验中废石和矿石颗粒组成见表 3，实验结果见表 4。

由表 3、表 4可知：当废石颗粒不小于矿石颗粒时，在放矿高度达到90cm时，废石细小颗粒渗透贫化也不大；但当废石层细小颗粒含量增加时，放出矿石的贫化则明显增加。由此可见，废石层颗粒组成对贫化率大小影响较大。所以在研究放出矿石渗透贫化时，不仅要研究矿石块度组成对放矿贫化的影响，还要考虑废石层颗粒大小的影响，特别是细小废石颗粒的含量。

3 结论

通过对崩落矿岩散体性质及流动特性分析，结合放矿实验研究，可以得出以下结论：

（1）自然崩落法覆盖岩层下放矿，矿岩块度组成是引起矿石贫化的重要因素之一。矿石块度不均匀系数越大，放矿越容易出现提前贫化，其产生原因主要是废石层中细小颗粒的渗透作用。

（2）当矿石块度不均匀系数相差不大时，大块含量较多的矿石由于孔隙率大，废石细小颗粒渗透作用明显，放矿贫化高度减小，贫化率增大。