（岩土工程专业论文）无底柱分段崩落法放出体、松动体、崩落体三者关系研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文摘要 摘要 无底柱分段崩落法凭其结构简单、机械化程度高等特点，在金属矿山得到广泛 应用。但缺乏对放出体、松动体、崩落体三者之间关系的研究，使得损失贫化大的 问题一直末得到很好的解决。 针对上述问题，运用放矿理论、爆破理论、崩落体原理，在文献综述基础上， 进行了放出体、松动体、崩落体关系的分析：研究了放出体、松动体、崩落体之间 的关系；建立了三者之问的关系模型；编制了计算机程序。 1 依据放矿理论对回采过程进行分析，得到铲车斗内放出散体体积与放出体体 积的比值( 丘。) ，从而计算出松动体体积。 2 阐述了崩落体、放出体和松动体三者之间的关系。运用最小二乘原理对矿山 实测数据进行回归拟合，分别得到崩落体与放出散体、放出体与松动体、松动体与 崩落体的单向循环量的数学模型。 3 得到了放出体、松动体、崩落体之间的关系，根据三者关系数学模型，采用 v b 可视化语言编制了计算机程序。 4 应用可视化程序对回采过程进行数值模拟，实现了对矿石回采的预测和控 制，降低了矿石的损失贫化率，提高了矿山经济效益。 5 应进一步通过大量生产数据对关系模型进行修正。 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t b yr e a s o no ft h e f e a t u r e so fs i m p l es t r u c t u r ea n dh i g hm e c h a n i z e dd e g r e e ， t h es u b l e v e lc a v i n gi sp o p u l a r i z e di nh o m ea n da b r o a dm e t a lm i n e s ，b u tt h e p r o b l e mo fo r el o s sa n dd i l u t i o ni sn o tw e l ls o l v e dt ot h i sd a yf o rb e i n g s h o r to fs t u d yt od r a w l n g o f fb o d y ，l o o s i n gb o d y ，b l a s t e db o d y f a c i n gt h ei s s u e sm e n t i o n e da b o v e ，ia p p l yo r et h e o r y , b l a s t i n gt h e o r y a n db l a s t e db o d yp r i n c i p l et oa n a l y z i n gt h er e l a t i o na m o n gd r a w i n g - o f fb o d y ， l o o s i n gb o d ya n db l a s t e db o d y ，a n dr e s e a r c h i n go nt h e i rr e l a t i o n ，f o u n d i n g t h e i rr e l a t i o nm o d e l ，a n dp r o g r a m m i n g 1 a n a l y z e st h es t o p i n gp r o c e s sb yo r et h e o r y ，a n dg e t st h ev o l u m er a t i o o fd r a w i n g o f fl o o s e b o d ya n dd r a w i n g o f fb o d y a c c o r d i n g l y ，ic a l c u l a t et h e b u l ko fi n c o m p a c tb o d y 2 e x p o u n d st h er e l a t i o na m o n gd r a w i n g o f fb o d y ，l o o s i n gb o d ya n db l a s t e d b o d y ，a n d if i n dt h e i rm a t h e m a t i cm o d e lb a s i so nt h el e a s t s q u a r e sb y r e g r e s s i n gd a t ao fm i n e 3 a c q u i r e st h er e g u l a r i t yt ot h et h r e eb o d i e sm e n t i o n e da b o v e ，ip r o g r a m t ot h es t o p i n gp r o c e s sb a s i so nt h er e l a t i o n a lm a t h e m a t i cm o d e l 4 t h e ni a p p l yt h ep r o g r a mt op r o c e s s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n d i m p l e m e n tf o r e c a s tt os t o p i n gp r o c e s sa tt h es a m et i m e s ot h er a t eo fl o s s a n dd e p l e t i o ni sd e p r e s s e d ，a n dm i n eb e n e f i ti s e n h a n c e d 5 t h ea u t h o rw i l lm o d i f yt h er e l a t i o n a lm a t h e m a t i cm o d e lb yam a s so f p r o d u c t i o nd a t a k e yw o r d s ：s u b ie v ei c a vin g ，bia s t e db o d y o r et h e o r y 1 0 0 s i n g b o d y ，n u m e r i o a is i m u i a t i o n 独创性声明 本人声明所一号交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。，尽我所知，除r 文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 清华大学或其它教育机构的学位或证二持而使用过的材料，与我一同工 作的同志划本研究刀i - j | 设的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了铡意。 签名：数熊日彬垃。瘴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交除文的复印什，允许论文被查阅和借阅：学校可以 公布论文的仝部或部分内容，j t j | 以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的沦文在解密厢膨遵。、! ：i 二此觌 签铛一多参垒冬一缈睡治 日期：吱u 、 辽宁群技大学硬壬论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 无底柱分段嶷落法蠢2 0 世纪6 0 年代中期在我国开始使用良来，凭借其其有结 构简单、机械化程度高、成本低、安全性能好、采矿强度大等特点，在金属矿山得 到了迅速推广，特别是在铁矿山中更为广泛应用。目前，采出矿石量约占采出矿石 憨萤的8 溉左右，有色金属矿山约占3 0 。国际上使用无底拄分段崩落法采矿的矿山 约占2 0 ，丽虽髓着采矿向地下深部廷 率，爱底柱分段崩落法的使用有增盘鹱的趋势。 崩落采矿法是在崩落矿石之翁或崩落矿石的同时，用强镄或巍然斡办法崩落暖 岩来管理地压和处理采空区的方法。无底柱分段崩落法的特点是它是在松散岩层的 覆盖条件下进行网采工j 乍的，损失贫 乏太是该方法存在的主要赫题之一。为了改进 该采矿方法的开采效巢，尉内外专家学者和矿山生产工作人员做了大量的研究工作， 取得了很大的酸观，偿仍未达至g 人们满意鲍要求。 无底援分段崩落法豳采工捧是由藩矿、出矿等工 乍组成，各部分组成豹回采系 统如图l 1 。过去我们在无底柱分段崩落法的研究中，有的侧重放矿，而有的侧重 爆破研究，缺乏把放矿和爆破作为一个有机整体柬看待，系统遗蛩f 究闫题。事实主， 盔整个系统中，各部分韪相互联系的商机整体。匿前甚对放矿矿岩移动规律、瀑破 参数、结均参数、矿石性质、放矿工艺等进行了大量研究。但对回采系统餐部分之 闯的相互关系缺乏研究与认识，各项研究仍处于对润题的局部探讨。嚣然有些方丽 研究得很深入，但由予研究工作缺乏系统研究、整体优化，损失贫化大的问题仍没 有得到很荮恐控制。 无底柱分段崩落法圈采工作豹每一个环节都是尊中既稚互联系又相互制约的关 系，在研究工诈豹开展中，单一f r 9 从任据某一方面入手考虑问题，而没有把各环节 看成关联体系，那都是不科学、不合理的，对问题发震的认识具有片面性。 随着时间空间的交替变化，事物的状态参数是要“与时俱避”的，是要不断发 展变化地采满足藜环境要求的。事物盼参数其有很强熊时溪、空闯效应，是蘧环壤 变之而变的动态过程。豳果系统作为大自然的一分子也不例外。比如，在个回采 棼道工4 乍面不断后退开采中，覆盖豳岩的挤密程度，对下一次崩矿的补偿空间大小、 崩落矿石在其中的形态等的彩响程度是变化的，而就整个回采效果，对爆破作用的 辽宁辑技大学硕士论文 第一章鳍论 要求也是不断发展变化的。但实际工作中，现场还是预先计划设定好崩矿步距、扇 形炮孔布置、炸药量的大小后进行开采，这势必会造成很多环节遭到强制进 亍后与 实际不德，使损失贫化程度褥不到很好的控制与预防。 图l l 回采系统各环节相互关系图 为避免矿石损失贫化，提高矿石回采率，我们应当把无底柱分段崩落法翻采系 统的各环节作为一个有机整体，运用系统进化与动态优亿的理论，使系统各环节的 研究服从整体需要，综合研究回采过程各环节以及它们之间的相互关系，找出崩落 体、放出体、松动体三者的内在规律，使整体最优。 1 2 文献综述 无底柱分段崩落法是上个世纪五十年代以来随着新的采矿工艺和设备的出现而 逐步发展起来的一种效率高、机械化程度高、结构简单、生产安全、成本较低廉的 采矿方法。自二十世纪六十年代以来，此方法在国内外得到了广泛应用，并成为分 段崩落法的主要方案! 】j 。 无底柱分段崩落法是将阶段用分段回采巷道划分为若干个分段，由上向下逐个 分段避行回采，并由崩落围岩充填采空区，分段下部未设置由专用出矿巷道所构成 的底部结构；分段的凿岩、崩矿和出矿等工作均在回采巷遥中进行。戳丽大大简化 了采矿方法结构，给无轨自行设备及生产操作剖造了有利条件。 无底柱分段崩落采矿法的典型方案( 如图l 2 ) ：在回采巷道端部切割槽完成 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 后，向上打钻扇形炮孔，并以较小的崩落步距向自由面方向挤压落矿，崩落的矿石 自回采巷道的端部由装运设备直接运出至溜井处。 l ，2 上、下阶段沿脉运输巷道：3 矿石溜井；4 一设备井：5 通风行人天井； 6 一分段运输平巷；7 一设备井联络道；8 一回采巷道；9 一分段切割平巷；1 0 一切割 天井：1 1 一上向扇形炮孔 图1 2 无底柱分段崩落法典型方案 2 】【靶 该方法是在松散岩石的覆盖条件下进行放矿、落矿的。矿石的损失贫化大是这 种采矿法的主要主要问题之一。而造成损失贫化的主要根源就在于放矿、落矿等种 种过程中，覆盖围岩( 废石) 与矿石始终直接接触。矿石损失与贫化是评价矿床开 采的主要经济指标，是衡量矿山经济的主要尺度。因此，我们应把矿山的研究工 作重点放到降低矿石损失和贫化上来，从开采技术和科学管理两方面入手，作到有 的放矢。 针对无底柱分段崩落采矿法的矿石损失与贫化问题，国内外专家学者进行了大 量研究工作，并取得了令人满意的成果。归纳起来主要有以下三个主要方面： 1 ) 矿岩移动规律的研究，作为研究矿石损失贫化根源的理论基础，用于采场结 构参数的调整； 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 2 ) 爆破参数优化研究，主要用于改善矿石爆破后的效果； 3 ) 回采过程的科学化管理。 首先，第一方面的研究主要是指岩石的流动特性和运动规律 4 - 7 ，即放矿理论 的研究”删，主要的成果有：随机介质放矿理论、连续介质放矿理论( 包括椭球体 放矿理论和类椭球体放矿理论) 、振动出矿技术、结构参数优化研究、计算机仿真与 模拟研究、低贫化或无贫化损失放矿研究等。 放矿理论是研究覆盖岩石下崩落矿岩移动规律的理论，对解决损失贫化、确定 合理的采场结构参数、提高矿山经济效益、增加矿山寿命都有十分重要的意义。放 矿理论在当前主要分为两大研究方向：随机介质放矿理论和连续介质放矿理论。并 且，连续介质放矿理论又包含椭球题放矿理论与类椭球体放矿理论。 随机介质放矿理论系指把矿岩散体看作具有一定概率流动的介质来处理，确立 的放矿理论。 最早的随机介质放矿理论始于二十世纪六十年代，当时波兰专家j l i t w i n i s z y n 教授提出松散介质的运动过程是随机过程呷l 。他认为可以应用概率学理论来研究散 体的移动，并把松散介质作为随机的连续介质来考虑，建立了移动漏斗深度函数的 微分方程。此理论对研究崩落法放矿有深远的影响。随后我国王泳嘉教授在1 9 6 2 年提出起散体移动的球体递补模型，并基于此模型建立了球体移动概率场”。此外， 在随机介质放矿理论中取得突破进展的是我国任风玉教授，他的研究工作解决了许 多实际问题，确立了散体移动速度场、移动漏斗、放出体方程等等应用方程，这些 具有应用价值的成果逼真的揭示了放出体形态的各种变化，为崩落采场的结构参数 的确定提供了有力依据”“。 与之对应的连续介质放矿理论研究显得更为深入，获得的研究成果更为被广泛 应用与探索。对此方向各国的专家学者做出了大量的研究工作，像国外的马拉霍夫、 库里柯夫、米纳耶夫，国内专家刘兴国、苏宏志、王昌汉、熊国华、李荣福、王泳 嘉、董振民、任风玉、黄德玺、魏善力等人对崩落矿岩流动特性、放出体、松 动体、矿石残留体、端部出矿规律、复杂边界条件下放矿、非理想介质放矿等崩落 矿岩的流动特性、松动带内部散体密度速度场等移动变化规律研究方面做了大量研 究工作，建立了描述散体运动现象的各种方程 1 ，形成了椭球体放矿理论a 早在上世纪的1 9 5 2 年，前苏联学者马拉霍夫著有名作崩落矿块的放矿一书， 指出放出体是椭球体，等速度面是椭球表面m 1 。继马拉霍夫之后的是苏联学者库里 柯夫，他于1 9 6 5 、1 9 7 2 、1 9 8 0 年三次撰写放矿著作。库旱柯夫完全立足于放出体是 椭球体和放出体的过渡关系，并提出放出体表面颗粒在移动过程中相关关系不变 借= 音) ，从而首先建立了表述单孔放矿移动规律的基本方程【9 1 。二十世纪7 0 年代至 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 8 0 年代，我国学者在完善椭球体放矿理论上做了大量研究工作，主要分为等偏心率 放矿理论和变偏心放矿理论o ”。1 9 7 9 年，东北大学刘兴国教授根据放出体的过 度关系，提出等偏心率放矿理论，认为偏心率为一常数。刘兴国教授不仅建立了等 偏心率放矿理论的数学方程，还用坐标变换方程解决多漏斗放矿问题，在多孔放矿、 数值计算、放矿边界条件等方面取得了价值较高的成果。但是实验表明等偏心率放 矿理论的结果与实验结果不符，偏心率实际是一变量。到了1 9 8 3 年，西安科技大学 的李荣福教授提出类椭球体放矿理论，认为偏心率是变化的，并得到方程： i s 2 = k h l ，通过此方程建立放矿基本规律的统一数学方程，形成变偏心率截头 椭球体放矿理论。并在1 9 9 4 年建立了椭球体放矿理论的理想方程和实际方程。 根据椭球体放矿理论，国内学者及矿山生产技术人员结合实际情况在优化采场 结构参数方面作了很大贡献。一般来说，无底柱分段崩落法的结构参数主要指分段 高度、进路间距和崩矿步距。对于三者的合理配置，我国董振民根据国内外矿山实 际结构参数的现状及生产情形做了大量分析，提出应转向大间距结构布局的必要性 口”，并结合梅山矿业的工业实验指出，在对大结构参数的选择应采用大间距，而不 是大高度的结构形式，同时分析了大间距具有对施工技术要求底、灵活性大、经济 效益明显等特点。随后，原丕业、赵金先等分析了大间距结构下爆破堆积和矿石脊 部残留与放出体的吻合关系，论证了大涮距结构的合理性( 2 4 】。此结构参数确定方面 的研究还有王彦武、俞胜健、张国联等人 2 5 - 2 7 。 其次，在爆破理论及爆破优化方面。爆破理论的发展史( 如图1 3 ) 。 辽宁抖技大学硕士论文 第一章鳍论 圈l 一3 爆破理论发展过程 2 8 3 3 1 以爆破理论，我匿学者对降低损失贫化工作做了大量研究工作 3 4 - 3 8 j 。 由张国建教授首先提出的爆破落矿产生的崩落体对回采体系的贯通以及矿石损 失贫化的降低起到很大作用与启发。张教授指出：崩落体作为回采过程中一个重要 实体，它的物理力学性质对放矿有很大的影响。并且，崩落体理念的出现使回采过 程中落矿、出矿环节中的放出体、松动体与崩落体形成了有机整体的思路给予启迪。 马建军、陈付生等人逶过建立目标函数按照统计奴律褥到爆破优化实用模型。 通过矿山现场数据的采集，应用数理统计、强归方法建立模型，避免了爆破机理的 “黑箱”或“灰色”效应，真实的反映了矿山生产实际。 李江对扇形中深；f l t l 底起爆技术从孔底起爆的概念、起爆机理和现场实验开展 了研究工作，获得了成功应用。 任风玉、穆太升在夏甸金矿山，通过分末斥崩矿步距正面的放矿松动体条件、四 周的爆破约束条件及扇形炮孔有效爆破的方向性等因素，对中深孔爆破参数进行了 辽宁科技犬学硕士论文第一章绪论 优化，解决了中深孔爆破小块度难的阐题，取得了很好的实用价值。 最后，在回采过程科学化管理上主要是众多学者针对无底柱分段崩落法贫化大 这致命问题进行研究，归结起来有：最优截止品位放矿法、无贫化放矿法、低贫 化放矿法及利用人工智能手段豹放矿专家指导系统等。 我国刘兴国教授指出目前截止品位的以步距为单位的确定方法是不科学的，因 为崩落矿岩移动空问是连续媳，上下分段之间和相邻步距之间驰放矿都存在联系， 所以应从矿体和采场的整体来考察矿石的回收和截止品位的确定m 】。刘教授还提出 应考虑多种因素拟定不同的截止品位，然后根据经济指标来确定最优。随后，西安 科技大学的黄光球、挂中岳探讨了基于总盈稠原则、单位盈利最大原则、单位精矿 盈利最大原则和利本率最大原则的静态和动态放矿截止品位的确定方法f 4 0 】。接着就 是马建军、扬才亮对缀合截止晶位进行了讨论，他们认为极限截止品位放矿方式、 无贫化截止品位放矿方式等都是组合截止品位放矿的一种特殊形式，具有不同特点， 实践中应实施适当的组合截止晶位放矿”。 东北大学荆兴因教授又对无贫化放矿进行了深入的研究，刘教授以镜铁山矿为 例阐述了从整体对待，以无贫化放矿方式放矿得到的矿石回收率最优，并且阐述了 不贫化教矿的原理和依据，又根据此原理和依据结合矿由灾际情况，提趱了矿石数 量和质量过渡、改变截止品位的确定及若干分段组合的放矿等无贫化放矿的具体方 案，形成了较完善的不贫化放矿理论 4 3 4 5 】。 除外，随着计算机业突飞猛送的发展，智能化的多领域维广，学者任毅、刘景 秀、徐新汶在大冶铁矿建立了无底柱分段崩落法的专家指导系统，并取得了成功1 4 6 。 从上可看，无论是技术方面还是管理方亟，都取得了很大的成就，今后要从两 个方面综合采取有效措施，进行系统优化。 1 3 本章，j 、结 本章通过全西的阐述无底柱分段崩落法放矿在国内外的发展过程，我们可以看 到国内外专家学者在无底柱分段崩落法中损失贫化方面做出了巨大贡献，为矿山开 采提供了坚实的理论基础。 但从实际生产和研究过程中，可以看到众多研究只是固定在单一的一面。有的 侧重放矿，有的侧重爆破，缺乏把二者有机的结合起来。在矿石回采过程中，放矿 时出现放出体和松动体，当落矿时崩落下来的矿石堆积体即“崩落体”。( 如图l 一4 ) 。 ( 注：崩落体的研究目前还处于萌芽阶段) 。 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 1 崩落律 2 煎出傩3 千。葫傩 4 矿忙5 卿果营造6 疆盖碧层 图1 4 同采中的三体 图中表明，在回采过程中，是放出体、松动体和崩落体三者组成的具有必然关 联的实体回采系统。而这三者又很自然的把放矿与爆破两个方面切切实实的联 系到一起。对三个单元体( 放出体、松动体和崩落体) 的关系研究，就是对回采系 统进行整体的分析，避开局部化，把握全局，科学合理的总体优化，最终达到降低 损失贫化的目的。 辽宁科技大学硬士论文 第二章松散介质的基本性质 第二章松散介质的基本性质 放出体、松动体和崩落体是构成整个回采过程的三个关键实体，它们同属于松 散介质，其有松散介质的一般性质。 2 1 松散介质物理力学性质 出大量几何尺寸基本栩同的，同时彼此褶联系的圃体颗粒所组成的集含体称之 为松教介质或教粒体。组成松散介质的单个固体颗粒为松散颗粒。 1 松散介质的容熏 松散介质单位体积的重量被称为松散允质的容重以，可用公式：“：娶来计 蚝 算，式中：扎松散介矮的容重； 形松散介质的重量； q 松散介质的体积。 崩落的松散矿岩( 以后称之为崩落体) 的容重，对放矿是一个重要的物理参数， 也就是说对放矿产生的放出体、松动体有影响。 根据不同的条件和测定方式可以把松散矿岩的容重分为试料容重、模型中的试 料装填容重和松散矿岩装载容重，而巨每种不同形式豹容重对敖矿时的计算取量具 有不同的作用效果。 崩落体的容重是引起放出体体积变化的因素之一，它可以说明松散矿岩介质内 部的松散性或压实度。在其他条件一定的情况下，随着容重的增大，散体的松散性 减小，压实度增大，对放矿不利，会使放出体变小；反之，放出体交大。 2 松散介质的松散性 在落矿阶段，整体矿岩经爆破破碎以后的体积，比原有体积增大的性质称为松 散性。松散介质的松散性常用崩落矿卷在松散状态下的体积，与整体状态下的体积 之比来表示，称为松散系数( 也叫碎胀系数) 。公式：k = 导可用来计算其数值， 式中：是。松散系数； 娘崩落矿岩在松散状态下的体积； 9 辽宁科技大学硕士论文第二章松散介质的基本性质 q 。矿岩未崩落时的体积。 在放矿过程中，通常把地下采场崩矿以后整体矿石破碎而产生的碎胀，称为第 一次松散。同时把这种碎胀后的松散矿石体积与原来整体矿石体积之比，称为一次 松散系数。一次桧教系数的大小反跌了崩落矿石的松散能力强弱，同剐说聪在崩矿 之翦，崩落矿石可获荦导的补偿空间的大小，以及在崩矿之后，崩落矿石在覆盖岩石 下的流动性能。在地下采场爆破时，由于受到补偿空间的限制，使被爆矿石得不到 自由的松散。经实践证明，当采用垂直深孔的挤压崩矿时，矿石的一次松散系数为 1 1 1 2 。 3 松散介质的匏隙度 松散介质的孔隙度系指松散介质在松散状态下颗粒之间的孔隙体积占松散体积 的百分比，即：船= 罂1 0 0 ， 娃 式中n 松散介质的孔隙度； q 松散介质的固体颗粒的体积。 崩落矿岩松散体的一个重要特点，就是矿岩块之间具有较多的孔隙。根据矿岩 松散体结拘特点的不同，它的孔隙度也不同。块矿的孔隙度大，粉矿的孔隙小。带 棱角的矿岩孔隙度大，圆滑的矿岩的孔隙度小。崩矿挤压程度大，覆盖矿岩重力作 用大，保留时间长，则孔隙度小，反之，孔隙度大。在采场中崩落矿石的孔隙度小， 压实度大，则放出体小，放矿过程容易形成空漏，对放矿十分不翻。当覆盖岩石块 度较小，甚至小于崩落矿石孔球大小的l 2 1 3 时洲，小块废石穿过孔隙，提前放 出，造成过早的贫化，恶化放矿指标。 4 松散介质的压实度 松散矿岩的压实度是指崩落的松散矿岩的外力作用下，被压实的程度。通常是 把松散矿岩压实看的体积与原松散状态下总体积之比，称之为松散矿岩的压实瘦。 松散矿岩的压实度与动静载荷大小、储存时闯、湿度和块度组成等因素有关。若爆 破地震效应强烈而频繁，覆盖矿岩重力作用大，湿度增大，贮存时间增长等，都会 使松散矿岩块重新排列，结构改变，孔隙减小，而导致压实度增大。噩实度的增大 将引起内摩擦系数和粘聚力增大，崩落体形态变坏，致使放矿指标恶化。因为压实 度过大时，松散矿岩可能丧失松散性；不过只要其粘结性不大，放矿时，松散性仍 能逐渐恢复。 5 松散介质的块度 松散介质的块度是指松散矿岩块的尺寸和各级矿岩块所组成的百分比。 l o 辽宁科技大学硕士论文 第二章松散夼质的基本性质 在翻前地下采场崩矿条件下，崩落的松散矿石，总是由各种不同尺寸的矿石块 组成。实际生产中，根据产品和采场工艺的本身要求，松散矿石的块度不能过大或 过于粉碎，必需对块度的上下限有一定的规定。对于超过规定后的大块尺寸的矿石 块，我们称之为不合格大块。如大块率过大，在通过传送漏斗运送下一阶段之前， 二次破碎( 即把大块破为小块) 的工作量就会增加，造成不经济，或跫对崩落体在 覆盖岩层中的形态，以及放矿中流动性造成不利影响，使放矿效果不自满足要求： 反之，如崩落矿石块度过于粉碎，则对粘性矿石易于形成过早结块，使之损失贫化， 影晌放出强度。 6 松散余质的内摩擦角 松散介质的内摩擦角是指没有糙聚力的松散介质内部发生剪切破坏的瞬间，作 用在松散介质内部剪切面上的正应力和合成应力的夹角。 内摩擦角用松散介质抗剪强度试验法求得。根据试验结果所作的正应力仃一剪 应力f 的图解，把抗剪强度曲线与横坐标o - 的夹角，称之为内摩擦角伊。而把内摩 擦角的正切称为内摩擦系数k 。因此，内摩擦系数是松散介质在破坏瞬间沿剪切面 的极限剪应力f 与正应力仃之比，即： k ：t a ng o ：三 盯 如果是非理想的松散介质，则其有粘聚力c 。因此，内摩擦系数则应为剪应力 与粘聚力之差( f e ) 与正应力疗之比，即： k ：t a n 函：三! o 在松散介质的内部，相互接触的颗粒当发生相对位移时，总要产生一种肉摩擦 力。根据接触情况和状态，内摩擦力也霹分为三种： ( 1 ) 滑动摩擦力，是指松散体的一部分沿另一部分呈平面或曲面滑动时，所产 生的阻碍滑动的力。 ( 2 静摩擦力，是指松散体内部产生滑动的趋势。这种阻碍松散矿石转向运动 的力q 做静摩擦力。 ( 3 ) 滚动摩擦力，是指颗粒在另一个亟上滚动时，所产生阻碍滚动的力。这三 种摩擦力有其相应的摩擦系数和摩擦角。 松散介质的内摩擦角受松散介质的松散性、湿度、块度组成、块度形状和表面 糨糙程度以及剪切速度等因素的影响。 随蓿松数分质的松散系数的增大，内摩擦角、内摩擦系数和牯聚力都城小，搬 表2 一l 和图2 一l 所示。反之，随着压实度的增大，内摩擦角也增大，要使松散介 辽宁科技大学顽圭论文第二章松散舟质的基本性质 质产生相对位移，所需要的剪切力也增大。因此，松散系数和孔隙度增大，压实度 减小，对敖矿有利。 表2 一l内摩擦角和粘聚力与松散系数的关系 松毅系数 1 1 3 0 1 3 5 1 4 5 1 5 51 。6 5 l ，7 5 内磨擦角( 。) 4 64 54 34 03 83 6 粘聚力( m p a ) o 0 5o 。0 2 60 0 2 00 0 0 5oo 磁 籁 帕 蜷 避 g 图2 1 内摩擦系数与松散系数的关系 随着松散介质湿度的增大，毛细管作用产生的粘聚力和抗剪强度急骤增大。在 这种情况下，放矿时就可能形成空峒。但是当松散介质的湿度超过一定范隧，即为 水饱和以矗，这秘粘聚力将消失，内摩擦角大大敞小。当细小颗粒和含粘土颗粒增 多而且湿度很小时，则松散贪质内摩擦焦增大。同一种粒级，颗粒圆滑的松散介质 的内摩擦角要小；而多种粒级组成的颗粒为不等轴失角的松散介质，则其内摩擦角 要大些。当剪切速度提高时，内摩擦角减小。 从这些因素的分析中可以看出，内摩擦角在很大程度上影响着松散矿石流动的 状况、放出体和松动体的形状和大小，因此它是一个菱要的物理力学参数。 2 2 松散介质的侧压力及侧压力系数 崩落矿岩通常属予非理想的松散介质，矿岩块之间有一定的粘结力，但其强度 远远比矿岩本身的强度小。就单个矿岩块而言，它具有固体的特性，而就整个散体 面言，它又具有液体性质，如矿岩块之间的位置容易改变，可以和盛着它的容器具 有同一轮廓形状，也可以从容器的孑l 中流出。故散体具有固体和液体的双重物理耩 性。 辽宁科技大学硕士论文第二章松散介质的基本性质 散体的力学性质也介于固体和液体之间。如散体在容器中和液体一样，有向容 器四周施加水平压力( 侧压力) 的性质，但水平压力的大小又和液体不同，不是等 于同高的垂直压力，而要乘上一个小于1 的侧压系数k ，即： 只= k 。p ： 式中只散体水平压力( 侧压力) ； k 侧压系数； p 垂直压力。 散体的k ，值介于1 0 之间，而固体为0 ，液体为1 。所以从这一点看，散体的 力学性质也具有固体和液体的双重性。同时散体在一定条件下的确存在向固体或液 体转化的可能性，如散体湿度超过临界值变成“泥石流”，向流体转化；而散体结块 贝0 是散体向固体转化的一种表现。 2 3 松散介质的变形 松散的矿岩在运动过程中，其中的内部变形形式主要有两种：吸附变形( 也叫 弹性变形) 、结构变形( 也叫塑性变形) 。 粘结性大的散体，颗粒之间充满水膜，受外力作用水膜厚度发生与吸附力有关 的可逆的变形，称为吸附变形。 另外，松散介质受到外载荷后，构成散体骨架的固体颗粒互相移动。与此同时， 孔隙体积改变，内部结构发生变化，颗粒之间原接触点破坏并转为新的静态平衡状 态：或者颗粒之间粘聚力破坏，整个松散体破裂，这种为结构变形。结构变形是不 可逆的塑性变形。 辽宁科技大学硕士论文第二章松散介质的基本性质 蒸 幽 瞌 0bdac 变形 图2 2 松散体变形曲线 散体的变形大部分属于结构变形。散体的变形又主要表现为它的孔隙比的变 化：压缩表现为孔隙比减小，松散表现为孔隙比增大。而单个颗粒的变形是很小的， 因而，在研究松散介质变形时，往往将固体颗粒的这种微小变形忽略，所以松散介 质的变形力学主要是研究孑l 隙比与法向主应力、孔隙比与介质体积的变化之间的关 系。 在不发生侧向变形的条件下，松散介质压缩主应力盯与孔隙比j 气之间的关系 可以写成：茧。= k ( 盯) 这表示松散介质的孔隙比值是主应力的函数。 同理，也可以求出与孔隙比有密切关系的松散介质的密度p 、内摩擦角妒及粘 聚力c 与主应力盯的关系( 如图2 3 ) 。 d ， ， ， | | | d b 旷妒与盯关系；b p 与盯关系 图2 3 松散介质p 、妒与仃的关系 崩落体采场放出过程中所发生的变形，主要有以下几个特点： 1 4 枷 咖 枷 。 辽宁科技大学硕士论文第二章松散介质的基本性质 ( 1 ) 崩落体形成过程就是它发生变形的过程，这个变形由弹性变形和结构变形 两部分组成，且大部分属于结构变形； ( 2 ) 崩落体形成时，周围松散矿岩的孔隙比减小； ( 3 ) 在其他条件相同的清况下，颗粒之间的接触联结力对崩落矿岩的结构变形 产生决定性的影响，而这种联结力主要取决于崩落矿岩的初始密度。初始密度愈大， 孔隙度愈小，矿岩愈难以放出，结构变形愈难以发生。挤压崩矿以后矿石在开始难 以放出，就是因为块状矿石之间挤得很紧，接触联接力很大的缘故； ( 4 ) 崩落矿岩的压实效果与载祷的性质关系很大。动载苟对崩落矿岩的压实作 用要比静载荷大，所以井下经常性爆破，特别是大爆破对崩落矿岩的压实作用要比 静载荷大得多； ( 5 ) 外加压实和外加松动对崩落矿岩的变形又有差别。实践涯明不论岁 加载荷 的性质如何( 动载荷或者静载荷) ，对崩落矿岩的变形程度的影响比起松动作用给崩 落矿岩的变形影响程度要微弱得多。许多矿山为了采场内矿石结块和降低底柱上承 受的鹾力，定时从漏斗中放出一定的矿石，使之经常保持松动，就是铡用了崩落矿 岩这一力学特性； ( 6 ) 重力松动和振动松动对崩落矿岩的作髑区别又很大，以缁粒矿石为弼，在 强烈的振动力作用下，内摩擦系数减少很大，这就是目前国内外应用振动出矿的理 论依据。+ 2 4 松散介质的流动过程及应力极限平衡理论 放矿之前，整个松散矿岩处于相对静止状态。开始放矿后，位于放矿口上部的 颗粒的静力平镛受到破坏，开始流出放矿口。一个颗粒落下就破坏了位于该颗粒之 上的另一个颗粒的平衡，这样另一个颗粒和周围的颗粒一道同对加入运动，流向放 矿口。这种平衡状态的连续破坏过程，就是矿岩不断从采场流出的过程，一直达到 耨的平衡为止。松教矿岩的流动与停止，是由重力、松散矿岩的内摩擦力、松散矿 岩与岩壁的外摩擦力等相互作用的结果。 松散矿岩产生流动的条件是，重力大于其余各力之合力；松散矿岩停止流动| = 晦 条件则是，重力的作用小于各力之合力；松散矿岩流动与静止的极限平衡条件怒， 重力等于其余各力的合力，并且作用方向相反。 通避松散体内菜一点有一具有法线砰的任意微面。在该微面上作用着法向应力 分量仃。和切向应力分量r 。( 如图2 4 ) 。 辽宁科技大学硕士论文 第二章松散介质的基本性质 1 一实际应力向量2 一引用应力向黉 图2 4 松散体内某点应力 在平衡破坏时，粘性不大的松散介质沿着该微面的抗剪强度是一线形关系， 即： = 仃t a n f p + c 满足此条件的该微面称为滑动微面。 假设：q = c c o t6 p 式中 o c 一换算粘性应力。 此时， 川= ( + c r ) t a l a c p 这样，保证松散介质不发生滑动的4 i 等式将是：h i ( 吒+ c r ) t a n6 p 并且盯。2 一q 而为了研究的点的松散介质的应力平衡，在通过该点的任意微面上应满足上述 不等式，因而： m a x “l l 一( 仃。+ c l ) t a r l 妒) 0 而当： m a x 卜。l 一( + c l ) t a n q ) = 0 时的状态，就是松散介质的应力极限平衡状态。 2 5 本章小结 本章主要介绍了松散介质性质的以下两个方面： ( 1 ) 介绍了松散介质的物理力学性质，包括：松散介质的容重、松散性、孔隙 辽宁科技大学硕士论文 第二章松散介质的基本性质 度、压实度、结块度及粘聚力等等，说明了它们是松散介质的重要物理因素，对放 矿、落矿有重要影响。 ( 2 ) 从静力学和动力学两方面阐述了松散介质的力学特性，指出了松散介质具 有液体和固体双重性质。文中说明了松散介质的受力变形( 主要是结构变形) 不可 逆的特点，以及变形过程中引起的内部物理性质的反应。另外，还介绍了散体静止 与移动的边界条件。 辽宁科技大学硕士论文第三章放出体、松动体、崩落体关系研究 第三章放出体、松动体、崩落体关系研究 3 1 放出椭球体 3 1 1 放出椭球体的概念 放出椭球体又称放出体，它是指从采场通过漏斗放出的一定大小的松散矿石体 积盆，该体积的矿石不是从采场内任意形体中流出的，而是从具有近似撩球体形状 的形体中流出的( 并且引出麟球形态的松动体) 。电就是说，放出的矿石在采场内所 占的原来空问为旋转椭球体，其下部是放出漏斗平面所截，且对称于放矿漏斗轴线。 这一点，可以用放矿实体模型来证实( 如图3 一1 ) 。首先向模型内装填松散矿石， 装填时按一定的空闯位置放置带号的标志颗粒，并做记录。装填完毕后放矿，每放 出一定的矿石盆、g q 5 ，记下相应的标志颗粒，然后根据所放出的标志颗粒， 圈绘出一定的矿石q 1 、q 2 q 原来所在的空间位置，即可得到如图中虚线所示 的轮廓，其形状为下部被放矿口平面所截的椭球体i 、l i v ，这就是放出椭球体。 它的体积公式f s l ： q ：i 2 n 。6 ：+ e ：昙，r 口s ( 1 一f ：) + k t = 口y 2 d x = 刀f ( 1 7 2 - x 2 ) 等出：j 1 ( 1 ) ( 3 n - n 3 ) 式中q 一截头椭球体积； 甜一椭球体长半轴； b 椭球体短半轴； 椭球体偏心率； z 肝= 一o d 辽宁科技大学硕士论文 第三章放出体、松动体、崩落体关系研究 1 、2 、3 、4 、5 一标志颗粒编号；网格交点一标志颗粒的坐标位置 i 、i i v 一放出椭球体 图3 一l 放出椭球体实验 为了应用方便，用被截椭球体高度h 和放矿漏斗半径r 来表示d ，则得 n 斗南 z 刀= 一 甜 将d 和i 1 值代入得放矿体积公式”1 ： q = 兰6 矿f l 这就是底部放矿时，放出体体积公式。 辽宁辩技大学硬士论文第三章放出体松动体、崩落体关系研究 3 1 2 放出体在端部放矿中的理论计算 端部放矿时，松散矿石的流动规律仍然符合椭球体放矿理论。但是，由于端壁 的阻碍，放出体发育不完全，是一个纵向不对称、横向对称的椭球体缺( 图3 - - 2 ) 。 1 一回采巷道，2 一最大放出椭球体，卜放矿漏斗轮廓线 圈 2 端部放矿椭球体 端部放矿放出体计算是在一个假定下给出的。假定无底柱分段崩落法的垂直端 壁与放矿椭球体的轴线重合，放出体的体积被端壁切去二分之一。根据这一假定把 底部放矿放出体体积做以换算，有【8 】： q = 鲁协。州 式中自，一敖矿层高度： 盈一回采巷道宽度。 这就是端部放矿时，放出钵体积公式。 3 1 3 放出椭球体偏心率 放矿过程中，放出椭球体的偏心率对放出体的形态大小有重要作用。椭球方程 和它的几何参数有如下关系： 事+ 等= t ，箬= ，一s 2 ，。= 。瓜 从图3 3 中可以看出： 2 0 辽宁科技大学硕士论文第三章放出体、松动体、崩落体关系研究 刁：1 卜卜1 、 图3 3 变化与a 、b 的关系 ( 1 ) 若偏心率s 趋向0 ，则b 趋向a ，放出椭球体近似于圆球，这时放出体体 积增大； ( 2 ) 若偏心率占趋向1 ，则b 趋向0 ，放出椭球体近似于圆柱，放出体成管状。 实践证明，放出椭球体的偏心率受到放矿层高度h ，漏斗口直径d ，矿石颗粒， 矿石湿度和松散程度等因素的影响。 3 1 。4 放出椭球体的形状及性质 自从放出体为旋转椭球体的观点提出后，许多学者对放出体的形状进一步进行 了研究，并得到了不同的看法，归纳起来主要有以下几种： ( 1 ) 认为放出体上部是椭球体下部是抛物线旋转体。有人还提出上部是椭球体 下部是圆锥体。 ( 2 ) 认为放出体的形状在放出过程中是变化的，在高度不大时近似椭球体，随 着高度的增加，下部变为抛物线旋转体，上部仍然是椭球体。若继续增高，其上部 变化不大，中部接近圆柱体，下部是抛物线旋转体。 ( 3 ) 认为放出体不是数学上的椭球体，近放矿口区域要伸长些。同时认为当放 出体高度超过2 0 米时，按下列公式计算，其误差未超过采矿工程的精度要求。 q = 0 , 5 2 3 h 3 ( 1 一s 2 ) ( 4 ) 认为放出体虽然不是数学上的椭球体，但在计算上可以按椭球体公式，且 认为被漏斗截去部分与它整个高度相比较小，约为1 4 2 o ，因此可以近似地取 2 a = h 进行计算，即： a q ：= “b 2 兰h b 2 33 崩落矿石在放出时形成放出体，其放出体在放出时的性质对研究放矿有重要意 义。放出体的性质直接反映了矿石移动规律，及产生松动椭球体的根据。总结来看， 辽宁科技大学硕士论文 第三章放出体、松动体、堵落体关系研究 放出体具有以下j l 种主要性质： ( i ) 放出椭球体表面上的颗粒同时从漏口放出。 ( 2 ) 放出椭球体下降过程中其表菌上的颞粒相关位置不变。这是椭球体敖矿理 论的主要原理。它的具体含义是：随着放出撩球体内的散体从漏1 2 1 放出，放出体从 一个高度下降至另一高度，与此同时放出体表面相应地收缩变小过渡为另一表面积 较小的新的椭球体( 如图3 4 ) 。 图卜4 放出椭球体过渡关系 所谓相关位罱不变原理，就是保持这样的关系： 打：兰，”：至 h 囊 臣p ： 三：兰一：” h 曩 ( 3 ) 放出椭球体放出过程中表面颗粒不相互转移原理。随着松散矿石的放出， 放出体表面不断缩小，最后从漏口同时放出，所以其表面上的颗粒必然不可能相互 转移。否则就破坏了相关位置不变原则。 3 2 松动椭球体 3 2 1 散体= 次松散过程 所谓二次松散是相对于放出酶的第一次松散状提丽言的，是指散体从采场放出 辽宁科技大学嚷士论文第三章放出体、橙动体，崩落体关系研究 一部分吐后，为了填充放空的容积，在第一次松教的基础上所发生的再一次松散。 起发生过程是：当从漏口放出常量椭球体体积q 后，散体为了保持平衡将有2 q q 的散体补充他所留下的空间( 图3 5 ) 。继续放出，移动范围不断扩大，各种高度 的放出撩球体不断下降。现假设体积为8 q 的放出椭球体，当放出q 藉，它下降至 7 q 位置，放出2 q 后，下降至6 q 位置，如此依次下降。放出7 q 后，它下降至q 的 位置，最后全部放融。这样松散体放出过程可以概括为，从漏口放出q 后，依次为 2 q q 、3 q 一2 q 、所不断补充的过程。同时在此过程中，散体移动范围不断扩大。 3 2 2 松动椭球体的形成 酲3 5 散体的二次松数过程8 1 同放出体一样，经过实验模型证实：散体从单个漏斗放出时，并不是采场内所 有散钵都投入运动，两只是漏口上一部分颗粒进入运动状态。在模型内按一定高度 铺彩色水平带，放出时可以透过模型玻璃壁明显地看清彩色带的移动范围( 如图3 6 ) 。姆移动范围连起来，起形状近似予椭球体，称为松动椭球体，也叫松动体。 辽宁科技大学硕士论文第三章放出体、松动体、崩落体关系研究 3 2 3 松动体的性质 糕 缓盘粼黼 t i ：盏 1 争 ；：t ，i ：。蔓r ：i ! ：呼二? ：- ： 粥 露瑟瑟蔼j 一? ：! 一j 。j ：现舅醚 ：盘耋誊三蠹兰 j 黑：辩辩穗 瓣澎! 嚣 h 蠢聋谶芝糕 粼f 鳓幺一翌t 墨立 一；土 。= j j 艺t ：。：= ：二娅o 、：j e | 1 z ：宴飓毋) ：i y ：j a 一放出前；b 一放出小部分矿石；o 一放出较多矿石 1 一放矿模型：2 一放山矿石堆 图3 6 松动椭球体8 松散矿石在放出过程中，形成的松动体具有以下性质博1 ： ( 1 ) 松动椭球体体积是放出时间的函数，即： q = 南跏 式中瓯一放矿漏