溜井中矿石移动的研究(四之一).pdf

溜井 中矿 石 移 动 的研 究 四之 一 一一 理论研究 溜井 中发生的情况 日本乐 京大学 工学部 资源开发 工学 科茂 木源人等 众所 周知 ， 以 日车 国 内 石 灰 石矿 为 一 。 心，正 在广 泛普及利 用大型 溜井 包 括斜溜 井 的台阶式采矿 法 。刺用 这种 型 涮井 运 输矿 石 ，是 一种 充分利 用 日本地形 的台理方 法 。在 世界各 国，除 中 国和加 拿 大之 外 ，不 太多见 因此，就 目前而言，关于象 日本昕 使用的 大型溜井 的研 究是 极 少 的。 在 此 之 前 ，我 们 已经发表 了三 篇 以各现场 利用 大型 溜井所 进行 的大规 模现场 试验结 果为 一 1 ． 内 容 的文章 ，本 文就 其简单 的理论 背景 及 实 验室的模 型试验 结果作 一介绍 。 就 大型溜井而 言 ，在其使 用上最成 问题 的，是 充满矿 石 的溜 井 内部 发 生 的堵塞 现 象 ，以及 排矿时矿 石 在溜井 内下 降过程 中的 混 台特 性 。溜井 堵 塞，大体 上来说是 由两 种 拱 引起 的 一种是 起因予大块矿 石 咬台 的咬 合拱 我国称 之为大块平 衡拱 ⋯ 一 译 者注 ； 另 一种是 起 困于溜 井 内物质粘着 性 的粘 性拱 我 国称之 为粉矿 平 衡拱～ 一泽 者注 。 为 防 止它 们 的产生 ，一般 在漓井设 计或使 用方面 都有 规 范，但这 些倒不 如说是必 要条件 的规 范， 未必 都适 于每个 漓井 各 自的情 况。 另一方 面 ，掌 握矿石 在溜井 中的混合特 性 ，对 于矿 山适 当的质 量管理来 说也是 必不 可少 的。溜 18 井 内岩 块 移动情 况，从 局部来说 ，与井 下的 贮耐‘ 仓及贮藏 谷 物用的筒 式 仓中物料 的移动 情 况相 同，在其背 景 和基 础理论方 面 ，共 同 点颇 多。但是，溜井本身所特有的现象及情 况也是 较多 的 例如 ，就 以象 谷物 和砂那样 的亚 粉体 物料来 说 ，路 径下部 开 口部分的漏 斗 f u n n e l l i n g 的影 响范 围，只 限 于 开 口部 分 附近 。而对 于象 通常投到 石 灰石 矿溜 井 中的矿 石那 样 的物料来 说 ，因其不仅是 块 状物 ，而且相对 于 溜井直 径来说块 度较 大， 影响 其在 溜井 中移 动 ，故 漏斗 的影响 范 围涉 及到 上面 相当高 的部位 。另外 ，关 于 斜 溜 井，根据实践经验已经了解到，在其顶板侧 和底板侧 ，矿 石 下降速度 有差别 ，在部 分石 灰石矿 所 看到 的那种大 潭溜井 q ， ，对 其混 台特 性有 相 当大 的影 响。 2 ． 溜井 中矿石的移 动及 溜井堵塞 2 ．1 概述 所谓 溜井 ，一 般是 指其与 水 平的 夹 角大 于6 O 。 的矿石 输送 路径 而言， 比超再缓 的溜 井是 罕 见的 。比6 0 。再 缓 的溜井 ，从 输送 物 料 的性质来 说 ， 在很多 情 况下， 往往 会频繁 发 生 溜井堵塞 等 使用方面 的 困难 。溜井 按其倾 斜度 可分为垂 直 溜井 和斜 潞井 ，这一 般是 按 与 水 平的夹 角分 类 。另外 ，从水 力半径和 结 1 9 8 9 年第 5期 维普资讯 构 强度 观 点来看 ，断面 形状为 圆形最有利 ， 实际上，目前正在生产的大型溜井的设计断 面几乎都 是 圆形 的。 溜 井 中矿石 移 动情 况依其 粒度分 布 、形 状 、物 理性质 和湍井倾 斜度 等而大不 相 同 克瓦皮 尔 Kv a p i 1 将 料斗和 贮 仓所 处理 的物 料 ，根据 其粒度 分布 和形状 ，分成 如陶 】所示 的 四娄 I．粒度 均匀 ，形状也 大致相 同的 ， 2．粒度 均匀 ，但形状不 一舶 ， 3．粒度 和形 状都 是多种 多样 的 ， 4．不 但粒度 和形 状都 是多 种多 样的 ． 而且 还有 太 量粘 土 充满岩块 之 间 的 1克 瓦皮 躯 的 分 类 石灰石矿所 处理的矿石 大致是 在从 2类 与 3类之 问至 3类 与 4类之 间这一 范围 内。 该 范围物料 的特征 是 ，岩 块 相互之 间具有 咬 合 i n t e r l o c k i ng 作用 ，形状多 种多样 、 粒 子之 间具有 一定的 空隙。 因此 ，岩块 在溜 井 内因 图 2 a 的 I 所 示的 1次 动作 p r i ma r y mo t i o n 而下降 的过 程 q r ，瑚 强 2 置捧盒■矿山 圈 2 b 的 Ⅱ所示 的 2次 动 s e c o r d a r y mo t i o n ，其体重 或 拧表 现密度有可 能发生 变 化 。 3 图 8所 示为可 通过 自流 重力 滴输 送 的倾 角范 围及各组矿 石所 必需 的最小 倾 角。 图 中 GF 可 通 过 自流 输 送 愉 范 嗣 ； A 溜 槽 ， A I一 开 放型 溜槽 } A Ⅱ 一密 闭 型 溜 槽 ， B 一澶 井 j 1 3 I 斜 溜井 } B I 垂 直溜 井 j p 一 与水 平的夹 角。 2 ．2溜 井 中矿石的 移动 7 0 年前凯 彻 姆 k e t c h u m 就 已 经指 } l { ， 料 斗 内粒 子的流 动是 移动拱 的连 续 破 坏 现 象 ，就溜井 内矿石 的移 动来说 ，就更具有 这 种特 征。 例如，在具 有检 查巷道 的 溜井 中， 可观 察到溜 井在排 矿过程 r p 气 压有 相当明显 的周期性 变 化，即 俗语所 说的喘 气 现象 。 由 于这种 气压变 化是 急剧 的，而且 其基 波为负 压，所 以在检 查巷 道及 与其 相连 的巷 道内 ， 】 9 维普资讯 局部呈绝 热膨胀 状态 ，瞬 阀内强 度稍 下 降。 由于这 时『 i 勺 气象 条件 ，有 时空气 ㈨ 々 水蒸 气 凝结 成 水珠 ，存贫限 妇 区间出产生雾 。之所 以 生这 种现 象 ，是 【 l i 子 移动拱 连续破 坏而 柱漓井 上升过程 中，在移动 拱下 面的 表斑 崮度 变小 的 限定区域 以下称 移动区 ，象 图 4所 示 那样 ，与移动拱 一起 在溜井 _ f J 上升 所 日 【 起 的。 罔 4移 动 区的上 升 另外 ，随着 矿石 下降所 产生 的这种周 期 性 的气 压变化 ，越到 溜井下 部 ，其 变 化幅度 越小 ，周 期也越 短 ，在溜井 下部的 溜 口 部 分，犬体 上是 连续的 。这可 通过 下 的考 虑来加 以说明 ，即 由于 伴随 下 降的 矿石 的 2 次 动作， 以及存在移 动 拱 自立 时 间 长 的 医域 等，引起下 降动 作前 后部 分盼 体 重 变 亿 茸先考察 一下溜井 排 矿对溜 口部 分 的连 续移 动变成不 连 续移 动 时的机 理。将 由 岩 块的 转 动 等 2次 动 作 引 起 的 体 重 p的 变 化 范 围 用p m{ n ≤p ≤p ma x 表示 。在 图 5 a 中．a 1 、a 2 、a 8 ⋯⋯分别 为厚度是 DI 、 D 、 D a ⋯ ⋯的潜 在拱 ，其 中离 溜 日最 近的为 a l 。 最 初为p l O m n ≤pl ≤p ma x 的斜线部 分 的平 均体 重，如 果由于 排 矿过程 p斜线 内的 岩 块的 2次动 作而藏小 ．刑 Om i n≤ p 2目 示 ， 在达到p a hU 2 式 中A 一 溜井 断 面积 J h⋯拱 的厚度 } u 一 拱 的外周 | P 体 重| 一一 沿 壁 面的剪 切应力 。 用漓井 的水力 半径 ，式 2还可 写成下 式 A／ U ／ 0 3 式 中a／ u水力 半径 。 在溜井断 面为 圆形 或正方 形 的情 况 下 ，若 R 表示溜井 直径 或一边的长 度 ，则水力半 径 为 a／ 4。 即式 3左 边代 炭 溜 井 的 几 何 目外盘属矿山 特性，右边为溜井 内物料的 物理 性质 。 下 面根 据式 3 ， 按溜 井 内物料 的物理 性质 ， 试求 不产 生粘 性拱 所必需 的 蜢小溜 井直 径 。现在考虑 图 1 2 a 那种 拱脚 部分 的 拱 的切 线与水平 而 成 目角 的 拱 ，式3 中的 T ，由 于 图I 2 b 那种 拱的拱 脚 部 分力 的平 衡 ，可用o 和 表 示 。 即为 anol C O S B 图 l 2 故 ral s i n B c o s B ． s i n 2 ,5 4 将 式 3的水力 半径用 R／ 4 表 示 ，将 式 4代入f ，则为 R／ 4 ㈩ 现 假设在拱下 面附 近 ，溜 井水 平断 面切 绂 打 23 维普资讯 向的应力为 中问主应力，它列附近处的破坏 条件 没有影 响 ，那束 ，当 舀1 2 b 的o 与 漓井 内 物料 的单 轴抗 压 强度 C。 栖 等 时， 删 在拱 下 面附近 发生破 坏。 因此 ，式 5的 右边 为 C 0 si n28 2口 以上 时 ，粘 性拱 不能 自立。 ，如 果漓井 直 径 R为 R g C 。 s i nz 6 则不 产生 静 态特性 拱。就 式 6而言 ，成 问题 的是 拱 的构成 物料 的单轴抗 压 强 度 C c 及拱脚 角度 的 确定 。 就可 作为 连续体 考虑 的粉 体 状 物 料 来 醴， 由于 难以求 得单轴抗 压强度 ，所 以可 考 虑将其用在试验时容易求得曲粘 着 力k 及内 摩 擦 角 亲 表示 。 如 果假设 以摩 尔 库仑 的破 碎条件 作为拱构成 物料的 破坏 条件 ，那 么C。 可用 粘着力 k 和 内摩擦 角 来表示 c 。 芒 7 另外 ，为 确 定角度 ，现分析 一 下 牯 性 拱破坏 时的破 坏 面。在摩 尔 库仑 的破 坏 条 件下 ，在o C。 时，对 于Ⅱ 作用 的 面来 说 。 措 倾斜面 发生破坏 。为方 便起 见，假设 粘性 拱 的破 坏是沿 溜井 壁 百 1 发 生的 ，则0 日 ，即 } 告 所 以式6 t g s i n 2 f3 为 S i n2 3c o s 8 将 式 7、 8代八 式 6，得 } b R 4 1 9 l J 投入 榴井 l1 々 物料 怕 荷力k 、 摩 擦 24 角 拳I 体重p 为已知时，要防止产生粘性拱， 溜井直径R需要枉满足式 9的 情况下述 行确 定。相 反， 当漓 井直 径已 确定 时，需 婪 使 投 入溜 井内n 物料的 物理性质 在 满 足 式 9的情 况下 来选择和 泄台 投入 物。 2 ．5 管状现 象 在路 径直径 减 小的部分 ， 往其 上部形成 图1 3 所示 的管状死 区。根 据其形 状 ，将 这种 现象称 为管状 现象。 在产 管状 现 象 的 区 域 ，实际 的路径 直径 变小 ，引起堵塞 的可 能 性增火 。从 滴井下 部 到溜 口，在 矿石 流方 向 发 生变 化部分 的 F流侧 电可见 刭类 似现象 。 另外 ，就井 壁 上附瑶祜 土的喘 气 现象 米 说， 其 内部 的应力状 态基 本上 也与 背状 现象 时相 同 。 l 3管状 现 蒙 示 意 阿 下 面 ，在一 提 F，试 求理 1仑上的最 夫管高 度与管构 成 物料 物理性 质的关 系。首 先 ，假设 矿石 管为 连续体 ，其水 平断 面 内的 应力 状 态稆同。那 么， 1 4 中用 斜 线表示 的 微 小 范 围的力 的平衡 为 a v6 v A 一 v A 乙6 Z A p e3z z 0 式 r v ⋯垂 直方 向的 应力 j 矿石 臀干 涮 扑壁 耐 的 剪啊 应 1 9 8 9 年第 5期 圆圈 维普资讯 力 j A u v l 『 } j 的矽j 倚 的断面积 j u 溜 井 的 J 长； P 嚣构成 物料 的体重 所 以可 出下 面 的 平 衡 方 程 式 da v dz I n ／／ ／ ／ , P ； t t t d 十t 1 ri 秘 中力 的平 衡 1 O、 式 1 0 I } I 包 含两 个应 力 项，现考 虑将 其 归 纳为一 个 。这 里 ，假 殴到 达临 界 高度的管 的 破 坏是 由于在 滴井壁 面上 的滑 动而 引起 ，并 考 虑矿石 管的 高度 在临界状态 时 的 平 衡 情 况，那 么就与 牯 H 拱时一样 ，根 据 l _ } _ 河 主应 力不影 响破坏 条件 的摩 尔 库仑破 坏条 件， 为下 式 见圉1 5 foH t a n 1 1 式 _ } _ 矿石与滞 壁 f 之 间 的 摩 擦 置外盘曩矿山 墨 1 5 角 ； 矿 石刘 漓井壁 面的粘若力 j n 垂 直作用于 { j} f 荇壁 面 lj 。 应 力 。 另外 ，如 图 1 5 所示 ，0n 和 与其 垂 直 相 交的 o v 之问 卉下 述关 系 of I v一 2 v t an6 -3 将 其代 入 式 ，为 一 鐾 ． t a t a n 之 ㈣ 1 t 2 } ⋯ f o v 的 函 数表示 。如 果用 这一关 系 来表示 式 1 。 的平衡 方程 式 ，则为 Af 1U O v t 。 a 4 - f cIJ，a n 一o d z A f 1 2 6 } 1 4 如果将 导该 式时所 假设 的条件概 括超来 ，郎 它与水 平断 面 内的应力 状 态一样 ，是 一种 破 坏 肯定 沿着溜井 壁 面、其应力 状态 满足 摩尔 库仑破 坏条件 情 况下 发l， 『 肘 、破碎极 限 状 态时的平 衡方程 式 这里 ，如果 c C P 一 AU k M 1 】 一 2 t an L 1 刚 式 1 4 为 C z UV C 解 姨式 。ov 为 a r c ⋯ q c a e 一 c ． z 】 6 因为ov 0，根据式 1 6 ，矿 石 管 堆 上 部z0时的极 限条件 为 c s } 因 此 2 5 维普资讯 一 e c c z c 如 果 导 入 下 式 中 的 凌式是 以 z的函数表示 a v 。 则式 1 8 为 口v 在溜井底2h时 最太 ，在 R日A．／ U 时 ， a v 为 a p 二 1 1 一e Mt a n M i i ， f 一 ⋯ ” 1 8 在溜井 直 径大 确 切地说是 Rn _丈 、 而 且壁 面的摩擦 力对溜 井下部 的 v 没有 影 响 时， av 应 该只 由自重 确定。 实际上 ，如 果用洛 皮 塔 尔定 理，Rn 为 。 。 ，则 式 1 8 为 a v Pz 另外，式 1 8 在o v C。 的情 况下 也 成 立，但 实际上 矿石 管内 捌的应 力 状 态为 01 o v ，0 s 0，所 以在摩尔 库 仑 破 坏 条件下 ，如果av C。 ，矿石 管 内侧 就 会 发 生破坏 。因 此，溜井 底的a v 为C。 时的h 可 视 为管的最 大 高度 。下 面试求这一 h 实际 上 是 无量 纲 化的h ／ R。 在圆形漓井情 况下 ， 为 RH R／ 4 1 一 R。 ／ R a v 一o R T R - M k ～ _ 1tan x 1一 e＼ KH 1 9 在 式1 9 中，如 果令u v C ，则 h ／ R 为 h 一里L R M t a n 鲁 、 M t a n 4／ 1 一 2 O 这样 ，就求 得 了矿石 管 的堆 尤理论 高 度 。 持 续 j 译 自日本 石灰 ， 1 9 8 8， № 2 3 5， 1 7 ～ 3 5 盂 庆仁译 王镩 如按 上接 第1 7 页 上 确定沿 采场深度 使 用逸 些护 墙的合 理部位 。 2．对 深 露天矿 来说 ，采用联台 护墙 在 经 济上更可 取 ， 即在上部水 平设 置费用 较低、 结 掏较简单 的岩堤 ， 在下部水 平设置 起 引开 作用的锚 桩式人 工护墙 。必须 考虑 的是 ，采 场 的上 部 水平通 常是 由松 软或 半坚 硬 的风 化 岩构 成。 在采场深部 水平 的坚 硬岩石 中 ，与 拓宽 运输平 台有关 的采 矿 作 业 所 需 费用剧 增 ，因为 需要挖 掘多 出的剥 离量而 要求 使 用 特 殊 的穿 爆 和装卸 方法 。这 些 因素就决定 了 在下部 水平采用 底边宽度 最小 的 护墙是 合理 的 。 3．开 采深度 达4 0 - 6 0 m的露 天矿 ，设 26 置无需 使用特 殊材料 的起 阻挡 作用 的岩堤是 合 理的 。 4．在 开采 矿床 的设计 巾， 确定露 天采 场 内 特 别是开 采期 限在 1 0 年 以上 的露天 采 场 内各 主要汽 车道 路 的各种 因素及其 参数 时 ，必 须按将 来要 改用更大 型 的 自卸汽车 而 进 行计算 ，那剐 的 自卸 汽车 要 比露天矿开 采 初期所 用者 大出一两个标 准 规格 j还要考 虑 到 其对 运输 边帮扩 帮 量的影响 。 参考文献 略 译 自苏联 Ⅱp o M Ⅱ m-1 ． T p a u c n o p r ， 1 9 8 8 ， № 1 0 ， 8～ 9 房 俭生译 陈 玉华技 1 9 8 9 年第 5 职 维普资讯