礦巖散體粒級(jí)對(duì)自然安息角影響的試驗(yàn)研究

常 帥 李 楠 叢龍生 姚寶順 李樹峰

（1.遼寧石油化工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051）

在礦山開采中，礦巖散體堆積狀態(tài)既存在于露天排土場，又存在于地下采場，是關(guān)系礦山生產(chǎn)安全及礦石回收效果的主要因素之一［1-4］。散體堆積角度，即自然安息角是其流動(dòng)性的主要表現(xiàn)特征之一，是散體顆粒的重要物理參數(shù)［5-9］。不同條件下自然安息角的變化研究，可用于指導(dǎo)放礦作業(yè)，如回采炮孔的邊孔角度與放礦漏斗角度選?。?0］、放礦設(shè)備及工程設(shè)計(jì)等，此外，對(duì)于排土場堆積、塌陷坑范圍預(yù)測、露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層顆粒組成［11-13］等方面的研究也具有一定的參考意義。

目前，不少學(xué)者從不同角度，運(yùn)用理論分析、物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，對(duì)自然安息角進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)［14］探討了自然安息角的定義、測定方法、適用范圍及影響因素等；LI等［15］通過物理試驗(yàn)，研究了提升速度、容器形狀、顆粒粒級(jí)對(duì)自然安息角的影響；宋正陽［16］采用相似模擬試驗(yàn)方法，測定了無約束條件下和傾角方向不同時(shí)的煤巖散體的自然安息角，為掌握端頭殘煤情況提供了依據(jù)；賈旭光等［17］通過露天礦排土場作業(yè)環(huán)境，對(duì)不同粒級(jí)物料和堆載形態(tài)條件下的自然安息角進(jìn)行了研究；李昌寧［18］通過礦巖顆粒試驗(yàn)，研究了放出安息角、散體粒徑、散體非均勻度三者之間的關(guān)系；劉歡等［19］基于PFC數(shù)值試驗(yàn)，進(jìn)行了抗轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)、摩擦系數(shù)與自然安息角的變化關(guān)系研究；杜欣等［20］通過測定不同外形顆粒的自然安息角，并結(jié)合數(shù)值模擬方法，分析得出粒徑相同時(shí)，顆粒外形對(duì)自然安息角的影響規(guī)律；孫浩［21］研究認(rèn)為，當(dāng)散體顆粒滾動(dòng)阻抗摩擦系數(shù)和摩擦系數(shù)增大時(shí)，自然安息角隨之增大，且增長率逐漸減小。

散體粒級(jí)是自然安息角的主要影響因素之一［22］，本研究在上述成果基礎(chǔ)上，利用自制測定裝置，開展靜態(tài)條件和采場放礦條件下鐵礦石及廢石散體粒級(jí)對(duì)自然安息角影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

1 靜態(tài)條件下礦巖粒級(jí)對(duì)自然安息角的影響

試驗(yàn)礦石樣品取自于某礦山現(xiàn)場，廢石樣品以白云巖代替，經(jīng)破碎后按1、2、6、8、10、12、15 mm粒徑篩分，形成粒級(jí)不同的散體堆。采用自制無底圓筒裝置（圖1）測定靜態(tài)條件下的自然安息角。無底圓筒外徑100 mm，內(nèi)徑80 mm，高300 mm。本研究圓筒測定方法適用于有靜壓力、無邊壁影響的條件。將待測散體裝入測量圓筒內(nèi)，裝填至與測量圓筒頂邊平齊，如圖1（a）所示。勻速搖動(dòng)手搖升降器手柄，帶動(dòng)測量圓筒勻速上升，待散體全部自然流出后，停止搖動(dòng)手搖升降器，如圖1（b）所示。利用數(shù)顯角度尺在散體堆3個(gè)不同方向分別測定自然安息角（圖1（c）），每次測定3組數(shù)據(jù)。為減小誤差，每種散體粒級(jí)重復(fù)兩次試驗(yàn)，取平均值。試驗(yàn)分別測定了不同粒級(jí)鐵礦石、廢石的自然安息角，結(jié)果如表1所示。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了礦石、廢石散體粒級(jí)與自然安息角的變化曲線，如圖2所示。

由圖2可知：當(dāng)散體的粒級(jí)由1 mm增加到8 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的自然安息角也逐漸變大；粒級(jí)由8 mm增加到10 mm時(shí)，波動(dòng)程度較明顯；粒級(jí)由10 mm增加到12 mm時(shí)，自然安息角逐漸變大且變化程度較大。

綜上分析可知：靜態(tài)條件下礦巖自然安息角隨散體粒級(jí)的增加逐漸變大，角度變化范圍為28°～38.5°。靜態(tài)試驗(yàn)條件與溜井放礦、漏斗放礦、排土場堆積等條件相似。因此，在選擇溜井與漏斗放礦傾斜角時(shí)，若散體粒級(jí)較大，可適當(dāng)增大放礦傾斜角；反之，可適當(dāng)降低放礦傾斜角。在確定排土場占地面積及坡面角度時(shí)也可根據(jù)廢石粒級(jí)調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)。

2 采場放礦條件下礦巖粒級(jí)對(duì)自然安息角的影響

按無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)制作的采場放礦條件試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示，其參數(shù)取值見表2。

試驗(yàn)中預(yù)先封堵進(jìn)路口后，將散體顆粒裝入模型，待裝到指定位置時(shí)，在散體頂部鋪設(shè)亞克力板，在亞克力板頂部裝載重物，以使散體均勻受力（圖4）。裝載穩(wěn)定后，抽出進(jìn)路封堵，散體自模型內(nèi)流出，測量進(jìn)路內(nèi)散體堆的傾斜角度。該類試驗(yàn)條件為有靜壓力、有邊壁影響，可適用于無底柱崩落法、有底柱崩落法等。

分別完成了不同粒級(jí)條件下礦石、廢石散體自然安息角測定試驗(yàn)（圖5）。每種粒級(jí)顆粒測定2次，每次測定3組數(shù)據(jù)，取平均值。試驗(yàn)中，當(dāng)顆粒粒級(jí)增大至8～10 mm時(shí)，抽出進(jìn)路封堵，顆粒并未從模型內(nèi)流出，因此，選取低于該粒級(jí)的顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了采場放礦條件下礦石、廢石散體粒級(jí)與自然安息角的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由表3及圖6可知：①粒級(jí)由1 mm增加至8 mm時(shí)，礦石與廢石散體自然安息角均呈逐漸增長趨勢，其中，礦石散體增長趨勢較廢石散體明顯。②礦巖自然安息角變化范圍為30.9°～33.7°，在進(jìn)路高42 mm的條件下，粒級(jí)為1～2 mm與6～8 mm的散體自出礦口流出的距離相差7.3 mm，按照模型相似比例推算，則在生產(chǎn)中相差0.73 m，兩者體積差額約占后者體積的11.68%。在以崩礦步距為基本回采單元的生產(chǎn)中，散體粒級(jí)影響出礦設(shè)備的作業(yè)效率。因此，在無底柱分段崩落法端部出礦條件下，適當(dāng)增加散體粒級(jí)，有助于改善鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)條件，提高生產(chǎn)效率。③小粒級(jí)散體流動(dòng)性優(yōu)于大粒級(jí)散體，因此，實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)使覆蓋巖層的粒級(jí)大于礦石粒級(jí)，從而有利于礦石流出。

3 非均勻條件下礦巖粒級(jí)對(duì)自然安息角的影響

礦山開采中，實(shí)際崩落的礦巖并非由均勻粒徑散體組成，因此結(jié)合試驗(yàn)條件，設(shè)置了4種不同粒級(jí)組合，如表4所示。同時(shí)，考慮濕度條件影響，模擬試驗(yàn)中礦樣含水率取5%。

利用本研究自制的圓筒測定裝置和采場放礦模型分別進(jìn)行了非均勻礦石、廢石散體自然安息角測定試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了不同條件下礦石、廢石散體粒級(jí)與自然安息角的變化曲線，如圖7所示。

由圖7可知：在靜態(tài)試驗(yàn)以及采場放礦試驗(yàn)中，濕度相同時(shí)，大粒級(jí)散體占比增大，礦巖自然安息角也隨之增大，即大粒級(jí)散體對(duì)自然安息角的影響相對(duì)較大。

4 結(jié) 論

（1）在礦巖粒級(jí)均勻的條件下，當(dāng)?shù)V巖物理性質(zhì)相同時(shí)，隨著礦巖粒級(jí)增加，其自然安息角也呈逐漸變大趨勢；在非均勻礦巖散體條件下，大粒級(jí)散體對(duì)自然安息角的影響相對(duì)較大。

（2）靜態(tài)試驗(yàn)條件與溜井放礦、漏斗放礦、排土場堆積等條件相似，在選擇溜井與漏斗放礦傾斜角時(shí)，可依據(jù)散體粒級(jí)大小，增大或降低放礦傾斜角，在確定排土場占地面積及坡面角度時(shí)也可根據(jù)廢石粒級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整。

（3）在無底柱分段崩落法端部出礦條件下，適當(dāng)增加散體粒級(jí)，可降低散體自出礦口流出的距離及堆體體積，改善鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)條件，有利于提高生產(chǎn)效率。小粒級(jí)散體流動(dòng)性優(yōu)于大粒級(jí)散體，實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)使覆蓋巖層的粒級(jí)大于礦石粒級(jí)，從而有利于礦石流出。

（4）影響散體自然安息角的因素較多，本研究試驗(yàn)僅考慮了散體粒級(jí)對(duì)自然安息角的影響，多因素條件下散體自然安息角的變化規(guī)律有待于進(jìn)一步分析。