端部放矿下矿岩结拱的相似模拟实验研究

2021-08-10 05:50王亮温彦良杜森洪芷彤
科技创新导报 2021年12期
关键词:贫化损失

王亮 温彦良 杜森 洪芷彤

摘  要:针对地下铁矿山端部放矿时经常出现的内部结拱问题,以矿山通用参数为基础,以侧压力监测的实验模拟手段探讨了矿岩堆积的结拱形成条件和结拱位置确定问题。实验结果显示,矿岩堆积高度超过10m后,放矿中就存在结拱的可能,放矿过程中发生结拱的位置距离放矿口约11m。研究结果在指导矿山改进放矿工艺方面具有借鉴意义。

关键词:端部放矿  散体侧压力  损失  贫化

中图分类号:TD853           文献标识码:A            文章编号: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

我国地下铁矿山采矿使用比例最高的方法为无底柱分段崩落法,该方法采取上向炮孔的凿岩爆破工艺,其放矿则为回采巷道端部放矿形式,如图1所示。相比底部放矿 ,端部放矿具有独特的特点,放矿过程中经常出现崩落矿石由于内部矿岩的咬合作用而结拱的现象,從而出现采空区矿石悬空,使得矿石的放出率大大降低,成为目前地下铁矿山生产中亟待解决的问题之一。

端部放矿时,人员和设备只能在端部放矿巷道内,无法通过肉眼或设备对爆破后的松散矿石进行观察,加之散体矿石的块度和密实度很不均匀,生产现场难以直接提前确定结拱的位置,有关学者针对上述问题开展的研究基本上也都是依靠计算机仿真和实验室的物理实验手段,在一定程度上探讨了端部放矿的出矿规律。

矿石流结拱形成的本质是某一高度的矿石颗粒在水平方向形成了较大挤压力,导致上方矿石无法下移的现象,因此判定结拱的基本依据为崩落体内出现了水平挤压力的峰值。研究中以实际矿山参数为依据,按照相似比结合实验室散体侧压力实验装置开展工作,通过仪器记录的侧压力反应内部矿石挤压力,侧压力峰值的位置即为结拱的位置,该研究在改善矿石回收指标方面具有很强的理论与实践意义。

1  实验设备

实验中利用SKL-16散体颗粒流动侧向压力测试系统为研究平台,该系统由实验装置和监测软件系统两部分组成[1](见图2),硬件为两侧安装有应力、位移传感器的放矿箱体,软件为记录实施应力和位移的采集终端。该实验系统具有数据实时传输、后续的数据处理方便的特点。

放矿箱体为立方体结构,箱体内部空间的尺寸为“60cm×30cm×150cm”(长×宽×高),实验松散矿石从箱体顶部倒入,左右两个侧立面固定,前后两个立面各为8个活动滑板组成,装填松散矿石后,侧向的压力就会挤压活动滑板向侧向产生位移,应力和位移传感器受到活动滑板的挤压后就将数据实时传递到采集装置,为了数据记录方便,两侧的应力传感器分别进行标号,前立面传感器由低到高分别为CH1至CH8,用于监测下盘侧向应力,后立面传感器由低到高分别为CH9至CH18,用于监测上盘侧向应力,传感器沿垂直等距布置,间距13cm。

实验装置的前后立面下部分别设置有5个正面放矿口,打开后即可实现端部出矿 ,在实验装置的侧面底部布置一个大一点的放矿口,设置该口的目的是清理实验结束后难以放出的矿石(见图3)。

2  实验过程

2.1 实验准备

目前15m的分段高度是很多大中型矿山的放矿参数[2-6],矿石爆破后的块度范围一般为50~200mm,研究中按照1∶20的相似比例设计实验的装填参数[7],经计算装填矿石高度为75cm,装填矿石的粒径范围为2.5~10mm,配比比例为2.5mm的矿石颗粒占20%,5mm的矿石颗粒占60%,10mm的矿石颗粒占20%。

按照既定实验要求事先对矿石进行筛分和混合配比,采样并利用量筒和电子天平计算松散矿石的容重为2.0t/m3,该实验共装填矿石质量为282kg。

2.2 实验数据采集与监测

装填矿石之前,首先对传感器进行调零,同时为了使模拟环境与实际生产尽可能接近,矿石装填完毕后,不马上进行放矿工作,待松散矿石自然堆积24h并自然压实后,开启测试数据采集系统,记录不同高度下散体侧压力值,进而开始均匀放矿并始终观察不同高度侧压力值,以便推断结拱现象发生的高度。

3  实验结果及分析

考虑到实验箱体中75cm装填高度,只涵盖了装置底部的传感器CH1至CH4,这4个传感器距离箱体底板的安装高度分别为17cm、30cm、43cm、56cm;实验中按5°的间隔针对矿体倾角55°~90°进行了7次下盘侧压力分布的监测统计(如图4),并针对90°矿体进行了放矿实验(如图5)。

侧压力分布的结果表明,散体堆积高度低于50cm时,其堆积高度与侧压力同步增加,此外矿体越直立,侧压力线性增加趋势也越明显;堆积高度超过50cm深度后,随深度增加,侧压力则没有明显增加,而且不同矿体倾角的下盘侧压力都在这一深度出现了明显转折,这一现象按照相似比反推计算表明,矿体崩落体堆积高度超过10m时则有可能出现结拱现象。

放矿过程中的应力变化表明,放矿开始,处在下部的两个应力传感器记录的侧压力都迅速降低,且越接近放矿口,侧压力降低越剧烈;CH1从170N降低到20N以下,CH2从160N降低到40N左右,这一高度范围的矿体靠近放矿口,出矿后矿体密实度急剧降低,导致侧向支撑力突然减小;CH3在放矿初期侧压力则稍微降低,从110N降低到85N左右,CH4监测到的侧压力则随放矿进行逐渐升高,从70N增加到了160N,而后随放矿进行侧压力突然降低,CH4处侧压力持续升高表明放矿时该高度以上矿石没有出现向下的流动,从而导致下部矿石放出后支撑力缺失从而侧向压力出现升高,也就说明该高度出现了明显的结拱现象,而放矿后期该高度侧压力的突然降低则明确表明了结拱的破裂。CH4所处高度为56cm,按照相似比推算,结拱出现的高度约为11m右。

4  结语

通过散体侧压力实验系统进行相似实验,利用散体测壓力间接反映结拱现象的判定是可行的,同时实验装填模型尽可能接近矿山的实际情况,则实验结果的科学性和可靠性都将得到提高。

实验结果表明,矿体堆积高度超过10m后,放矿中就存在结拱的可能,对比目前矿山的实际,放矿高度都远远超过这一临界高度,放矿过程中比较严重的结拱出现的高度距离放矿口约11m。

研究中没有详细讨论不同粒径矿石级配的情况,后续应进一步深入探讨。

参考文献

[1] 何荣兴,任凤玉,谭宝会,等.有限宽度崩落矿岩散体侧压力分布规律[J].东北大学学报,2019,40(3):409-413.

[2] 惠安社,李明楼,路增祥,等.我国无底柱分段崩落法结构参数优化研究进展与方向[J].金属矿山,2020(3):1-11.

[3] 郭辉文,何治良,张志贵,等.充填体下无底柱分段崩落法采场结构参数对回采进路稳定性影响分析[J].矿业研究与开发,2020,40(4):12-18.

[4] 刘健.云南峨山化念铁矿无底柱分段崩落法釆场结构参数研究[D].昆明:昆明理工大学,2015.

[5] 杨宫印,陈玉明,王小勇.马鞍山2#矿体无底柱分段崩落法结构参数优化研究[J].矿冶工程,2017,37(2):24-27.

[6] 李鹏.无底柱分段崩落法铲装效率实时监测研究[D].鞍山:辽宁科技大学,2018.

[7] 卢皎旭,温彦良,邓登文,等.端部出矿下散体矿石流侧压力分布规律研究[J].科技创新导报,2019,16(8):56-57.

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