矿岩散体粒级对自然安息角影响的试验研究_常帅.pdf

收稿日期2019-07-10 基金项目 “十二五” 国家科技支撑计划项目 （编号 2013BAB02B08） 。 作者简介常帅 （1981） ， 男， 讲师， 博士。 矿岩散体粒级对自然安息角影响的试验研究 常帅 1 李楠 1 丛龙生 2 姚宝顺 2 李树峰 21 （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） 摘要矿岩散体堆积状态普遍存在于采矿生产中， 是关系矿山生产安全及矿石回收效果的主要因素之一。 散体堆积角度 （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。利用自制测定装置开 展物理试验， 研究了静态与采场放矿条件下， 不同粒级矿岩散体自然安息角的变化规律。结果表明 静态与采场放 矿条件下， 随着矿岩散体粒级增大， 其自然安息角呈逐渐增大的趋势， 且在非均匀矿岩散体中， 大粒级矿岩散体占 比增大， 其自然安息角随之增大； 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， 在选择溜井与漏斗 放矿倾斜角、 确定排土场占地面积及坡面角度时， 可根据散体粒级进行相应的参数调整； 从采场放矿条件试验结果 来看， 适当增加散体粒级， 可降低散体自出矿口流出的距离及堆体体积， 改善铲运机作业条件， 有利于提高生产效 率； 小粒级散体流动性优于大粒级散体， 应使覆盖岩层的粒级大于矿石粒级， 有利于矿石流出。 关键词地下开采散体粒级自然安息角散体流动性物理试验 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -09-054-06 DOI10.19614/ki.jsks.202009007 Test Study on the Effect of Particles Size Fraction on Natural Repose Angle of Ore-rock Dispersion CHANG Shuai1LI Nan1CONG Longsheng2YAO Baoshun2LI Shufeng22 （1. School of Civil Engineering， Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China； 2. School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China） AbstractThe accumulation of ore-rock dispersion is common in mining production and is one of the main factors af- fecting mine production safety and ore recovery.The angle of accumulation（natural repose angle）of dispersion is one of the main characteristics of its liquidity， and also an important physical parameter.Self-made measuring device is used to conduct physical test， so as to study the variation regularity of natural repose angle of ore and rock mass dispersion with different gran- ule grades under static and stope ore-drawing conditions.The results show that under static and stope ore-drawing conditions， the natural repose angle increases when the size fraction of particles increase， its natural repose angle is increasing gradually， and in the nonuni ore and rock mass， with the increase of the proportion of granular ore and rock mass， its natural repose angle is also increasing gradually.The static test conditions are similar to ore drawing in pass， ore drawing in funnel and accu- mulation in dump， when selecting the slope angle of the ore-drawing through the well and funnel， determining the floor area and slope angle of the dump site， the corresponding parameters can be adjusted according to the particle size.According to the test results of ore-drawing conditions in stope， appropriately increasing the particle size can reduce the distance from ore out- let and the volume of the bulk， improve the operating conditions of the scraper， and improve the production efficiency.The flu- idity of small granule dispersion is better than that of large granule dispersion， the granule of overburden should be larger than that of ore， which is beneficial to ore outflow. Keywordsunderground mining， dispersion granule， natural repose angle， fluidity， physical test 总第 531 期 2020 年第 9 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 531 September2020 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 54 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 常帅等 矿岩散体粒级对自然安息角影响的试验研究2020年第9期 55 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 金属矿山2020年第9期总第531期 56 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。 3非均匀条件下矿岩粒级对自然安息角的影 响 矿山开采中， 实际崩落的矿岩并非由均匀粒径 散体组成， 因此结合试验条件， 设置了4种不同粒级 组合， 如表4所示。同时， 考虑湿度条件影响， 模拟试 验中矿样含水率取5。 利用本研究自制的圆筒测定装置和采场放矿模 型分别进行了非均匀矿石、 废石散体自然安息角测 定试验， 结果见表5。 依据试验结果， 绘制了不同条件下矿石、 废石散 体粒级与自然安息角的变化曲线， 如图7所示。 由图7可知 在静态试验以及采场放矿试验中， 湿度相同时， 大粒级散体占比增大， 矿岩自然安息角 也随之增大， 即大粒级散体对自然安息角的影响相 对较大。 4结论 （1） 在矿岩粒级均匀的条件下， 当矿岩物理性质 相同时， 随着矿岩粒级增加， 其自然安息角也呈逐渐 变大趋势； 在非均匀矿岩散体条件下， 大粒级散体对 自然安息角的影响相对较大。 （2） 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， 在选择溜井与漏斗放矿倾斜角 时， 可依据散体粒级大小， 增大或降低放矿倾斜角， 在确定排土场占地面积及坡面角度时也可根据废石 粒级进行相应的参数调整。 （3） 在无底柱分段崩落法端部出矿条件下， 适当 增加散体粒级， 可降低散体自出矿口流出的距离及 堆体体积， 改善铲运机作业条件， 有利于提高生产效 率。小粒级散体流动性优于大粒级散体， 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。 （4） 影响散体自然安息角的因素较多， 本研究试 验仅考虑了散体粒级对自然安息角的影响， 多因素条 常帅等 矿岩散体粒级对自然安息角影响的试验研究2020年第9期 57 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ 件下散体自然安息角的变化规律有待于进一步分析。 参 考 文 献 王青， 任凤玉.采矿学 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 2011. WANG Qing， REN Fengyu.Mining Science ［M］ .BeijingMetallurgi- cal Industry Press， 2011. 刘娜， 任凤玉， 何荣兴， 等.无底柱分段崩落法损失贫化细部控 制方法研究 ［J］ .金属矿山， 2016 （11） 10-15. LIU Na， REN Fengyu， HE Rongxing， et al.Approach of ore loss and dilution control in sublevel caving ［J］ .Metal Mine， 2016 （11） 10-15. 常帅， 李楠， 张国建， 等.无底柱分段崩落法崩落体形态的研究 现状与展望 ［J］ .金属矿山， 2018 （11） 1-6. CHANG Shuai， LI Nan， ZHANG Guojian， et al.Research status and prospects of the caved ore-body shape in sublevel caving ［J］ .Metal Mine， 2018 （11） 1-6. 张秀凤， 陶干强， 朱忠华， 等.分段崩落法斜壁放矿损失贫化机 理研究 ［J］ .矿业研究与开发， 2018， 38 （4） 1-5. ZHANG Xiufeng， TAO Ganqiang， ZHU Zhonghua， et al.Research on dilution and loss mechanism of ore drawing under inclined wall condition in sublevel caving ［J］ .Mining Research and De- velopment， 2018， 38 （4） 1-5. 胡杏保， 潘健， 麻雪严， 等.无底柱分段崩落法不同回采顺序的 损失贫化研究 ［J］ .金属矿山， 2016 （2） 26-29. HU Xingbao， PAN Jian， MA Xueyan， et al.Research on loss and di- lution by different mining sequence in pillarless sublevel caving ［J］ . Metal Mine， 2016 （2） 26-29. 李涛.崩落法放矿过程中散体矿岩运移规律研究 ［D］ .北京 北 京科技大学， 2017. LI Tao. Study on the Migration Law of Granular Ore-rock under Draw by Caving ［D］ . Beijing University of Science and Technology Beijing， 2017. 陶干强， 杨仕教， 任凤玉 .崩落矿岩散粒体流动性能试验研究 ［J］ .岩土力学， 2009， 30 （10） 2950-2954. TAO Ganqiang， Yang Shijiao， Ren Fengyu.Experimental research on granular flow characters of caved ore and rock ［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2009， 30 （10） 2950-2954. XU S， SUORINENI F T， AN L， et al.A study of gravity flow princi- ples of sublevel caving in dipping narrow veins ［J］ .Granu- lar Matter， 2017， 19 （4） 82-94. JIN A B， SUN H， WU S C， et al.Confirmation of the upside-down drop shape theory in gravity flow and development of a new empiri- cal equation to calculate the shape［J］ . International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2017， 9291-98. 邹晓甜， 刘艳章， 张丙涛， 等.溜井底部放矿漏斗角对矿石流动 性的影响研究 ［J］ .金属矿山， 2016 （12） 160-164. ZOU Xiaotian， LIU Yanzhang， ZHANG Bingtao， et al.Research on effect of drawing funnel angle at the bottom of ore-pass on ore fluidi- ty ［J］ .Metal Mine， 2016 （12） 160-164. 刘正宇， 赵惜墨， 李爱兵.露天矿排土场散体岩土抗剪强度指标 试验方案研究 ［J］ .有色金属 （矿山部分） ， 2016， 68 （2） 59-63. LIU Zhengyu， ZHAO Ximo， LI Aibing.Study on index for measur- ing the shear strength of the mixed-sized mass rock in open pit waste dump ［J］ .Nonferrous Metals （Mining Section） ， 2016， 68 （2） 59-63. 赵冰峰， 冯兴隆， 刘华武.普朗铜矿地表塌陷坑成因及趋势分析 ［J］ .现代矿业， 2018 （8） 180-183， 193. ZHAO Bingfeng， FENG Xinglong， LIU Huawu.Analysis of causes and trends of surface collapse pits in Pulang Copper Mine ［J］ .Mod- ern Mining， 2018 （8） 180-183， 193. 侯克鹏， 梁维， 文义明.覆盖层细小颗粒穿流控制室内相似模拟 研究 ［J］ .昆明理工大学学报 （自然科学版） ， 2016， 41 （1） 25-30. HOU Kepeng， LIANG Wei， WEN Yiming.Simulation experimental study on fine particles percolationin process of ore drawing ［J］ .Jour- 金属矿山2020年第9期总第531期 58 ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ ［22］ nal of Kunming University of Science and Technology （Natural Sci- ence Edition） ， 2016， 41 （1） 25-30. Al-HASHEMI， HAMZAH M B A， OMAR S B.A review on the an- gle of repose of granular materials［J］ .Powder Technology， 2018， 330397-417. LI T Q， PENG Y X， ZHU Z C， et al.Effect of the lifting velocity and container shape on angle of repose of iron ore particles ［J］ .Advanc- es in Materials Science and Engineering， 20171-11. 宋正阳.散体煤岩自然安息角相似模拟试验研究 ［J］ .煤炭技术， 2015， 34 （6） 47-50. SONG Zhengyang.Similar simulation experiment on natural repose angle of granular rock ［J］ .Coal Technology， 2015， 34 （6） 47-50. 贾旭光， 陈曦， 李鑫.不同粒度和堆载形态下散体瞬时自然安息 角的实验研究 ［J］ .现代矿业， 2015 （1） 25-27， 45. JIA Xuguang， CHEN Xi， LI Xin.Experiment research on instanta- neous natural repose angle of granular slope under different granu- larity and stack ［J］ .Modern Mining， 2015 （1） 25-27， 45. 李昌宁.矿岩散体的非均匀度与放出安息角关系的研究 ［J］ .矿 业研究与开发， 2002， 22 （2） 11-14. LI Changning.A study on the relationship between the unhomogene- ity and the drawingout repose angle of fragmented ore/rock bulk ［J］ .Mining Research and Development， 2002， 22 （2） 11-14. 刘欢， 任凤玉， 何荣兴， 等.模拟矿岩散体的 PFC 细观参数标定 方法 ［J］ .金属矿山， 2018 （1） 37-41. LIU Huan， REN Fengyu， HE Rongxing， et al.Calibration s of the PFC microscopic parameters for simulating the loose ore rock ［J］ .Metal Mine， 2018 （1） 37-41. 杜欣， 曾亚武， 高睿， 等.用离散元方法研究颗粒外形对摩擦机 理的影响 ［J］ .西南交通大学学报， 2012， 47 （2） 252-257. DU Xin， ZENG Yawu， GAO Rui， et al.Effects of particle shape on friction mechanism based on discrete element ［J］ .Journal of Southwest Jiaotong University， 2012， 47 （2） 252-257. 孙浩 .基于颗粒元理论的崩落矿岩运移演化机理研究 ［D］ .北 京 北京科技大学， 2019. SUN Hao.Study on Migration and Evolution Mechanism of Caved Ore and Rock Based on the Particle Flow Theory ［D］ .BeijingUni- versity of Science and Technology Beijing， 2019. 周骥 . 对松散矿石自然安息角的研究 ［J］ . 有色金属， 1983， 35 （2） 24-29. ZHOU Ji.An investigation on angles of natural repose of bulk ores ［J］ .Nonferrous Metals， 1983， 35 （2） 24-29. 常帅等 矿岩散体粒级对自然安息角影响的试验研究2020年第9期 59