黄土覆盖层在放矿中运动规律的实验模型.pdf

第5 5 卷第4 期有 色金属 矿山部分2 0 0 3 年7 月 黄土覆盖层在放矿中运动规律的实验模型 包头钢铁学院 武汉科技大学 武钢大冶铁矿 周志华” 马建军叶洲元 张兴才柯清华 摘要本论文结台工程实例．运用z 定理推导出物理模型模拟崩落法放矿时黄土混 规律应满足的相似 律，并阐进了由模型试验结果推导现场敲矿参教的方法。同时按相似律的要求设计了术制的物理模型，舟绍了 模型制作及进行放矿模拟试验的方法。 关键词崩落法放矿相似键黄土模型模拟 P 虮A 武钢大冶铁矿铁门坎东区矿体多处于西露天坑 底，矿体顶部平均标高一3 8 r a ，现这部分矿体已地下 开采。露天坑底由于没有及时回填。长年泥水沉积已 形成近2 0 m 厚的黄土层．其上叉逐渐堆积了约3 0 m 高的废石。矿体采用无底柱分段崩落法开采。在覆盖 岩层下出矿必然使覆盖层黄土与破碎矿岩混合在一 起，给出矿工作造成困难，在雨季严重时可能形成泥 石流o ] 。为了直观地了解覆盖黄土层在放矿过程中 的运动规律．以便合理的设计回采爆破参数，建立相 应的崩矿和出矿制度，防止泥石流的形成，进行了室 内黄土层在放矿中的运动规律的模型模拟实验。 室内模型模拟试验，也称为物理模拟试验。这 种方法的过程和结果直观、成本低、重复性好、可操 作性强，目前在采矿领域有较广泛应用o ] [ “。但要 使这些小比例的模型试验能真实地反映全尺寸原型 的现场实际情况，在实验中就必须遵守模型实验的 相似律。 1黄土层随放矿运动的模拟相似 在[ 4 ] [ 5 ] 通过分析可知，在放矿中黄土覆盖层随崩落矿 石的运动主要受下列因素影响①几何参量。矿石 土 的块度 粒度 D m 、矿块构成要素l m 、放出 漏斗的侧翼面倾角0 弧度 、放出矿量Q r l l 3 。② 土岩性质。密度t 、质量1 1 1 、含水量q k g ／m 3 、内 摩擦角∞ 弧度 、外摩擦角p 。 弧度 、颗粒的粘性 系数” k g m 2 ／s 、运动粘性系数v I T I 。／s 。③力 学特性。松散体承受的压力F k g ．m ／s 2 、正应力o k g ．m ／s 2 、剪应力t k g m ／s 2 、粘聚力C k g ．m ／ * 周志华硕士研究生内蒙古包头0 1 4 0 1 0 一 。④动力学参量。颗粒运动速度V 。 m ／s 、加速 度a m ／s 2 、位移S 和时间t 等。本研究是希望通 过模型实验来确定黄土随破碎矿石共同运动中的相 对混入速度V ，以及出矿中的相对混入率k 。因此 黄土在放矿中的运动规律可表示为 V f D ，m ．d ．1 ，F ，r ，C ，甲，‰。8 ，X ，Q ，q ，p ，v ，v 。，d ，S ， t ， k f ’ D ，m ，d ．1 ，F ，r ，C ，妒，‰，e ，t ，Q ，q ，“，v ，v 0 ，d ，S ， t 根据”定理及相似原理。取D 、m 、d 为3 个基本 参量，得下列对应方程 去“吉，詈知。，嘉，．击，] 面5 1 ‘百’i ’i ’i ’9 ’％’”’驴’萨‘声’ √一m p vV o nSt 、 荷’面’面’三’面’i ’ ～m ～mm～o k f 7c 吉．导，吾，导m ‰。．击，罟．击， 可见，影响放矿的无量纲组合因素有1 6 个，只 要模型试验参数取值与原型实际的这1 6 个无量纲 组合分别对应相等，则实验模型模拟藏矿的结果应 与现场实际放矿相似，模型结论能够反映原型事实。 因此模型实验参数 带上标者 与原型间应有下列关 系 I ，I n 1 亩2 台即寸一号一C t ， 相似比 反应了模 型的尺寸与试验材料的粒级应遵循几何相似的原 则。即对应原型按同比例缩小或放大。 上乒 旦D 旦d m 旦居。再 盘 万方数据 第4 期周志华等黄土覆盖层在破矿中运动规律的实验模型 1 7 2 导一争、詈一手、星o , 一o g - ，即，F i r 一7 C d口口dfrL 孑一C 。，受力对应成比例。通过选择相同材料的试 验，矿体尺寸严格按比例缩小，使模型的受力基本满 足要求。 3 9 一f ‘、‰ f7 。、0 0 ’，即c 一l 试验材料 摩擦角应与原型相等，可选用现场实际崩落矿石作 试验材料．制作模型的放出漏斗侧翼面倾角与现场 实际相等。 ㈤嘉一斋．斋 茄删参一㈤高静一赢扣斋5 赢扣，则旁一 q q ，选择与现场材料相同的碎矿石和黄土时，模型的 含水量与原型相同。 5 墨 孚，即导 占n 每次放出量比c 。 是几何相似比C ．的立方。 6 ’_ 7 9 面o ] V 亏 o 亍，旦m 与重力加速度和试验材 √i √i 7 料的性质有关，选择与现场材料相同的碎矿石和黄 土时，景 妄，则v V t n o～D D ，即c 。。一／百。 ‘7 ’- 7 杀5 ] 亏t 亍’选择与现场材料相同的碎 √了√丐7 矿石和黄土时，景一妄，则 √占，即c 一√i ． c 。。 c 。一 ／爵。 8 詈一争，选择与现场材料相同的碎石和黄 i 了 土时，吾 蚤则a a ’，说明物理模型中颗粒的加速 度与原型相等。 9 百s 河S ．则is S r c - ，说明颗粒点运动的位移 与模型的尺寸按同比例缩小。 c ，∞志一南’盍一砬v 当 ～m7 Vm 选择与原型材料相同的碎矿石和黄土时，云 品， 则争一f 导1 ”一 c 、 ”。选定试验材料时，其粘性 系数已经确定了，无法保证其牯性系数缩小为原型 的1 ／ C ， “。但在同样的实验条件下，粘性系数的 影响可以忽略，物理模型可以定性地模拟现场的出 矿规律。 综上所述，为保证模拟结果与现场实际相符，模型 的模具尺寸、试验材料的粒级配比应与现场原型几何 相似、边界条件相似；试验应选用现场崩落矿石作试验 材料- 并尽可能创造出现场的环境条件，可确保模型和 原型的士岩性质、力学特性和动力学参量相似。 2实验室模型 2 ．1 模型的设计 1 采场现场条件。矿体采用无底柱分段崩落法 开采，现开采水平为一5 0 m 水平，分段高度1 2 m ，矿体 实际平均厚度1 1 ．8 m ．上覆盖有近2 0 m 厚的黄土层。 沿矿体走向布置进路，每一水平布置3 条进路，进路间 距1 0 n - , 。每5 0 m 划分～个矿块，矿块宽度等于矿体的 水平厚度，平均为3 0 m 。回采进路为1 ／4 三心拱。规格 为宽高一3 ．6 r e x 3 m ，3 ‰上坡掘进。采用赢形中深 i L 爆破落矿，炮孔排面角9 0 。，边孔角5 4 。，所形成的漏 斗翼面倾角为5 4 0 ；每次崩落1 排炮孔，排距为1 ．8 m 。 采用t G 机出矿，铲斗容积为o ．3 m a ．贮矿仓容积为 1 ，8 0 m ，铲取深度约为0 ．5 m 。 2 观测方法。确定合理的观测方法，可以方便地 观察和记录黄土与矿石下降的情况，总结放出规律。 观测方法和观测点的设置应以放矿椭球体理论为指 导⋯。为此在垂直于进路方向安装正面观测玻璃，以 便直接监测矿、土放出漏斗形状的正面变化和土矿交 界面的横向下降以及黄土在放矿中的运动情况；沿进 路方向在巷道边界处设置纵向观测玻璃，监测黄土与 矿石在沿进路方向的下降变化情况。由于玻璃较光 滑，摩擦系数小，对颗粒的侧向运动影响不大，因此观 测玻璃所反映的土岩运动与其实际运动相符。 3 单体模型。为了研究单进路放矿时，黄土随 矿石的混入规律、放出体发育过程及确定放出体参 数，研究矿石损失、贫化的发生机理，采用了单体模 型。模拟比取C l ， 2 0 ，即1 2 0 的术制模型。单体 模型的规格为长宽高一3 9 0 m m 3 7 0 r a m 8 15 r a m ，木板厚度为15 m m ，放矿时直接透过玻璃观 察、描绘或记录标志颗粒或标志层的运动过程。 模型进路宽高一1 8 0 m m 1 5 0 r a m ；巷道顶 板三心拱弧长2 1 0 m m ，用活动铁皮制作，可抽动，称 为巷道顶部的活动盖板。模型放矿步距9 0 m m ，步 距板高度4 5 0 r a m ，使所装矿石能按步距分次放出， 同时能模拟上部黄土的相互共同作用。每次进行放 矿，先抽出一块步距板，再拉出活动盖板一个步距 万方数据 有色金属 矿l i { 部分 第5 5 卷 长，这相当于完成了一次爆破。模拟出矿时采用马 口铁弯成小铲子，每次铲取量约为3 7 ．5 e r a 3 ，铲取深 度约为2 ．5 c m 。 4 立体模型。为_ 广研究相邻进路和相邻步距 的互相影响，制订均衡出矿制度．采用了立体模型， 即模拟3 条进路同时生产时的放矿情况。为了节省 材料，将单体模型和立体模型组合在一起，制成一个 模型，即单体模型为立体模型的一部分，单进路模拟 试验作完后，抽掉内侧玻璃隔板，就成为多进路放矿 模型。模型的模拟比为C ，一2 0 ，既制作l 2 0 的木 制模型，四周用角钢加固。模型规格长宽x 高一 1 3 7 0 m m 3 9 0 m r n 8 1 5 r a m ，进路间距5 0 0 m m ．木 板厚1 5 r a m 。模型正面及背面上部装玻璃观察窗， 以便于监测矿岩及黄土层的运动情况。模型的其他 尺寸及制作与单体模型相同，如图1 所示。 弧长2 i O m r a 图l 立体模型圈 步距板抽出后 2 ．2 实验定量标定与模拟方法 1 建立外观察坐标网。用彩笔在整个模型观 察玻璃上标注5 c m x5 c m 坐标网格，每格相当于模 拟监控现场l m 1 m 的范围。 2 设置反映内部相对运动的立体标志颗粒坐 标系统。标志颗粒按5 c m 5 c r u x 3 c m 布置 图2 ， 即竖直面上的标志颗粒按5 e m 5 c m 网格状布置， 水平面上按5 c m 3 c m 网格状布置，并与外观察坐 标网格相对应，在出矿时收集标志颗粒以了解其内 部运动情况。 o 图2 标志颗粒布置图 3 每次实验对所用试验材料均按粒级配比方 案进行称重、混合，再装入模型，并统计装矿总量。 矿石装填高度约为6 0 0 m m 。黄土装填高度为 2 0 0 r a m ，由于模型中黄土覆盖层高度不足，应在实 验放矿过程中随时填充黄土，保证足够的覆盖黄土， 使之不影响实验结果。 4 根据铲运机的铲装能力，设计了出矿铲斗． 并按三点出矿方式模拟出矿。同时对每次所出矿分 别进行总量、土岩分选称重计量。 5 放矿时，记录每次放出的矿石量和放出的标 志颗粒号。通过玻璃观察土矿交界面下降的情况， 并在坐标纸上记录不同放出矿量下，黄土与矿岩交 界面最低点的位置，用一条光滑的曲线连接，即可画 出黄土下降曲线图。通过玻璃观察放矿完毕后脊部 矿石残留体的形状，用相机照出黄土与矿石交界面 的形状、矿石残留体的形状。多次重复试验。 6 实验后，整理原始资料，把标志颗粒按标号 标注在原设计平面上，连结各点，即可勾画出不同放 出矿量下放出体的平面图形，作出放出体的纵、横剖 面图。根据放出体图形计算出其各项几何参数。 3 实验结果与结论 本次实验按不同块度和湿度进行了实验室模拟 实验 模拟试验结果另文介绍 ，实验现象直观，方案 间可作定量对比，得出了黄土混入的一般规律t 当放 出矿量达总装矿量的2 5 ％左右时，在漏斗口有黄土 出现；当放出矿量4 0 ％～6 0 蹦左右时，形成了黄土 的通道，以后只能放出黄土而很少有矿石出现；并得 出了矿石块度和湿度对黄土运动的影响规律。通过 不同放矿出土方案的对比，制定了均衡放矿出土的 制度，为大冶铁矿在有黄土覆盖层下实现安全回采 提供了理论指导。可见，在地下采矿研究中，用物理 模型模拟能够定性、定量地模拟生产现场，对于推动 采矿工作的发展有着重要的指导意义和实用价值。 参考文献 l 吴艳梅．程潮铁矿东区采场涌泥分析及顶馒I [ J ] 武钢矿业文 集，2 0 0 0 2 } 1 1 5 ～1 2 1 2 马建军．等．地下深孔爆破模拟相似律与模型制作[ 盯中国矿 业，2 0 0 1 4 3 8 ～4 1 3 董卫军，等．矿体自然崩落相似材料模拟试验研究[ J ] 采矿技 束．2 0 0 1 3 】3 ～1 5 4 王昌汉放矿学[ 蛔．北京冶金工业出版社1 9 8 1 ，41 3 0 ～1 3 6 5 董振民．沦放矿试验中的相似闸题[ c ] 全国第四次崩落采矿 法学术会议] 1 9 8 6 ．0 ．1 4 ～2 8 6 刘兴国敲矿理论基础[ M ] 北京；冶金工业出版社，1 9 9 4 ，5 ，9 0 n 一一0 6U 万方数据