端部放礦下礦巖結(jié)拱的相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

王亮 溫彥良 杜森 洪芷彤

摘? 要：針對(duì)地下鐵礦山端部放礦時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的內(nèi)部結(jié)拱問題，以礦山通用參數(shù)為基礎(chǔ)，以側(cè)壓力監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段探討了礦巖堆積的結(jié)拱形成條件和結(jié)拱位置確定問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，礦巖堆積高度超過10m后，放礦中就存在結(jié)拱的可能，放礦過程中發(fā)生結(jié)拱的位置距離放礦口約11m。研究結(jié)果在指導(dǎo)礦山改進(jìn)放礦工藝方面具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：端部放礦? 散體側(cè)壓力? 損失? 貧化

中圖分類號(hào)：TD853 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0082-03

Similar Simulation Experimental Study on Arching of Ore and Rock under Side Drawing

WANG Liang? WEN Yanliang? DU Seng? HONG Zhitong

（School of Mining Engineering，University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning Province， 114051? China）

Abstract： Aiming at the problem of internal arching which often occurs in side drawing of underground iron mine， based on the general parameters of the mine， by means of experimental simulation of ore and rock lateral pressure monitoring， when ore and rock stacked the formation conditions of arching and the determination of the location of arching are discussed. The experimental results show that when the stacking height of ore and rock is more than 10m， there is the possibility of arching in the drawing process. In the process of ore drawing， the location of arching is about 11m away from the ore drawing opening. The research results can be used for reference in guiding mine to improve drawing technology.

Key Words： Side drawing; Granular lateral pressure; Loss; Dilution

我國地下鐵礦山采礦使用比例最高的方法為無底柱分段崩落法，該方法采取上向炮孔的鑿巖爆破工藝，其放礦則為回采巷道端部放礦形式，如圖1所示。相比底部放礦 ，端部放礦具有獨(dú)特的特點(diǎn)，放礦過程中經(jīng)常出現(xiàn)崩落礦石由于內(nèi)部礦巖的咬合作用而結(jié)拱的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)采空區(qū)礦石懸空，使得礦石的放出率大大降低，成為目前地下鐵礦山生產(chǎn)中亟待解決的問題之一。

端部放礦時(shí)，人員和設(shè)備只能在端部放礦巷道內(nèi)，無法通過肉眼或設(shè)備對(duì)爆破后的松散礦石進(jìn)行觀察，加之散體礦石的塊度和密實(shí)度很不均勻，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)難以直接提前確定結(jié)拱的位置，有關(guān)學(xué)者針對(duì)上述問題開展的研究基本上也都是依靠計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)手段，在一定程度上探討了端部放礦的出礦規(guī)律。

礦石流結(jié)拱形成的本質(zhì)是某一高度的礦石顆粒在水平方向形成了較大擠壓力，導(dǎo)致上方礦石無法下移的現(xiàn)象，因此判定結(jié)拱的基本依據(jù)為崩落體內(nèi)出現(xiàn)了水平擠壓力的峰值。研究中以實(shí)際礦山參數(shù)為依據(jù)，按照相似比結(jié)合實(shí)驗(yàn)室散體側(cè)壓力實(shí)驗(yàn)裝置開展工作，通過儀器記錄的側(cè)壓力反應(yīng)內(nèi)部礦石擠壓力，側(cè)壓力峰值的位置即為結(jié)拱的位置，該研究在改善礦石回收指標(biāo)方面具有很強(qiáng)的理論與實(shí)踐意義。

1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中利用SKL-16散體顆粒流動(dòng)側(cè)向壓力測(cè)試系統(tǒng)為研究平臺(tái)，該系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)裝置和監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)兩部分組成[1]（見圖2），硬件為兩側(cè)安裝有應(yīng)力、位移傳感器的放礦箱體，軟件為記錄實(shí)施應(yīng)力和位移的采集終端。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、后續(xù)的數(shù)據(jù)處理方便的特點(diǎn)。

放礦箱體為立方體結(jié)構(gòu)，箱體內(nèi)部空間的尺寸為“60cm×30cm×150cm”（長(zhǎng)×寬×高），實(shí)驗(yàn)松散礦石從箱體頂部倒入，左右兩個(gè)側(cè)立面固定，前后兩個(gè)立面各為8個(gè)活動(dòng)滑板組成，裝填松散礦石后，側(cè)向的壓力就會(huì)擠壓活動(dòng)滑板向側(cè)向產(chǎn)生位移，應(yīng)力和位移傳感器受到活動(dòng)滑板的擠壓后就將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到采集裝置，為了數(shù)據(jù)記錄方便，兩側(cè)的應(yīng)力傳感器分別進(jìn)行標(biāo)號(hào)，前立面?zhèn)鞲衅饔傻偷礁叻謩e為CH1至CH8，用于監(jiān)測(cè)下盤側(cè)向應(yīng)力，后立面?zhèn)鞲衅饔傻偷礁叻謩e為CH9至CH18，用于監(jiān)測(cè)上盤側(cè)向應(yīng)力，傳感器沿垂直等距布置，間距13cm。

實(shí)驗(yàn)裝置的前后立面下部分別設(shè)置有5個(gè)正面放礦口，打開后即可實(shí)現(xiàn)端部出礦 ，在實(shí)驗(yàn)裝置的側(cè)面底部布置一個(gè)大一點(diǎn)的放礦口，設(shè)置該口的目的是清理實(shí)驗(yàn)結(jié)束后難以放出的礦石（見圖3）。

2? 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

目前15m的分段高度是很多大中型礦山的放礦參數(shù)[2-6]，礦石爆破后的塊度范圍一般為50～200mm，研究中按照1∶20的相似比例設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的裝填參數(shù)[7]，經(jīng)計(jì)算裝填礦石高度為75cm，裝填礦石的粒徑范圍為2.5～10mm，配比比例為2.5mm的礦石顆粒占20%，5mm的礦石顆粒占60%，10mm的礦石顆粒占20%。

按照既定實(shí)驗(yàn)要求事先對(duì)礦石進(jìn)行篩分和混合配比，采樣并利用量筒和電子天平計(jì)算松散礦石的容重為2.0t/m3，該實(shí)驗(yàn)共裝填礦石質(zhì)量為282kg。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)

裝填礦石之前，首先對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零，同時(shí)為了使模擬環(huán)境與實(shí)際生產(chǎn)盡可能接近，礦石裝填完畢后，不馬上進(jìn)行放礦工作，待松散礦石自然堆積24h并自然壓實(shí)后，開啟測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄不同高度下散體側(cè)壓力值，進(jìn)而開始均勻放礦并始終觀察不同高度側(cè)壓力值，以便推斷結(jié)拱現(xiàn)象發(fā)生的高度。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

考慮到實(shí)驗(yàn)箱體中75cm裝填高度，只涵蓋了裝置底部的傳感器CH1至CH4，這4個(gè)傳感器距離箱體底板的安裝高度分別為17cm、30cm、43cm、56cm;實(shí)驗(yàn)中按5°的間隔針對(duì)礦體傾角55°～90°進(jìn)行了7次下盤側(cè)壓力分布的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)（如圖4），并針對(duì)90°礦體進(jìn)行了放礦實(shí)驗(yàn)（如圖5）。

側(cè)壓力分布的結(jié)果表明，散體堆積高度低于50cm時(shí)，其堆積高度與側(cè)壓力同步增加，此外礦體越直立，側(cè)壓力線性增加趨勢(shì)也越明顯;堆積高度超過50cm深度后，隨深度增加，側(cè)壓力則沒有明顯增加，而且不同礦體傾角的下盤側(cè)壓力都在這一深度出現(xiàn)了明顯轉(zhuǎn)折，這一現(xiàn)象按照相似比反推計(jì)算表明，礦體崩落體堆積高度超過10m時(shí)則有可能出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象。

放礦過程中的應(yīng)力變化表明，放礦開始，處在下部的兩個(gè)應(yīng)力傳感器記錄的側(cè)壓力都迅速降低，且越接近放礦口，側(cè)壓力降低越劇烈;CH1從170N降低到20N以下，CH2從160N降低到40N左右，這一高度范圍的礦體靠近放礦口，出礦后礦體密實(shí)度急劇降低，導(dǎo)致側(cè)向支撐力突然減小;CH3在放礦初期側(cè)壓力則稍微降低，從110N降低到85N左右，CH4監(jiān)測(cè)到的側(cè)壓力則隨放礦進(jìn)行逐漸升高，從70N增加到了160N，而后隨放礦進(jìn)行側(cè)壓力突然降低，CH4處側(cè)壓力持續(xù)升高表明放礦時(shí)該高度以上礦石沒有出現(xiàn)向下的流動(dòng)，從而導(dǎo)致下部礦石放出后支撐力缺失從而側(cè)向壓力出現(xiàn)升高，也就說明該高度出現(xiàn)了明顯的結(jié)拱現(xiàn)象，而放礦后期該高度側(cè)壓力的突然降低則明確表明了結(jié)拱的破裂。CH4所處高度為56cm，按照相似比推算，結(jié)拱出現(xiàn)的高度約為11m右。

4? 結(jié)語

通過散體側(cè)壓力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)，利用散體測(cè)壓力間接反映結(jié)拱現(xiàn)象的判定是可行的，同時(shí)實(shí)驗(yàn)裝填模型盡可能接近礦山的實(shí)際情況，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性都將得到提高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，礦體堆積高度超過10m后，放礦中就存在結(jié)拱的可能，對(duì)比目前礦山的實(shí)際，放礦高度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這一臨界高度，放礦過程中比較嚴(yán)重的結(jié)拱出現(xiàn)的高度距離放礦口約11m。

研究中沒有詳細(xì)討論不同粒徑礦石級(jí)配的情況，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步深入探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 何榮興，任鳳玉，譚寶會(huì)，等.有限寬度崩落礦巖散體側(cè)壓力分布規(guī)律[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（3）：409-413.

[2] 惠安社，李明樓，路增祥，等.我國無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展與方向[J].金屬礦山，2020（3）：1-11.

[3] 郭輝文，何治良，張志貴，等.充填體下無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)回采進(jìn)路穩(wěn)定性影響分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2020，40（4）：12-18.

[4] 劉健.云南峨山化念鐵礦無底柱分段崩落法釆場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

[5] 楊宮印，陳玉明，王小勇.馬鞍山2#礦體無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].礦冶工程，2017，37（2）：24-27.

[6] 李鵬.無底柱分段崩落法鏟裝效率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究[D].鞍山：遼寧科技大學(xué)，2018.

[7] 盧皎旭，溫彥良，鄧登文，等.端部出礦下散體礦石流側(cè)壓力分布規(guī)律研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（8）：56-57.