均匀放矿过程中细粒冰碛物穿流机理试验研究_牛向东.pdf

第 5 卷第 3 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.3 2023 年 6 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING June 2023 033511-1 牛向东，侯克鹏，孙华芬.均匀放矿过程中细粒冰碛物穿流机理试验研究J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(3)：033511.NIU Xiangdong，HOU Kepeng，SUN Huafen.Experimental study on the flow mechanism of fine-grained moraine in the process of uniform ore drawingJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(3)：033511.均匀放矿过程中细粒冰碛物穿流机理试验研究 牛向东1,2，侯克鹏1,2，孙华芬1,2 (1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室，云南 昆明 650093)摘 要：为探究均匀放矿过程中细粒冰碛物的穿流机理，以普朗铜矿地表细粒冰碛物为研究对象，利用室内三维物理模型试验方法，开展了细粒冰碛物覆盖层下的粗颗粒矿石均匀放矿试验研究。研究结果表明：均匀放矿过程中细粒冰碛物穿流机理主要受“孔隙填充机制”控制，其穿流程度取决于粗颗粒矿石放矿过程中随机产生的孔隙大小和数量；冰碛物颗粒粒径越小，其穿流速度越快，穿流效果越显著，穿流时间越短；根据试验过程中细粒冰碛物穿流规律，构建了细粒冰碛物穿流机理概化模型，结果显示细粒冰碛物和粗颗粒矿石相对运动是造成细粒冰碛物穿流的内在因素，细粒冰碛物和粗颗粒矿石相对运动越显著，细粒冰碛物穿流越明显。研究结果对揭示细颗粒穿流特性提供一定理论支撑，同时对细颗粒物质覆盖层下的崩落法矿山灾害防控及矿石贫化控制具有实际工程意义。关键词：均匀放矿；细粒冰碛物；穿流概化模型；孔隙填充机制；物理试验模型 中图分类号：TD85 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)03-3511-08 Experimental study on the flow mechanism of fine-grained moraine in the process of uniform ore drawing NIU Xiangdong1,2，HOU Kepeng1,2，SUN Huafen1,2(1.Faculty of Land Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China；2.Yunnan Key Laboratory of Sino-German Blue Mining and Utilization of Special Underground Space，Kunming 650093，China)Abstract：This paper aims to investigate the mechanism of fine moraine flow during uniform ore drawing，focusing on the fine moraine particles present on the surface of Prang Copper Mine.An indoor three-dimensional physical model test method is employed to conduct uniform ore drawing tests with coarse ore covered by fine-grained moraine.The research findings demonstrate that the flow passage of fine-grained moraine particles during the uniform ore drawing process is primarily governed by the pore filling mechanism with the degree of flow passage depending on the size and number of randomly generated pores during coarse ore drawing.Smaller moraine particles exhibit faster flow velocities，more pronounced flow effects，and shorter flow times.Based on the observed behavior of fine-grained moraine particles during the experiment，a generalized model for their flow passage mechanism is established.This model reveals that the relative movement between fine-grained moraine and coarse ore is the internal factor driving the flow of fine-grained moraine.Additionally，the more pronounced the relative movement between fine-grained 收稿日期：2022-07-14 修回日期：2022-10-31 责任编辑：李 青 基金项目：云南省人才培养基金资助项目(KKSY201521064)作者简介：牛向东(1986)，男，安徽濉溪人，博士研究生，主要从事矿山岩石力学及地下工程灾害防控等方面的研究工作E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20230404.001 牛向东等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.3(2023)：033511 033511-2 moraine and coarse ore，the more significant the penetration of fine-grained moraine particles.The study provides theoretical support for understanding the flow characteristics of fine particles and holds practical engineering significance for disaster prevention and control in caving mines and ore dilution control under the presence of fine particles.Key words：uniform ore drawing；fine-grained moraine；generalized model of cross flow；pore filling mechanism；physical modelling 自然崩落法在国外已得到广泛应用，在国内也呈现逐渐上升的趋势。在地表存在细粒冰碛物或崩落矿石层上含有散体物质的崩落法矿山，崩落矿石上部覆盖的粒径较小颗粒的存在会给生产带来一些非常规的灾害争故。譬如，采用自然崩落法开采且地表存在细粒冰碛物的普朗铜矿矿山，以及隔离矿柱上存在细粒覆盖层颗粒的露天转地下崩落法矿山在生产放矿过程中会出现细颗粒物质在崩落矿石松散孔隙中发生穿流现象1-3，造成矿石提前贫化，且雨季期间易诱发井下泥石流争故，给矿山的安全生产和经济效益带来较大影响4-5。近年来，矿山颗粒流动问题已经成为国内外学者研究的热点6-7，特别是散体颗粒运动过程中的穿流问题。PIERCE M E8通过数值模拟方法对放矿过程中的小颗粒穿流现象进行了研究，结果表明小颗粒在放矿扰动时会在大颗粒间的孔隙中产生穿流；HASHIM M H 9利用物理模型研究了颗粒形状、粒径、密度等因素对颗粒穿流的影响；WILLIAM R K10等针对重力作用下的粗颗粒和细颗粒穿流行为进行了研究，从颗粒物料参数、颗粒接触系数、模型内颗粒建设方法等因素开展了准三维模型模拟工作；CHRISTOPHER R L11基于非牛顿流体理论，从理论力学角度对放矿过程中的细颗粒穿流位移-速度的关系进行了研究。与国外研究内容相比，国内在矿山颗粒流动方面的研究多集中在覆岩散体颗粒下的岩石混入及矿石贫化12-16，而鲜少涉及放矿过程中细粒物质穿流机理方面。李涛17等采用离散元软件探讨了放矿过程中的废石覆盖层细颗粒物质的渗移规律，研究表明细颗粒物质渗移速率要比粗颗粒物质大；由希18等通过构建覆盖层下的颗粒粒径空间分布模型对岩石混入影响进行研究，认为细颗粒易在大颗粒间隙运动，其向下运动速度相对于大颗粒较快；侯克鹏19等利用室内放矿试验探讨了细颗粒穿流规律，发现放矿过程中细颗粒的穿流现象较明显；金爱兵20等研究了不均匀分布粒径颗粒的穿流特点，结果显示颗粒不均性对细颗粒穿流有显著影响；任凤玉21等利用高速摄像技术，对放矿条件下的塌陷区内尾砂穿流特性进行了研究。目前学者主要对细颗粒穿流现象和规律进行研究，而对细颗粒穿流机理缺乏系统深入的研究。笔者利用室内三维物理模型试验方法，进一步探究细粒冰碛物在粗颗粒矿石均匀放矿过程中的穿流机理，对崩落法矿山放矿过程中细颗粒物质穿流机理的认识起到积极探索作用。1 物理试验模型 1.1 试验模型及介质 普朗铜矿矿体属于厚、大、低品位斑岩铜矿，采用自然崩落法开采，生产能力1 250万t/a。底部结构高16 m，出矿穿脉巷道间距30 m，出矿进路间距15 m，出矿口尺寸(宽高)：4.2 m4.0 m。开采顺序采用由中央向四周推进的“菱形”方式。生产过程中采用均匀放矿管理模式，尽量使矿岩界面近水平均匀下降，避免第四系冰碛物颗粒过早混入崩落矿石层中。矿山底部结构上覆崩落矿石层平均厚度约80 m，地表第四系冰碛层平均厚度约15 m。根据BCF崩落块度预测软件得到矿山崩落矿石的块度为0.71.0 m；依据地表冰碛物颗粒级配曲线获得中值粒径d50=16 mm。采用1100相似比开展室内三维物理模型试验，模型中矿石层和冰碛层的堆积厚度分别为80，15 cm；试验模型放矿口尺寸为4.2 cm4.0 cm，出矿进路间距15 cm，如图1所示。为便于在试验过程中观察细粒冰碛物颗粒穿流现象，试验装置使用透明亚克力板材。室内三维物理模型试验装置主要包括：亚克力板框架、底部结构和摄像系统(图1)。放矿试验模型尺寸(长宽高)：75 cm45 cm 120 cm，模型底部结构布置3个放矿口(13号)。试验放矿过程按照1号2号3号放矿口依次进行循 牛向东等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.3(2023)：033511 033511-3 环放矿，直至模型装置中颗粒物全部放出，且各放矿口每次放出量保持相同，以实现模拟均匀放矿环境的目的。75 cm80 cm15cm150 cm(a)物理模型试验装置75 cm45 cm4.2 cm15 cm(b)放矿口布置地面3号1号2号粗颗粒矿石3号 1号2号细粒冰碛物透明试验装置放矿口高速摄像机摄像机支架底部结构900放矿口 图1 室内三维物理模型试验装置设计 Fig.1 Design of indoor 3D physical model test device 崩落矿石在地表第四系冰碛物颗粒覆盖层下放矿，放矿过程中在底部结构上部崩落矿石层中发生细粒冰碛物穿流现象。试验使用的细粒冰碛物和矿石颗