一种模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置及实验方法
本发明涉及矿石开采，尤其涉及一种模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置及实验方法。
背景技术：
1、崩落法因其开采成本低、效率高等优点，而成为了金属矿床地下开采最常用的方法之一。在经过几十年的开采之后，大部分崩落法矿山已经开始进入深部开采。崩落法要取得良好的矿石回收效果，就要使放出体的形态尽可能地与崩落体+残留体的形态相符，而放出体的形态则与矿石散体的流动特性密切相关，因而掌握崩落矿岩的流动特性是设计（或优化）崩落法采场结构参数、采矿工艺参数及放矿方式的重要基础。
2、从本质上来说，放矿过程是一个力学问题，矿石散体的流动特性是其在力场作用下表现出的力学现象。当无底柱分段崩落法进入深部开采后，采场上部的覆盖层厚度将显著增加，覆盖层散体对崩落矿石所产生的压力也随之增加，甚至有矿山在压实的崩落散体中成功掘进巷道的工程先例，由此可见覆盖层强大的散体压力将改变崩落散体矿石之间的相互作用力和接触特性，从而显著影响到崩落矿石的放出体形态，甚至可能使放出体形态不再与采场结构参数相匹配，进而影响到矿石回收指标。在目前的研究中，限于采矿环境的的复杂性和放矿过程的隐蔽性，并未过多地考虑覆盖层散体压力对崩落矿石放出体形态的影响作用。
3、很显然，深部高覆压对崩落矿石放出体形态的影响作用是不容忽视的。在金属矿山向深部开采发展的大趋势下，研发可模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置及实验方法，揭示高覆压下的端部出矿散体流动特性和移动规律，对于崩落法的采场结构参数及放矿方式设计及优化具有重要意义。物理放矿实验是当下研究矿石散体流动特性、测定放出体形态最逼真、最有效的手段，但目前本领域缺乏能够模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置。
技术实现思路
1、本发明的目的之一，就在于提供一种模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置，以解决上述问题。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置，所述实验装置由模型框架和设置于所述模型框架上的放矿系统和施压系统组成，在放矿系统中装填矿石颗粒及标志颗粒，放矿前通过施压系统向矿石散体施加垂向压力来模拟深部厚大覆压层对崩落矿石产生的压力，放矿过程中通过记录标志颗粒编号及放出矿量，可得到各方位放出体的纵剖面形态，进而得到完整的放出体的形态，其中，
3、所述模型框架包括立柱和位于所述立柱之间的工作平台；
4、所述放矿系统包括设置于所述工作平台上的上部敞开的矿仓，在所述矿仓的正面最下方中央位置和底面中央位置分别设置有端部放矿口和底部放矿口；
5、所述施压系统包括施压板、液压活塞杆、压力表、高压油管、泄压阀和液压开关，其中，所述施压板设置于矿仓上方并与液压活塞杆连接，且其外缘尺寸小于或等于矿仓的內缘尺寸，所述液压活塞杆、高压油管、泄压阀依次连接，所述液压开关与高压油管连接，压力表与液压活塞杆相连。
6、上述的模型框架是本实验装置的基础结构，用于搭载放矿系统及施压系统，放矿系统用于填装矿石和放出矿石，施压系统主要用于向矿石散体上部施加垂压，以模拟深部开采时的采场上部厚大覆盖层所产生的压力。
7、其原理是：通过向矿石施加不同的压力可模拟不同埋深时覆盖层所产生的压力，放矿系统的矿仓底部和正面各设置有一个放矿口，可分别进行端部出矿实验和底部出矿实验，从而实现分段崩落法的端部放矿模拟和自然崩落法的底部放矿模拟；实验时需要在填装矿石时按特定的布置方法在放矿口上方不同高度埋设一层带有编号的标志颗粒，放矿前对矿石散体进行施压，达到预设压力值后，再进行放矿实验，通过记录放出的标志颗粒与放出矿量，便可得到各方位放出体的纵剖面形态，进而可得到完整的放出体的形态。
8、作为优选的技术方案，在所述工作平台上安装有水平泡。用以检验模型是否处于水平状态。
9、作为优选的技术方案，所述立柱的垂直方向上设置有至少两个用于调节工作平台高度的工作平台高度调节孔。
10、具体的，工作平台上左右两侧带有两根水平方向的钢柱，钢柱直径与调节孔直径相当，钢柱一端带有螺母，通过将钢柱插入高度调节孔中并扭紧螺母来固定工作平台，当需要调节工作平台高度时，扭下螺母将工作平台从原高度调节孔中抽出，移插至目标高度调节孔中再扭紧即可。之所以要调节工作台的高度，是因为液压活塞杆的运动里程有限，为了便于矿仓中装矿高度较低时，施压板也能够给矿仓中的矿石加力，就需要将矿仓（工作平台）上移，这样做的好处是确保矿仓中的矿石能够充分受力，以模拟深部地压环境。
11、作为优选的技术方案，在所述立柱的底部设置有用于稳固立柱的底座支架。
12、作为优选的技术方案，在所述矿仓内壁从下至上每隔5cm设置一水平刻度。
13、本发明提供了一种可模拟深部（埋深≥800m）高覆压条件开展崩落法放出体形态测定的实验装置。该实验装置与传统的放矿模型的区别在于可以向模型中的矿石散体施加垂向荷载，以模拟覆盖层散体对崩落矿石产生的垂向压力，在此基础上对放出体形态进行测定，便可对深部高覆压作用下的崩落矿石散体流动特性展开研究。
14、本发明的目的之二，在于提供一种采用上述的实验装置进行模拟深部崩落矿石放出体形态的实验方法，采用的技术方案为，包括下述步骤：
15、（1）首先对背景矿山的矿石块度分布情况进行现场调查和统计，同时从矿山取回矿石样品，参照类似矿山爆堆上的矿石块度分布情况，按照比例进行破碎并配比，从而获得实验用的矿石颗粒；
16、（2）将配比好的矿石颗粒装填进矿仓中；
17、（3）矿石颗粒填满矿仓后，启动液压系统，对矿仓中的矿石施加压力，以模拟覆盖岩层对崩落矿石产生的荷载，当压力达到设定值时保持压力值，开始进行放矿实验；放矿过程中标志颗粒将断续到达漏口，前后两次出现标志颗粒之间的放出量称之为当次放出量，一旦标志颗粒出现在漏口，立即记下标志颗粒的层位与号码，称量并记录当次放出量；
18、（4）实验结束后累计每一层面每一排标志颗粒的达孔量，在达孔量 qr与径向距离 r坐标系中，按纵剖面绘制每一排标志颗粒的达孔量曲线，再由达孔量曲线确定出每一层面达孔量相等的点，将这些点用光滑曲线连接起来，便得出放出体的纵剖面形态，如此绘制出每个方位的放出体纵剖面图形，再由这些纵剖面图形绘制横剖面图形，即得到放出体的完整形态。
19、作为优选的技术方案，步骤（1）中，所述比例为1：100。
20、作为优选的技术方案，步骤（2）中，在填装矿石散体颗粒时，每装填5cm矿石便铺设一层标志颗粒，共布设8层标志颗粒，层与层之间的标志颗粒用颜色区分，每一层内每一排的标志颗粒都标上与位置对应的号码，放出时视颜色找出标志颗粒的层位，看号码查出在层内的点位。
21、作为进一步优选的技术方案，在布置标志颗粒的过程中，确保标志颗粒准确地摆放，其方法为：
22、借助标志颗粒定位盘来固定其位置，所述定位盘为在一块有机玻璃板上呈放射状钻透五排小圆孔，五排小圆孔的角度 θ从0°~180°，每间隔45°设置一排小圆孔，排内小孔间距10mm；当实验模型填装到预定高度时，将定位盘轻放在填装料上，调整定位盘使其中心与放矿口轴线重合；然后，按序号往定位盘小圆孔内投放标志颗粒；在本层所有的标志颗粒投放完后，提起定位盘将标志颗粒留下；个别颗粒如果因其下散体颗粒的棱角或间隙滑离原位，此时用镊子轻轻拨正；之后先细心填装少许充填料以固定标志颗粒位置，再继续向上大量装填矿石颗粒；如此反复循环，直至矿仓被装满矿石
23、与现有技术相比，本发明的优点在于：
24、（1）本装置解决了目前常规放矿模型无法模拟深部高覆压作用下崩落矿石放出体形态的问题，并可通过调整垂向荷载的大小来灵活模拟不同的采场埋深，提升了实验装置的研究范围；
25、（2）该实验装置在矿仓的正面最下方中央位置及底面中心位置各设置有一个放矿口，可分别用于模拟以无底柱分段崩落法为代表的端部放矿和以自然崩落法为代表的底部放矿，从而在一套设备上实现深部高覆压下的端部放矿放出体形态测定和底部放矿放出体形态测定，具有更广泛的应用范围；
26、（3）通过该实验装置及实验方法开展放矿实验，可测定深部高覆压作用下的崩落矿石散体流动特性及放出体形态，对深部崩落法采场结构参数及放矿控制方式的设计和优化可起到指导作用，有助于确保深部崩落法采场的矿石回收效果。
技术特征：
1.一种模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置，其特征在于，所述实验装置由模型框架和设置于所述模型框架上的放矿系统和施压系统组成，其中，
2.根据权利要求1所述的模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置，其特征在于，在所述工作平台上安装有水平泡。
3.根据权利要求1所述的模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置，其特征在于，所述立柱的垂直方向上设置有至少两个用于调节工作平台高度的工作平台高度调节孔。
4.根据权利要求1所述的模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置，其特征在于，在所述立柱的底部设置有用于稳固立柱的底座支架。
5.根据权利要求1所述的模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置，其特征在于，在所述矿仓内壁从下至上每隔5cm设置一水平刻度。
6.一种采用权利要求1至5任一项的实验装置进行模拟深部崩落矿石放出体形态的实验方法，其特征在于，包括下述步骤：
7.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于，步骤（1）中，所述比例为1：100。
8.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于，步骤（2）中，在填装矿石散体颗粒时，每装填5cm矿石便铺设一层标志颗粒，共布设8层标志颗粒，层与层之间的标志颗粒用颜色区分，每一层内每一排的标志颗粒都标上与位置对应的号码，放出时视颜色找出标志颗粒的层位，看号码查出在层内的点位。
9.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，在布置标志颗粒的过程中，确保标志颗粒准确地摆放，其方法为：
技术总结
本发明公开了一种模拟深部崩落矿石放出体形态的实验装置及实验方法，属于矿石开采技术领域，所述实验装置由模型框架和设置于所述模型框架上的放矿系统和施压系统组成，所述实验方法包括实验用的矿石颗粒的取得、装填矿石颗粒、施压、记录放量并分析；本发明能够模拟深部高覆压作用下崩落矿石放出体形态；并且能够在一套设备上实现深部高覆压下的端部放矿放出体形态测定和底部放矿放出体形态测定，具有更广泛的应用范围；可测定深部高覆压作用下的崩落矿石散体流动特性及放出体形态，对深部崩落法采场结构参数及放矿控制方式的设计和优化可起到指导作用，有助于确保深部崩落法采场的矿石回收效果。
技术研发人员：谭宝会,曾特林,粟登峰,胡颖鹏,陈星明,张志贵,鲁旭,李庆,张冲
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23