多因素影響下的方形溜井結(jié)拱實(shí)驗(yàn)研究①

魏殿恩，馬姣陽，張慶嵩，王朝勇，李 磊，陳生鑫

（華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063210）

溜井是地下采礦中用于運(yùn)移采場礦石的主要通道，與生產(chǎn)工作的正常運(yùn)轉(zhuǎn)息息相關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)中，受多重因素影響，溜井結(jié)拱現(xiàn)象頻發(fā)，產(chǎn)生極大的生產(chǎn)安全影響，嚴(yán)重時，還會造成溜井報(bào)廢，產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)損失［1］。因此，進(jìn)行多因素影響下的溜井放礦結(jié)拱概率研究具有重大的工程實(shí)際意義。

針對溜井結(jié)拱問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，發(fā)現(xiàn)礦石含水率、料位高度和礦石粒徑是公認(rèn)的溜井結(jié)拱影響因素［2－8］。溜井現(xiàn)場放礦實(shí)驗(yàn)操作困難、危險(xiǎn)系數(shù)極高、數(shù)據(jù)獲取困難、成本高。相比之下，相似實(shí)驗(yàn)的可操作系數(shù)高、安全、成本低，通過控制實(shí)驗(yàn)條件與規(guī)范實(shí)驗(yàn)步驟可獲得與實(shí)際工程相接近的數(shù)據(jù)［9］，是研究溜井結(jié)拱問題的有效方法。基于此，本文結(jié)合礦山實(shí)際溜井的比例尺寸，利用亞克力板材設(shè)計(jì)制作了一種可自由變換溜井角度、溜礦高度的方形溜井放礦模擬器，采用粒徑0～10 mm、濕度1%～3%的礦石作為相似實(shí)驗(yàn)原料，利用該模擬器進(jìn)行溜井放礦的多因素正交實(shí)驗(yàn)。

1 溜井放礦模擬器

溜井放礦模擬器包括基座、方形溜井管和支撐系統(tǒng)，如圖1所示。基座與方形溜井管均標(biāo)有刻度。方形溜井管和角度控制木桿相連接，結(jié)合刻度和角度控制木桿控制溜井角度。料位高度可按方形溜井管刻度直接讀出。固定鐵支撐和方形溜井管構(gòu)成的三角錐結(jié)構(gòu)作為支撐系統(tǒng)。

圖1 方形溜井放礦模擬器實(shí)物

方形溜井管尺寸為：高×長×寬＝160 cm×3 cm×3 cm，管厚度0.5 cm。放礦口：長×寬＝2.5 cm×2.5 cm，設(shè)置在距溜井管端部0.5 cm處。文獻(xiàn)［7］研究了地下礦山溜井運(yùn)輸中懸拱導(dǎo)致溜井結(jié)拱的問題，建議溜井的角度不應(yīng)小于55°［7］，故將模擬器的溜井角度區(qū)間設(shè)為70°～90°。隨著礦山開采深度日益增加，高深溜井建設(shè)已成迫切需要，方形溜井管的最大模擬高度為150 cm。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

對散裝礦石進(jìn)行曬干、網(wǎng)篩處理，并按礦石粒徑進(jìn)行分組。根據(jù)礦石濕度需要，利用噴壺噴灑水霧以達(dá)到濕度要求。以處理后粒徑范圍0～10 mm、濕度1%～3%的分組礦石作為實(shí)驗(yàn)原料。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為減少實(shí)驗(yàn)工作量、降低實(shí)驗(yàn)成本，采用正交實(shí)驗(yàn)法［10－12］進(jìn)行相似模擬放礦實(shí)驗(yàn)。L25（54）正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

2.3 相似模擬實(shí)驗(yàn)

為了避免實(shí)驗(yàn)過程中溜井結(jié)拱的偶然性，正交表內(nèi)的25組實(shí)驗(yàn)每組進(jìn)行10次，進(jìn)而減小實(shí)驗(yàn)時小概率事件對實(shí)驗(yàn)的影響。相似模擬實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵操作步驟：首先，調(diào)動角度控制木桿至實(shí)驗(yàn)溜井角度處；其次，將礦石試樣均勻放入溜井管中，達(dá)到各組實(shí)驗(yàn)所需的料位高度位置；最后，將礦石從放礦口均勻放出，若出現(xiàn)結(jié)拱情況，拍下結(jié)拱現(xiàn)象，進(jìn)行結(jié)拱現(xiàn)象分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單因素結(jié)果分析

溜井放礦正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。單因素分析結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)1、2、7、12、17、22的結(jié)拱概率為0，實(shí)驗(yàn)4、5、10、11、14～16、19～21、24、25的溜井結(jié)拱概率高達(dá)100%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 多因素影響分析

3.2.1 溜井結(jié)拱影響因素的方差分析

基于SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知，各個因素對溜井結(jié)拱影響大小的排序?yàn)椋旱V石粒徑＞料位高度＞礦石濕度＞溜井角度。方差分析結(jié)果中的R2為0.926，調(diào)整后的R2為0.778，均接近于1，說明擬合模型的選擇尚佳。

表3 正交實(shí)驗(yàn)方差分析表

溜井角度的F值為0.292，說明溜井角度與溜井結(jié)拱概率相關(guān)性較小，在工程實(shí)際中影響較小。礦石粒徑的F值為21.076，說明礦石粒徑對溜井結(jié)拱起最主要的影響作用。礦石粒徑6～10 mm時，溜井結(jié)拱的概率極大，為此，基于式（1）～（2）計(jì)算礦石粒徑與溜井?dāng)嗝孢呴L的最小比值，與放礦口邊長的最小比值，其中溜井放礦模擬器的放礦口為25 mm×25 mm的正方形，溜井?dāng)嗝鏋?0 mm×30 mm的正方形。

式中SC為溜井?dāng)嗝孢呴L，cm；LC為溜井放礦口邊長，cm；LO為礦石粒徑，cm；ROS為礦石粒徑與溜井?dāng)嗝孢呴L的最小比值；ROL為礦石粒徑與放礦口邊長的最小比值。

經(jīng)計(jì)算，ROS＝0.2，ROL＝0.24。為防止溜井發(fā)生結(jié)拱情況，溜井放礦時的礦石粒徑與溜井?dāng)嗝孢呴L的比值不可超過0.2，與放礦口邊長的比值不可超過0.24。

3.2.2 溜井結(jié)拱概率估算邊際平均值分析

為進(jìn)一步確定適宜的溜井放礦實(shí)驗(yàn)條件，利用SPSS軟件計(jì)算溜井結(jié)拱概率的估算邊際平均值，結(jié)果如圖2所示，估算邊際平均值越趨于0結(jié)拱概率越低。

圖2 結(jié)拱概率的估算邊際平均值

礦石粒徑2～4 mm時估算邊際平均值達(dá)到了0，此情況下溜放礦效果最佳。溜井結(jié)拱概率隨礦石濕度增加出現(xiàn)先增后減的趨勢，這是因?yàn)樵跐穸扔绊懴铝锓判×降V石時表現(xiàn)出一定的黏結(jié)性，隨著礦石濕度增加，附著在礦石表面的水分增加，黏結(jié)性增加，流動性減小，當(dāng)?shù)V石濕度達(dá)到某個值時附著水比例減小，反而增加了礦石流動性，溜井結(jié)拱概率降低。隨料位高度增加，溜井結(jié)拱概率呈現(xiàn)整體的上升趨勢，料位高度的增加導(dǎo)致溜井中上部礦石對下部礦石的正壓力增加，從而下部礦石的密實(shí)性增大。溜井角度的變化對溜井結(jié)拱概率的影響較平緩。通過估算邊際平均值分析最優(yōu)的溜井放礦實(shí)驗(yàn)條件為：礦石粒徑2～4 mm、礦石濕度1%、溜井角度85°、料位高度50 cm。

4 結(jié) 論

1）方差分析結(jié)果表明，影響溜井結(jié)拱概率大小的主次順序?yàn)椋旱V石粒徑＞料位高度＞礦石濕度＞溜井角度。其中礦石粒徑的顯著性極大，對溜井結(jié)拱影響極高。溜井放礦時，當(dāng)?shù)V石粒徑與溜井?dāng)嗝娉叽绲谋戎挡怀^0.2、與放礦口尺寸的比值不超過0.24時，溜井的結(jié)拱概率降低。

2）基于相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件計(jì)算的結(jié)拱概率估算邊際平均值，分析得出適宜的溜井放礦實(shí)驗(yàn)條件：礦石粒徑2～4 mm、礦石濕度1%、溜井角度85°、料位高度50 cm。

3）溜井結(jié)拱概率隨礦石濕度增加出現(xiàn)先增后減的趨勢，隨料位高度增加呈現(xiàn)整體上升趨勢。溜井角度在70°～90°之間變化時，角度對溜井結(jié)拱概率的影響相對較小。