散体矿岩重力流放出体形态变化规律实验

明 建， 高永涛， 胡乃联， 孙金海

(北京科技大学 土木与资源工程学院，金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

散体矿岩重力流放出体形态变化规律实验

明 建， 高永涛， 胡乃联， 孙金海

(北京科技大学 土木与资源工程学院，金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

为降低阶段崩落法放矿过程中的损失率和贫化率，应用物理相似模拟实验法对其放矿规律进行了研究。基于放矿理论和相似理论优化了实验方案，设计了实验工艺流程和实验装置。进行了单体放矿和平面放矿模拟实验，对不同出矿口间距条件下的定点放矿过程中散体矿岩重力流放出体形态、矿岩运动规律、矿石贫化和损失产生原因进行了研究。结果表明：在所研究矿体的赋存条件、放矿高度和覆岩厚度一定的条件下，随着出矿口间距的缩小，极限高度、贫化开始高度和漏斗间矿损脊峰高度均呈现逐渐降低的趋势，放出椭球体的偏心率呈现逐渐增高的趋势，出矿口间距为12～13 m时放出体形态的匹配关系最为合理。

崩落采矿法； 放矿； 放出椭球体； 放矿模拟实验； 损失与贫化

0 引 言

崩落采矿法是地下金属矿山常用的采矿方法，覆岩下放矿是其重要特征[1]。散体矿岩在重力和出矿扰动作用下发生移动而逐步放出，其流动规律是确定采场结构参数和编制放矿管理制度的理论依据[2]。但由于放矿过程受多种因素影响，不同矿体矿岩的流动性不同，因此实验规律和数据的通用性较差[3-4]。目前无成熟的放矿理论和规律能够直接应用于矿山实践，矿岩流动规律研究仍需借助于现场实验和室内模拟实验。

阶段崩落法是崩落采矿法中的一种，其应用底部结构进行定点放矿，具有放矿高度大、放矿口密集、各放出体相互影响和作用、易引起矿石的贫化和损失的特点。掌握其放矿过程中矿岩的流动规律和矿石放出体参数，对于减少放矿过程中的贫化损失具有重要的意义[5]。本研究进行了高阶段、多出矿口条件下的矿石移动规律和矿岩混杂过程的物理模拟实验研究。

1 实验原理

实验以散体矿岩放矿理论和相似理论为指导[6-7]，对高阶段散体矿岩在不同出矿口间距条件下矿岩流动和混杂过程进行了实验模拟。放矿是典型的散体动力学问题，大量研究表明，单个矿石放出体是一个近似的旋转椭球体[8-9]。而有多个出矿口时，多个放出体将产生相互交叉、影响和制约的关系，因此其相互匹配关系决定了放矿回采指标优劣[10]。目前，放矿过程中不连续介质的变形移动规律依然难以应用理论方法充分描述和解释，仍需通过实验方法获得。理论推导方法通常以最大纯矿回收率作为出发点来研究崩落法的矿石贫化损失，进而评价设计方案的优劣[11-12]。在本研究具有一个水平矿岩接触面、相邻漏斗所产生的松动椭球相交的放矿条件下，如采用等量、顺序、均匀的放矿方式，贫化前回收的纯矿石体积计算公式如下：

(1)

式中：Q为纯矿石体积，m3；H为崩落矿石层高度，m；ε为椭球体偏心率；r为放矿漏斗半径，m；ld为漏斗间距，m；hjx为极限高度，m。

贫化前纯矿回收率η的计算公式如下：

(2)

物理相似模拟是常用的实验研究方法[13-14]。该方法根据相似理论按比例建立与模拟对象几何相似的实体模型，选配与模拟对象的矿岩块度组成几何和力学性质相似的实验材料，使放矿模型与模拟对象实现物理相似，通过模拟放矿来研究散体矿岩的流动规律[15]。为了定量比较不同匹配参数条件下放矿的效果，实验中常采用极限高度、贫化开始高度、放出体偏心率、漏斗间矿损脊峰高度、纯矿石回收率及放矿终止时的总回收率和贫化率作为评价放矿效果优劣的指标[16]。这些指标值可通过理论推导、近似计算法获得，但由于不同矿体的赋存条件和矿物的物理力学性质不同，需将实验方法与理论推导相结合才能获得符合生产实际的结果。为获取这些指标值，需进行多组比较实验，并根据实验结果，绘制矿石放出体形态、几何尺寸。本实验在理论计算的基础上，采用物理相似模拟方法对不同放矿口间距条件下放出体的形态和贫损特征进行了实验研究。

2 实验方案设计

首先根据单体模拟放矿实验获得放出椭球体的形态和参数，优化确定多出矿口平面放矿模拟实验方案，揭示多放出体间影响关系，探究合理的放出体形态的匹配关系，进而分析得出最优的放矿口间距和采场参数。设计的实验装置和工具主要包括单体模拟放矿实验模型和平面模拟放矿实验模型、模拟进路、出矿铲、标志颗粒等，实验材料包括矿石模拟材料、废石模拟材料和彩色标志带材料。

2.1 单体放矿模拟实验

单体模型通常用于研究松散物料在无约束、无相互影响条件下依靠重力移动放出的规律，可获取放出体的完整形态和最大参数。该实验可重复进行，且获得的数据较为精确。模型的几何相似比为50，容重相似比为1.0。矿体和覆岩层的高度分别为120 cm和30 cm。为避免边界效应的影响，模拟出矿口布置在矿体水平方向的中央部分，出矿口的尺寸为8 cm×8 cm。实验通过统计各阶段矿石回收量和标志颗粒还原出放出体，得到矿岩的位移变化和运动规律。

2.2 平面放矿模拟实验

平面放矿模型能够观测放出体形成规律及跟踪观察矿岩混杂过程，直观性、可视性强，也可通过回收和统计标志颗粒得到放出体参数和相关关系。模型的几何相似比为50，容重相似比为1.0。矿体和覆岩层的高度分别为120 cm和30 cm。3条模拟出矿口布置在矿体水平方向的中央部分，两侧距模型边界30 cm。选择不同出矿口间距进行分组实验，以揭示其放出体不同的发育特点。

为提高观察效果，向模型内装填矿石模拟材料时，每隔一定高度铺放一层水平彩色标志带。放矿过程中通过观测标志带随矿石放出而发生的移动状态，可发现只有一定范围内的矿石和废石进入运动状态。当位于放矿口中央轴线与矿岩接触面交线上的标志颗粒到达放矿口时，表示纯矿石已经放完。平面模拟放矿实验过程如图1所示。

(a) 装填后初始状态

(b) 截止放矿状态

3 结果与讨论

(1) 单体模拟放矿实验数据处理。单体模拟放矿实验放出体参数如表1所示。

单体模拟放矿实验结果表明，单出矿口放矿的放出体形态为近似的旋转椭球体，放出体长轴与短半轴呈线性关系。依据实验数据，选择放矿口间距为24、28和32 cm分别进行平面模拟放矿实验，即实际生产中12、14和16 m的放矿口间距。

表1 单体放矿轴尺寸变化数据

(2) 平面模拟放矿实验数据处理。根据收集的实验数据和回收的标记颗粒，可还原得到不同出矿口间距的放出体形态与参数如图2和表2所示。

(a) 24 cm

(b) 28 cm

(c) 32 cm

指标出矿口间距/cm242832有效装矿石总量/kg209.667261.559295.510放出矿石量/kg163.722192.387204.528放出废石量/kg14.11511.3558.406矿石回收率/%78.09073.55069.210

不同出矿口间距放出椭球体偏心率和矿岩运动规律指标的比较如图3和图4所示。

(3) 实验结果分析。实验结果表明，在出矿口尺寸和矿岩流动性质一定的条件下，放出体与松动体参数只与放矿高度相关，放矿体的短轴随放矿高度增大而增大，达到一定高度后增长变缓并趋于定值，表明矿石放出体不会无限扩大，存在最大值。放矿总体效果受控于出矿口间距，即放出体间的匹配关系。在定点多出矿口出矿条件下，各放矿椭球体相切或局部相交时可获得较好的回收指标。在实际放矿过程中，如果能够保持各出矿口均等放矿，其矿岩接触面即能保持平面接触或斜面接触，可以防止废石的提前混入。当出矿口间距过大时，放出体之间存在极慢的矿石带，使得放矿范围内的矿岩不能同步均匀下降。矿岩接触面是曲面，为废石提前混入创造了条件。实验结果还表明,相邻出矿口放出椭球体相隔或相切是导致脊部残留过大的主要原因。

图3 不同出矿口间距矿岩运动规律指标

图4 不同出矿口间距放出体的偏心率变化

各组实验数据表明,极限高度、贫化开始高度和漏斗间矿损脊峰高度随放矿口间距减小逐渐降低，说明矿岩接触面保持水平状态下降的时间逐渐增加，脊部残留矿石体积逐渐减小，矿岩混杂滞后，纯矿回收率逐渐提高。而放出体的偏心率逐渐增大，说明其偏心率受到相邻放出体的影响而发生改变，出矿口间距越小，受到干扰约束越大，其偏心率越高。总的矿石回收效果逐渐提高，回收率分别为69.21%、73.55%和78.09%。物理模拟实验表明，在研究目标矿体放矿高度和覆岩厚度一定的条件下，当出矿口间距为12～13 m时放出体形态的匹配关系最为合理。但模拟实验结果是在理想散体条件下得到的，而实际生产中崩落的矿岩多为流动性较差的似散体，且大块的存在会显著影响矿岩的正常流动，易造成放矿松动体变形和发生偏斜，因此生产实践中出矿口间距应比模拟实验结果略小。

4 结 语

本文将平面物理模拟与立体物理模拟方法相结合，对阶段崩落法放矿实验方案进行了优化，并根据方案设计了工艺流程和实验装置。对不同出矿口间距条件下，定点放矿过程中散体矿岩重力流放出过程进行了研究。通过分析极限高度、贫化开始高度、漏斗间矿损脊峰高度、放出椭球体的偏心率等关键指标，揭示了放出体形态的匹配关系、矿岩运动规律和矿石贫化损失规律，并提出了最优的出矿口间距值。实验研究结果能够为采用阶段崩落法的矿山确定合理的采场结构参数和放矿控制方法提供依据。

[1] 王 青，任凤玉. 采矿学[M]. 北京：冶金工业出版社，2013.

[2] 吴爱祥，武力聪，刘晓辉，等. 无底柱分段崩落法结构参数研究[J]. 中南大学学报(自然科学版)，2012，43(5)：1845-1850.

[3] 徐国元，赵建平，黄仁东，等. 覆盖岩层下矿岩流动过程数值模拟[J].金属矿山，2004，34(2)：1-8.

[4] 朱志根. 自然崩落法放矿过程中矿岩散体流动规律研究[D]. 长沙：中南大学，2006.

[5] 张永达. 覆岩下放矿废石混入规律及控制方法的试验研究[D]. 北京：北京科技大学，2015.

[6] 肖先煊，许 模，蔡国军，等. 基于潜水渗流模型的地下水实际流速[J]. 实验室研究与探索，2013，32(4)：11-14.

[7] 刘向龙，龚光彩. 生物质能空气动力场冷态模化实验系统[J]. 实验室研究与探索，2010，29(9)：21-23.

[8] 赵彭年. 松散介质力学[M]. 北京：地震出版社，1995.

[9] 郭进平，刘 东，李荣福.椭球体放矿理论移动过渡方程的重构[J].金属矿山，2015，44(10)：37-40.

[10] 陈小伟. 端部放矿放出体形态变化规律研究[D]. 北京：北京科技大学，2009.

[11] 王昌汉. 放矿学[M]. 北京：冶金工业出版社，1982.

[12] 王长军. 基于动态最佳经济出矿品位的控制放矿技术研究[D]. 长沙：中南大学，2009.

[13] 李玉刚，赵志峰，任年鑫. 浮式海上风电机组试验模型相似准则与风荷载模拟装置[J]. 实验室研究与探索，2016，35(2)：4-7.

[14] 沈超明，李旭东，杨绘峰. 起重吊钩极限承载力试验[J]. 实验室研究与探索，2013，32(5)：37-40.

[15] 刘效云，高明中. 模拟试验用压力传感器的标定[J]. 实验室研究与探索，1999(5)：84-85.

[16] 王 石，张钦礼，王新民. 基于椭球体放矿理论的后和睦山铁矿脊部残留原因分析[J]. 科技导报，2014，32(6)：59-62.

·名人名言·

只有严格的专业化能使学者在某一时刻,大概也是他一生中唯一的时刻,相信自己取得了一项真正能够传至久远的成就。今天,任何真正明确而有价值的成就,肯定也是一项专业成就。

——马克斯·韦伯

An Experiment Study on Change Laws of Draw Body Shapes of Granular Ore Gravity Flow

MINGJian，GAOYongtao，HUNailian，SUNJinha

(School of Civil and Resource Engineering, State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083, China)

In order to reduce the ore loss and dilution in the ore drawing process, a physical simulation experiment is used to study the ore-drawing law of block caving method. Based on the ore-drawing theory and similarity theory, the experimental scheme was optimized, and the experimental process and devices were designed. By means of the plane physical simulation experiment and the three-dimensional physical simulation experiment, the experiment study with different distances between two ore drawing roadways gives the change law of draw body shapes, the movement law of ore and waste rocks and the cause of loss and dilution in the fixed point ore drawing process. The experiment study with different distances between two ore drawing roadways gives the change law of draw body shapes, the movement law of ore and waste rocks and the cause of loss and dilution in the fixed point ore drawing process. Experimental results showed that under the constant condition of the geological conditions and characteristics of ore body, the maximum height of ore drawing and the height of overlaying rock on the objective ore body, the limiting height of ore drawing, the height of ore dilution appearing and the height of ridge hangover gradually decreased, and the slenderness ratio of draw body increased, with the increase of the distance between ore-drawing roadways. The reasonable distance between two ore drawing roadways is 12-13 m.

caving method； ore drawing； draw body； physical simulation experiment； loss and dilution

2016-06-23

国家自然科学基金资助项目(51374032);国家“十二五”科技支撑计划(2012BAB01B04)

明 建(1979-),男,山东夏津人,博士,工程师,现主要从事采矿方法和数字矿山研究。

Tel.:010-62332081;E-mail:mingjian@ustb.edu.cn

TD 851

A

1006-7167(2017)03-0009-04