散体移动规律与放矿理论研究

摘要

崩落采矿法在国内外金属矿山应用广泛，并且随着采矿技术的发展和开采深度的增加其应用比例也在增大。放矿控制是崩落法采矿的核心难题，研究放矿理论，使之最大限度地接近实际并能有效指导生产，综合降低崩落法开采中的损失贫化、提高资源回收率是采矿工程师追求的目标。 散体性态的特殊性决定了固体连续介质理论和流体力学理论只能部分适用于散体。本论文针对散体的性质和二次松散特点，建立了重力作用下散体移动(流动)微分方程和下沉微分方程，对散体的移动规律做出了数学解析。通过理论推导和实验分析，首次建立了散体移动体积连续方程和移动体积总流连续方程，二者同时成立。通过对散体移动微分方程的分析，指出应用抛物线型偏微分方程研究放矿问题是可行的。当假设散体水平均质且水平各项同性时，上述方程可简化为：无限边界条件下空间问题：()vz/()z=-B(z)(()2vz/()x2+()2vz/()y2)+V'半无限边界条件下空间问题：()vz/()z=-B(z)(()2vz/()x2+()vz/()y2)-D(x,z)()vz/()x+V'散体移动体积连续性方程：()vx/()x+()vy/()y+()vz/()z-V'=0散体移动体积总流连续方程：q=∫∑1vz1ds1+z10∫∑∫V'dsdz其中B(z)----散体水平移动系数，D(x，z)----散体下沉偏斜系数，V'----散体移动体积变化率。 采场崩落矿岩散体结构非常复杂，且孔隙率很小。放矿过程中散体移动的同时又伴随着散体本身结构的变化，发生二次松散现象。随着崩落法落矿技术的发展，崩落矿石的一次松散系数很小甚至仅为1.05，而矿石破碎质量相当好。显然，此类情况下已不能忽视散体二次松散对放矿效果的影响，否则会造成很大误差。然而由于实验手段的限制，现有的放矿理论对膨胀散体的移动规律研究甚少。本论文系统地研究了二次松散影响下的崩落矿岩散体的移动规律，丰富和完善了放矿随机介质理论。 基于散体随机移动与移动概率分布的一致性关系，提出了散体移动场与概率场的统一条件：即颗粒移动迹线上任意两点横坐标之比等于对应层位的概率分布方差之比。在假设膨胀散体的移动与二次松散是同时发生且相互独立的物理过程的基础上，建立了底部及端部放矿时矿岩散体移动概率密度方程，该方程可作为应用随机介质理论研究崩落法放矿的基础方程。系统地建立了底部放矿及端部放矿时矿岩散体密度场方程、速度场方程、移动漏斗方程、放出体表面方程、颗粒移动坐标变换方程。系统地阐述了放出体的过渡关系：指出无膨胀散体放出体之间保持线性过渡关系，放出体表面以等厚度过渡；而膨胀散体放出体之间保持非线性过渡关系，放出体表面以变厚度过渡。本论文建立的概率密度方程为： 底部点源放出条件下：p(x，y,z,η)=(1/n)·1/2πkz2-n0exp(-(x2+y2)/2kz2-n0)端部点源放出条件下：p(x，y,z,η)=(1/n)2·A/2πkz2-n0exp(-(x--x)2+y2/2kz2-n0)方程中参数包括与散体粘结性有关的流动系数n0，散体侧向移动数k，二次松散系数η，端壁切割系数A，流轴曲线x(可依具体端壁条件而定)，且各项参数的物理意义明确，比较全面地考虑了采场硬壁边界因素与散体流动参数对移动规律的影响。 根据实际放矿口散体流动状态，分析了放出口散体流动速度分布，建立了实际放出口影响下崩落矿岩散体的移动概率密度方程，给出了放出口影响范围的估算式，揭示了放矿口对矿岩散体移动规律的影响机理。根据崩落法采场放矿工艺，系统地研究了底部放矿和端部放矿情况下，放出口尺寸与放出口速度分布对矿岩散体放出过程中的速度场、密度场、颗粒移动迹线、移动漏斗方程和放出体的影响，建立了相应的方程，为放出体、残留体、矿岩接触面的移动过程、贫化损失指标的计算与预测，以及采场合理结构参数的确定奠定了基础。 根据散体移动速度分布确定了矿岩散体有效移动带，并结合放出体方程给出了无底柱分段崩落法采场结构参数的近似计算公式。 进路间距：L=2√3kH2-n0+S放矿步距：R=[f(θ，i)μ+√k]H2-n0/2+1/3R'式中H—分段高度，S—进路宽度，R'—放出口沿进路方向散体有效流动范围，θ—端壁倾角，i—散体自然安息角，μ—端壁阻尼系数，其它符号意义同前。 本论文由于系统地研究了二次松散的影响，理论方程与实验结果符合较好，使放矿理论与实际更为接近，可以预见本论文研究成果在指导崩落法采场设计和控制放矿中有很高的推广应用价值。 本论文建立的散体移动微分方程在相应的简化条件下的解与根据随机介质放矿理论建立的速度场方程是相同的，在理论上取得了一致，不仅形成了系统的放矿理论体系，而且二者的有效结合可以进一步研究复杂散体系统。对由近地表结构工程引起的地表沉降问题，特别是对研究近地表岩土层内部各处的大位移问题有很高的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章放矿理论研究概况

1.1引言

1.2放矿理论研究的目的意义

1.3放矿理论的研究现状

1.3.1随机介质放矿理论的研究现状

1.3.2椭球体放矿理论的研究现状

1.3.3类椭球体放矿理论的研究现状

1.4.放矿计算机仿真研究现状

1.5.崩落矿岩散体的流动性研究

1.6.力学在放矿中的应用

1.6.1散体静力学在放矿中的应用

1.6.2散体动力学在放矿中的应用

1.6.3流体力学在放矿中的应用

1.7.放矿理论研究中存在的问题与研究方向

1.8.放矿理论研究的前景

第二章散体移动规律的数学解析

2.1散体移动的连续性假设

2.2散体移动的连续性方程

2.2.1质量连续方程

2.2.2体积连续方程

2.3散体移动微分方程

2.3.1散体移动场

2.3.2散体移动微分方程

2.3.3硬壁影响下散体移动微分方程

2.4散体下沉微分方程

2.5微分方程求解与分析

2.6散体移动微分方程与放矿随机介质理论

2.7本章小结

第三章底部放矿随机介质理论方程

3.1概述

3.2底部放矿时矿岩散体移动概率方程

3.2.1基本假设

3.2.2无膨胀散体移动概率密度方程

3.2.3膨胀散体（二次松散系数η>1)移动概率密度方程

3.3移动散体密度场

3.3.1移动散体密度场

3.3.2等密度体

3.4散体移动速度场及其检验

3.4.1无膨胀散体移动速度场

3.4.2膨胀散体（η>1)移动速度场

3.4.3散体移动连续性检验

3.4.4速度场与运动微分方程

3.4.5等速体

3.4.6散体移动场划分

3.4.7放矿中散体移动范围的近似确定

3.5放出漏斗

3.5.1无膨胀散体放出漏斗

3.5.2膨胀散体放出漏斗

3.6放出体

3.6.1放出体母线方程

3.6.2放出体形态

3.6.3降落漏斗体积、放出体体积与放出量的关系

3.7底部放矿模拟实验

3.8放出体的过渡关系

3.8.1放出体表面过渡关系

3.8.2放出体与等速体(等密度体)关系

3.8.3放出体表面厚度过渡关系

3.9散体颗粒点的移动方程

3.9.1颗粒移动坐标的正、逆变换方程

3.9.2归零量与坐标变换

3.10本章小结

第四章端部放矿随机介质理论方程

4.1概述

4.2端壁切割条件下崩落矿岩散体移动概率方程

4.3端壁前倾条件下崩落矿岩散体移动规律

4.3.1概率密度方程

4.3.2颗粒移动迹线

4.3.3速度场

4.3.4密度场

4.3.5移动漏斗

4.3.6放出体

4.3.7坐标变换方程

4.4端壁直立条件下崩落矿岩散体移动规律

4.4.1概率密度方程

4.4.2颗粒移动迹线

4.4.3速度场

4.4.4密度场

4.4.5移动漏斗

4.4.6放出体

4.4.7端部放矿模拟实验

4.4.8坐标变换方程

4.5本章小结

第五章放矿口影响下散体移动规律研究

5.1概述

5.2实际放出口矿岩散体移动速度分布

5.3底部放矿时散体移动概率方程

5.3.1底部放矿时无膨胀散体移动概率密度方程

5.3.2底部放矿时膨胀散体移动概率密度方程

5.4放出口对散体移动概率分布的影响

5.4.1散体移动概率分布的数学期望

5.4.2流轴

5.4.3放出口对散体移动概率分布的影响

5.4.4放出口的显著影响范围估算

5.5底部放矿口影响下崩落矿岩散体移动规律

5.5.1速度场

5.5.2密度场

5.5.3连续性检验

5.5.4底部放矿时矿岩散体放出漏斗

5.5.5放出体

5.6端部放出口影响下崩落散体移动规律

5.6.1端部放出口影响下散体移动概率密度方程

5.6.2端部放出口影响下膨胀散体移动速度场

5.6.3散体颗粒移动迹线

5.6.4端部放矿时矿岩散体放出漏斗方程

5.6.5端部放矿放出体方程

5.7本章小结

第六章崩落法采场结构参数确定

6.1概述

6.2无底柱分段崩落法采场结构参数的演变

6.3无底柱分段崩落法采场结构参数的合理确定

6.3.1膨胀散体（η>1)有效移动带

6.3.2无底柱分段崩落法采场结构参数的合理确定

6.4应用实例一——北铭河铁矿崩落法采场结构参数确定

6.5应用实例二——深部铜矿崩落法采场结构参数确定

6.6本章小结

结论

参考文献

个人简历及攻博期间发表论文

致谢