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。     

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。     

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。     

倾斜溜井中的矿岩运动特征及其对井壁的损伤与破坏

斜溜井是国内外矿山溜井一种重要的布置方式，在工程应用中溜井的变形破坏问题严重。矿岩散体在溜井内运动过程中与井壁接触并产生力的作用是引起溜井变形破坏的根本原因。倾斜溜井中不同的矿岩 运动特征导致了井壁的变形破坏程度及范围存在较大差异。通过研究斜溜井中矿岩散体的运动特征及其影响因素，分析了斜溜井井壁的变形破坏机理和破坏分区。研究表明：①倾斜溜井中的矿岩散体运动包括下落、 跳动、滚动、滑动4种方式，受溜井倾角、矿岩块形状、粒度及其分布特征、矿岩物理力学性质、溜井井壁平整度和矿岩块进入溜井时的初始运动方向等因素影响，不同的矿岩运动方式对溜井井壁产生的破坏特征也不 相同；②矿岩散体下落或跳动引发的溜井井壁冲击破坏主要发生在分支溜井与主溜井交叉处的矿岩下落方向的溜井底板，滚动或滑动引发的溜井井壁摩擦破坏主要分布在主溜井和分支溜井的底板上；③针对不同的溜 井井壁变形破坏特征，应从优化溜井结构、采取相应的加固措施等角度进行预防。     

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。     

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。     

矿岩初始运动对其冲击溜井井壁规律的影响

溜井中运动的矿岩会与井壁发生碰撞并导致井壁的冲击损伤，研究矿岩在溜井中的运动规律，有利于减少矿岩与溜井井壁的碰撞概率。基于运动学原理，建立了矿岩运动初始方向与其运动规律的关系模型 ，得出了矿岩的运动轨迹方程，确立了矿岩块运动过程中与溜井井壁发生碰撞的条件，得到了矿岩块第1 次与溜井井壁发生碰撞时碰撞点的计算公式，研究了矿岩进入溜井时的初始运动对其在溜井中运动规律的影响 。研究表明：①溜井直径D、矿岩块初始速度[v0]及其方向[α]是影响矿岩块与溜井井壁碰撞的主要因素；②当D和[v0]保持不变时，随着[α]增大，碰撞位置h1越大，反之，h1越小；③当D和[α]保持不变时，随着 [v0]增大，碰撞位置h1越小，反之，h1值越大；④当[v0]和[α]保持不变时，随着D增大，碰撞位置h1越大，反之，h1越小。上述研究进一步反映出，适当增加溜井直径，选择合适结构，降低矿岩块进入溜井时的速度 ，能够降低矿岩块与溜井井壁的碰撞概率，有利于减轻溜井受冲击破坏的程度。     

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。     

溜井放矿过程中贮矿段井壁动态应力分布特征研究

溜井放矿过程中贮矿段井壁的磨损破坏程度与井壁动态应力的分布特征密切相关。以金山店铁矿主溜井为工程背景,基于Janssen公式,引入超压系数,推导贮矿段井壁动态应力的理论计算公式,计算不同高度处井壁动态应力的理论值;采用颗粒流程序模拟主溜井放矿过程,分析贮矿段井壁动态应力的分布特征;基于自主研发的溜井放矿相似试验平台,配合应变仪,对放矿过程中贮矿段井壁不同高度处的应变值进行监测,通过应变仪的率定参数将其转换为对应的动态应力值。将理论计算、数值模拟所得结果与相似试验所得井壁动态应力及井壁磨损分区范围进行对比。研究表明:理论计算、数值模拟、相似试验所得井壁动态应力的最大相对误差率在19%以内,验证了理论计算公式的合理性;三者所得井壁动态应力的均值在放矿口以上(5.0 m,15.0 m)范围内均超过了228 k Pa,在(15.0 m,30.0 m)范围内均不足204 k Pa,分别对应于相似试验中井壁的重磨损区及轻磨损区;井壁动态应力越大则井壁磨损程度越重,从力学角度解释了贮矿段井壁磨损破坏程度差异的原因。     

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。     

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。     

溜井倾角对矿岩与溜井首次碰撞位置的影响

溜井卸矿过程中矿岩与溜井的首次碰撞所造成的损伤最为严重，溜井倾角影响着矿岩与溜井的首次碰撞位置，因此，研究溜井倾角对矿岩运动规律及首次碰撞位置的影响有利于优化溜井结构参数设计。采用运动学基本理论，推导了矿岩与倾斜溜井底板首次碰撞位置及速度的计算公式，研究了首次碰撞位置及速度与溜井倾角的关系，进行了不同溜井倾角条件下卸矿物理试验，得到了矿岩与倾斜溜井底板的实测首次碰撞位置并经过相似比还原后与理论推导结果进行了对比。研究结果表明：溜井倾角β是影响矿岩与倾斜溜井底板首次碰撞位置的主要因素，当矿岩初始速度v与倾斜溜井正方形断面边长D不变时，增大β,矿岩与倾斜溜井底板发生首次碰撞时的水平位移x与垂直位移y增大，碰撞速度v₁越大，碰撞位置距井口越远，反之，x、y、v₁减小，首次碰撞位置距井口越近。理论计算与试验所得首次碰撞位置误差不超过9.3%,表明了倾斜溜井理论分析模型的合理性。     

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。     

放矿口散体流动速度分布及显著影响高度研究

现代地下矿山的发展促使大型凿岩设备和出矿设备不断投入使用，同时造成采场出矿巷道及放矿口断面不断增大。实践证明，采场放出口矿岩散体速度分布和放出口尺寸对放矿结果有显著影响。根据放出口矿岩散体流动状态，分析了采场底部漏斗短溜井放矿及电耙出矿条件下的放出口矿岩散体流动速度分布，给出了放出口影响范围的估算式, 揭示了放矿口对采场放矿的影响机理，对采场合理结构参数的确定具有指导意义。     

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）。     

溜井储矿段储料缓冲性能离散元模拟研究

为探究储料对溜井卸矿冲击的缓冲特性,采用离散元方法分析溜井卸矿冲击作用下储料缓冲过程,探究储料高度对储料缓冲效果、溜井侧壁受力特征的影响,引用缓冲率确定在当前溜井结构、矿岩粒径分布下的临界储料高度值。研究表明:(1)卸矿冲击作用下储料上部矿岩激烈碰撞,排列重新分布,分散、衰减了大部分冲击力;储料下部冲击力主要沿着初始力链网络传递,矿岩排列不变,摩擦阻力抵消了部分冲击力;(2)在指定颗粒粒径级配、储矿段直径(6m)等条件下,储料临界高度值是7m;总体上,储料缓冲效果随储料高度增加而变好,当储料高度低于7m时,储料缓冲效果受储料高度改变影响明显,当储料高度高于7m时,储料缓冲效果受储料高度改变影响较小;(3)井壁冲击力峰值随着储料高度、D值(所测井壁与储料面的距离)增加而降低。在距离储料面一个临界储料高度范围内,井壁冲击力降低速度较大,在该范围外,降低速度较小;(4)结合研究结果,在合理储料高度和卸矿、放矿管理3个方面提出了合理利用储料缓冲性能的具体措施,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。     

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。     

溜井运输中悬拱产生的机理及解决对策

针对地下矿山溜井运输中悬拱导致溜井堵塞的问题,分析了悬拱现象产生的机理,认为矿岩颗粒之间的内摩擦力和细颗粒的黏结阻力的大小是溜井产生悬拱根本原因。溜井中矿岩的最大块度尺寸与溜井直径的匹配关系、黏结性粉矿含量、含水率的高低以及溜井直径的大小对悬拱的产生影响重大,矿岩下落时对溜井中物料的夯实和物料的重力压实作用增强了粗细颗粒之间的咬合力、内摩擦力和黏结力。从设计与使用管理两个方面提出了防止溜井悬拱产生的一系列措施,并给出了常见的溜井疏通方法。     

垂直溜井中卸矿对物料的冲击夯实作用及其预防

垂直溜井中的矿岩运动会对井内储料产生冲击，使松散储料被夯实，进而引发溜井的悬拱堵塞。在总结垂直溜井中矿岩运动特征的基础上，分析了溜井中物料运动全过程的能量转化与耗散特征，讨论了物料运动对井内储料冲击夯实作用机理与冲击夯实过程，并给出了矿山预防冲击夯实作用的综合措施。研究表明：①矿岩块在垂直溜井中下落时，底部储料受冲击的能量大小与矿岩落差和矿岩块质量成正比关系；②下落矿岩块的冲击力在井内储料中矿块之间相互传递形成了一种“力链”的作用效果，冲击力越大，夯实的密实度和范围也越大，夯实范围大小与冲击过程中的能量耗散速度成反比关系；③控制进入溜井的矿岩块度和降低矿岩块在溜井中的落差，是预防井内储料被冲击夯实的有效措施。