矿岩散体粒级对自然安息角影响的试验研究

2020-10-26丛龙生姚宝顺李树峰

金属矿山 2020年9期

常帅李楠丛龙生姚宝顺李树峰

（1.辽宁石油化工大学土木工程学院，辽宁抚顺113001；2.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051）

在矿山开采中，矿岩散体堆积状态既存在于露天排土场，又存在于地下采场，是关系矿山生产安全及矿石回收效果的主要因素之一［1-4］。散体堆积角度，即自然安息角是其流动性的主要表现特征之一，是散体颗粒的重要物理参数［5-9］。不同条件下自然安息角的变化研究，可用于指导放矿作业，如回采炮孔的边孔角度与放矿漏斗角度选取［10］、放矿设备及工程设计等，此外，对于排土场堆积、塌陷坑范围预测、露天转地下覆盖层颗粒组成［11-13］等方面的研究也具有一定的参考意义。

目前，不少学者从不同角度，运用理论分析、物理试验和数值模拟等方法，对自然安息角进行了研究，取得了一定的进展。文献［14］探讨了自然安息角的定义、测定方法、适用范围及影响因素等；LI等［15］通过物理试验，研究了提升速度、容器形状、颗粒粒级对自然安息角的影响；宋正阳［16］采用相似模拟试验方法，测定了无约束条件下和倾角方向不同时的煤岩散体的自然安息角，为掌握端头残煤情况提供了依据；贾旭光等［17］通过露天矿排土场作业环境，对不同粒级物料和堆载形态条件下的自然安息角进行了研究；李昌宁［18］通过矿岩颗粒试验，研究了放出安息角、散体粒径、散体非均匀度三者之间的关系；刘欢等［19］基于PFC数值试验，进行了抗转动系数、摩擦系数与自然安息角的变化关系研究；杜欣等［20］通过测定不同外形颗粒的自然安息角，并结合数值模拟方法，分析得出粒径相同时，颗粒外形对自然安息角的影响规律；孙浩［21］研究认为，当散体颗粒滚动阻抗摩擦系数和摩擦系数增大时，自然安息角随之增大，且增长率逐渐减小。

散体粒级是自然安息角的主要影响因素之一［22］，本研究在上述成果基础上，利用自制测定装置，开展静态条件和采场放矿条件下铁矿石及废石散体粒级对自然安息角影响的试验研究，试验结果对现场实践具有指导意义。

1 静态条件下矿岩粒级对自然安息角的影响

试验矿石样品取自于某矿山现场，废石样品以白云岩代替，经破碎后按1、2、6、8、10、12、15 mm粒径筛分，形成粒级不同的散体堆。采用自制无底圆筒装置（图1）测定静态条件下的自然安息角。无底圆筒外径100 mm，内径80 mm，高300 mm。本研究圆筒测定方法适用于有静压力、无边壁影响的条件。将待测散体装入测量圆筒内，装填至与测量圆筒顶边平齐，如图1（a）所示。匀速摇动手摇升降器手柄，带动测量圆筒匀速上升，待散体全部自然流出后，停止摇动手摇升降器，如图1（b）所示。利用数显角度尺在散体堆3个不同方向分别测定自然安息角（图1（c）），每次测定3组数据。为减小误差，每种散体粒级重复两次试验，取平均值。试验分别测定了不同粒级铁矿石、废石的自然安息角，结果如表1所示。

依据试验结果，绘制了矿石、废石散体粒级与自然安息角的变化曲线，如图2所示。

由图2可知：当散体的粒级由1 mm增加到8 mm时，对应的自然安息角也逐渐变大；粒级由8 mm增加到10 mm时，波动程度较明显；粒级由10 mm增加到12 mm时，自然安息角逐渐变大且变化程度较大。

综上分析可知：静态条件下矿岩自然安息角随散体粒级的增加逐渐变大，角度变化范围为28°～38.5°。静态试验条件与溜井放矿、漏斗放矿、排土场堆积等条件相似。因此，在选择溜井与漏斗放矿倾斜角时，若散体粒级较大，可适当增大放矿倾斜角；反之，可适当降低放矿倾斜角。在确定排土场占地面积及坡面角度时也可根据废石粒级调整相应的参数。

2 采场放矿条件下矿岩粒级对自然安息角的影响

按无底柱分段崩落法采场结构制作的采场放矿条件试验模型如图3所示，其参数取值见表2。

试验中预先封堵进路口后，将散体颗粒装入模型，待装到指定位置时，在散体顶部铺设亚克力板，在亚克力板顶部装载重物，以使散体均匀受力（图4）。装载稳定后，抽出进路封堵，散体自模型内流出，测量进路内散体堆的倾斜角度。该类试验条件为有静压力、有边壁影响，可适用于无底柱崩落法、有底柱崩落法等。

分别完成了不同粒级条件下矿石、废石散体自然安息角测定试验（图5）。每种粒级颗粒测定2次，每次测定3组数据，取平均值。试验中，当颗粒粒级增大至8～10 mm时，抽出进路封堵，颗粒并未从模型内流出，因此，选取低于该粒级的颗粒进行试验，试验结果见表3。

依据试验结果，绘制了采场放矿条件下矿石、废石散体粒级与自然安息角的关系曲线，如图6所示。

由表3及图6可知：①粒级由1 mm增加至8 mm时，矿石与废石散体自然安息角均呈逐渐增长趋势，其中，矿石散体增长趋势较废石散体明显。②矿岩自然安息角变化范围为30.9°～33.7°，在进路高42 mm的条件下，粒级为1～2 mm与6～8 mm的散体自出矿口流出的距离相差7.3 mm，按照模型相似比例推算，则在生产中相差0.73 m，两者体积差额约占后者体积的11.68%。在以崩矿步距为基本回采单元的生产中，散体粒级影响出矿设备的作业效率。因此，在无底柱分段崩落法端部出矿条件下，适当增加散体粒级，有助于改善铲运机作业条件，提高生产效率。③小粒级散体流动性优于大粒级散体，因此，实际生产中，应使覆盖岩层的粒级大于矿石粒级，从而有利于矿石流出。