不同宽高比矿柱偏心压缩失稳破坏规律研究

研究非等跨采场结构下,矿柱偏心压缩失稳破坏规律,可以为矿柱结构参数优化提供技术支撑。通过偏心加载装置,以岩样模拟矿柱,开展了不同宽高比岩样偏心压缩试验。结合数字图像相关方法,得到了宽高比(w/h)分别为2∶1、1∶1、1∶2和1∶3时矿柱偏心承载性能和加载过程中位移场及应变场的演化规律。结果表明:①偏心压缩条件下,矿柱抗压强度随着宽高比增加逐渐增加,弹性模量则反之;在考虑偏心荷载作用的矿柱设计时,应适当增加矿柱宽高比,从而保障采场安全性。②当w/h=2∶1时,偏心承载矿柱破坏形式主要为压剪破坏,表现为偏心荷载侧局部劈裂破坏;当w/h=1∶1时,矿柱以压缩破坏为主拉伸破坏为辅;当w/h<1∶2时,矿柱破坏以偏心拉伸破坏为主。③不同宽高比矿柱的水平位移场在距偏心荷载较远一侧发生较大变形,剪切应变场也为压—拉应变场;当w/h≥1∶2时,矿柱的破坏主要是由压应变局部化带引发;w/h=1∶3时,矿柱破坏主要由拉应变局部化带引发。

爆堆自适应分层的块度空间分布测量方法研究

爆堆块度分布特征是评价爆破效果的重要指标,针对目前爆堆块度直接与间接法测量方法的不足,提出了一种爆堆自适应分层的块度空间分布测量方法,该方法使用GA-LSSVM模型来预测Weilbull函数的形状参数α、β,并设置多个预测点,生成三维爆堆形态预测曲线。同时对Kuz-Ram块度预测模型参数进行转换和融合,建立了爆堆分层距离预测模型,并将其导入Weilbull-GA-LSSVM爆堆形态预测模型,实现爆堆自动分层。通过现场应用,不断优化分层设计,探究爆堆最佳分层位置,达到爆堆自适应分层的效果。以广东省大排矿山为工程依托开展现场试验,结果表明:(1)Weibull-GA-LSSVM模型能够准确预测爆堆形态,其中爆堆最大前移距离预测结果的平均相对误差仅为5.6%,松散系数预测结果的相对误差多数在9%左右,表现出良好的稳定性。(2)爆堆自动分层模型能够在爆前合理地输出分层距离以及分层层数,保证了爆后现场爆堆的铲装效率。(3)推导出爆堆最佳分层位置距离公式,实现了爆堆自适应分层,爆堆块度分布测量精度明显提高,更接近于爆堆整体块度分布。

精确延时台阶爆破控制破碎块度研究

结合台阶模型建立了PFC3D数值模型,首次采用Flat-jiont接触模型、Fragment模块和三维膨胀颗粒法加载爆破应力波,研究了精确延时控制爆破破碎块度。研究结果表明:延时爆破与单孔爆破在毗邻孔中间位置的应力峰值对比发现,应力波在孔间相互叠加作用没有达到应力增强的效果;Fragment模块在分析模型宏观特征中具有一定优势;通过观测台阶表面附近的应力峰值发现,炮孔A对应位置的应力峰值基本不变,炮孔B的应力峰值呈现“M”形的分布特征,二者中间位置的应力峰值随着延时的增大而增大,当不存在孔间应力波相互叠加时,其应力峰值基本保持不变;通过分析爆破体积、Fragment数量和平均块度发现,当延时54.72μs时,存在最小的平均块度,当不考虑孔间应力波相互叠加时,按照炮孔A的P波传播到起爆炮孔B的方式来设计延时,有利于降低平均块度,当考虑孔间应力波相互叠加时,延时越短越不利于降低平均块度;PFC3D适用于延时爆破的块度分析。

爆堆块体形状参数转化的方法研究

爆堆块度分布情况是用来评价爆破效果的重要指标,准确地获取爆堆块度分布信息可以有效指导爆破参数和爆破工艺的优化。由于爆堆中的块体是立体三维的,但在图像中提取的参数均为二维信息,因此需要通过图像中的二维信息推断出块体的三维信息。应用最大弦长、共线性、容积系数等块体形状特征,采用数理统计相关方法构建二维投影形状特征值与三维几何特征值的转换关系,现场应用验证了爆堆块体形状参数的可行性。

金属矿山溜井问题研究现状及方向

溜井在使用过程中频繁发生的堵塞现象和井壁变形破坏问题,已成为影响矿山安全高效生产的重要因素。将溜井问题归纳为溜井堵塞和井壁稳定性两大问题,并系统分析、总结了溜井问题的研究现状及存在问题。溜井堵塞问题表现为其底部放矿过程中井内物料流动中止,井壁稳定性问题主要表现为井壁变形、失稳和跨塌。研究表明:①矿石含水率、粉矿含量、放矿漏斗角、贮矿高度、贮矿时间以及矿岩块度与溜井直径之间的匹配关系,井壁支护结构脱落与井壁围岩垮塌产生的大块,以及溜井使用管理方面存在的问题,是造成溜井堵塞的主要原因;②矿(废)石的粒度分布特征及其物理力学特性,溜井工程围岩的地质结构特征及其应力场特征,溜井结构、井壁支护强度及其相互关系,是溜井井壁产生变形破坏的主要原因;③矿(废)石在溜井中运动与井壁接触并产生力的作用,使得溜井井壁受到冲击、剪切和摩擦损伤,是溜井井壁产生变形破坏的根本原因;④溜井堵塞后的爆破疏通和临近溜井的掘进爆破,加剧了对井壁的人为破坏。在上述分析的基础上,认为今后溜井问题的研究应着力于:①研究溜井堵塞各影响因素之间的关系,建立相关数学模型,探讨溜井结构及其相关尺寸的设计准则,预防溜井堵塞;②揭示溜井中物料的运动规律及其对井壁的力学作用机理,改善溜井结构及其支护方式,从根本上解决溜井稳定性问题;③研发应力释放技术和高应力环境下的工程支护技术,是解决深埋溜井井壁应力致裂破坏问题的主要研究方向;④从溜井的设计、使用与管理角度预防溜井堵塞,研发溜井堵塞的非爆破疏通技术,减轻爆破对井壁的损伤。

冲击作用下花岗岩的Ⅰ型裂纹形态及断面粗糙度研究

岩体工程中岩石常因动载作用产生断裂,研究岩石在冲击荷载下Ⅰ型裂纹的响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展了侧开单裂纹三角形(single cleavage triangle,简称SCT)花岗岩试样的动态冲击断裂试验。采用Hough变换方法实现了表面裂纹形态长度及角度分布的定量描述,分析了表面裂纹形态与试样吸收能量的关系;并利用三维表面形貌仪获取了断面的三维点云数据,提出了基于拟合曲面阈值检测的断面重构方法,有效解决了断面三维点云数据误差点出现导致的误差问题;讨论了断面粗糙度与试件吸收能量间的关系。结果表明:随着吸收能量的增大,裂纹长度的指数分布λ值有增大的趋势;裂纹角度的分布较为平均,水平方向上的裂纹相对较少,试件能量耗散较低时,裂纹具有明显的方向性,能量耗散较高时,裂纹的弯曲程度更高且贯通性较好;断面重构方法在x、y方向点数的0.03~0.08,阈值为0.25时能够较好的完成断面处理,试件A、B断面的粗糙度统计参数随能量耗散的增大呈下降趋势。

深井充填料浆管道输送弯管局部阻力损失研究

充填料浆的管道输送是矿山充填不可缺少的环节,深井充填料浆管道输送越来越受到重视,深井充填料浆管道输送中弯管局部阻力损失是造成能量损失的重要原因之一,研究其影响因素和规律对降低能量损失、提高输送效果具有重要意义。本文通过流变试验得到充填料浆的屈服应力和黏度系数,利用COMSOL软件建立了弯管局部阻力损失分析数值模型,研究了料浆浓度、初始速度、管道直径、弯管曲率半径等因素对充填料浆管道弯管局部阻力损失的影响。结果表明:充填料浆弯管局部阻力损失随着料浆的浓度和初始速度的增大而变大,随着管道直径和弯管曲率半径的增大而逐渐减小,较大的管道直径和弯管曲率半径可以减少弯管局部的磨损。因此,建议充填体浓度选用74%~76%,管道直径选用160~180 mm,最佳初始速度选用2.0~2.5 m/s,弯管曲率半径选用5~7 m。研究结果为深井矿山在工程中充填料浆浓度的配比和管道输送参数优化提供了参考。

焦家金矿全尾砂充填体三轴试验研究

充填采矿法可有效解决采矿生产过程中尾矿库塌陷和环境污染等问题,充填材料主要以水泥作为胶结剂,但普通水泥充填体强度低、充填成本高。鉴于此,以焦家金矿全尾砂为研究对象开展充填体常规三轴试验,以水泥作为对照,对比分析矿渣基胶结剂在不同养护龄期(3、7、14、28 d)和不同围压(0、50、100、300、500 kPa)下的力学特性。结果表明,矿渣基充填体可有效提升充填体强度,其不同养护龄期的抗压强度均大于水泥充填体。养护龄期的增加促使充填体从塑性向脆性转化,围压的增加促使充填体从脆性向塑性转化。Mogi-Coulomb强度准则比Mohr-Coulomb强度准则更适用于评估焦家金矿全尾砂充填体力学特性。随着围压增加,充填体的破坏特征从张拉破坏到剪切破坏,破坏裂纹分布密度减小;养护龄期和胶结剂类型对充填体破坏模式影响不大。试验结果表明矿渣基可解决充填体强度低、固体废弃物堆存等问题,有利于实现矿山充填绿色发展。

孔底间隔介质对岩体损伤规律研究

为研究孔底不同间隔介质装药条件下,爆炸荷载不同,对岩体损伤、炸药与岩体之间的能量传递影响。利用数值模拟软件ANSYS/Autodyn,基于JH-2本构,建立小比例单孔爆破模型,获取孔底不同间隔介质装药条件下,不同强度爆炸荷载作用下对岩体损伤的影响规律;计算现场混装炸药JWL状态方程,引入台阶爆破模型,获取间隔装药条件下岩体细观损伤、应力变化、能量传递影响规律;借助图像处理手段,对不同装药条件下岩石损伤与破碎块度进行量化处理,对能量传递效果作出评价。结果表明:1)炸药与岩石合理匹配会提高能量传递效率,爆热越高的炸药,释放能量越多,传递到岩石能量也越高。2)孔底间隔装药条件下,炸药与岩体匹配良好,间隔介质为水介质可提高损伤5%;匹配度较差时,水介质可提高损伤12%。3)改变装药结构,合理添加孔底间隔介质,会达到与连续装药条件下相近损伤效果。研究可为工程设计中连续装药与孔底间隔装药条件下炸药选型提供参考。

露天矿山爆破共享控制理论的基本方法

在露天矿山爆破作业中,为充分考虑各工序环节间的衔接,合理配置矿山生产资源、降低总体能耗,提出爆破共享控制理论。结合矿石宏观破碎和细观损伤的关联关系,创新地提出铲运过程的矿石损伤模型。通过优化各工序作业的衔接,考虑生产设备的磨损、折旧等因素,将钻孔、破碎用电(油)、现场装药爆破、铲装、运输等环节的总能耗进行合理分配,提出各工序的评价和控制指标,建立爆破共享控制模型。结果表明:矿石损伤模型揭示了岩石爆破破坏过程的多阶段特性,通过调控破碎量对破碎能耗进行有效预测,拟合精度达到0.8以上,能够实现破碎机运行效率的优化和破碎能耗的降低。通过爆破共享控制模型,计算得到爆破参数设计的最优解,建立约束条件下最优综合能耗公式,能够实现各环节能量的精准调整,为矿山作业的高效、安全和可持续发展提供了有力支持。

金属矿山溜井系统的设计与优化

溜井系统是金属矿山实现矿废石低成本下向运输的有效方法。面对国内外矿山频繁发生溜井变形破坏的问题,在分析溜井系统变形破坏影响因素的基础上,以孟家铁矿露天转地下开采工程设计为例,进行了溜井运输系统优化,改变了传统的竖井旁侧高段集中溜井的设计模式,提出了竖井旁侧矿仓+采区溜井的溜井系统设计模式和采区溜井的倾斜布置方案。与优化前相比,优化后的方案减少掘进工程量15307.26m^3,减少支护工程量1870.10m^3,减少基建工程费457.8万元,缩短基建工期3.5月,能够有效克服高段溜井在生产使用过程中的各种不利因素。

混杂纤维掺量对尾砂充填体力学性能的影响

为了探究混杂纤维掺量对尾砂胶结充填体力学性能的增强效果,选取三种纤维材料进行坍落度、单轴压缩和SHPB冲击试验。结果表明:纤维材料对充填体流动性影响较大,纤维掺量越高时流动性越弱,其中聚丙烯纤维对流动性影响最显著;混杂纤维对充填体的动、静力学性能提高幅度均受混杂纤维掺量影响,在一定范围内随纤维掺量增高呈现先变大后减小的趋势,0.4%聚丙烯纤维对充填体早期抗压强度增幅最为显著,28 d标准养护龄期时钢纤维对充填体动、静力学性能的提高均大于另外两种纤维;总纤维掺量在1.4%~1.5%的混杂纤维对充填体动态抗压强度提高最大,提高幅度大于更高或更低纤维掺量的方案;在相同的平均应变率下,随着混杂纤维掺量增加,充填体的反射能和吸收能先减小后增大,透射能先增大后减小。适量的混杂纤维可以有效提高充填体的力学性能,有利于充填开采的安全性,同时对矿山充填体材料设计具有一定指导作用。

玄武岩纤维尾砂充填体力学性能及损伤本构模型

为了提高采空区充填体的力学性能,对加入玄武岩纤维的尾砂充填体进行抗压强度试验,研究不同纤维掺量、灰砂比和养护龄期对充填体的抗压强度影响规律,构建充填体损伤本构模型并分析其能量耗散规律。结果表明:玄武岩纤维的加入能够明显提高尾砂充填体的抗压强度,随着纤维掺量的增加,充填体的抗压强度呈先增大后减小的趋势,且最优掺量为0.4%,对比素尾砂充填体强度提升了13.277%~24.865%。纤维充填体峰后残余强度较高,引入损伤修正系数的损伤本构模型能合理表述纤维充填体峰后残余强度,根据损伤本构模型可得到充填体的峰值比能演算模型,适量掺加纤维可以提升充填体的峰值比能并减少能量耗散。玄武岩纤维能提高充填体的力学性能,强化矿山采空区充填效果。

高程影响下爆破振动速度衰减模型优选研究

准确预测爆破振动速度是控制爆破危害的重要内容。为了优选高程影响的质点峰值振速预测模型,基于量纲分析理论,综合考虑了测点与爆源之间的位置信息,重构了峰值振速预测公式。以鞍千矿业露天台阶爆破作业为背景,进行爆破振动监测试验,通过线性与非线性回归拟合法分析不同峰值振速预测模型的适用性。结果表明,考虑高程影响的预测经验公式预测精度均大于萨道夫斯基公式;结合测点与爆区之间的直线距离、水平距离和高程差的预测经验公式的预测精度高于其他预测经验公式;推导的预测模型可以较为准确地预测峰值振速,预测精度为91.60%;非线性回归得出考虑高程影响的预测模型可以更好地表征爆破振动在边坡岩体中的传播规律;优选了适用性较好的峰值振速预测模型,预测精度为91.87%。

露天转地下开采覆盖层厚度的影响因素分析

覆盖层是满足无底柱分段崩落法回采工艺条件和确保生产安全的重要保障。在归纳覆盖层形成方法和覆盖层的作用特征的基础上,分析了组成覆盖层岩石的粒度及其流动特、覆盖层的阻风特性、抗冲击特性和抗渗特性等因素对覆盖层厚度的影响,对研究覆盖层的合理厚度意义重大。

不同斜溜槽倾角下矿石对井壁撞击力影响的实验研究

作为运输矿石的主要通道,溜井的作用极其重要,从斜溜槽进入溜井的矿石会对井壁造成撞击破坏,确定撞击力的大小和撞击时间长短是选择合适支护方式和维护溜井长期使用的前提。针对矿石对井壁撞击破坏,从理论上分析了矿石粒径对撞击位置的影响,借助高速力值测量采集系统并结合实验室的溜井模型,研究了矿石与井壁撞击过程中法向力、切向力的大小和撞击接触时间与斜溜槽倾角之间的关系,得到了法向作用力与斜溜槽倾角之间的函数关系式。研究结果表明:随着斜溜槽倾角逐渐增大,撞击过程中法向力和接触时间均逐渐减小,切向力逐渐增大,合力也逐渐增加,且合力的变化趋势与切向力的变化趋势基本相同。

旋压钻进破岩的应力特征研究

准确获取岩石钻进细观参数是评价研磨和可钻性的有效方法。针对圆柱平底刚性钻头,利用ABAQUS软件建立钻头旋压岩石的相互作用模型。基于Drucker-Prager本构模型以及岩石的试验力学参数,分析了岩石表面单元发生破坏时钻头对岩石径向应力和轴向应力分布规律,对钻头与岩石接触的中心位置和边缘位置的应力变化进行分析。结果表明:岩石与圆柱形钻头接触部分的边缘点失效早于中心点,中心点破坏时的峰值应力大于边缘点,钻头进尺位移达到0.0603 mm时岩石中心点发生破坏,岩石在旋压作用下的应力是静态压入时的5倍,岩石轴向应力有效传递范围为16 mm,径向应力呈对称性分布,中心点处应力最小为17.74~23.55 MPa,0.533倍的应力半径达到峰值为51.31 MPa,约为砂岩抗压强度的三分之二。研究成果为圆柱平底刚性钻头旋压钻进岩石的耐磨性和可钻性评价提供理论基础。

基于SSA-VMD的爆破振动信号趋势项去除方法

针对爆破振动信号存在的趋势项干扰问题,提出一种改进变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)的趋势项去除方法。该方法采用麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)优化VMD参数,接着对信号进行VMD分解,得到一组模态分量(intrinsic modal function,IMF)。通过均值比法筛选出趋势项分量,对剩余分量重构得到去除趋势项的信号。经过仿真信号分析,SSA-VMD相较EEMD在均方根误差、相对范数和最大误差上分别降低了约73%、49%和82%,SSA-VMD对趋势项提取更为充分,识别趋势项的精度更高。同时,SSA-VMD对实测爆破振动信号进行分析,结果表明,该方法消除了爆破振动信号零点漂移现象,信号波形回归到基线中心,主频率趋于合理,提高了信号频谱分析的精度。

掺早强剂充填体在不同加载速率下裂隙破裂特性

与传统采矿法相比充填采矿法具有环保、安全等特点而在矿山生产中广泛使用,但充填过程中充填体会受到灰砂比、级配、料浆浓度等内在因素的影响,还受早强剂、加载速率等外在因素的影响。通过不同加载速率对掺早强剂与未掺早强剂充填体进行单轴压缩试验及声发射试验,对其力学性能和声发射特性进行研究。结果表明,充填体强度在不同加载速率下会呈现先增后减的趋势,且早强剂掺量不同充填体的强度增幅也不同。而基于声发射特征参数RA和AF发现,随着加载速率的增加,剪切裂隙占比减少,在达到临界加载速率后随着速率的增加剪切裂隙增加。未掺早强剂充填体与掺早强剂充填体相比,在同等速率下加载所产生的剪切裂隙占比较多。

上部卸矿冲击对储矿段井壁侧压力分布的影响及其机理

为研究溜井上部卸矿冲击对储矿段井壁损伤破坏的影响,以顺丰铁矿溜井储矿段为背景,构建了放矿口中心与溜井中心重合条件下的颗粒流离散元模型,研究了不同卸矿高度下,卸矿冲击对储矿段井壁侧压力值分布和矿岩散体内部的力链结构变化影响。结果表明:①卸矿冲击对井壁侧压力的影响主要集中在井内储料面下14 m范围以内,井壁侧压力的变化与矿岩下落高度呈正相关;②不同卸矿高度冲击下,储料散体内部横向力链的演变引起了井壁侧压力变化,而纵向力链演变导致了井内储料产生冲击夯实效果;③储料内同一平面下的井壁侧压力值具有非均布特征,其差异性与矿岩块的冲击位置以及冲击矿岩块携带能量与储料散体的空隙率大小密切相关。研究成果有助于矿山建立合理的储矿段储料高度与卸矿高度之间的匹配关系,防范储矿段堵塞和降低井壁的磨损问题。