不同粒度和堆載形態(tài)下散體瞬時(shí)自然安息角的實(shí)驗(yàn)研究*

賈旭光 陳 曦 李 鑫

(1.徐州市計(jì)量檢定測試中心；2.江蘇省礦用安全監(jiān)測儀器計(jì)量中心；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

不同粒度和堆載形態(tài)下散體瞬時(shí)自然安息角的實(shí)驗(yàn)研究*

賈旭光1，2陳 曦1李 鑫3

(1.徐州市計(jì)量檢定測試中心；2.江蘇省礦用安全監(jiān)測儀器計(jì)量中心；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

為了研究不同粒度和堆載形態(tài)下散體邊坡瞬時(shí)自然安息角，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)方案，將3種粒徑的散體物料分別堆載成平直、凹形、凸形3種幾何結(jié)構(gòu)的散體邊坡，測得不同狀態(tài)下的自然安息角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著物料粒度的增大，散體邊坡自然安息角呈現(xiàn)出增加的趨勢；散體自然堆載其坡面角度連續(xù)變化而并非均勻線性邊坡，平直邊坡和凸形邊坡的自然安息角下部較大、上部較小，凹形邊坡反之；散體顆粒的幾何尺寸對于散體邊坡自然安息角有較大的影響，顆粒圓滑的物料堆載形成的散體邊坡自然安息角較為均勻，邊坡頂面承壓能力較?。焕饷娣置鞯念w粒堆載成的散體邊坡自然安息角度取決于顆?；A(chǔ)面的面積大小，且坡頂面承壓能力較大。

散體邊坡 粒度 堆載 自然安息角 幾何結(jié)構(gòu)

我國目前在建和建成的千萬噸級(jí)露天煤礦達(dá)到30余座，大型露天煤礦的生產(chǎn)離不開大量物料的挖掘、移運(yùn)和堆載。從這種意義上來講，大型現(xiàn)代化露天煤礦的生產(chǎn)，既是在地殼實(shí)體上構(gòu)造空間，又是在空間上構(gòu)造礦山實(shí)體的復(fù)雜過程[1]。揭露煤層需要進(jìn)行大規(guī)模的爆破和剝離，不可避免地形成了采場工作幫、非工作幫、端幫、排土場高陡邊坡[2]。露天煤礦每年排土量多在上億立方米，不同粒度的松散體在不同地點(diǎn)自然堆積[3]，形成了由不規(guī)則松散物料重構(gòu)的露天煤礦松散體邊坡，通過對各種物料的物理力學(xué)性質(zhì)測定與分析，探索不規(guī)則物料邊坡重構(gòu)機(jī)理與時(shí)效特征，對露天煤礦生產(chǎn)安全具有重要意義。

1 露天煤礦開采現(xiàn)狀

我國20世紀(jì)80年代建設(shè)的5大露天煤礦都陸續(xù)進(jìn)入采區(qū)轉(zhuǎn)向階段，為了保證前期經(jīng)濟(jì)效益，一般采用壓幫內(nèi)排，當(dāng)?shù)谝粭l區(qū)剝采作業(yè)完成之后，第二條區(qū)開采時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的二次剝離量[4-5]，剝離成本急劇增長。如圖1。

圖1 條區(qū)間二次剝離量

進(jìn)入后一條區(qū)開采作業(yè)，當(dāng)剝離作業(yè)延伸至煤層頂板時(shí)會(huì)出現(xiàn)三角壓煤[6-7]，土石混合體物料的自然安息角直接決定了三角煤回收高度和回收量。一般情況下時(shí)間比較短，而采區(qū)間壓幫時(shí)間比較長，以堆載[8]散體短期力學(xué)行為為研究對象，分析了不同粒徑和露天煤礦排土場堆載形態(tài)對自然安息角的影響。

2 散體堆載實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

散體堆載實(shí)驗(yàn)是模擬露天礦內(nèi)排土場作業(yè)的相似實(shí)驗(yàn)，按照千萬噸級(jí)大型露天煤礦內(nèi)排土場的幾何結(jié)構(gòu)，1∶30的比例堆載散體臺(tái)階，堆載完成之后模擬現(xiàn)場排土作業(yè)，測定不同粒度物料的自然安息角，并揭示散體臺(tái)階邊坡角與臺(tái)階幾何結(jié)構(gòu)及物料粒度之間的函數(shù)關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)方案為：人工堆載1 m高的散體臺(tái)階邊坡，分別堆載成平直、凹形和凸形邊坡，借助地質(zhì)羅盤和丁字尺測定自穩(wěn)之后的散體邊坡角，調(diào)整散體物料的尺寸，分別測定不同粒度物料的自然安息角。實(shí)驗(yàn)所需材料有：粒徑為1 mm的沙子5 m3，粒徑為5，8 mm的石子各5 m3，直尺、丁字尺、量角器、地質(zhì)羅盤等。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

散體堆載實(shí)驗(yàn)一共分為3個(gè)粒徑級(jí)別φ1=1 mm(沙子)，φ2=5 mm(石子)，φ2=8 mm(石子)。根據(jù)露天煤礦排土場堆載的實(shí)際情況，堆載形成的邊坡結(jié)構(gòu)分別有平直邊坡、凹形邊坡和凸形邊坡。

2.2.1φ1=1 mm沙子的堆載實(shí)驗(yàn)

通過對φ1=1 mm沙子的散體堆載實(shí)驗(yàn)，測得不同結(jié)構(gòu)時(shí)的自然安息角見圖2。

圖2 φ1=1 mm沙子的散體堆載及其自然安息角

從實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果可以看出：①粒徑為φ1=1 mm的沙子，其自然安息角維持在33°～34°，且對于整個(gè)散體臺(tái)階，坡面角度并不是單一角度，而是分段表現(xiàn)為不同的角度，從坡頂面看，從上而下各個(gè)點(diǎn)的角度相差不大，差值小于1°;②對于不同邊坡結(jié)構(gòu)的分段角度，凹邊坡的自然安息角大于平直邊坡，凸邊坡自然安息角最小。

2.2.2φ2=5 mm石子的堆載實(shí)驗(yàn)

對φ2=5 mm的石子進(jìn)行散體堆載實(shí)驗(yàn)，測得不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的自然安息角見圖3。

通過對粒徑φ2=5 mm的石子進(jìn)行散體堆載實(shí)驗(yàn)，可知其自然安息角受到邊坡結(jié)構(gòu)影響很大，凹形邊坡自然安息角可以達(dá)到37°，平直邊坡自然安息角能達(dá)到36°，而凸形邊坡自然安息角僅有33°。因此，不能忽略邊坡幾何結(jié)構(gòu)對于自然安息角的影響，該實(shí)驗(yàn)再次證明凹形邊坡力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)于平直邊坡，優(yōu)于凸形邊坡。對比兩組實(shí)驗(yàn)可以看出，散體物料粒徑對于邊坡結(jié)構(gòu)也存在一定影響，φ2=5 mm的自然安息角明顯大于φ1=1 mm，這主要是由于沙子的粒徑較為均勻，且單一顆粒結(jié)構(gòu)圓滑，其自然安息角即為純粹的自然坍滑至穩(wěn)定狀態(tài)，若坡頂面稍微施加垂直壓力，邊坡就會(huì)進(jìn)一步失穩(wěn)滑塌；φ2=5 mm 的石子自然安息角除了與散體物料之間的摩擦力有關(guān)，還與單一物料幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，石子是帶有明顯棱面的剛性結(jié)構(gòu)，不同面積提供的支撐效果不同，當(dāng)以較小的面作為基礎(chǔ)面時(shí)，易發(fā)生滾動(dòng)滑坡，導(dǎo)致邊坡角降低，當(dāng)以較大的面作為基礎(chǔ)面時(shí)，物料重心投影在基礎(chǔ)面范圍以內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)現(xiàn)象，整體自然安息角較大。

圖3 φ2=5 mm石子的散體堆載及其自然安息角

從坡頂面看，從上而下各個(gè)點(diǎn)的角度相差不大，差值為0°、5°和9°。

2.2.3φ3=8 mm石子的堆載實(shí)驗(yàn)

對φ3=8 mm的石子進(jìn)行散體堆載實(shí)驗(yàn)，測得不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的自然安息角見圖4。

圖4 φ3=8 mm石子的散體堆載及其自然安息角

由圖4可以看出，該散體邊坡自然安息角與φ2=5 mm的石子表現(xiàn)出相似的規(guī)律，凹邊坡角度大于平直邊坡、大于凸邊坡，受到物料顆粒結(jié)構(gòu)影響很大，且φ3=8 mm 與φ2=5 mm的自然安息角較為接近，φ3=8 mm 表現(xiàn)的偏大一些。

從坡頂面看，自上而下各個(gè)點(diǎn)的角度相差不大，差值為1°，5°和7°。

2.2.4 不同粒度的散體邊坡堆載比較

匯總3種粒徑物料分別在平直、凹形、凸形邊坡結(jié)構(gòu)下的自然安息角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 自然安息角實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總

從以上實(shí)驗(yàn)可以得出：散體粒徑角度越大，垂直于邊坡坡頂線的坡面曲線分段越多，表現(xiàn)的越不規(guī)則，進(jìn)一步說明邊坡自然安息角不取決于散體基礎(chǔ)物料的力學(xué)性質(zhì)，而取決于大塊在散體邊坡中所處的位置及其與其他物料的耦合關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1)散體邊坡自然安息角與物料粒度有關(guān)，隨著粒度物料的增大，自然安息角表現(xiàn)出增加的趨勢，實(shí)驗(yàn)過程中φ3=8 mm的自然安息角大于φ2=5 mm 的自然安息角、大于φ1=1 mm的自然安息角。

(2)模擬露天礦排土作業(yè)，得到的散體邊坡并非是一個(gè)均勻線性邊坡，其坡面角度呈現(xiàn)連續(xù)變化規(guī)律，對于平直邊坡和凸形邊坡，自然安息角表現(xiàn)下部較大、上部較小的變化規(guī)律；凹形邊坡自然安息角表現(xiàn)出上部較大、下部較小的變化規(guī)律。

(3)散體物料單一顆粒的幾何尺寸對于散體邊坡自然安息角有較大的影響。結(jié)構(gòu)均勻，物料顆粒圓滑的邊坡，其自然安息角較為均勻，受到邊坡幾何結(jié)構(gòu)的影響較小，此類邊坡坡頂面承壓能力較小，滑塌幾率較大；棱面分明的顆粒堆載成的散體邊坡最終角度取決于顆?；A(chǔ)面的面積大小，面積較大的一側(cè)著地，自然安息角較大，反之，顆粒易發(fā)生滾動(dòng)，自然安息角較小，穩(wěn)定狀態(tài)的此類散體邊坡，坡頂面承壓能力較大。

(4)散體粒徑角度越大，垂直于邊坡坡頂線的坡面曲線分段越多，表現(xiàn)的越不規(guī)則，進(jìn)一步說明邊坡自然安息角不取決于散體基礎(chǔ)物料的力學(xué)性質(zhì)，而是取決于大塊在散體邊坡中所處的位置及與其他物料的耦合關(guān)系。

[1] 才慶祥,周 偉,舒繼森,等.大型近水平露天煤礦端幫邊坡時(shí)效性分析及應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,37(6):740-744.

[2] 任高峰,張世雄.深凹露天礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006，23(4):472-475.

[3] 尚 濤,舒繼森,才慶祥,等.露天煤礦端幫采煤與露天采排工程的時(shí)空關(guān)系[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,30(1):27-29.

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[5] 徐志遠(yuǎn),才慶祥,尚 濤.端幫采煤方法及系統(tǒng)布置的研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006，23(4):406-410.

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[8] 陳柏林,趙 兵,張四維.礦山排土場滾石運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其災(zāi)害防治的研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1998,9(增刊):127-135.

Experiment Research on Instantaneous Natural Repose Angle of Granular Slope under Different Granularity and Stack Form

Jia Xuguang1,2Chen Xi1Li Xin3

(1.Center of Metrological Verification & Measurement;2.Jiangsu Mine Safety Monitoring Instrument Center;3.School of Mines, China University of Mining & Technology)

In order to study the instantaneous natural repose angle of granular slopes with different granularities and loading shapes, a viable experimental program is designed to measure the natural repose angles under various conditions, which are straight slope, concave slope and convex slope made of three different granular materials. The results show that,the natural repose angle of granular slope presents a increasing trend with the growth of particle size; the granular slope is naturally piled, the slope angle of which changes continuously rather than shows a uniform linear relationship, and the natural repose angle of straight slope and convex slope is large in the bottom but small in the top, which is contrary to the one of concave slope; the geometrical sizes of scattered particles apply a significant influence on the natural repose angle of slope, that is, the natural repose angle of slopes which are formed by smooth particles is more relatively even, and the pressure-bearing capacity is small; the natural repose angle of the slopes which are formed of unsmooth particles depend on the dimensions of the particles, and the pressure-bearing capacity is relatively great.

Granular slope, Granularity, Stack, Natural repose Angle, Geometric structure

*2013年徐州市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目“大型復(fù)雜邊坡非接觸邊坡角測量技術(shù)研究”(編號(hào)：XZZD1303)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(編號(hào)：2012AA062004)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：51034005)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(編號(hào)：2011QNA13)。

2014-07-07)

賈旭光(1966—)，男，計(jì)量中心主任，高級(jí)工程師，國家一級(jí)注冊計(jì)量師，221002 江蘇省徐州市。