崩落矿岩散体流动规律研究.pdf

Series No. 359 May 2006 金 属 矿 山 METAL MINE 总 第359 期 2006年第 5 期 * 国家杰出青年科学基金项目 （50325415） 。 吴爱祥 （1963 - ） ， 男， 中南大学资源与安全工程学院， 教授， 博士生 导师， 410083 湖南省长沙市岳麓山。 采矿工程 崩落矿岩散体流动规律研究* 吴爱祥 朱志根 习 泳 张旭升 （中南大学） 摘 要 从崩落矿岩散体物理力学性质出发， 对矿岩散体流动规律进行了理论分析， 把矿岩散体流动规律研 究分为两个过程 整体流动和细小颗粒渗透流动。通过试验探明了放出体形和大小受矿石块度组成的影响情况； 同时， 采用不同矿石颗粒和废石颗粒组成， 对覆盖岩层下放矿进行室内试验， 分析了废石层细小颗粒渗透的过程和 机理， 以及细小颗粒渗透作用对放矿贫化的影响， 为放矿贫化研究提供理论和试验依据。 关键词 孔隙 矿岩流动性 放矿 渗透作用 Study on Flowing Law of Caved Ore-Rock Bulk Wu Aixiang Zhu Zhigen Xi Yong Zhang Xusheng （Central South University） Abstract A theoretic analysis was made of the flowing law of caved ore-rock bulk based on the physical and mechani- cal properties of the bulk. The study was divided into two partsthe whole bulk flowing and the penetration flowing of fine particles. The effect of the size composition of ore-rock on the shape and size of the ejective body was found out through the experiment. Meanwhile，the process and mechanism of the fine particle penetration through the rock layer and its effect on the dilution in ore drawing were studied through the indoor test on under-overburden ore drawing using different size compo- sitions of ore and rock particles，thus providing the theoretical and test basis for the study on dilution in ore drawing. Keywords Pore，Fluidity of ore-rock，Ore drawing，Penetration function 崩落采矿法是地下金属矿床开采中常用的一种 方法， 其特点是崩落矿石放出是在废石覆盖层下进 行的， 覆盖层废石很容易掺杂到矿石中， 与矿石一起 从放矿口放出， 造成放矿贫化。所以， 研究崩落矿岩 散体流动规律是进行放矿贫化研究的基础 ［1］。 国内外对崩落矿岩流动规律有大量的研究， 也 取得了很大的成就。但大多数都是从矿岩散体整体 流动方面进行的研究， 而很少考虑在矿岩散体整体 流动的同时因矿岩散体非均匀性引起的细小颗粒渗 透流动。本课题从理论分析出发， 把矿岩散体流动 分为整体流动和细小颗粒的渗透流动， 结合试验的 方法， 分别对其进行了深入的研究。 1 崩落矿岩散体基本性质 崩落矿岩是一种非理想的散体介质。受崩落岩 体物理力学性质、 崩落速度等因素影响， 崩落矿岩一 般块度较大， 且分布极不均匀， 同时， 矿岩在几何形 状上也存在较大差异。矿岩散体在物理性质上存在 的差异， 在很大程度上决定了矿岩流动规律， 是放矿 研究的重要内容。 （1）块度不均匀性。崩落矿岩散体流动性分析 是覆盖岩层下放矿贫化研究的基础。崩落矿岩块度 是影响矿岩流动性的重要因素之一。受崩落方式和 崩落速度的影响， 崩落矿岩块度大小一般都存在较 大差异， 这种差异可以用块度不均匀系数 Kb来描 述 ［2］， 即 Kb σ - d 100 Σ （di--d） 2 i Σ ヘ i - d 100， （1） 式中， Kb为块度不均匀系数； σ 为标准离差；-d 为几 种不同等级矿岩块的平均直径； di为某一级块度的 平均直径； i为相应某一级块度所占质量百分比。 （2）孔隙。崩落矿岩形状上的差异， 使矿岩散 4 体间存在较多孔隙， 且分布不均匀， 图 1 为 CT 扫描 下矿石颗粒间孔隙的分布情况。 图 1 矿石颗粒间孔隙 矿岩散体间的孔隙用孔隙率来衡量。根据矿岩 松散体结构特点的不同， 其孔隙率也不同。块矿结 构的孔隙率较大， 粉矿结构的孔隙率较小 ［2， 3］。 （3）内摩擦力。矿岩散体的流动与散体内摩擦 力有一定的关系。在松散矿岩内部， 相互接触的矿 岩颗粒当发生相对位移时， 总要产生一种内摩擦力。 研究表明， 内摩擦力随矿岩块度的增大而增加。 2 矿岩散体流动规律理论分析 崩落矿岩在放出过程中的流动， 可以分为矿岩 散体的整体流动和颗粒间的相对流动。整体流动主 要是研究放矿过程放出体形状； 颗粒间的相对流动 主要是研究细小颗粒在孔隙间的渗透作用。 2. 1 矿岩散体的整体流动 在矿岩放出过程中， 对于单个矿岩颗粒， 其本身 具有不可压缩和变形的固体性质； 对于整个矿岩散 体来说， 矿岩散体又具有流动性。就单一的矿岩颗 粒来说， 其运动具有很大的随机性， 但整体移动又表 现出一定的规律性。 （1） 压力平衡拱。放矿过程中由于受放矿口大 小的限制， 不能使所有的矿岩颗粒都自由下落， 这样 势必会造成放矿口上部矿岩颗粒的相互挤压， 从而 形成压力拱， 拱上矿石处于一个暂时稳定平衡状态， 如图 2 所示。 图 2 压力平衡拱 （2）矿岩散体运动特点。从整个放矿过程来 看， 平衡拱的形成和破坏交替进行， 拱形成时矿岩流 动瞬间停止， 拱破坏后矿岩继续流动， 矿石的放出呈 现脉动过程， 如图 3 所示 ［4］。 图 3 崩落矿岩流动过程 2. 2 细小颗粒的渗透作用 崩落矿岩属于非均匀散体， 矿岩颗粒间具有较 多宏观意义上的孔隙， 为细小颗粒的渗透作用提供 了通道。在放矿平衡拱形成和破坏的脉动过程中， 大小不同的矿岩颗粒向下运动速度也不同， 小颗粒 向下运动速度要明显大于大颗粒。在废石覆盖层下 放矿时， 废石细小颗粒的渗透作用也是引起放矿贫 化的重要因素。 在放矿过程中， 根据崩落矿岩特性及其在空间 上的分布特征， 细小颗粒的运动形式可以概括为以 下3 种 随大块一起运动、 在大块上或其间的自由滚 动和在大块间自由下落运动。 3 崩落矿岩流动规律试验研究 3. 1 放矿试验模型 根据上面对矿岩流动特性的分析， 结合试验的 方法对矿石贫化进行研究。试验中分别采用了不同 矿石颗粒组成和废石颗粒组成。试验模型采用单体 放矿模型， 模型尺寸为 50 cm 50 cm 150 cm （长 宽 高） ； 放矿口位于模型底部的中央， 尺寸大小 为4 cm 4 cm； 漏斗斜面倾角为58， 漏斗高度为12 cm， 出矿巷道大小为 4 cm 4 cm。 3. 2 矿岩散体整体流动试验 矿岩散体整体流动试验主要是研究放出体形及 大小。在试验矿石堆中安置标志颗粒， 根据放出矿 石量与对应放出的标志性颗粒数量， 来确定放出体 形状和大小 ［5］。试验中所用的矿石组成见表 1。 表 1 整体流动试验矿石块度组成 矿石粒径 / mm 22 ～ 44 ～ 77 ～ 1010 ～ 1616 ～ 20 试验 121. 815. 818. 719. 016. 97. 8 试验 261522222015 根据试验数据， 通过计算机软件进行拟合分析 得知， 在放矿高度不大情况下， 放出体形状为一椭球 体。椭球体大小与矿岩块度组成、 放矿高度的关系 见表 2 和图 4。 从表 2 和图 4 可以看出， 放出体短半轴 b 的大 5 吴爱祥等 崩落矿岩散体流动规律研究 2006 年第 5 期 小随放矿高度的增加而增大； 而在放矿高度相同的 情况下， 试验 2 中 b 的值要明显大于试验 1 中 b 的 值， 说明放出体短半轴的大小与矿石组成有很大关 系。当矿石中粉矿含量较多， 大块含量较少时， 放出 体短半轴也小， 放出体形越趋于扁平， 偏心率越大； 反之放出体短半轴越大， 偏心率越小。 表 2 放出椭球体短半轴 b 大小 cm 放矿高度5595145 试验 17.510.213.9 试验 28.312.716.3 图 4 放出体形 （a）- 试验 1；（b）- 试验 2 3. 3 细小颗粒渗透试验 （1）矿石块度组成的影响。试验中矿石块度组 成见表 3 所示， 所用的覆盖层废石为小于 20 mm， 且 含有各粒级颗粒的大理岩， 矿岩散体不均匀系数可 由公式 （1） 求得。试验 1 中矿石块度不均匀系数 Kb 0. 472； 试验2 中矿石不均匀系数 Kb 0. 546； 试 验3 的中矿石块度不均匀系数 Kb0. 449 ［6， 7］。 不同 块度组成的放矿结果见表 4。 表 3 渗透试验矿石块度组成 矿石粒径 / mm 22 ～ 44 ～ 77 ～ 1010 ～ 1616 ～ 20 废 石6183020197 试验 121. 815.818.719.016.97.8 试验 2101520182017 试验 301522202023 表 4 渗透试验放矿结果 试验序号开始贫化放矿高度/ cm放矿高度 95 cm 贫化率/ 试验 1923.47 试验 2906.40 试验 3867.78 由表 3、 表 4 可以看出， 试验 1、 试验 2 和试验 3 放矿都产生了提前贫化， 表明废石层中细小颗粒发 生了渗透作用。在试验 1 和试验 2 中， 当增大矿石 块度不均匀系数时， 矿石块度组成越不均匀， 废石层 细小颗粒向下渗透速度越快， 放矿提前贫化高度越 小， 放出矿石越容易出现过早贫化。矿石提前贫化 不仅与矿石块度不均匀系数有关， 还与矿石中大块 含量以及粉矿含量密切相关。从试验1 和试验 3 可 以看出， 当矿石块度不均匀系数相差不大时， 减少粉 矿含量， 增加大块含量， 矿石中孔隙率增大， 废石细 小颗粒越容易提前到达放矿口， 放矿贫化高度减小， 贫化率增大。 上述试验结果是通过放出的标志性颗粒确定 的， 为验证其可行性， 对放矿过程进行摄影拍照， 在 每放出一定矿石量后对放出体拍摄一张照片， 直到 放出矿石中出现废石颗粒。 图5 分别为试验1、 试验2 和试验3 矿石贫化时 的放出体形状。在图 5 中，（a） 中放出体基本上是 最下面废石颗粒达到了放矿口时， 放出矿石才出现 贫化的， 这说明了放矿贫化主要是发生在矿岩接触 面上， 发生渗透现象不明显；（b） 和 （c） 中放出体都 是最下面废石颗粒还没有到达放矿口时， 放出矿石 就出现贫化， 说明放矿进入了提前贫化过程。这与 上面通过标志性分析的结果相吻合， 所以， 矿石贫化 中细小颗粒渗透作用引起的提前贫化， 与矿石块度 组成有很大关系。 图 5 贫化时放出体形状 （2）覆盖层废石颗粒组成的影响。废石层细小 颗粒渗透， 不仅受矿石颗粒组成的影响， 还与覆盖层 废石颗粒的大小有关。试验中， 固定矿石颗粒组成， 采用 3 种不同覆盖层废石颗粒组成进行试验。试验 中废石和矿石颗粒组成见表 5， 试验结果见表 6。 表 5 不同废石颗粒组成的物料级配 / 粒 径 / mm 22 ～ 44 ～ 77 ～ 1010 ～ 1616 ～ 20 矿 石61522222015 覆盖层 11520252920 覆盖层 2123020111710 覆盖层 322402226101 由表 5、 表 6 可知 当废石颗粒不小于矿石颗粒 （下转第 45 页） 6 总第 359 期 金 属 矿 山 2006 年第 5 期 实际资料， 另一方面要预测规划的建设项目所可能 引起的工程地质环境变化趋势。显然， 这类图件既 有服务于不同目的的需要， 又必须有各种因素的分 析图件和综合图件， 所以是一套系列图件。 同时， 要积极积累资料， 在区域图件编制的基础 上， 编制全国性图件， 为国家高层次的国民经济发展 地区生产力布局和国土整治规划的战略决策提供基 础性资料， 努力实现我国资源、 环境的合理开发和保 护， 加速改善人类生存环境的进程 ［12］。 参考文献 ［1］ 王思敬 . 重大工程建设与地质环境相互作用 ［J］ . 长春科技大 学学报， 1999， 29 （1） 16-18. ［2］ 王思敬 . 论人类工程活动与地质环境的相互作用及其环境效 应 ［J］ . 地质灾害与环境保护， 1997，（8） 12-15. ［3］ 王思敬主编 . 工程地质学新进展 第六届国际工程地质大 会论评 ［M］ . 北京 科学技术出版社， 1991. ［4］ 孙广忠主编 . 全国第四次工程地质大会论文选集 ［C］ . 北京 海洋出版社， 1988. ［5］ 集体编 . 地质词典 ［M］ . 北京 地质出版社， 1986. ［6］ 孙玉科， 许 兵， 李毓瑞 . 论环境工程地质学的学科属性 ［J］ . 长春科技大学学报， 1999， 29 （8） 28-30. ［7］ 刘传正 . 环境工程地质学概说 ［C］ / / 中国地质学会工程地质 专业委员会 . 全国第三次工程地质大会论文集 . 成都 科技 大学出版社， 1988. ［8］ 徐嘉谨 . 大型开挖对环境影响的研究 ［J］ . 地质灾害与环境保 护， 1997 （5） 35-36. ［9］ 王思敬， 黄鼎成 . 攀西地区环境工程地质 ［M］ . 北京 海洋出 版社， 1990. ［10］ 黄润秋 . 现代系统科学与工程地质系统观 ［C］ / / 黄润秋， 等 主编 . 庆祝成都理工学院建院 40 周年环境地质工程论文集 . 成都 成都科技大学出版社， 1996. ［11］ 黄润秋 . 三峡工程水库岸坡稳定性预测的逻辑信息模型 ［J］ . 水文地质工程地质， 1992 （2） 16-18. ［12］ 韩文峰 .中国 21 世纪议程 与环境工程地质学的任务 ［C］ / / 中国地质学会工程地质专业委员会 . 第三届全国环境 工程地质学术研讨会论文集 . 兰州 甘肃民族出版社， 1995. （收稿日期 2006-02-21 ********************************************** ） （上接第 6 页） 时， 在放矿高度达到 90 cm 时， 废石细小颗粒渗透贫 化也不大； 但当废石层细小颗粒含量增加时， 放出矿 石的贫化则明显增加。由此可见， 废石层颗粒组成 对贫化率大小影响较大。所以在研究放出矿石渗透 贫化时， 不仅要研究矿石块度组成对放矿贫化的影 响， 还要考虑废石层颗粒大小的影响， 特别是细小废 石颗粒的含量。 表 6 不同废石颗粒组成的放矿试验结果 试验序号覆盖层 1覆盖层 2覆盖层 3 放矿高度/ cm909090 贫化率/ 3.25.77.1 4 结 论 通过分析矿岩散体性质， 结合放矿试验， 对崩落 矿岩散体流动规律进行研究， 得出以下结论 （1）对崩落矿岩散体流动规律研究可以分为两 个部分， 一是矿岩放矿过程中的整体流动； 二是细小 颗粒的渗透流动。 （2）放出体短半轴大小与矿石块度组成有很大 关系。当矿石中粉矿含量较多， 大块含量较少时， 放 出体短半轴较小， 相反， 放出体短半轴较大。 （3）覆盖岩层下放矿， 矿岩块度组成是引起废 石层细小颗粒渗透作用的重要因素之一。矿石块度 不均匀系数越大， 废石层细小颗粒渗透越快， 放矿越 容易出现提前贫化。 （4）当矿石块度不均匀系数相差不大， 大块含 量较多时， 废石细小颗粒渗透作用明显， 放矿提前贫 化高度减小， 贫化率增大。 （5）废石层颗粒组成是影响放矿提前贫化的重 要因素。当废石层中细小颗粒含量增加时， 虽然放 矿提前贫化高度变化不大， 但废石层细小颗粒渗透 量明显增加， 放矿提前贫化率增加。 参考文献 ［1］ 王述红， 任凤玉， 等. 矿岩散体流动参数物理模拟实验 ［J］ . 东 北大学学报 自然科学版， 2003， 24 （7） 699-702. ［2］ 王昌汉. 放矿学 ［M］ . 北京 冶金工业出版社， 1982. ［3］ 彭 年. 松散介质力学 ［M］ . 北京 地震出版社， 1995. ［4］ 吴爱祥. 振动场中矿岩散体特性与动力学理论研究 ［D］ . 长 沙 中南工业大学， 1991. ［5］ 周志华， 马建军， 等. 黄土覆盖层在放矿中运动规律的实验模 型 ［J］ . 有色金属 矿山部分， 2003， 32 （4） 16-18. ［6］ 李昌宁. 非均匀矿岩散体流动规律及其应用研究 ［D］ . 沈阳 东北大学资源与土木工程学院， 2000. ［7］ 李昌宁. 考虑崩落矿岩非均匀度低贫化放矿方式 ［J］ . 中国矿 业大学学报， 2002， 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