端部放礦下礦巖結拱的相似模擬實驗研究

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常出現的內部結拱問題，以礦山通用參數為基礎，以側壓力監測的實驗模擬手段探討了礦巖堆積的結拱形成條件和結拱位置確定問題。實驗結果顯示，礦巖堆積高度超過10m后，放礦中就存在結拱的可能，放礦過程中發生結拱的位置距離放礦口約11m。研究結果在指導礦山改進放礦工藝方面具有借鑒意義。

關鍵詞：端部放礦? 散體側壓力? 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，放礦過程中經常出現崩落礦石由于內部礦巖的咬合作用而結拱的現象，從而出現采空區礦石懸空，使得礦石的放出率大大降低，成為目前地下鐵礦山生產中亟待解決的問題之一。

端部放礦時，人員和設備只能在端部放礦巷道內，無法通過肉眼或設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，生產現場難以直接提前確定結拱的位置，有關學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律。

礦石流結拱形成的本質是某一高度的礦石顆粒在水平方向形成了較大擠壓力，導致上方礦石無法下移的現象，因此判定結拱的基本依據為崩落體內出現了水平擠壓力的峰值。研究中以實際礦山參數為依據，按照相似比結合實驗室散體側壓力實驗裝置開展工作，通過儀器記錄的側壓力反應內部礦石擠壓力，側壓力峰值的位置即為結拱的位置，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? 實驗設備

實驗中利用SKL-16散體顆粒流動側向壓力測試系統為研究平臺，該系統由實驗裝置和監測軟件系統兩部分組成[1]（見圖2），硬件為兩側安裝有應力、位移傳感器的放礦箱體，軟件為記錄實施應力和位移的采集終端。該實驗系統具有數據實時傳輸、后續的數據處理方便的特點。

放礦箱體為立方體結構，箱體內部空間的尺寸為“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，側向的壓力就會擠壓活動滑板向側向產生位移，應力和位移傳感器受到活動滑板的擠壓后就將數據實時傳遞到采集裝置，為了數據記錄方便，兩側的應力傳感器分別進行標號，前立面傳感器由低到高分別為CH1至CH8，用于監測下盤側向應力，后立面傳感器由低到高分別為CH9至CH18，用于監測上盤側向應力，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置有5個正面放礦口，打開后即可實現端部出礦 ，在實驗裝置的側面底部布置一個大一點的放礦口，設置該口的目的是清理實驗結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[2-6]，礦石爆破后的塊度范圍一般為50～200mm，研究中按照1∶20的相似比例設計實驗的裝填參數[7]，經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量為282kg。

2.2 實驗數據采集與監測

裝填礦石之前，首先對傳感器進行調零，同時為了使模擬環境與實際生產盡可能接近，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，開啟測試數據采集系統，記錄不同高度下散體側壓力值，進而開始均勻放礦并始終觀察不同高度側壓力值，以便推斷結拱現象發生的高度。

3? 實驗結果及分析

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次下盤側壓力分布的監測統計（如圖4），并針對90°礦體進行了放礦實驗（如圖5）。

側壓力分布的結果表明，散體堆積高度低于50cm時，其堆積高度與側壓力同步增加，此外礦體越直立，側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，側壓力則沒有明顯增加，而且不同礦體傾角的下盤側壓力都在這一深度出現了明顯轉折，這一現象按照相似比反推計算表明，礦體崩落體堆積高度超過10m時則有可能出現結拱現象。

放礦過程中的應力變化表明，放礦開始，處在下部的兩個應力傳感器記錄的側壓力都迅速降低，且越接近放礦口，側壓力降低越劇烈;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，導致側向支撐力突然減小;CH3在放礦初期側壓力則稍微降低，從110N降低到85N左右，CH4監測到的側壓力則隨放礦進行逐漸升高，從70N增加到了160N，而后隨放礦進行側壓力突然降低，CH4處側壓力持續升高表明放礦時該高度以上礦石沒有出現向下的流動，從而導致下部礦石放出后支撐力缺失從而側向壓力出現升高，也就說明該高度出現了明顯的結拱現象，而放礦后期該高度側壓力的突然降低則明確表明了結拱的破裂。CH4所處高度為56cm，按照相似比推算，結拱出現的高度約為11m右。

4? 結語

通過散體側壓力實驗系統進行相似實驗，利用散體測壓力間接反映結拱現象的判定是可行的，同時實驗裝填模型盡可能接近礦山的實際情況，則實驗結果的科學性和可靠性都將得到提高。

實驗結果表明，礦體堆積高度超過10m后，放礦中就存在結拱的可能，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拱出現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，后續應進一步深入探討。

參考文獻

[1] 何榮興，任鳳玉，譚寶會，等.有限寬度崩落礦巖散體側壓力分布規律[J].東北大學學報，2019，40（3）：409-413.

[2] 惠安社，李明樓，路增祥，等.我國無底柱分段崩落法結構參數優化研究進展與方向[J].金屬礦山，2020（3）：1-11.

[3] 郭輝文，何治良，張志貴，等.充填體下無底柱分段崩落法采場結構參數對回采進路穩定性影響分析[J].礦業研究與開發，2020，40（4）：12-18.

[4] 劉健.云南峨山化念鐵礦無底柱分段崩落法釆場結構參數研究[D].昆明：昆明理工大學，2015.

[5] 楊宮印，陳玉明，王小勇.馬鞍山2#礦體無底柱分段崩落法結構參數優化研究[J].礦冶工程，2017，37（2）：24-27.

[6] 李鵬.無底柱分段崩落法鏟裝效率實時監測研究[D].鞍山：遼寧科技大學，2018.

[7] 盧皎旭，溫彥良，鄧登文，等.端部出礦下散體礦石流側壓力分布規律研究[J].科技創新導報，2019，16（8）：56-57.