·1112 工程科学学报，第37卷，第9期 山约占25%.崩落法采矿的特点是崩落矿旷石与覆盖废 值仿真，对比分析平面放矿和立面放矿两个不同的放 石直接接触，并且在废石的包围下从放矿口放出，因此 矿方案的优劣 放矿的损失率和贫化率较大：若放矿过程管理不当或 本文在总结放矿理论研究现状以及放矿数值模拟 采场结构参数设计不合理，放矿结果将会进一步恶化， 方法与应用现状的基础上，采用P℉C”程序构建具有 从而造成矿产资源的浪费和企业经济效益的下 矿石散体细观力学性质的放矿模型，开展崩落法采矿 降习.因此，放矿理论及技术的研究具有十分重要的 中放出体流动特性影响因素研究，运用统计学知识确 意义 定对放出体流动特性有显著影响的主要因素及其敏感 目前，放矿理论主要有椭球体放矿理论4和随 性，得出其与放出体流动特性的关系，并通过已有研究 机介质放矿理论6-刀两种.其中，椭球体放矿理论在第 结论与模拟结果的对比分析，验证了基于PC”程序 一类边界条件即无限边界条件下与实际比较吻合，由 的放矿模型在放出体流动特性影响因素研究中的适宜 于其具有实用性和实践性等特点，因此在崩落法放矿 性与可靠性 理论研究中一直占主导地位，国内外从事这一理论研 1 数值模拟 究的人最多，应用也最为广泛：随机介质放矿理论基于 散体移动概率密度方程推导建立的散体移动速度、颗 1.1实验设计 粒移动迹线、放出体形态等方程能与许多研究者所进 影响放出体流动特性的因素很多，主要包括矿岩 行的室内物理模拟实验结果相符合，且仿真度较高，解 散体颗粒的形状与粒径、矿岩散体特性参数（内摩擦 决问题有效性强，因而在实际中有着广泛的应用. 角、内聚力、松散系数等)、放矿口尺寸等.图1为 物理实验在放矿领域的应用由来已久且意义重 放出体(isolated extraction zone)及松动体(isolated 大，目前国内外学者已进行大量放矿物理实验研究. movement zone))的主要参数.图中hz和hz分别表示 例如，国外Laubscher阅和Castro先后通过以砂子和 放出体及松动体的高度，0z和0a分别表示放出体及 砾石为介质的物理放矿实验对崩落矿岩的流动规律及 松动体的宽度 影响因素等问题进行研究，剖析崩落矿岩流动机理，推 动了放矿领域研究的快速发展.国内的陶干强等▣ 松动体 和王洪江等如通过崩落矿岩散粒体流动性能放矿实 验对散体材料、颗粒尺寸、放矿口大小、含水量等主要 影响因素进行了研究，对矿山采矿设计参数的确定及 矿石损失贫化的降低具有重要意义. 计算机仿真放矿技术在放矿研究中的应用2 十分广泛全面，同时也很方便快捷，例如可以随机模拟 采场结构参数及矿体条件对矿石回收指标的影响。 放出体 PF℃是基于细观离散元理论（又称为颗粒元理论）开 发的一种商业数值软件，主要应用于岩石类材料基本 特性、岩石类介质破裂机理与演化规律、颗粒物质动力 响应等基础性问题的研究-.国内外广大采矿工作 者已基于P℉C程序在放矿研究方面取得诸多成果.例 图1放出体及松动体的主要参数 如Pierce运用PFCD程序研究放矿过程中细小颗粒 Fig.I Major parameters of the isolated extraction zone and isolated movement zone 的渗流问题，并基于实验结果提出渗流率方程.Loig 和Cundall基于PFC"数值模拟所得出的结论开发了 为研究放出体流动特性，主要考虑的影响因素为 可以快速模拟放矿过程的程序REBOP(rapid emulator 散体颗粒形状（本次实验中颗粒形状以颗粒长短轴比 based on PFC3).在国内，王连庆等n以自然崩落 表示，共包括1.0及1.5两种长短轴比的颗粒)、散体 采矿法为研究对象，以某镍铜矿的地质条件及矿岩物 颗粒粒径、散体颗粒摩擦系数以及放矿口尺寸.针对 理力学性质为依据，基于二维颗粒流数值模拟的原理 上述四种影响因素，对放出体高度设计四因素三水平 和方法采用数值模拟的方法分析自然崩落法的崩落规 正交试验，因此共进行9次数值实验，且每次实验分别 律.刘志娜等9结合大治铁矿东采场车间工程条件， 记录20、50、80、140、200、300、400和5001共8个不同 基于PFC2”对其无底柱采场结构参数进行优化研究. 放矿量时的放出体高度，实验参数设计见表1.需 王培涛等m基于P℉C2对无底柱分段崩落法覆岩下放 要说明的是颗粒形状一栏中的百分数为该形状的颗粒 矿的崩落矿岩移动规律以及矿石损失贫化过程进行数 在总颗粒中所占比例.工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 山约占 25% ． 崩落法采矿的特点是崩落矿石与覆盖废 石直接接触，并且在废石的包围下从放矿口放出，因此 放矿的损失率和贫化率较大; 若放矿过程管理不当或 采场结构参数设计不合理，放矿结果将会进一步恶化， 从而 造 成 矿 产 资 源 的 浪 费 和 企 业 经济效益的下 降［1--3］． 因此，放矿理论及技术的研究具有十分重要的 意义． 目前，放矿理论主要有椭球体放矿理论［4--5］ 和随 机介质放矿理论［6--7］两种． 其中，椭球体放矿理论在第 一类边界条件即无限边界条件下与实际比较吻合，由 于其具有实用性和实践性等特点，因此在崩落法放矿 理论研究中一直占主导地位，国内外从事这一理论研 究的人最多，应用也最为广泛; 随机介质放矿理论基于 散体移动概率密度方程推导建立的散体移动速度、颗 粒移动迹线、放出体形态等方程能与许多研究者所进 行的室内物理模拟实验结果相符合，且仿真度较高，解 决问题有效性强，因而在实际中有着广泛的应用． 物理实验在放矿领域的应用由来已久且意义重 大，目前国内外学者已进行大量放矿物理实验研究． 例如，国外 Laubscher ［8］和 Castro ［9］先后通过以砂子和 砾石为介质的物理放矿实验对崩落矿岩的流动规律及 影响因素等问题进行研究，剖析崩落矿岩流动机理，推 动了放矿领域研究的快速发展． 国内的陶干强等［10］ 和王洪江等［11］通过崩落矿岩散粒体流动性能放矿实 验对散体材料、颗粒尺寸、放矿口大小、含水量等主要 影响因素进行了研究，对矿山采矿设计参数的确定及 矿石损失贫化的降低具有重要意义． 计算机仿真放矿技术在放矿研究中的应用［12--13］ 十分广泛全面，同时也很方便快捷，例如可以随机模拟 采场结构参数及矿体条件对矿石回收指标的影响． PFC 是基于细观离散元理论( 又称为颗粒元理论) 开 发的一种商业数值软件，主要应用于岩石类材料基本 特性、岩石类介质破裂机理与演化规律、颗粒物质动力 响应等基础性问题的研究［14--15］． 国内外广大采矿工作 者已基于 PFC 程序在放矿研究方面取得诸多成果． 例 如 Pierce ［16］运用 PFC3D 程序研究放矿过程中细小颗粒 的渗流问题，并基于实验结果提出渗流率方程． Lorig 和 Cundall 基于 PFC3D 数值模拟所得出的结论开发了 可以快速模拟放矿过程的程序 ＲEBOP ( rapid emulator based on PFC3D ) ［17］． 在国内，王连庆等［18］以自然崩落 采矿法为研究对象，以某镍铜矿的地质条件及矿岩物 理力学性质为依据，基于二维颗粒流数值模拟的原理 和方法采用数值模拟的方法分析自然崩落法的崩落规 律． 刘志娜等［19］结合大冶铁矿东采场车间工程条件， 基于 PFC2D 对其无底柱采场结构参数进行优化研究． 王培涛等［20］基于 PFC2D 对无底柱分段崩落法覆岩下放 矿的崩落矿岩移动规律以及矿石损失贫化过程进行数 值仿真，对比分析平面放矿和立面放矿两个不同的放 矿方案的优劣． 本文在总结放矿理论研究现状以及放矿数值模拟 方法与应用现状的基础上，采用 PFC3D 程序构建具有 矿石散体细观力学性质的放矿模型，开展崩落法采矿 中放出体流动特性影响因素研究，运用统计学知识确 定对放出体流动特性有显著影响的主要因素及其敏感 性，得出其与放出体流动特性的关系，并通过已有研究 结论与模拟结果的对比分析，验证了基于 PFC3D 程序 的放矿模型在放出体流动特性影响因素研究中的适宜 性与可靠性． 1 数值模拟 1. 1 实验设计 影响放出体流动特性的因素很多，主要包括矿岩 散体颗粒的形状与粒径、矿岩散体特性参数( 内摩擦 角、内聚力、松散系数等) 、放矿口尺寸等［10］． 图 1 为 放出 体 ( isolated extraction zone ) 及 松 动 体 ( isolated movement zone) 的主要参数． 图中 hIEZ和 hIMZ分别表示 放出体及松动体的高度，wIEZ和 wIMZ分别表示放出体及 松动体的宽度． 图 1 放出体及松动体的主要参数 Fig． 1 Major parameters of the isolated extraction zone and isolated movement zone 为研究放出体流动特性，主要考虑的影响因素为 散体颗粒形状( 本次实验中颗粒形状以颗粒长短轴比 表示，共包括 1. 0 及 1. 5 两种长短轴比的颗粒) 、散体 颗粒粒径、散体颗粒摩擦系数以及放矿口尺寸． 针对 上述四种影响因素，对放出体高度设计四因素三水平 正交试验，因此共进行 9 次数值实验，且每次实验分别 记录 20、50、80、140、200、300、400 和 500 t 共 8 个不同 放矿量时的放出体高度 hIEZ，实验参数设计见表 1． 需 要说明的是颗粒形状一栏中的百分数为该形状的颗粒 在总颗粒中所占比例． ·1112·