超低品位磁铁矿矿岩破碎能耗优化研究

来源：SCI期刊网 分类：建筑论文 时间：2021-10-18 08:11 热度：

　　摘要低品位矿山的矿岩破碎能耗问题是绿色矿山假设中节能减排的重要环节。经典破矿理论中矿岩质量和矿石破碎粒径比是能耗的两个主要影响因素。基于内蒙古地区某一露天矿实际情况，为精准有效的降低矿岩破碎能耗，结合破碎功耗学说，采用实验室测得矿岩力学参数b对矿岩质量进行定量化并计算出能耗比，利用不同适用性的能耗公式对多级破碎能耗进行求解，从而分析在各个破矿工序中不同力学性质和粒度的矿岩破碎能耗指标。结果表明：该矿山围岩与矿石力学性质有较大差异，引入力学性质参数b可以有效的表征出能耗差异，提供了优化能耗的依据。针对力学性质差异较大的岩石可以分离后再破碎;在破矿设备和矿岩质量稳定时，且有多级破碎需求时，矿岩每次破碎粒度差异不应过大，矿岩初次破碎应至125mm粒径，后续多级破碎粒度比为40%时能耗较低。

　　关键词能耗优化岩石力学性质破碎能耗粒径比废石利用

　　矿岩破碎是露天矿开采及加工过程中的主要能耗之一。采下的矿石须经粗碎、细碎等环节进行选矿作业，而剥离的废石若能进行充分利用则可减少堆弃场地，又有一定的经济效益。在矿岩破碎过程中，其能耗指标是影响经济效益和绿色生产的主要问题之一。破碎能耗研究的过程中，通过对现场实际破碎效果及能耗情况的分析得出了三大破碎功耗学说[1-4]，分别从面积、体积、裂缝的角度，对岩石破碎过程中功耗进行了统计并得出相应的合理经验公式。明确指出破碎能耗与破矿粒度及矿石本身强度性质的关系。基于此，本文重点研究岩石物理力学属性参数与破碎能耗的关系，以及矿山实际设备不同破碎比的能耗规律，进而优化破碎粒度降低矿岩破碎能耗。

　　对于岩石物理力学属性与破矿能量问题，谢和平、鞠杨等学者[5-7]对岩石破碎能量耗散体系进行了分析，提出了基于能量耗散原理的岩石强度理论与破坏准则，强调了岩石的破碎是由于外部能量输入使得岩石内部产生了损伤进而引发岩石的破碎。明确了岩石本身物理力学属性与其破坏时耗散的能量存在很大关系。然而岩石破碎过程中具体的能耗情况影响因素极为复杂，且试验检测手段受限。鉴于此，部分学者通过声发射等能量监测手段对岩石破碎过程中的能量进行监测和分析[8-10]，有效地确定了外部输入能量的转移传递情况，明确了岩石质量与声发射能量的关系，为能耗分析提供了依据。近期，一些学者研究了岩石破坏过程中能耗情况[11-18]，着重分析了不同加载情况下岩石内部能量的耗散利用情况和不同岩石力学属性对能耗的影响，研究结果表明岩石质量参数能够有效表征岩石破碎能耗指标。

　　关于破矿方式和矿石粒度能耗关系问题，甘德清、郭润楠等[19-22]研究了破矿颗粒分布及破矿方式和能耗情况。结果表明不同破矿方式和颗粒特征都会对破矿能耗有所影响，但整体上单次破碎比与能耗呈现正相关，且单次破碎比越大能耗越高。

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　　基于上述研究，结合矿山实际情况，对不同矿岩进行力学试验从而构建矿岩质量参数，并引入破碎能耗公式求解能耗指标，进而对矿山能耗进行优化分析。同时以矿山实际设备为基础，分析多级破碎能耗中能耗规律，对能耗指标进行求解，较为准确的优化矿山破碎能耗。

　　1岩石力学试验

　　基于对不同力学性质岩石破坏时能量消耗有较大差异的考虑，对该矿山采矿场采出的矿石和上下盘岩石进行了力学性质的试验。由于破矿形式有所不同，对岩石进行了单轴抗压、巴西劈裂抗拉、双轴抗剪等较为全面的测试。

　　1.1岩石试件的制备

　　(1)针对矿山不同区域岩石性质差异，选择从采场矿体中部平台上选取部分岩体，在地质图上对应其岩性并对上下围岩和矿石进行分类。对取回的岩石进行加工以制成实验室内进行单轴抗压试验的符合规则的试件;

　　(2)岩样加工过程中将切割机刀片相对位置调整为100mm，切割后获得上下端面较为平整的岩块。然后利用立式取芯机在规整的岩块表面进行钻取切割。为保证制备的试件完整且尺寸和表面条件达标，在取芯的过程中钻头给进速度选取4mm/min。最后采用端面磨平机对试件两端面进行平整度校准。试样高径比保持2∶1，直径误差不得超过0.3mm，两端面平整度保持在0.05mm以内。制备过程及结果见图1。

　　1.2岩石力学性质测试试验流程

　　(1)单轴抗压试验。岩石单轴抗压强度测定采用wance106微机控制电液伺服万能测试机进行试验，最大垂直加载力为1000kN，试验采用压力控制方式，初始加载给入压力设置为100N，压力速度为500N/s，破坏力识别为15%，在到达极限载荷强度时自动卸载5s，以保证试件破坏后及时撤去加载力。

　　(2)岩石单轴压缩变形试验。试验采用应变数值采集仪、应变片、位移采集器等记录试件在加载过程中的形变状态。分别将应变片贴在岩石试件表面。垂直和水平方向均进行监测。

　　(3)岩石巴西劈裂抗拉强度试验。试验采用巴西劈裂测定岩石抗拉强度，根据要求的劈裂方向，通过试件直径的两端，沿轴线方向画两条相互平行的加载基线，将试件放置在加载板上，调整中心位置，使试件不产生应力集中，以每秒0.3～0.5MPa的速度加载直至破坏。

　　(4)岩石双轴抗剪强度试验。将制备好的试件放置在剪切模具中，模具由硬质合金钢制成，具有较高的强度，变形量很小。本次试验保持一致的法向力，设置为2kN;当法向力稳定后再加载切向载荷，不断对切向载荷进行监测，以0.05mm/s位移进行加载直至破坏。

　　1.3试验结果分析

　　根据测试结果，分别对单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量进行计算;计算结果见表1。从图3可知：相对于上下盘围岩来说，矿石单轴抗压强度较低但抗拉强度和抗剪强度较高，说明矿石相对围岩显延性;而围岩单轴强度较高，抗拉和抗剪强度较低说明其显脆性。

　　2矿石破碎能量分析

　　岩石在破碎过程中需要受到外部的能量输入才能进行相应的失稳开裂，而不同的挤压破碎方式所输入的能量也有所不同，不同的开裂形式所吸收的能量也有较大区别，并且岩石的物理力学性质对能量输入和保存也有一定的影响，因此诸多学者从能耗角度对岩石破碎能量理论进行分析。2.1破岩能耗理论2.1.1吉尔皮切夫和F.基克学说——体积学说矿石破碎过程中具有形变储能等作用，在矿石破坏后其整体体积没有发生改变而形态有所变化。

　　2.2岩石力学性质评价

　　通过对岩石力学性质进行的试验可以得出，矿石和围岩的力学性质分别表现为延性和脆性。选取岩石力学性质中抗压强度σc比抗拉强度σt作为评价岩石脆性和延性的指标b，即b=ssct。代入试验数据结果，b值分别为21.54、12.89、20.34。由式(12)可以看出σ为岩块强度，当采用混合经验公式时可以将岩石脆性指标b作为平均指标带入公式中。即1212ss=bb。此时利用岩石物理力学性质参数选取单位强度1进行对比，可以进一步求出3种不同岩性的k2值分别为14.12、5.54、12.97。由k2值的变化可以看出当其他参数不变时，破碎围岩的能耗远大于破碎矿石的能耗。

　　2.3矿岩初破不同粒径能耗分析

　　根据矿山破碎设备实际情况，可知在初破工序时，进料岩石块度平均尺寸为400mm，出料口为95mm~165mm。

　　通过破碎机理可知，在破矿形式不变的条件下，破碎料强度也保持一致时，k2、Q值取1。破矿能量受矿物颗粒变化影响。由粗料破碎理论式(9)可知，出料粒径为95mm时A2为66.62;当出料粒径为165mm时A2为29.55。此时可以看出破矿粒度对能耗影响非常大。

　　对不同出矿粒度进行分析结果见图4。由图4可知：随着出矿颗粒的增大，能量消耗比逐渐减小出矿颗粒为165mm和95mm时能耗比为29.55和66.62。并且减小速度降低，即出矿颗粒从95mm变化为100mm时能耗比降低了4.37，而出矿颗粒从160mm变化为165mm时能耗比降低了1.57。

　　2.4矿岩多级破碎不同粒径能耗分析

　　根据矿山实际破矿工艺及设备参数可知，主要产出为一定粒径的石子，因此可以采用F.C邦德(Bond)及王文东裂缝学说(1952)代入式(13)，显然整个公式受到岩石力学性质和岩石破碎块度影响，在参数Wi选取为20保持不变时，能耗受块度比变化的影响。分别将不同的粒径，代入式(13)进行计算可以得到该函数变化曲线。由图5可知：粒径差值越小能耗越低，随着粒径差值逐渐增大消耗过多的能量无法将颗粒进一步破碎，造成一定的能量损失。因此选取逐级破碎效果更好。——论文作者：杜广盛1,2武海龙3高云峰3陈世江1,2

文章名称：超低品位磁铁矿矿岩破碎能耗优化研究

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