垂直溜井中物料的冲击夯实过程及其作用特征

垂直溜井卸矿过程中的冲击夯实作用影响着储料矿岩的流动性和井壁的稳定性,也是引起溜井堵塞、井壁失稳的重要因素。针对溜井上部卸矿的冲击夯实作用机理,通过离散元数值模型模拟垂直溜井卸矿过程,分析了冲击夯实作用效果,研究了冲击夯实作用对贮矿段储料内力链结构分布、空隙率和贮矿段井壁侧压力的影响特征。在当前溜井结构参数下,贮矿高度40 m时,研究表明:①冲击夯实作用过程包括下落、碰撞、挤压、反弹、覆盖5个阶段,冲击力依次经过点冲击、面冲击向空间扩展;②应力传递过程中,储料面以下4 m范围内的力链会发生断裂和重组,其余范围的力链被加强或延长,储料整体的力链结构分布变化甚微;③冲击夯实作用对储料面以下5 m范围内的空隙率影响较大,其余范围内的储料空隙率的变化率不到1%;④卸矿过程中,溜井储料面附近井壁会承受较大的冲击作用并造成井壁冲击损伤;同时冲击夯实作用提高了溜井贮矿段中下部的井壁静态侧压力,进而加速井壁磨损和增大悬拱发生率。

矿柱偏心承载特性与失稳破坏机制

荷载重心与矿柱截面形心不重合的偏心承载普遍存在于地下开采工程之中。为揭示矿柱偏心压缩承载特性与失稳破坏力学机制,采用一种模拟偏心压缩的试验装置,开展了五组不同偏心距条件下矿柱轴向压缩试验,得到了偏心压缩时矿柱抗压强度及失稳破坏特征。利用MV-XG280相机监测了加载过程中矿柱表面的散斑图像,结合数字图像相关方法分析了偏心距为1/6矿柱宽度时其表面位移场与应变场演化过程。结果表明:1)矿柱的抗压强度和弹性模量随偏心距增加呈降低趋势,偏心距越大矿柱越容易达到强度极限而破坏,与均匀压缩相比,偏心荷载作用大大降低了其承载能力;2)偏心荷载下矿柱的破坏特征为小偏心受压破坏和大偏心受拉破坏。偏心压缩使矿柱受力和力矩的共同作用,表现出偏心距越大整体弯曲变形程度越严重;3)偏心距为矿柱宽度的1/6时,位移场及应变场反映了试件变形破裂的演化过程,随着荷载的增加,位移场最大位移区域进一步集中,应变场出现明显的局部化带,形成最终导致矿柱破坏的宏观裂隙。

基于路权优先的井下无轨运输车辆调度研究

制定有效的井下无轨运输车辆调度策略,是提高地下矿山生产效率和保障生产安全的重要手段。针对地下矿山无轨运输路况复杂、车辆避让困难等特点,分析了井下巷道结构对运输能力产生的影响。在获取井下车辆实时位置与载重信息的基础上,确定了井下无轨运输车辆在不同线路结构下的路权优先原则;以总运输功最小和车辆等待时间最短为目标,构建了基于GA算法和逻辑关系的井下无轨运输车辆调度目标优化模型。采用某矿山井下无轨车辆的实际运行数据,对建立的目标优化模型进行了求解。结果表明:①建立的路权优先原则能够有效降低车辆在非错车段相遇和由此引发安全事故发生的概率,提高了车辆运行效率;②以案例矿山实际运行数据为基本参数,采用GA算法对所建立的总运输功目标函数进行求解,获得了总运输量为4730 t/d时,最小总运输功为2399.21 t·km的最佳路径方案;③在当日运输功最小的基础上,通过逻辑关系对不同出矿方案的车辆等待时间进行求解,得到了不同方案下的车辆具体运输路线及运行时刻,为矿山生产调度提供了最佳车辆调度方案,有利于降低运输成本和提高车辆运行效率。

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。

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。

无底柱分段崩落法单进路与多分段放矿现象差异性研究

在对无底柱分段崩落法的研究中,所选择的实验方案不同,其放矿现象有很大差异,针对这一问题,采用单进路和多分段物理模型,分别进行了大结构参数下无底柱分段崩落法放矿实验,探究单进路与多分段放矿现象的差异及其原因,并给予相关建议。结果表明,单进路与多分段下放矿现象的差异在于放矿漏斗、残留矿石以及废石侵入情况;边界条件和各分段间的相互影响是造成二者差异性的关键原因。

倾斜溜井内的矿岩运动特征及其影响因素研究

溜井是矿岩运输的重要工程,因卸矿冲击造成的井壁损伤是制约溜井使用年限的主要问题。为分析倾斜溜井内矿岩的运动过程,通过PFC2D数值模拟试验,结合物理相似试验验证,模拟倾斜溜井卸矿过程,分析倾斜溜井内矿岩运动形式及速度变化特征,研究溜井倾斜角度对矿岩运动规律及撞击井壁位置的影响,讨论垂直溜井与倾斜溜井中矿岩运动方式的差异性。研究发现,(1)当溜井倾斜角度为60°时,两次撞击位置高度分别距离卸矿口1.36 m、3.30 m,撞击速度分别为9.53 m/s、5.47 m/s,矿岩到达溜井底板时速度达到峰值16.17 m/s;矿岩运动过程可简化为5个阶段,在分支溜槽内做匀加速的滑动或滚动,脱离溜槽以一定初速度作斜抛运动,与井壁发生两次撞击,沿着井壁做匀加速的滑动或滚动运动,最后到达溜井底板。(2)溜井倾斜角度对矿岩运动过程的影响非常显著,随着溜井倾斜角度的增加,矿岩两次撞击井壁位置距离卸矿口高度呈增加趋势;倾斜角度超过60°后,第2次撞击位置距离卸矿口高度和撞击速度急剧增大。(3)与垂直溜井相比,倾斜溜井中矿岩运动过程受井壁边界限制作用更显著,落体运动时长较短,矿岩与井壁存在较长距离的相对接触、滑动过程,对井壁造成摩擦损伤。

矿岩冲击斜溜井底板位置及其影响因素分析

为揭示斜溜井内矿岩运动对溜井底板的冲击损伤规律,基于运动学原理,研究了矿岩块在斜溜井中的运动规律及其影响因素,建立了矿岩块的运动轨迹方程,明确了矿岩块与斜溜井底板发生碰撞的条件,得到了矿岩块首次碰撞溜井底板的位置计算公式。研究结果表明:矿岩块进入主斜溜井时的初始速度v_(0)及其方向角α、主斜溜井倾角β及其顶底板距离D是影响矿岩块与斜溜井底板碰撞的主要因素;v_(0)越小,α、D与β越大,碰撞位置距矿岩块进入斜溜井时的垂直距离h_(1)越大,反之h_(1)越小;当v_(0)和α一定时,D与β越大,h_(1)越大,且D较β对碰撞位置的影响更大。提出斜溜井设计与管理思路,即降低矿岩块进入斜溜井时的初始速度,选择合理的主斜溜井的倾角及其顶底板距离,降低主斜溜井空井高度,能有效降低发生碰撞的概率,减小斜溜井底板受冲击破坏的程度。

进路间距对采场围岩力学行为和变形的影响

增加无底柱分段崩落法进路间距,有利于增加一次崩矿量和改善放矿效果。基于某矿山无底柱分段崩落法的结构参数优化方案,采用数值模拟方法,研究了该矿5种进路间距下的进路围岩应力分布特征、位移变化和塑性区分布规律,分析了进路间距变化对围岩稳定性的影响。结果表明:(1)不同进路间距下,进路顶板与两侧帮围岩的最大主应力表现出进路间距越大主应力值越小的特征,但随围岩深度的变化,最大主应力表现出不同的变化态势;(2)顶板和侧帮围岩的最小主应力呈现出先增加后趋于平稳的变化趋势,主应力的最大值主要分布于进路侧帮4~10m范围内,进路间距越小,相邻进路的相互影响引起了应力叠加,易发生张拉破坏,间距越大,最小主应力的值越小;(3)顶板和侧帮围岩的位移量呈现出“中间大、两端小”的变化规律,增加进路间距对顶板围岩的位移区域及范围影响较大,但有利于降低相邻进路间的相互影响程度和保持进路围岩的整体稳定性;(4)进路围岩塑性区以剪切塑性区为主,主要分布在进路四周2m范围内,进路间距变化对塑性区扩展影响不大。

井内储料滞留时间对井壁压力和矿岩流动性的影响及其机理

因溜井底部放矿中止而使井内储料滞留在储矿段,进而影响矿岩的流动性,对溜井底部恢复放矿后的矿岩放出产生不利影响。通过构建溜井井壁侧压力监测系统平台,采用物理试验,研究了重力压实作用下储料滞留时间对井壁侧压力及矿岩流动性的影响,分析了其影响机理,结果表明:(1)当井内储料高度一定时,随着滞留时间的增加,井壁静态侧压力呈现出明显的增大趋势;(2)井壁的动态侧压力具有随滞留时间增加而增加的变化特征;(3)矿岩散体在井内的滞留时间对矿岩流动性影响显著。因此,应缩短矿岩在溜井内的滞留时间,以增加储料的流动性,降低溜井堵塞的风险。

接触方式对溜井储料流动性和井壁侧压力的影响

溜井储料的流动性对溜井产生悬拱堵塞和底部放矿的顺畅性影响较大。采用理论研究和室内相关试验分析研究了矿岩块及其与溜井井壁的接触方式对储料流动性和井壁侧压力的影响。结果表明:(1)矿岩块的几何形态与特征尺度的复杂多变性使其在溜井井壁约束下形成颗粒支撑结构体系时,以点、线和面三种方式相互接触,矿岩块间及其与井壁间接触面积的大小决定其对矿岩流动性和井壁侧压力的影响程度;(2)矿岩块在溜井内运动过程中产生的旋转是导致矿岩颗粒间及其与井壁之间接触方式发生改变的根本原因;(3)矿岩颗粒的接触方式通过影响散体空隙率进而影响井内的矿岩流动性,接触面积越大,散体的空隙体积就越小,矿岩流动性也越差;(4)矿岩块与井壁的接触方式影响井壁侧压力的大小,进而影响井壁的磨损破坏程度,相同侧压力下,井壁以点接触的破坏程度最大,面接触的破坏程度最小。

重力压实作用对空隙率的分布特征研究

溜井放矿过程中堵塞问题与储料内部空隙率分布特征密切相关。以松散岩体分维数为基础确定贮矿段不同高度的储料空隙率,通过理论推导得到储料总质量、贮矿标高与空隙率之间的关系,结合相似模拟试验与理论分析结果进行比对,误差值小于0.05,验证数据符合实际,并对数据进行拟合得到储料总质量、贮矿标高与空隙率的关系式;研究发现空隙率变化并不会随贮矿高度的增加而变小,重力压实作用会影响距离储料面7~10 m范围内的空隙率,当空隙率达到最小值后趋于不变并达到空隙率极限;通过理论计算与相似试验结果对比分析,根据单位高度处不同级配测到分维数,其结果与空隙率成正比;结合研究结果,在控制卸矿粒径和储料高度、放矿管理3个方面提出了合理利用空隙率大小以及矿岩流动性的具体措施,对矿山生产实践具有一定的指导意义。