端部出礦下散體礦石流側壓力分布規(guī)律研究

盧皎旭　溫彥良　鄧登文　龍建宇

摘 要：針對端部出礦情況下礦石損失率和貧化率較高的問題，根據(jù)實際礦山參數(shù)，進行了放礦前和放礦中散體礦石側壓力分布的相似模擬研究。研究結果表明，散體側壓力有明顯的分區(qū)性，堆積高度較低時側壓力隨高度增加而迅速增加，堆積高度超過某一值后，受顆粒水平摩擦力的影響，側壓力增速明顯變緩；放礦過程中，放礦口附近散體側壓力迅速降低，上部散體存在側壓力逐漸升高的趨勢，反映結拱的具體位置，研究結果對礦山生產(chǎn)具有一定的指導作用。

關鍵詞：端部出礦 散體側壓力 損失 貧化

中圖分類號：TD8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0056-02

無底柱分段崩落法在地下鐵礦山的應用非常廣泛，目前，采用該方法采出的鐵礦石占地下鐵礦山礦石總量80%左右[1-2]。該方法具有采場結構簡單、靈活，生產(chǎn)安全性好的優(yōu)點，同時由于該方法的出礦采用覆蓋巖層下的端部出礦，放礦中礦石的損失率和貧化率較高，因此，降低損失和貧化是該方法亟待解決的問題[3]。

放礦過程中，散體流動不均勻，散體流動問題復雜，現(xiàn)有設備設施難以直接進行觀測。眾多學者[4-6]通過數(shù)值模擬和相似模擬的手段對礦巖移動規(guī)律進行了實驗室的放礦研究，并取得了一定的成果。

研究散體礦石流側壓力變化規(guī)律，對于降低放礦中的損失貧化具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。研究中通過放礦前側壓力分布及放礦中側壓力變化規(guī)律分析散體礦巖的內(nèi)部狀態(tài)，查找散體礦石內(nèi)部的運動規(guī)律。

1 實驗裝置

研究中利用SKL-16散體顆粒流動側向壓力測試系統(tǒng)進行相關實驗研究，測試系統(tǒng)由放礦設備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（見圖1）。

裝置主體四周為鋼板結構，裝置內(nèi)部空間長60cm，寬30cm，高150cm，頂部開口便于實驗時裝填礦巖，在前后面板的內(nèi)部裝有在散體壓力下向外滑動的活動板，應力傳感器（CH1-CH16）和位移傳感器（CH17-CH24）安設在固定板和活動板之間，用于測試裝置內(nèi)部裝填散體礦石顆粒后前后兩端的側壓力情況。

裝置的正面底部均勻布設5個的出礦口，每個出礦口尺寸為5cm×5cm，用于實驗時的均勻出礦，側面底部設置一個大的放礦口，用于實驗終止后裝置內(nèi)部礦巖的清理工作（見圖2）。

測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集可以實現(xiàn)自動化，實施監(jiān)測數(shù)據(jù)將實時傳遞到終端計算機，利于后期的數(shù)據(jù)處理。

2 相似模擬實驗

2.1 實驗準備

考慮到實際礦山中放礦礦石粒徑為100～200mm，放礦高度15m的情況，研究中的實驗相似比為1：20，因此計算的巖石顆粒粒徑范圍為5～10mm，裝填高度75cm；實驗中裝填材料為白云巖顆粒。

按照實驗要求首先篩分白云巖，經(jīng)量筒測量白云巖試樣體積，天平測量試樣質(zhì)量，測得松散容重1.56t/m3（見圖3）；經(jīng)裝填高度和測試系統(tǒng)尺寸計算，該實驗需要白云巖顆粒約220kg。

檢查活動擋板滑動是否靈活，傳感器連接是否可靠，打開測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并將各傳感器數(shù)值清零。

2.2 實驗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測

緩慢在系統(tǒng)中倒入松散顆粒，實施監(jiān)測垂直狀態(tài)不同裝填高度的散體側壓力；再將實驗裝置分別調(diào)整到85°、80°、75°、70°、65°、60°，采集不同傾角情況下散體側壓力的變化規(guī)律。

3 實驗結果及分析

由于裝填高度為75cm，因此只能獲取位于裝置下部的四組傳感器的監(jiān)測數(shù)值，自下而上的4組壓力傳感器CH1～CH4距離裝置底部的距離分別為17cm、27cm、37cm、57cm，由于模型軸向對稱，并考慮數(shù)據(jù)處理量，研究中取下盤一側的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行說明，CH1～CH4傳感器監(jiān)測散體側壓力分布見圖4。

結果表明，散體側壓力與裝填高度關系密切，但并非簡單線性關系，裝填高度較小的情況，側壓力隨深度增大而增大，基本為線性關系，隨深度的增大側壓力增速明顯變緩，且隨傾角的減小，增速越來越低。

放礦開始后，垂直方向的散體側壓力出現(xiàn)了明顯的變化，如圖5所示。

處于最下部的傳感器CH1受到放礦的影響最大，由于放礦的作用導致松散程度增大，側壓力明顯降低，由170N直接降至20N左右，CH2和CH3也受到底部放礦的影響，出現(xiàn)了側壓力降低的現(xiàn)象，但是降低幅度逐漸減小，而處于最上部的CH4側壓力出現(xiàn)了上升現(xiàn)象，表明放礦的過程中，該部分礦體并未出現(xiàn)松散和流動。

隨著放礦的進行，CH1、CH2、CH3所處位置的側壓力小幅波動，保持基本穩(wěn)定，CH4則隨放礦進行壓力逐漸增高，放礦50kg側壓力達到最大值，而后隨放礦進行側壓力逐漸降低，表明散體在這一高度出現(xiàn)了結拱的現(xiàn)象，而后隨放礦出現(xiàn)了結拱破裂的現(xiàn)象。

4 結語

放礦之前，礦石散體側壓力下高上低，靠近放礦口的底部側壓力較大，上部側壓力較小，放礦高度小于8m時，散體側壓力與堆積高度呈線性關系，當散體堆積高度達到8m后，底部側壓力增速明顯減緩，造成這一現(xiàn)象的原因是底部散體垂直壓力太高，散體顆粒密實度增高，顆粒水平摩擦力增大，散體側向膨脹趨勢降低導致的。

放礦開始后，放礦口附近散體礦巖被放出，放礦口附近側壓力迅速降低，且隨高度的增加側壓力降低幅度也隨之減緩，頂部側壓力則出現(xiàn)隨放礦而升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象明確提示了散體內(nèi)結拱的位置，為生產(chǎn)實際起到重要指導作用。

研究中由于以白云巖顆粒為放出散體，實驗樣本有一定局限性，后續(xù)研究中應考慮粉礦、含水率等因素的影響深入總結研究。

參考文獻

[1] 孫文勇，陳星明，王偉，等.緩傾斜中厚礦體無底柱分段崩落法下盤殘留礦石合理回采工藝研究[J].金屬礦山，2014（2）：12-17.

[2] 常貫峰，路增祥，常帥，等.毛公鐵礦大結構參數(shù)無底柱分段崩落法多分段放礦實驗[J].金屬礦山，2017（11）：48-51.

[3] 明建，高永濤，胡乃聯(lián)，等.散體礦巖重力流放出體形態(tài)變化規(guī)律實驗[J]實驗室研究與探索，2017（3）：9-12.

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[6] 朱忠華，胡杰，陶干強，等.自然崩落法高階段多漏斗放礦礦巖流動模擬及結構參數(shù)優(yōu)化[J].重慶大學學報，2017（5）：49-59.