主溜井矿石运移及井壁破坏特征的相似试验研究

为研究溜井矿石运移及井壁破坏特征,以金山店矿垂直主溜井为例,根据工程特点和相似理论,构建了由井口卸矿模拟装置、井筒适配装置、底部放矿适配装置、高速摄影系统和数据分析系统等部分组成的溜井溜放矿相似试验平台。以运动学理论为基础,在试验平台上进行溜矿段溜矿相似试验,得到了溜矿段矿石的运动轨迹,试验的井壁冲击破坏部位按相似比还原后与理论分析和矿山井壁冲击破坏检测结果相近;以椭球体放矿理论为基础,在试验平台上进行贮矿段放矿相似试验,得到了贮矿段井壁磨损分区范围,试验的井壁磨损破坏区域按相似比还原后与理论分析、PFC2D放矿数值模拟以及矿山井壁磨损检测结果相符。研究结果表明,溜井溜放矿相似试验平台及其溜放矿相似试验适用于溜井的矿石运移及井壁破坏特征研究,试验结果为金山店矿现服役主溜井的井壁加固方案优化和新设计的采区溜井支护方案优化提供了依据。     

溜井贮矿段矿石运移规律及井壁磨损研究

地下金属矿山主溜井运输系统中,由于贮矿段在放矿过程中持续地受到磨损,研究放矿过程中矿石的运移规律对贮矿段井壁防护具有重要意义。以某金属矿山主溜井为例,利用PFC^2D软件建立溜井放矿模型。研究表明在放矿过程中,贮矿段井壁会发生超压现象,位于溜井变截面超压最明显;矿石在溜井中的流态主要呈现整体流和中心流;根据椭球体放矿理论,得到溜井贮矿段井壁磨损区域图,为贮矿段井壁防护提供依据。     

井壁摩擦对贮矿段矿岩运移速度分布特征的影响

为研究井壁摩擦对溜井贮矿段矿岩运移速度的影响,引用Beverloo经验公式、稳定质量流动量定理和牛顿内摩擦定律分析了摩擦对矿岩速度分布的影响,采用离散元程序,探究了矿岩速度分布特征。研究发现,井壁摩擦作用是导致垂直溜井贮矿段筒仓内同一平面的矿岩存在速度差的主要原因,摩擦力对井壁附近矿岩的减速作用尤为明显。研究表明:(1)无摩擦作用时,溜井贮矿段筒仓内的矿岩作铅垂向下匀速运动;(2)有摩擦作用时,与井壁接触的矿岩运动速度减小,导致同一平面的相邻矿岩存在速度差,矿岩颗粒间产生内摩擦力,进而影响了整个贮矿段内矿岩运动速度的分布特征;(3)在较大的摩擦作用下,溜井放矿漏斗内的矿岩运移速度的差异性更大;(4)井壁与矿岩间的摩擦系数增大,摩擦作用的影响范围及影响程度也随之增大。提出了通过控制井壁摩擦作用解决溜井堵塞、井壁磨损问题的措施。     

卸矿高度对溜井卸矿冲击夯实作用效果的影响

溜井卸矿过程中矿岩的冲击夯实作用会引发溜井堵塞、井壁损伤等问题,影响矿山安全高效生产。卸矿高度是影响溜井卸矿冲击夯实作用效果的主要因素之一。为探究其影响特征,以孔隙率变化量、井壁冲击力峰值作为评判标准分别表征卸矿对储料的夯实效果和对井壁的冲击效果,采用PFC2D建立了溜井卸矿数值模型,模拟了6种卸矿高度下的冲击夯实作用过程,分析了卸矿高度对孔隙率变化量、井壁应力峰值的影响特征。研究发现:(1)储料孔隙率变化量、井壁冲击力峰值与卸矿高度呈正相关,与所测量范围到储料面的距离呈负相关;(2)降低卸矿高度可以减小卸矿过程中的夯实范围及效果,在贮矿段直径6m、贮矿高度24m等条件下,距离储料面5m范围内随着卸矿高度降低,对储料的夯实效果也明显减弱,其余范围内夯实效果受影响程度较小;(3)降低卸矿高度可以减小卸矿对井壁的冲击效果,在当前溜井结构参数下,储料面以下9m范围内井壁冲击力峰值受卸矿高度的影响程度显著,其余范围内受影响程度较小;(4)矿山可采用降低卸矿站与溜井贮矿段储料面间的高度落差、减少一次卸矿量、支护井壁等措施降低或预防冲击夯实作用对溜井系统带来的负面影响。     

溜井底部放矿漏斗角对矿石流动性的影响研究

为研究溜井底部放矿漏斗角对矿石流动性的影响,以金山店铁矿-480~-410 m段主溜井为工程背景,采用PFC2D离散元软件对放矿漏斗角分别为45°、50°、55°、60°、65°的主溜井放矿过程进行数值模拟。为定量描述不同放矿漏斗角下矿石流动性之间的差异,定义矿石质量流率比为矿石流动性评价指标,分析各放矿漏斗角下的矿石流动性特征,揭示放矿漏斗角对矿石流动性的影响机理。构建溜井放矿相似试验平台,进行溜井放矿相似模拟试验,计算矿石的质量流率比,并将其与数值模拟结果进行对比分析。研究结果表明：当放矿漏斗角为60°时,矿石质量流率比最大,矿石流动性最好;相似试验与数值模拟所得矿石质量流率比的变化趋势基本相同,相似试验结果能对数值模拟结果进行验证。     

垂直溜井贮矿段放矿中矿岩运动速度变化特征

为研究溜井贮矿段放矿过程中矿岩颗粒运动速度变化特征,采用颗粒离散元数值模拟方法,进行了垂直溜井贮矿段放矿试验,分析了溜井贮矿段放矿过程中整体矿岩速度分布及个体速度变化过程。结合时均化分析方法,讨论了矿岩经过筒仓和放矿漏斗时的时均速度变化特征。研究表明：溜井贮矿段放矿过程中矿岩颗粒的瞬时速度始终处于波动状态,其波动特征表现为0～4.0 s内大振幅、波峰波谷明晰;4.0～16.5 s内振幅较小、呈周期性变化;16.5～20.0 s内振幅较大且波峰波谷平均值随时间增长而增大、速度呈明显增长趋势。在筒仓部分矿岩颗粒时均速度接近于恒定,不随放矿时间变化,越靠近筒仓中心线矿岩时均速度越大,到达放矿漏斗所用时间越少;在放矿漏斗部分矿岩颗粒时均速度随放矿时间增加而增大,同时越靠近井壁,时均速度越小,颗粒经过放矿漏斗部分的时均速度明显大于经过筒仓部分的时均速度。     

主溜井中矿岩三维运动轨迹分析与验证

溜井运输过程中，矿（废）石与井壁的碰撞造成井壁破坏较为严重。确定矿（废）石与井壁碰撞前的运动轨迹和碰撞位置，对于保证溜井井壁稳定性具有重要意义。以某矿山主溜井溜矿段-40~-71 m为例，建立了溜井溜矿段相似试验平台。根据运动学理论，结合相似试验结果，得到矿（废）石与溜井井壁产生首次碰撞前的运动轨迹和三维轨迹方程。研究表明：理论计算得到的矿石冲击位置略低于试验中矿石的冲击位置，误差不超过4.84%，理论计算及试验结果与矿山实际检测结果基本一致。分析结果可为确定溜井井壁的受冲击区域、溜井系统设计与优化、溜井治理与修复、溜井管理方案制定等提供依据。     

主溜井中矿岩三维运动轨迹分析与验证

溜井运输过程中，矿（废）石与井壁的碰撞造成井壁破坏较为严重。确定矿（废）石与井壁碰撞前的运动轨迹和碰撞位置，对于保证溜井井壁稳定性具有重要意义。以某矿山主溜井溜矿段-40~-71 m为例，建立了溜井溜矿段相似试验平台。根据运动学理论，结合相似试验结果，得到矿（废）石与溜井井壁产生首次碰撞前的运动轨迹和三维轨迹方程。研究表明：理论计算得到的矿石冲击位置略低于试验中矿石的冲击位置，误差不超过4.84%，理论计算及试验结果与矿山实际检测结果基本一致。分析结果可为确定溜井井壁的受冲击区域、溜井系统设计与优化、溜井治理与修复、溜井管理方案制定等提供依据。     

贮矿高度对主溜井矿石流动性的影响研究

为探究贮矿高度对金山店铁矿主溜井矿石流动性的影响,以质量流率比作为矿石流动性的定量评价指标,采用PFC2D颗粒流程序构建主溜井放矿数值模型,对不同贮矿高度条件下的矿石流动状态进行模拟分析;基于自主研制的溜井放矿相似试验装置,开展针对性的矿石流动性相似试验,对数值模拟结果进行检验。研究表明,质量流率比R_w可以定量表征矿石颗粒的流动状态,便于数值模拟结果与相似试验结果的对比分析;贮矿高度与矿石颗粒的流动状态密切相关,随着贮矿高度的增加,质量流率比R_w呈先增大后减小的变化趋势;当贮矿高度为27.5 m时质量流率比R_w达到最大值,此时矿石颗粒的流动性最好;在质量流率比R_w随贮矿高度变化的趋势上,相似试验结果与数值模拟结果具有一致性。     

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。     

基于 PFC的矿石块度对溜井放矿效果的影响研究

目前针对矿石块度对溜井放矿效果的影响评价多局限于计算单一评价指标,不能综合反 映放矿效果 的优劣。提出以单位时间内放出的矿石质量和撞击总能量为表征,衡量放矿效率及井壁的撞击 程度,构建溜井放 矿效果综合评价模型。并以大冶某矿山特定矿石溜井为研究对象,基于 PFC2D软件开展数值模 拟实验,验证了溜井 放矿效果综合评价模型的有效性。数值模拟结果表明,随着矿石块度的增大,放矿效率会得到 提高,但同时对于井 壁所造成的损伤也会增大,且当矿石块度增大到一定程度,会发生卡矿的现象。通过对综合评 价模型进行计算、分 析,给出大冶某矿山放矿的最优矿石半径分布为 r～（0.40,0.102）。     

贮矿式溜井应用实践

结合朱家坡水泥用灰岩矿贮矿式溜井开拓的成功实践,对贮矿式溜井技术特点进行了阐述。应用贮矿式溜井不仅保证了井壁完整,且满足了溜井的碎石容量要求,综合经济效果显著。     

溜井放矿量与磨损量计算式的数模

在溜井放矿过程中,井筒井壁会随着井筒内矿石移动而同时产生磨损,这种磨损缓慢、渐进式连续发生的,均匀的向四周发展扩大。提出了连续式的积分方程,推导出溜井井筒的磨损量与放矿量之间关系的数学模型。用德兴铜矿的相关数据进行了计算,计算结果表明,该数学模型所提供的计算数据与实际井筒磨损情况接近,可为矿山规划、溜井设计与生产管理提供可靠的依据。     

溜井溜放矿相似试验平台的研制与应用

溜井内矿石的运移特征,是制定溜井结构优化、井壁检修和生产管理方案的重要依据。而通过溜井现场溜放矿试验获得溜井内矿石的运移特征因制约因素多而难以实现,为此,研发了集溜放矿模拟系统、数据采集系统和数据分析系统于一体的溜井溜放矿相似试验平台,实现溜放矿全过程的模拟和数据的高效处理与分析。以该试验平台进行溜放矿相似试验,得到的试验结果与实测数据一致。试验结果表明,该试验平台适用于溜放矿相似试验研究,为研究溜井内矿石运移特征提供了一种有效的方法。     

冲击磨损作用下的溜井井壁变形破坏机理

世界范围内的溜井井壁变形破坏已成为影响金属矿山地下开采高效运行的重大问题,冲击与磨损是造成溜井井壁变形破坏的2大主要因素。通过矿岩冲击溜井井壁过程中能量与变形关系的研究,得出了矿岩块"碰撞"井壁时冲击与剪切破坏产生的机理。推导出了垂直溜井储矿段井壁和倾斜溜井底板的摩擦力计算公式。研究发现:垂直溜井中矿岩块对井壁冲击的结果,使井壁材料受到了冲击和剪切2种形式的损伤,而决定其主导地位的因素是矿岩块冲击井壁时的运动方向与井壁法向夹角的大小;磨损破坏主要发生在溜井的储矿段和倾斜溜井与分支溜井的底板。磨损破坏的程度取决于矿岩块与井壁材料间的摩擦系数的大小和矿岩作用在井壁法向上的力的大小。     

颗粒级配对溜井放矿矿石混合特性的影响

将放出混合矿样的中值粒径(d₅₀)与放矿前初始中值粒径(d₅₀')的差值与d₅₀'的百分比定义为中值粒径偏析量(MDS), 并将其作为矿石混合特性的定量评价指标。以湖北金山店铁矿主溜井放矿过程为背景, 借助相似试验与数值模拟, 采用TFe品位在24.75%~59.21%的7种铁矿石, 以及粉矿含量为11%~19%对应的5种颗粒级配, 组成35种不同品位的矿石级配方案, 研究主溜井放矿过程中矿石的混合特性。结果表明: 相似试验与数值模拟所得结果吻合性较高;同一级配方案下, 不同品位矿石放矿计算得到中值粒径偏析量的变化趋势基本一致, 随着入井矿石品位升高, MDS均不断减小, 矿石混合均匀性越高;同一品位、不同级配下, 级配中粉矿含量占比不断增大, MDS表现为先减小后增大, 矿石混合情况首先变好逐渐变差;粉矿含量为13%对应级配方案下, MDS最小, 矿石混合情况最优;MDS能对溜井放矿过程中矿石的混合特性进行有效评价。     

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。     

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7~10m 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。     

矿石粒子群碰撞作用下溜井垮塌轮廓推演分析

受溜井井壁和底部矿堆的限制作用,落入溜井的矿石对井壁造成直接碰撞损伤和触底后的反弹碰撞损伤,进而导致井壁出现垮塌破坏。基于运动学理论建立卸矿模型,分析溜矿段矿石落入溜井内的运动状态。借助Python科学计算工具,计算空井和非空井条件下矿石粒子群对井壁不同位置的碰撞频数,并以此定量表征井壁损伤程度。矿石粒子群在不同贮矿矿堆高度下对溜井井壁碰撞损伤的结果,可以解释溜井实际垮塌轮廓与破坏趋势。研究结果与实际垮塌扫描形态相吻合,验证了溜井垮塌形态分析结果的正确性。在溜井垮塌机理方面国内外可借鉴的经验较少,碰撞分析过程与结果也可为溜井垮塌趋势、结构参数设计及加固技术方案提供参考。     

矿岩三维运动对主溜井井壁碰撞范围的影响

地下矿山溜井使用过程中,矿石在溜井中运动时在井壁上的初始碰撞对井壁的破坏作用较大,研究矿岩块运动轨迹,确定矿石与井壁的碰撞范围对于井壁的支护具有重要意义。以辽宁某地下矿山溜井为例 ,根据运动学理论,建立了矿岩块运动模型,分析了不同初始运动状态下的矿岩块对碰撞范围的影响,确定了初始碰撞位置的分布范围。研究结果表明：①矿岩与井壁初始碰撞位置与矿岩进入溜井时速度大小、方向 角以及运动耗时等有关,当溜井结构参数一定时,矿岩进入溜井时的速度大小是一定的,此时速度方向角决定着矿岩对井壁的冲击范围;②随着矿岩块初始运动方向角不断增大,矿岩块与溜井井壁碰撞前的行程逐渐 变短,冲击位置不断升高,井壁受冲击一侧在溜井口以下9.23 m处形成两条对称的弧形斜冲击带;③矿岩运动的随机性会影响井壁损伤程度及范围,同时在矿岩流反复冲击下,井壁受冲击的位置与范围趋向集中是累 积损伤的结果。研究结果可为矿山溜井支护提供理论支持。