端部出矿下散体矿石流侧压力分布规律研究

卢皎旭　温彦良　邓登文　龙建宇

摘 要：针对端部出矿情况下矿石损失率和贫化率较高的问题，根据实际矿山参数，进行了放矿前和放矿中散体矿石侧压力分布的相似模拟研究。研究结果表明，散体侧压力有明显的分区性，堆积高度较低时侧压力随高度增加而迅速增加，堆积高度超过某一值后，受颗粒水平摩擦力的影响，侧压力增速明显变缓；放矿过程中，放矿口附近散体侧压力迅速降低，上部散体存在侧压力逐渐升高的趋势，反映结拱的具体位置，研究结果对矿山生产具有一定的指导作用。

关键词：端部出矿 散体侧压力 损失 贫化

中图分类号：TD8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0056-02

无底柱分段崩落法在地下铁矿山的应用非常广泛，目前，采用该方法采出的铁矿石占地下铁矿山矿石总量80%左右[1-2]。该方法具有采场结构简单、灵活，生产安全性好的优点，同时由于该方法的出矿采用覆盖岩层下的端部出矿，放矿中矿石的损失率和贫化率较高，因此，降低损失和贫化是该方法亟待解决的问题[3]。

放矿过程中，散体流动不均匀，散体流动问题复杂，现有设备设施难以直接进行观测。众多学者[4-6]通过数值模拟和相似模拟的手段对矿岩移动规律进行了实验室的放矿研究，并取得了一定的成果。

研究散体矿石流侧压力变化规律，对于降低放矿中的损失贫化具有重要的理论意义和现实意义。研究中通过放矿前侧压力分布及放矿中侧压力变化规律分析散体矿岩的内部状态，查找散体矿石内部的运动规律。

1 实验装置

研究中利用SKL-16散体颗粒流动侧向压力测试系统进行相关实验研究，测试系统由放矿设备和数据采集系统组成（见图1）。

装置主体四周为钢板结构，装置内部空间长60cm，宽30cm，高150cm，顶部开口便于实验时装填矿岩，在前后面板的内部装有在散体压力下向外滑动的活动板，应力传感器（CH1-CH16）和位移传感器（CH17-CH24）安设在固定板和活动板之间，用于测试装置内部装填散体矿石颗粒后前后两端的侧压力情况。

装置的正面底部均匀布设5个的出矿口，每个出矿口尺寸为5cm×5cm，用于实验时的均匀出矿，侧面底部设置一个大的放矿口，用于实验终止后装置内部矿岩的清理工作（见图2）。

测试系统数据采集可以实现自动化，实施监测数据将实时传递到终端计算机，利于后期的数据处理。

2 相似模拟实验

2.1 实验准备

考虑到实际矿山中放矿矿石粒径为100～200mm，放矿高度15m的情况，研究中的实验相似比为1：20，因此计算的岩石颗粒粒径范围为5～10mm，装填高度75cm；实验中装填材料为白云岩颗粒。

按照实验要求首先筛分白云岩，经量筒测量白云岩试样体积，天平测量试样质量，测得松散容重1.56t/m3（见图3）；经装填高度和测试系统尺寸计算，该实验需要白云岩颗粒约220kg。

检查活动挡板滑动是否灵活，传感器连接是否可靠，打开测试数据采集系统，并将各传感器数值清零。

2.2 实验数据采集与监测

缓慢在系统中倒入松散颗粒，实施监测垂直状态不同装填高度的散体侧压力；再将实验装置分别调整到85°、80°、75°、70°、65°、60°，采集不同倾角情况下散体侧压力的变化规律。

3 实验结果及分析

由于装填高度为75cm，因此只能获取位于装置下部的四组传感器的监测数值，自下而上的4组压力传感器CH1～CH4距离装置底部的距离分别为17cm、27cm、37cm、57cm，由于模型轴向对称，并考虑数据处理量，研究中取下盘一侧的监测数据进行说明，CH1～CH4传感器监测散体侧压力分布见图4。

结果表明，散体侧压力与装填高度關系密切，但并非简单线性关系，装填高度较小的情况，侧压力随深度增大而增大，基本为线性关系，随深度的增大侧压力增速明显变缓，且随倾角的减小，增速越来越低。

放矿开始后，垂直方向的散体侧压力出现了明显的变化，如图5所示。

处于最下部的传感器CH1受到放矿的影响最大，由于放矿的作用导致松散程度增大，侧压力明显降低，由170N直接降至20N左右，CH2和CH3也受到底部放矿的影响，出现了侧压力降低的现象，但是降低幅度逐渐减小，而处于最上部的CH4侧压力出现了上升现象，表明放矿的过程中，该部分矿体并未出现松散和流动。

随着放矿的进行，CH1、CH2、CH3所处位置的侧压力小幅波动，保持基本稳定，CH4则随放矿进行压力逐渐增高，放矿50kg侧压力达到最大值，而后随放矿进行侧压力逐渐降低，表明散体在这一高度出现了结拱的现象，而后随放矿出现了结拱破裂的现象。

4 结语

放矿之前，矿石散体侧压力下高上低，靠近放矿口的底部侧压力较大，上部侧压力较小，放矿高度小于8m时，散体侧压力与堆积高度呈线性关系，当散体堆积高度达到8m后，底部侧压力增速明显减缓，造成这一现象的原因是底部散体垂直压力太高，散体颗粒密实度增高，颗粒水平摩擦力增大，散体侧向膨胀趋势降低导致的。

放矿开始后，放矿口附近散体矿岩被放出，放矿口附近侧压力迅速降低，且随高度的增加侧压力降低幅度也随之减缓，顶部侧压力则出现随放矿而升高的现象，这一现象明确提示了散体内结拱的位置，为生产实际起到重要指导作用。

研究中由于以白云岩颗粒为放出散体，实验样本有一定局限性，后续研究中应考虑粉矿、含水率等因素的影响深入总结研究。

参考文献

[1] 孙文勇，陈星明，王伟，等.缓倾斜中厚矿体无底柱分段崩落法下盘残留矿石合理回采工艺研究[J].金属矿山，2014（2）：12-17.

[2] 常贯峰，路增祥，常帅，等.毛公铁矿大结构参数无底柱分段崩落法多分段放矿实验[J].金属矿山，2017（11）：48-51.

[3] 明建，高永涛，胡乃联，等.散体矿岩重力流放出体形态变化规律实验[J]实验室研究与探索，2017（3）：9-12.

[4] 汪朝，周星宇，张文革.无底柱分段崩落法低贫化放矿数值模拟[J]现代矿业，2016（9）：10-14.

[5] 黄辉，郭虎强.基于PFC2D的某金矿低贫化放矿数值模拟实验[J]现代矿业，2018（12）：87-90.

[6] 朱忠华，胡杰，陶干强，等.自然崩落法高阶段多漏斗放矿矿岩流动模拟及结构参数优化[J].重庆大学学报，2017（5）：49-59.