一种确定无底柱分段崩落法崩落体形态的方法

摘要

本发明涉及一种确定无底柱分段崩落法崩落体形态的方法，根据放矿理论及最小耗能原理，得出崩落体和松动体相似，其形态为椭球缺，且三者偏心率相同，在此基础上建立崩落体的数学模型；由一次松散系数及采场参数确定崩落体体积，通过数学转换导出崩落椭球缺的体积计算公式并结合崩落体体积确定崩落体三轴长度，最终确定崩落体的高度、沿回采进路方向的厚度和垂直回采进路方向的宽度。本发明对进一步地研究崩落体形态、优化结构参数、降低矿石的损失贫化、提高矿山经济效益具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及地下金属矿山无底柱分段崩落法采矿技术领域，尤其涉及一种确定无底柱分段崩落法崩落体形态的方法。

背景技术

无底柱分段崩落采矿法因开采强度大，生产安全等众多优点，目前在国内外金属铁矿山广泛应用。然而该采矿方法是在覆岩下落矿与出矿的，损失贫化大的问题一直未得到很好地解决。

崩落体是被爆矿体爆破后在松散覆盖岩层中形成的矿石堆体，是放矿的对象，其形态对矿石的损失贫化有很大影响。但由于崩落体赋存于覆盖岩层中，形态难以观测，也没有确定其形态的方法。确定崩落体形态对采场结构参数优化、降低矿石的损失贫化、提高矿山经济效益有着重要的理论意义和实际价值。

发明内容

本发明提供了一种确定无底柱分段崩落法崩落体形态的方法，根据放矿理论及最小耗能原理，得出崩落体和松动体相似，其形态为椭球缺，建立崩落体的数学模型；由一次松散系数及采场参数确定崩落体体积，通过数学转换导出崩落椭球缺的体积计算公式并结合崩落体体积确定崩落体三轴长度，最终确定崩落体的高度、沿回采进路方向的厚度和垂直回采进路方向的宽度；本发明对进一步地研究崩落体形态、优化结构参数、降低矿石的损失贫化、提高矿山经济效益具有重要意义。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种确定无底柱分段崩落法崩落体形态的方法，基于放出体、崩落体和松动体三者为相似椭球缺，且三者偏心率相同，通过计算崩落体体积及崩落体三轴长度，最终确定崩落体的高度、垂直进路方向的宽度和沿进路方向的厚度；具体步骤如下：

第一步，计算被爆矿体的体积Q_矿；

设采场参数分段高度为H、进路间距为L、崩矿步距为B、巷道截面宽为m、巷道截面高为n；则被爆矿体的体积为：

Q_矿＝B·(H·L-m·n)公式1

第二步，计算极限松散系数K_JX：

式中：Q_散——松散矿石体积，m³；

G_散——松散矿石重力，N；

γ_散——松散矿石容重，N/m³；

G_矿——矿石重力，N；

γ_矿——被爆矿体容重，N/m³；

公式2、3、4联立，则有：

现场取岩样和松散矿石，在实验室测定松散矿石的容重γ_散以及被爆破矿体的容重γ_矿，由公式5求出放出矿石散体的极限松散系数K_JX；

第三步，计算崩落体体积Q_崩：

Q_崩＝K_s·Q_矿公式7

式中：K_s——次松散系数；

K_ss——二次松散系数，取经验值K_ss＝1.060～1.100；

第四步，求解崩落体的三轴长度：

由最小耗能原理得到崩落体和松动体相似，是被端壁所截切的椭球缺，根据放矿理论可知放出体和松动体相似，为被端壁所截切的椭球缺，因此崩落体、松动体和放出体三者为相似椭球缺，且偏心率相同；无底柱分段崩落采矿法采用端部放矿时放出椭球缺、崩落椭球缺和松动椭球缺中心轴线与端壁面存在偏角θ，即轴偏角，取值为2°～5°；计算崩落椭球缺几何体积Q_崩如下：

式中：Q_崩——崩落体体积，m³；

a_崩——崩落体的长轴，m；

b_崩——崩落体垂直回采进路方向短轴，m；

c_崩——崩落体沿回采进路方向短轴，m；

对崩落椭球缺，已知其长轴为a_崩，则

式中：ε_b——崩落体垂直进路方向偏心率，0<ε_b<1；

ε_c——崩落体沿进路方向偏心率,0<ε_c<1；

将公式7、9代入公式8，得到

联立公式9、10，得到崩落体三轴长度如下：

第五步：确定崩落体的高度、垂直回采进路方向的宽度和沿回采进路方向的厚度；

崩落椭球缺中心轴线与端壁面存在轴偏角θ，通过θ将崩落体的三轴长度转换为崩落体的高度Z、垂直回采进路方向的宽度X和沿回采进路方向的厚度Y，如下式：

崩落体形态由崩落体的高度Z、垂直回采进路方向的宽度X和沿回采进路方向的厚度Y进行描述。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

提供了一种确定无底柱分段崩落采矿崩落体形态的方法，对进一步丰富崩落体理论、优化结构参数、降低矿石损失贫化率、充分回收资源具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述放出体、崩落体及松动体三者的关系图。(沿回采进路方向)

图2是本发明所述无底柱分段崩落采矿工作面示意图。(垂直回采进路方向)

图中：1.崩落体2.放出体3.松动体4.矿体5.回采进路6.覆盖岩层

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，是本发明所述放出体、崩落体及松动体三者的关系图。如图2所示，是本发明所述无底柱分段崩落采矿工作面示意图。本发明所述一种确定无底柱分段崩落法崩落体形态的方法，基于放出体2、崩落体1和松动体3三者为相似椭球缺，且三者偏心率相同，通过计算崩落体1体积及崩落体1三轴长度，最终确定崩落体1的高度、垂直进路(即图1中回采进路5)方向的宽度和沿进路方向的厚度；具体步骤如下：

第一步，计算被爆矿体的体积Q_矿；

设采场参数分段高度为H、进路间距为L、崩矿步距为B、巷道截面宽为m、巷道截面高为n；则被爆矿体的体积为：

Q_矿＝B·(H·L-m·n)公式1

第二步，计算极限松散系数K_JX：

式中：Q_散——松散矿石体积，m³；

G_散——松散矿石重力，N；

γ_散——松散矿石容重，N/m³；

G_矿——矿石重力，N；

γ_矿——被爆矿体容重，N/m³；

公式2、3、4联立，则有：

现场取岩样和松散矿石，在实验室测定松散矿石的容重γ_散以及被爆破矿体的容重γ_矿，由公式5求出放出矿石散体的极限松散系数K_JX；

第三步，计算崩落体体积Q_崩：

Q_崩＝K_s·Q_矿公式7

式中：K_s——次松散系数；

K_ss——二次松散系数，取经验值K_ss＝1.060～1.100；

第四步，求解崩落体1的三轴长度：

由最小耗能原理得到崩落体1和松动体3相似，是被端壁所截切的椭球缺，根据放矿理论可知放出体2和松动体3相似，为被端壁所截切的椭球缺，因此崩落体1、松动体3和放出体2三者为相似椭球缺，且偏心率相同；无底柱分段崩落采矿法采用端部放矿时放出椭球缺、崩落椭球缺和松动椭球缺中心轴线与端壁面存在偏角θ，即轴偏角，取值为2°～5°；计算崩落椭球缺几何体积Q_崩如下：

式中：Q_崩——崩落体体积，m³；

a_崩——崩落体的长轴，m；

b_崩——崩落体垂直回采进路方向短轴，m；

c_崩——崩落体沿回采进路方向短轴，m；

对崩落椭球缺，已知其长轴为a_崩，则

式中：ε_b——崩落体垂直进路方向偏心率，0<ε_b<1；

ε_c——崩落体沿进路方向偏心率,0<ε_c<1；

将公式7、9代入公式8，得到

联立公式9、10，得到崩落体三轴长度如下：

第五步：确定崩落体1的高度、垂直回采进路方向的宽度和沿回采进路方向的厚度；

崩落椭球缺中心轴线与端壁面存在轴偏角θ，通过θ将崩落体的三轴长度转换为崩落体的高度Z、垂直回采进路方向的宽度X和沿回采进路方向的厚度Y，如下式：

崩落体1形态由崩落体的高度Z、垂直回采进路方向的宽度X和沿回采进路方向的厚度Y进行描述。

崩落体是在爆破作用下，在松散覆盖岩层6中形成的矿石堆体，为放矿的对象。根据最小耗能原理“任何耗能过程，都将在与其相应的约束条件下以最小耗能的方式进行”，采用无底柱分段崩落采矿时，崩落体1形成过程是一个耗能过程，其发育遵循最小耗能原理，崩落体1发生在松动椭球体内，为此我们可以把崩落体1看作与松动体3相似，在端部放矿中，为被端壁所截切的椭球缺。根据放矿理论可知放出体2和松动体3相似，为被端壁所截切的椭球缺，因此放出体2、崩落体1和松动体3三者为相似椭球缺，且偏心率相同。无底柱分段崩落采矿法采用端部放矿时放出椭球缺、崩落椭球缺和松动椭球缺中心轴线与端壁面存在偏角，即轴偏角。

本发明的基本原理是：在确定了崩落体1为椭球缺形态的基础上，通过采场结构参数求出被爆矿体的体积，实验室测量计算出极限松散系数；再根据放矿理论，将二次松散系数取一经验值，结合极限松散系数计算出一次松散系数，由所求的被爆矿体体积和一次松散系数确定崩落体体积。对崩落椭球缺，通过数学转换导出其体积计算公式，由偏心率将垂直回采进路方向短轴长度和沿回采进路方向短轴长度表示为崩落椭球缺长轴长度的函数，代入体积公式并结合求出的崩落体体积，计算出崩落体的长轴、垂直回采进路方向短轴和沿回采进路方向短轴,简称三轴，最终确定崩落体的高度、垂直回采进路方向的宽度和沿回采进路方向的厚度。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

某铁矿应用无底柱分段崩落法采矿，采场结构参数如表1所示：

表1某铁矿采场结构参数表

通过本发明各步骤的推导，结合矿山具体参数值来对崩落体的形态进行描述，即求算此矿山相应工作面的崩落体高度、垂直回采进路方向的宽度和沿回采进路方向的厚度。

第一步：由公式1确定被爆矿体的体积Q_矿：

Q_矿＝B·(H·L-b·h)

＝1.5×(12×12-4×3.5)＝195.000m³

第二步：由公式5确定极限松散系数K_JX：

现场取岩样和松散矿石，在实验室测定松散矿石的容重γ_散＝33640.301N/m³以及被爆破矿体的容重γ_矿＝40704.764N/m³。

由公式5得到极限松散系数：

$K_{JX}=\frac{40704.764N}{33640.301N}=1.210$

第三步：由公式8计算崩落体体积Q_崩：

第四步：由公式11求解崩落体三轴长度，取ε_b＝0.386，ε_c＝0.982。

第五步：由公式12确定崩落体的高度Z，、垂直回采进路方向的宽度X和沿回采进路方向的厚度Y，取θ＝5°；

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。