端部出礦下散體礦石流側壓力分布規律研究

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，根據實際礦山參數，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，生產安全性好的優點，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，現有設備設施難以直接進行觀測。眾多學者[4-6]通過數值模擬和相似模擬的手段對礦巖移動規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律，對于降低放礦中的損失貧化具有重要的理論意義和現實意義。研究中通過放礦前側壓力分布及放礦中側壓力變化規律分析散體礦巖的內部狀態，查找散體礦石內部的運動規律。

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進行相關實驗研究，測試系統由放礦設備和數據采集系統組成（見圖1）。

裝置主體四周為鋼板結構，裝置內部空間長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部礦巖的清理工作（見圖2）。

測試系統數據采集可以實現自動化，實施監測數據將實時傳遞到終端計算機，利于后期的數據處理。

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，經量筒測量白云巖試樣體積，天平測量試樣質量，測得松散容重1.56t/m3（見圖3）；經裝填高度和測試系統尺寸計算，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，打開測試數據采集系統，并將各傳感器數值清零。

2.2 實驗數據采集與監測

緩慢在系統中倒入松散顆粒，實施監測垂直狀態不同裝填高度的散體側壓力；再將實驗裝置分別調整到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測數值，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，并考慮數據處理量，研究中取下盤一側的監測數據進行說明，CH1～CH4傳感器監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，出現了側壓力降低的現象，但是降低幅度逐漸減小，而處于最上部的CH4側壓力出現了上升現象，表明放礦的過程中，該部分礦體并未出現松散和流動。

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了結拱的現象，而后隨放礦出現了結拱破裂的現象。

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，頂部側壓力則出現隨放礦而升高的現象，這一現象明確提示了散體內結拱的位置，為生產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，等.散體礦巖重力流放出體形態變化規律實驗[J]實驗室研究與探索，2017（3）：9-12.

[4] 汪朝，周星宇，張文革.無底柱分段崩落法低貧化放礦數值模擬[J]現代礦業，2016（9）：10-14.

[5] 黃輝，郭虎強.基于PFC2D的某金礦低貧化放礦數值模擬實驗[J]現代礦業，2018（12）：87-90.

[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優化[J].重慶大學學報，2017（5）：49-59.