王亮 溫彥良 杜森 洪芷彤

摘? 要：針對地下鐵礦山端部放礦時經(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)測的實驗?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。實驗結(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：TD853 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：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 ，端部放礦具有獨特的特點，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，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)備對爆破后的松散礦石進行觀察，加之散體礦石的塊度和密實度很不均勻，生產(chǎn)現(xiàn)場難以直接提前確定結(jié)拱的位置，有關(guān)學(xué)者針對上述問題開展的研究基本上也都是依靠計算機仿真和實驗室的物理實驗手段，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。研究中以實際礦山參數(shù)為依據(jù)，按照相似比結(jié)合實驗室散體側(cè)壓力實驗裝置開展工作，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方面具有很強的理論與實踐意義。

1? 實驗設(shè)備

實驗中利用SKL-16散體顆粒流動側(cè)向壓力測試系統(tǒng)為研究平臺，該系統(tǒng)由實驗裝置和監(jiān)測軟件系統(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，軟件為記錄實施應(yīng)力和位移的采集終端。該實驗系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實時傳輸、后續(xù)的數(shù)據(jù)處理方便的特點。

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×寬×高），實驗松散礦石從箱體頂部倒入，左右兩個側(cè)立面固定，前后兩個立面各為8個活動滑板組成，裝填松散礦石后，側(cè)向的壓力就會擠壓活動滑板向側(cè)向產(chǎn)生位移，應(yīng)力和位移傳感器受到活動滑板的擠壓后就將數(shù)據(jù)實時傳遞到采集裝置，為了數(shù)據(jù)記錄方便，兩側(cè)的應(yīng)力傳感器分別進行標號，前立面?zhèn)鞲衅饔傻偷礁叻謩e為CH1至CH8，用于監(jiān)測下盤側(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)測上盤側(cè)向應(yīng)力，傳感器沿垂直等距布置，間距13cm。

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

2? 實驗過程

2.1 實驗準備

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)計實驗的裝填參數(shù)[7]，經(jīng)計算裝填礦石高度為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%。

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

2.2 實驗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測

裝填礦石之前，首先對傳感器進行調(diào)零，同時為了使模擬環(huán)境與實際生產(chǎn)盡可能接近，礦石裝填完畢后，不馬上進行放礦工作，待松散礦石自然堆積24h并自然壓實后，開啟測試數(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? 實驗結(jié)果及分析

考慮到實驗箱體中75cm裝填高度，只涵蓋了裝置底部的傳感器CH1至CH4，這4個傳感器距離箱體底板的安裝高度分別為17cm、30cm、43cm、56cm;實驗中按5°的間隔針對礦體傾角55°～90°進行了7次下盤側(cè)壓力分布的監(jiān)測統(tǒng)計（如圖4），并針對90°礦體進行了放礦實驗（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，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算表明，礦體崩落體堆積高度超過10m時則有可能出現(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)測到的側(cè)壓力則隨放礦進行逐漸升高，從70N增加到了160N，而后隨放礦進行側(cè)壓力突然降低，CH4處側(cè)壓力持續(xù)升高表明放礦時該高度以上礦石沒有出現(xiàn)向下的流動，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)壓力實驗系統(tǒng)進行相似實驗，利用散體測壓力間接反映結(jié)拱現(xiàn)象的判定是可行的，同時實驗裝填模型盡可能接近礦山的實際情況，則實驗結(jié)果的科學(xué)性和可靠性都將得到提高。

實驗結(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，對比目前礦山的實際，放礦高度都遠遠超過這一臨界高度，放礦過程中比較嚴重的結(jié)拱出現(xiàn)的高度距離放礦口約11m。

研究中沒有詳細討論不同粒徑礦石級配的情況，后續(xù)應(yīng)進一步深入探討。

參考文獻

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