自然分级状态下粒度空间分布对覆盖层漏风的影响_杨贺.pdf

自然分级状态下粒度空间分布对 覆盖层漏风的影响 杨贺杨建东张国建 （辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051） 摘要无底柱分段崩落法的覆盖层不仅可以防止围岩崩落造成安全事故、 形成挤压爆破和端部放矿条件， 还可以防止漏风。但是覆盖层的粒度空间分布不合理， 会导致严重的漏风问题， 影响井下正常生产。针对此问题， 采用实验室模拟实验的方法， 使用漏风实验模型， 模拟覆盖层厚度一定的情况下， 粒度空间分布不同对漏风的影 响， 并用隶属度对粒度空间分布进行定量描述， 得到隶属度与漏风量的关系。研究表明 在覆盖层厚度一定时， 自 然分级状态下漏风量随着小粒径岩石的隶属度的增加而减小， 对控制覆盖层漏风具有一定的指导意义。 关键词无底柱分段崩落法覆盖层粒度空间分布隶属度漏风 中图分类号TD72文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-179-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906032 Effect of Particle Size Space Distribution on Air Leakage in Overburden Layer under Natural Classification Yang HeYang JiandongZhang Guojian2 （School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China） AbstractThe covering rock of non-pillar sublevel caving can not only prevent safety accidents caused by rock collapse， extrusion blasting conditions and side ore drawing conditions， but also avoid air leakage. However， unreason- able particle size space distribution of the cover layer may lead to serious air leakage and affect normal production in the un- derground. In order to solve this problem，the laboratory simulation experiments are made to simulate the effect of different particle size space distribution on air leakage under the condition of a certain thickness of cover layer， and the relationship be- tween membership degree and air leakage is obtained by quantitative description of particle space size distribution. The re- search shows that when the thickness of the cover layer is constant， the air leakage decreases with the increase of the member- ship degree of the small-size rock under the natural grading state，which has a important guiding significance for controlling the leakage of the cover layer. KeywordsNon-pillar sublevel caving ，Cover layer，Particle size space distribution，Degree of membership， Air leakage 收稿日期2019-03-28 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51174110） ， 国家 “十二五” 科技支撑计划项目 （编号 2013BAB02B08） 。 作者简介杨贺 （1994） ， 男， 硕士研究生。通讯作者张国建 （1957） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 在地下开采中， 无底柱分段崩落法应用较为广 泛， 自从上世纪五十年代引入中国， 经过多年的应用 与研究， 形成了完备的理论和丰富的工程实践， 目前 己占地下铁矿山矿石总产量的80左右 ［1］。无底柱 分段崩落法的开采工作在覆盖岩层下进行。覆盖层 的作用主要有以下几个方面 将地下采场和地面隔 离开、 延缓雨水的下渗速度、 错开洪峰、 减小井下排 水压力、 对地下采场的安全起到重要的作用； 同时可 以有效地改善地下采场的环境， 对井下的通风， 可以 起到防止漏风的关键作用 ［2］。 覆盖层选取不合理， 地下采场的风流就会通过 覆盖层孔隙与地表连通， 造成地下采场大量漏风。 这不仅大大降低了采场作业面的风流量， 更会破坏 井下通风系统的可靠性和风流的稳定性， 甚至出现 炮烟、 粉尘倒流等现象。此外， 地下采场通风系统出 现大量漏风造成工作现场条件恶化， 为保证工作人 179 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 员正常作业、 企业正常运营， 那么就必须额外增加扇 风机， 增加了能源消耗。因此， 研究覆盖层的漏风规 律显得十分必要。 1覆盖层漏风研究现状 上世纪的70年代末80年代初我国的专家学者 们借鉴和总结了瑞典基鲁纳矿的成功经验， 消化和 引进了矿井通风系统的多级机站通风技术 ［3］。目前 我国的地下矿山的主要通风系统依然采用多级基站 通风技术， 同时辅助以其他的通风技术。 覆盖层对井下通风影响明显， 覆盖岩层太薄， 井 下通风系统的风流通过孔隙通到地表， 产生漏风， 造 成井下通风耗电量加大， 矿石开采成本加大， 能源浪 费严重。为此我国的专家学者进行了覆盖层漏风特 性的研究。 杜翠凤 ［4］设计4种不同粒径的岩石来作为覆盖 岩层， 测出空隙率， 随着粒径增加， 孔隙率加大， 覆 盖岩层高度增加， 采用小颗粒、 低孔隙率岩石形成覆 盖层， 可改善覆盖层漏风。 甘德清 ［5］根据相似性理论制备了覆盖层漏风特 性研究模型， 设计了7组粗细粒和孔隙率不同的实 验， 研究覆盖层厚度与不同孔隙率之间的关系， 得出 孔隙率越大， 需要的覆盖层厚度越高， 孔隙率越低， 覆盖岩层厚度越低。 张亚宾 ［6］在此基础上， 以多孔介质理论为依据， 用FLUENT进行数值模拟， 得出不同孔隙率下覆盖岩 层厚度与漏风系数的关系。 孙东东 ［7］设计了覆盖层漏风实验测试系统， 并用 此系统进行覆盖层漏风特性实验， 得出随着覆盖层 厚度的增加， 漏风量逐渐减小， 并得出不同风速条件 下覆盖层厚度与漏风量的关系。 在上述研究基础上， 本项目根据眼前山铁矿露 天转地下的覆盖岩层厚度以及相关的参数， 使用覆 盖层漏风实验设备进行实验室模拟漏风实验。在覆 盖层厚度一定的情况下， 模拟不同粒度分布对覆盖 层漏风的影响， 提出了粒度空间分布与漏风的关系。 2覆盖层粒径空间分布描述 覆盖岩层空间分布指的是将颗粒粒径与空间位 置共同考虑， 覆盖层是由不同粒径的散体颗粒组成 的， 粒径相同、 位置改变， 或位置不变、 粒径不同， 都代 表了不同的空间分布。本项目研究覆盖层在自然分 级状态下的漏风情况， 自然分级是一种空间分布。随 着开采深度的增加， 起初形成的覆盖岩层也不断下 降， 在下降过程中覆盖岩层出现了岩块粒度上大下小 的分级现象， 这种现象为覆盖岩层的自然分级 ［8］。 覆盖层是由不同粒径的散体颗粒组成的， 在研 究覆盖层粒度分布对漏风的影响时需要对覆盖层进 行定量分析， 在这里采用模糊数学的方法对覆盖层 散体的颗粒粒径进行定量描述。 根据覆盖层散体粒径划分出5个子集， 计算不同 粒径颗粒对已知子集的隶属度， 用于综合地描述覆 盖岩层散体的粒径与级配情况， 并通过空间上各位 置处某一颗粒子集的隶属度来描述整个覆岩散体的 粒径空间分布及运动特点 ［9］。本次实验设计的覆盖 层粒度范围为0～30 mm， 论域U ［0， 30］ ， 元素y∈U， U 有5个子集A， B， C， D， E。其中A表示散体粒径范围 为0～8 mm；B表示散体粒径范围为8～12 mm； C表示 散体粒径范围为12～17 mm； D表示散体粒径范围为 17～22 mm； E表示散体粒径范围为22～30 mm。设元 素y属于U上的一个子集为A，μA表示为该子集的隶 属度， 隶属度表示该元素是否符合该子集，μA在y∈U 点处的值μA y称为y对A的隶属度。任意一个元素y 在论域内的某子集程度需建立函数关系， 子集A， B， C， D， E的隶属函数表述如下 μA y ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 ,y＜8 30-y 22 ,8≤y＜30 0 ，30≤y .（1） μB y ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0,y＜0 y 8, 0≤y＜8 1,8≤y＜12 30-y 18 ,12≤y＜30 0,30≤y .（2） μC y ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0,y＜0 y 12, 0≤y＜12 1,12≤y＜17 30-y 13 ,17≤y＜30 0,30≤y .（3） μD y ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0,y＜0 y 17, 0≤y＜17 1,17≤y＜22 30-y 8 ,22≤y＜30 0,30≤y .（4） μE y ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0,y＜0 y 22, 0≤y＜22 1,22≤y＜30 0,30≤y .（5） 选取5个子集A， B， C， D， E的平均粒径为4 mm、 180 ChaoXing 杨贺等 自然分级状态下粒度空间分布对覆盖层漏风的影响2019年第6期 10 mm、 14.5 mm、 19.5 mm、 26 mm， 分别根据式 （1） ～式 （5） 进行计算， 计算结果如下表1所示。 由表1论域内对应的4、 10、 14.5、 19.5、 26 mm散 体颗粒隶属度子集为 A 1.000 4 0.909 10 0.705 14.5 0.477 19.5 0.182 26 ， B 0.500 4 1.000 10 0.861 14,.5 0.583 19.5 0.222 26 ， C 0.333 4 0.833 10 1.000 14.5 0.808 19.5 0.308 26 ， D 0.235 4 0.588 10 0.853 14.5 1.000 19.5 0.500 26 ， E 0.182 4 0.455 10 0.659 14.5 0.886 19.5 1.000 26 . 覆盖层粒径空间分布不仅与散体颗粒粒径的位 置和大小有关， 还与该粒径占总体的百分量有关。 这里用δij（iA， B， C， D， E； j1， 2， 3， 4， 5） 来表示散体颗 粒的百分含量， 且∑ j1 5 δij1。 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ A δA1μA y1 y1 δA2μA y2 y2 δA3μA y3 y3 δA4μA y4 y4 δA5μA y5 y5 B δB1μB y1 y1 δB2μB y2 y2 δB3μB y3 y3 δB4μB y4 y4 δB5μB y5 y5 C δC1μC y1 y1 δC2μC y2 y2 δC3μC y3 y3 δC4μC y4 y4 δACμC y5 y5 D δD1μD y1 y1 δD2μD y2 y2 δD3μD y3 y3 δD4μD y4 y4 δD5μD y5 y5 E δE1μE y1 y1 δE2μE y2 y2 δE3μE y3 y3 δE4μE y4 y4 δE5μE y5 y5 .（6） 3覆盖层漏风模拟实验 3. 1实验设计 覆盖层漏风实验装置模型比例根据眼前山铁矿 露天转地下开采的设计参数按1 ∶50的比例进行模 拟， 矿山实际分段高度为18 m， 进路间距20 m， 设计 模型分段高度为360 mm， 进路间距400 mm， 装矿箱 尺寸1 200 mm600 mm850 mm。 覆盖层漏风实验设备控制系统采用西门子的 PLC控制系统， 通过控制面板控制风机初始速度， 在 巷道上安装风速传感器测量风速变化。装矿箱体底 部有3条回采进路， 同时在装矿箱的正面位置标有刻 度， 易于记录装载高度。根据现场实际情况， 应尽量 使每条回采巷道都有独立的新鲜风流， 要求每条回 采巷道的最小风速在有设备工作时不低于0.3 m/s， 其他情况下不低于0.25 m/s ［ 10 ］， 选取实际最低风速0.25 m/s， 实验设计模拟5种不同风速， 分别为0.23 m/s、 0.24 m/s、 0.25 m/s、 0.26 m/s、 0.27 m/s， 模拟实际风速为 11.5 m/s， 12 m/s， 12.5 m/s， 13 m/s， 13.5 m/s 为了探究覆盖岩层粒度分布变化与漏风的关 系， 实验模型选取的覆盖岩层厚度为720 mm， 5种粒 度级配分别为 0～8 mm、 8～12 mm、 12～17 mm、 17～22 mm、 22～30 mm。 3. 2实验方案与测量点选取 为了定量分析覆盖层粒度分布与漏风量的关 系， 依据式 （6） 计算得出各空间分布下的隶属度。覆 盖层各粒度与所占百分比与隶属度如表2所示。 按表2进行覆盖层装填， 覆盖层装填图如图1所 示， 每装填1组， 打开电源控制开关， 输入风速分别为 11.5 m/s、 12.0 m/s、 12.5 m/s、 13.0 m/s、 13.5 m/s， 记录风 速传感器上的风速数据。 为了测量3个回采进路的漏风量， 选取4个测量 点， 每个测量点安装风速传感器， 风机安放位置在图 2的左侧， 通风方式为压入式通风， 风流从巷道的左 侧经过测量点1、 测量点2、 测量点3、 测量点4， 最后 从巷道右侧流出， 在每通过1个回采进路时都会有风 从覆盖层漏出， 相邻的2个测量点的风量差与模型巷 道的断面面积的乘积即为测量点对应的进路的漏风 量， 漏风量计算公式 QvS,（7） 式中，Q为计算风量， m3/s； v为风速差， m/s； S为巷口断 面面积， m2。 4实验结果分析 模型巷道断面面积为0.009 6 m2， 由式 （7） 可知， 漏风量为巷道断面面积与风速差的乘积， 在不乘以 断面面积的情况下， 风速差亦可代表漏风情况， 所以 181 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 这里我们以风速差为指标依据。各分布覆盖层漏风 曲线见图3、 图4。 由图3、 图4可知， 在自然分级状态下， 覆盖层漏 风量随着风速的增加而增加。在风速一定的条件 下， 覆盖层不同散体粒径占比不同， 风速变化不同。 分布一实验小颗粒占比5， 分布二占比10， 分布三 占比20， 分布四占比30， 分布五占比35， 漏风情 况依次减小。 在覆盖层厚度一定情况下， 粒度空间分布与漏 风情况分析 （1） 分布一漏风的特点是 覆盖层小粒径隶属度 为0.041， 大粒度粒径的隶属度为0.044， 大粒度与小 粒度的隶属度相近， 而分布二～分布五的大粒度与小 粒度隶属度相差较大， 小粒度之间挤压程度大， 孔隙 小， 进入巷道中的风流很难漏出， 而大粒度之间挤压 程度小， 颗粒间孔隙度大， 风流很容易从中漏出。由 于分布一粒径间的隶属度分布相近， 小粒径占比不 是很大， 所以漏风效果明显。 （2） 分布二漏风的特点是 与分布一相比， 小粒 径颗粒的隶属度为0.057＞0.041， 大粒径颗粒的隶属 度相近， 分布二的漏风情况好于分布一， 小粒径颗粒 占比增加， 漏风量减小。 （3） 分布三漏风特点 覆盖层厚度一定， 5种不同 粒度的颗粒所占百分比均为20， 与分布一、 二相比， 小粒径颗粒占比增加， 隶属度呈下降趋势， 与分布一 隶属度分布相比， 漏风量减小。 （4） 分布四、 五漏风的特点是 分布四与分布五 隶属度变化相近， 小粒径颗粒隶属度分别为0.112、 0.127， 大粒径颗粒隶属度分别为0.043、 0.045， 大粒径 与小粒径颗粒隶属度相差较多， 2组分布的漏风情况 也比较相似。从图4可以看出， 在风速为11.5 m/s时 风速差分别为0.60 m/s与0.62 m/s， 漏风情况相近， 随 着风速的增加， 漏风量增加， 风速在12.0～12.5 m/s、 12.5～13.0 m/s、 13.0～13.5 m/s之间， 出现3次2组分布 的漏风情况相等。 5结论 （1） 利用隶属度对自然分级状态下覆盖岩层的 粒度空间分布进行定量描述， 并依据隶属度变化对 182 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 覆盖层粒度空间分布进行评价。 （2） 对比分布一～分布五实验结果发现， 风速和 粒度空间分布不同， 漏风规律不同。当覆盖岩层厚 度一定时， 其漏风量随风速的增加而增大； 当风速一 定时， 覆盖岩层的小粒径颗粒的隶属度越大， 漏风量 越小。 （3） 调整覆盖层粒度空间分布， 可改变井下通风 质量。因此， 形成合理的覆盖岩层粒度空间分布可 降低井下通风风量损耗， 进而降低矿山开采成本。 参 考 文 献 张国建，蔡美峰. 崩落体形态及其影响研究 ［J］ . 中国矿业， 2003， 12 （12） 38-42. 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