常 帥 李 楠 叢龍生 姚寶順 李樹峰

（1.遼寧石油化工大學土木工程學院，遼寧撫順113001；2.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，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，是關系礦山生產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性的主要表現特征之一，是散體顆粒的重要物理參數［5-9］。不同條件下自然安息角的變化研究，可用于指導放礦作業(yè)，如回采炮孔的邊孔角度與放礦漏斗角度選?。?0］、放礦設備及工程設計等，此外，對于排土場堆積、塌陷坑范圍預測、露天轉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，不少學者從不同角度，運用理論分析、物理試驗和數值模擬等方法，對自然安息角進行了研究，取得了一定的進展。文獻［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，研究了提升速度、容器形狀、顆粒粒級對自然安息角的影響；宋正陽［16］采用相似模擬試驗方法，測定了無約束條件下和傾角方向不同時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；賈旭光等［17］通過露天礦排土場作業(yè)環(huán)境，對不同粒級物料和堆載形態(tài)條件下的自然安息角進行了研究；李昌寧［18］通過礦巖顆粒試驗，研究了放出安息角、散體粒徑、散體非均勻度三者之間的關系；劉歡等［19］基于PFC數值試驗，進行了抗轉動系數、摩擦系數與自然安息角的變化關系研究；杜欣等［20］通過測定不同外形顆粒的自然安息角，并結合數值模擬方法，分析得出粒徑相同時，顆粒外形對自然安息角的影響規(guī)律；孫浩［21］研究認為，當散體顆粒滾動阻抗摩擦系數和摩擦系數增大時，自然安息角隨之增大，且增長率逐漸減小。

散體粒級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對自然安息角影響的試驗研究，試驗結果對現場實踐具有指導意義。

1 靜態(tài)條件下礦巖粒級對自然安息角的影響

試驗礦石樣品取自于某礦山現場，廢石樣品以白云巖代替，經破碎后按1、2、6、8、10、12、15 mm粒徑篩分，形成粒級不同的散體堆。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，裝填至與測量圓筒頂邊平齊，如圖1（a）所示。勻速搖動手搖升降器手柄，帶動測量圓筒勻速上升，待散體全部自然流出后，停止搖動手搖升降器，如圖1（b）所示。利用數顯角度尺在散體堆3個不同方向分別測定自然安息角（圖1（c）），每次測定3組數據。為減小誤差，每種散體粒級重復兩次試驗，取平均值。試驗分別測定了不同粒級鐵礦石、廢石的自然安息角，結果如表1所示。

依據試驗結果，繪制了礦石、廢石散體粒級與自然安息角的變化曲線，如圖2所示。

由圖2可知：當散體的粒級由1 mm增加到8 mm時，對應的自然安息角也逐漸變大；粒級由8 mm增加到10 mm時，波動程度較明顯；粒級由10 mm增加到12 mm時，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的增加逐漸變大，角度變化范圍為28°～38.5°。靜態(tài)試驗條件與溜井放礦、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，若散體粒級較大，可適當增大放礦傾斜角；反之，可適當降低放礦傾斜角。在確定排土場占地面積及坡面角度時也可根據廢石粒級調整相應的參數。

2 采場放礦條件下礦巖粒級對自然安息角的影響

按無底柱分段崩落法采場結構制作的采場放礦條件試驗模型如圖3所示，其參數取值見表2。

試驗中預先封堵進路口后，將散體顆粒裝入模型，待裝到指定位置時，在散體頂部鋪設亞克力板，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，抽出進路封堵，散體自模型內流出，測量進路內散體堆的傾斜角度。該類試驗條件為有靜壓力、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條件下礦石、廢石散體自然安息角測定試驗（圖5）。每種粒級顆粒測定2次，每次測定3組數據，取平均值。試驗中，當顆粒粒級增大至8～10 mm時，抽出進路封堵，顆粒并未從模型內流出，因此，選取低于該粒級的顆粒進行試驗，試驗結果見表3。

依據試驗結果，繪制了采場放礦條件下礦石、廢石散體粒級與自然安息角的關系曲線，如圖6所示。

由表3及圖6可知：①粒級由1 mm增加至8 mm時，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°，在進路高42 mm的條件下，粒級為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中，散體粒級影響出礦設備的作業(yè)效率。因此，在無底柱分段崩落法端部出礦條件下，適當增加散體粒級，有助于改善鏟運機作業(yè)條件，提高生產效率。③小粒級散體流動性優(yōu)于大粒級散體，因此，實際生產中，應使覆蓋巖層的粒級大于礦石粒級，從而有利于礦石流出。

3 非均勻條件下礦巖粒級對自然安息角的影響

礦山開采中，實際崩落的礦巖并非由均勻粒徑散體組成，因此結合試驗條件，設置了4種不同粒級組合，如表4所示。同時，考慮濕度條件影響，模擬試驗中礦樣含水率取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行了非均勻礦石、廢石散體自然安息角測定試驗，結果見表5。

依據試驗結果，繪制了不同條件下礦石、廢石散體粒級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)試驗以及采場放礦試驗中，濕度相同時，大粒級散體占比增大，礦巖自然安息角也隨之增大，即大粒級散體對自然安息角的影響相對較大。

4 結 論

（1）在礦巖粒級均勻的條件下，當礦巖物理性質相同時，隨著礦巖粒級增加，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，大粒級散體對自然安息角的影響相對較大。

（2）靜態(tài)試驗條件與溜井放礦、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，可依據散體粒級大小，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也可根據廢石粒級進行相應的參數調整。

（3）在無底柱分段崩落法端部出礦條件下，適當增加散體粒級，可降低散體自出礦口流出的距離及堆體體積，改善鏟運機作業(yè)條件，有利于提高生產效率。小粒級散體流動性優(yōu)于大粒級散體，實際生產中，應使覆蓋巖層的粒級大于礦石粒級，從而有利于礦石流出。

（4）影響散體自然安息角的因素較多，本研究試驗僅考慮了散體粒級對自然安息角的影響，多因素條件下散體自然安息角的變化規(guī)律有待于進一步分析。