多因素影响下的方形溜井结拱实验研究①

魏殿恩，马姣阳，张庆嵩，王朝勇，李 磊，陈生鑫

（华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山063210）

溜井是地下采矿中用于运移采场矿石的主要通道，与生产工作的正常运转息息相关。实际生产中，受多重因素影响，溜井结拱现象频发，产生极大的生产安全影响，严重时，还会造成溜井报废，产生较大经济损失［1］。因此，进行多因素影响下的溜井放矿结拱概率研究具有重大的工程实际意义。

针对溜井结拱问题，国内外学者做了大量研究，发现矿石含水率、料位高度和矿石粒径是公认的溜井结拱影响因素［2－8］。溜井现场放矿实验操作困难、危险系数极高、数据获取困难、成本高。相比之下，相似实验的可操作系数高、安全、成本低，通过控制实验条件与规范实验步骤可获得与实际工程相接近的数据［9］，是研究溜井结拱问题的有效方法。基于此，本文结合矿山实际溜井的比例尺寸，利用亚克力板材设计制作了一种可自由变换溜井角度、溜矿高度的方形溜井放矿模拟器，采用粒径0～10 mm、湿度1%～3%的矿石作为相似实验原料，利用该模拟器进行溜井放矿的多因素正交实验。

1 溜井放矿模拟器

溜井放矿模拟器包括基座、方形溜井管和支撑系统，如图1所示。基座与方形溜井管均标有刻度。方形溜井管和角度控制木杆相连接，结合刻度和角度控制木杆控制溜井角度。料位高度可按方形溜井管刻度直接读出。固定铁支撑和方形溜井管构成的三角锥结构作为支撑系统。

图1 方形溜井放矿模拟器实物

方形溜井管尺寸为：高×长×宽＝160 cm×3 cm×3 cm，管厚度0.5 cm。放矿口：长×宽＝2.5 cm×2.5 cm，设置在距溜井管端部0.5 cm处。文献［7］研究了地下矿山溜井运输中悬拱导致溜井结拱的问题，建议溜井的角度不应小于55°［7］，故将模拟器的溜井角度区间设为70°～90°。随着矿山开采深度日益增加，高深溜井建设已成迫切需要，方形溜井管的最大模拟高度为150 cm。

2 实 验

2.1 实验原料

对散装矿石进行晒干、网筛处理，并按矿石粒径进行分组。根据矿石湿度需要，利用喷壶喷洒水雾以达到湿度要求。以处理后粒径范围0～10 mm、湿度1%～3%的分组矿石作为实验原料。

2.2 正交实验设计

为减少实验工作量、降低实验成本，采用正交实验法［10－12］进行相似模拟放矿实验。L25（54）正交实验因素水平如表1所示。

表1 正交实验因素水平表

2.3 相似模拟实验

为了避免实验过程中溜井结拱的偶然性，正交表内的25组实验每组进行10次，进而减小实验时小概率事件对实验的影响。相似模拟实验关键操作步骤：首先，调动角度控制木杆至实验溜井角度处；其次，将矿石试样均匀放入溜井管中，达到各组实验所需的料位高度位置；最后，将矿石从放矿口均匀放出，若出现结拱情况，拍下结拱现象，进行结拱现象分析。

3 实验结果及分析

3.1 单因素结果分析

溜井放矿正交实验结果见表2。单因素分析结果表明，实验1、2、7、12、17、22的结拱概率为0，实验4、5、10、11、14～16、19～21、24、25的溜井结拱概率高达100%。

表2 正交实验结果

3.2 多因素影响分析

3.2.1 溜井结拱影响因素的方差分析

基于SPSS统计学软件对正交实验结果进行方差分析，结果见表3。由表3可知，各个因素对溜井结拱影响大小的排序为：矿石粒径＞料位高度＞矿石湿度＞溜井角度。方差分析结果中的R2为0.926，调整后的R2为0.778，均接近于1，说明拟合模型的选择尚佳。

表3 正交实验方差分析表

溜井角度的F值为0.292，说明溜井角度与溜井结拱概率相关性较小，在工程实际中影响较小。矿石粒径的F值为21.076，说明矿石粒径对溜井结拱起最主要的影响作用。矿石粒径6～10 mm时，溜井结拱的概率极大，为此，基于式（1）～（2）计算矿石粒径与溜井断面边长的最小比值，与放矿口边长的最小比值，其中溜井放矿模拟器的放矿口为25 mm×25 mm的正方形，溜井断面为30 mm×30 mm的正方形。

式中SC为溜井断面边长，cm；LC为溜井放矿口边长，cm；LO为矿石粒径，cm；ROS为矿石粒径与溜井断面边长的最小比值；ROL为矿石粒径与放矿口边长的最小比值。

经计算，ROS＝0.2，ROL＝0.24。为防止溜井发生结拱情况，溜井放矿时的矿石粒径与溜井断面边长的比值不可超过0.2，与放矿口边长的比值不可超过0.24。

3.2.2 溜井结拱概率估算边际平均值分析

为进一步确定适宜的溜井放矿实验条件，利用SPSS软件计算溜井结拱概率的估算边际平均值，结果如图2所示，估算边际平均值越趋于0结拱概率越低。

图2 结拱概率的估算边际平均值

矿石粒径2～4 mm时估算边际平均值达到了0，此情况下溜放矿效果最佳。溜井结拱概率随矿石湿度增加出现先增后减的趋势，这是因为在湿度影响下溜放小粒径矿石时表现出一定的黏结性，随着矿石湿度增加，附着在矿石表面的水分增加，黏结性增加，流动性减小，当矿石湿度达到某个值时附着水比例减小，反而增加了矿石流动性，溜井结拱概率降低。随料位高度增加，溜井结拱概率呈现整体的上升趋势，料位高度的增加导致溜井中上部矿石对下部矿石的正压力增加，从而下部矿石的密实性增大。溜井角度的变化对溜井结拱概率的影响较平缓。通过估算边际平均值分析最优的溜井放矿实验条件为：矿石粒径2～4 mm、矿石湿度1%、溜井角度85°、料位高度50 cm。

4 结 论

1）方差分析结果表明，影响溜井结拱概率大小的主次顺序为：矿石粒径＞料位高度＞矿石湿度＞溜井角度。其中矿石粒径的显著性极大，对溜井结拱影响极高。溜井放矿时，当矿石粒径与溜井断面尺寸的比值不超过0.2、与放矿口尺寸的比值不超过0.24时，溜井的结拱概率降低。

2）基于相似实验结果，结合SPSS统计学软件计算的结拱概率估算边际平均值，分析得出适宜的溜井放矿实验条件：矿石粒径2～4 mm、矿石湿度1%、溜井角度85°、料位高度50 cm。

3）溜井结拱概率随矿石湿度增加出现先增后减的趋势，随料位高度增加呈现整体上升趋势。溜井角度在70°～90°之间变化时，角度对溜井结拱概率的影响相对较小。