本發(fā)明涉及地下金屬礦山無底柱分段崩落法采礦技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種確定無底柱分段崩落法崩落體形態(tài)的方法。

背景技術(shù)：

無底柱分段崩落采礦法因開采強(qiáng)度大，生產(chǎn)安全等眾多優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)外金屬鐵礦山廣泛應(yīng)用。然而該采礦方法是在覆巖下落礦與出礦的，損失貧化大的問題一直未得到很好地解決。

崩落體是被爆礦體爆破后在松散覆蓋巖層中形成的礦石堆體，是放礦的對(duì)象，其形態(tài)對(duì)礦石的損失貧化有很大影響。但由于崩落體賦存于覆蓋巖層中，形態(tài)難以觀測(cè)，也沒有確定其形態(tài)的方法。確定崩落體形態(tài)對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、降低礦石的損失貧化、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益有著重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種確定無底柱分段崩落法崩落體形態(tài)的方法，根據(jù)放礦理論及最小耗能原理，得出崩落體和松動(dòng)體相似，其形態(tài)為橢球缺，建立崩落體的數(shù)學(xué)模型；由一次松散系數(shù)及采場(chǎng)參數(shù)確定崩落體體積，通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換導(dǎo)出崩落橢球缺的體積計(jì)算公式并結(jié)合崩落體體積確定崩落體三軸長(zhǎng)度，最終確定崩落體的高度、沿回采進(jìn)路方向的厚度和垂直回采進(jìn)路方向的寬度；本發(fā)明對(duì)進(jìn)一步地研究崩落體形態(tài)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、降低礦石的損失貧化、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種確定無底柱分段崩落法崩落體形態(tài)的方法，基于放出體、崩落體和松動(dòng)體三者為相似橢球缺，且三者偏心率相同，通過計(jì)算崩落體體積及崩落體三軸長(zhǎng)度，最終確定崩落體的高度、垂直進(jìn)路方向的寬度和沿進(jìn)路方向的厚度；具體步驟如下：

第一步，計(jì)算被爆礦體的體積Q_礦；

設(shè)采場(chǎng)參數(shù)分段高度為H、進(jìn)路間距為L(zhǎng)、崩礦步距為B、巷道截面寬為m、巷道截面高為n；則被爆礦體的體積為：

Q_礦＝B·(H·L-m·n) 公式1

第二步，計(jì)算極限松散系數(shù)K_JX：

式中：Q_散——松散礦石體積，m³；

G_散——松散礦石重力，N；

γ_散——松散礦石容重，N/m³；

G_礦——礦石重力，N；

γ_礦——被爆礦體容重，N/m³；

公式2、3、4聯(lián)立，則有：

現(xiàn)場(chǎng)取巖樣和松散礦石，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定松散礦石的容重γ_散以及被爆破礦體的容重γ_礦，由公式5求出放出礦石散體的極限松散系數(shù)K_JX；

第三步，計(jì)算崩落體體積Q_崩：

Q_崩＝K_s·Q_礦 公式7

式中：K_s——次松散系數(shù)；

K_ss——二次松散系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值K_ss＝1.060～1.100；

第四步，求解崩落體的三軸長(zhǎng)度：

由最小耗能原理得到崩落體和松動(dòng)體相似，是被端壁所截切的橢球缺，根據(jù)放礦理論可知放出體和松動(dòng)體相似，為被端壁所截切的橢球缺，因此崩落體、松動(dòng)體和放出體三者為相似橢球缺，且偏心率相同；無底柱分段崩落采礦法采用端部放礦時(shí)放出橢球缺、崩落橢球缺和松動(dòng)橢球缺中心軸線與端壁面存在偏角θ，即軸偏角，取值為2°～5°；計(jì)算崩落橢球缺幾何體積Q_崩如下：

式中：Q_崩——崩落體體積，m³；

a_崩——崩落體的長(zhǎng)軸，m；

b_崩——崩落體垂直回采進(jìn)路方向短軸，m；

c_崩——崩落體沿回采進(jìn)路方向短軸，m；

對(duì)崩落橢球缺，已知其長(zhǎng)軸為a_崩，則

式中：ε_b——崩落體垂直進(jìn)路方向偏心率，0<ε_b<1；

ε_c——崩落體沿進(jìn)路方向偏心率,0<ε_c<1；

將公式7、9代入公式8，得到

聯(lián)立公式9、10，得到崩落體三軸長(zhǎng)度如下：

第五步：確定崩落體的高度、垂直回采進(jìn)路方向的寬度和沿回采進(jìn)路方向的厚度；

崩落橢球缺中心軸線與端壁面存在軸偏角θ，通過θ將崩落體的三軸長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為崩落體的高度Z、垂直回采進(jìn)路方向的寬度X和沿回采進(jìn)路方向的厚度Y，如下式：

崩落體形態(tài)由崩落體的高度Z、垂直回采進(jìn)路方向的寬度X和沿回采進(jìn)路方向的厚度Y進(jìn)行描述。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

提供了一種確定無底柱分段崩落采礦崩落體形態(tài)的方法，對(duì)進(jìn)一步豐富崩落體理論、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、降低礦石損失貧化率、充分回收資源具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述放出體、崩落體及松動(dòng)體三者的關(guān)系圖。(沿回采進(jìn)路方向)

圖2是本發(fā)明所述無底柱分段崩落采礦工作面示意圖。(垂直回采進(jìn)路方向)

圖中：1.崩落體2.放出體3.松動(dòng)體4.礦體5.回采進(jìn)路6.覆蓋巖層

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，是本發(fā)明所述放出體、崩落體及松動(dòng)體三者的關(guān)系圖。如圖2所示，是本發(fā)明所述無底柱分段崩落采礦工作面示意圖。本發(fā)明所述一種確定無底柱分段崩落法崩落體形態(tài)的方法，基于放出體2、崩落體1和松動(dòng)體3三者為相似橢球缺，且三者偏心率相同，通過計(jì)算崩落體1體積及崩落體1三軸長(zhǎng)度，最終確定崩落體1的高度、垂直進(jìn)路(即圖1中回采進(jìn)路5)方向的寬度和沿進(jìn)路方向的厚度；具體步驟如下：

第一步，計(jì)算被爆礦體的體積Q_礦；

設(shè)采場(chǎng)參數(shù)分段高度為H、進(jìn)路間距為L(zhǎng)、崩礦步距為B、巷道截面寬為m、巷道截面高為n；則被爆礦體的體積為：

Q_礦＝B·(H·L-m·n) 公式1

第二步，計(jì)算極限松散系數(shù)K_JX：

式中：Q_散——松散礦石體積，m³；

G_散——松散礦石重力，N；

γ_散——松散礦石容重，N/m³；

G_礦——礦石重力，N；

γ_礦——被爆礦體容重，N/m³；

公式2、3、4聯(lián)立，則有：

現(xiàn)場(chǎng)取巖樣和松散礦石，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定松散礦石的容重γ_散以及被爆破礦體的容重γ_礦，由公式5求出放出礦石散體的極限松散系數(shù)K_JX；

第三步，計(jì)算崩落體體積Q_崩：

Q_崩＝K_s·Q_礦 公式7

式中：K_s——次松散系數(shù)；

K_ss——二次松散系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值K_ss＝1.060～1.100；

第四步，求解崩落體1的三軸長(zhǎng)度：

由最小耗能原理得到崩落體1和松動(dòng)體3相似，是被端壁所截切的橢球缺，根據(jù)放礦理論可知放出體2和松動(dòng)體3相似，為被端壁所截切的橢球缺，因此崩落體1、松動(dòng)體3和放出體2三者為相似橢球缺，且偏心率相同；無底柱分段崩落采礦法采用端部放礦時(shí)放出橢球缺、崩落橢球缺和松動(dòng)橢球缺中心軸線與端壁面存在偏角θ，即軸偏角，取值為2°～5°；計(jì)算崩落橢球缺幾何體積Q_崩如下：

式中：Q_崩——崩落體體積，m³；

a_崩——崩落體的長(zhǎng)軸，m；

b_崩——崩落體垂直回采進(jìn)路方向短軸，m；

c_崩——崩落體沿回采進(jìn)路方向短軸，m；

對(duì)崩落橢球缺，已知其長(zhǎng)軸為a_崩，則

式中：ε_b——崩落體垂直進(jìn)路方向偏心率，0<ε_b<1；

ε_c——崩落體沿進(jìn)路方向偏心率,0<ε_c<1；

將公式7、9代入公式8，得到

聯(lián)立公式9、10，得到崩落體三軸長(zhǎng)度如下：

第五步：確定崩落體1的高度、垂直回采進(jìn)路方向的寬度和沿回采進(jìn)路方向的厚度；

崩落橢球缺中心軸線與端壁面存在軸偏角θ，通過θ將崩落體的三軸長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為崩落體的高度Z、垂直回采進(jìn)路方向的寬度X和沿回采進(jìn)路方向的厚度Y，如下式：

崩落體1形態(tài)由崩落體的高度Z、垂直回采進(jìn)路方向的寬度X和沿回采進(jìn)路方向的厚度Y進(jìn)行描述。

崩落體是在爆破作用下，在松散覆蓋巖層6中形成的礦石堆體，為放礦的對(duì)象。根據(jù)最小耗能原理“任何耗能過程，都將在與其相應(yīng)的約束條件下以最小耗能的方式進(jìn)行”，采用無底柱分段崩落采礦時(shí)，崩落體1形成過程是一個(gè)耗能過程，其發(fā)育遵循最小耗能原理，崩落體1發(fā)生在松動(dòng)橢球體內(nèi)，為此我們可以把崩落體1看作與松動(dòng)體3相似，在端部放礦中，為被端壁所截切的橢球缺。根據(jù)放礦理論可知放出體2和松動(dòng)體3相似，為被端壁所截切的橢球缺，因此放出體2、崩落體1和松動(dòng)體3三者為相似橢球缺，且偏心率相同。無底柱分段崩落采礦法采用端部放礦時(shí)放出橢球缺、崩落橢球缺和松動(dòng)橢球缺中心軸線與端壁面存在偏角，即軸偏角。

本發(fā)明的基本原理是：在確定了崩落體1為橢球缺形態(tài)的基礎(chǔ)上，通過采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)求出被爆礦體的體積，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量計(jì)算出極限松散系數(shù)；再根據(jù)放礦理論，將二次松散系數(shù)取一經(jīng)驗(yàn)值，結(jié)合極限松散系數(shù)計(jì)算出一次松散系數(shù)，由所求的被爆礦體體積和一次松散系數(shù)確定崩落體體積。對(duì)崩落橢球缺，通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換導(dǎo)出其體積計(jì)算公式，由偏心率將垂直回采進(jìn)路方向短軸長(zhǎng)度和沿回采進(jìn)路方向短軸長(zhǎng)度表示為崩落橢球缺長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的函數(shù)，代入體積公式并結(jié)合求出的崩落體體積，計(jì)算出崩落體的長(zhǎng)軸、垂直回采進(jìn)路方向短軸和沿回采進(jìn)路方向短軸,簡(jiǎn)稱三軸，最終確定崩落體的高度、垂直回采進(jìn)路方向的寬度和沿回采進(jìn)路方向的厚度。

以下實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。下述實(shí)施例中所用方法如無特別說明均為常規(guī)方法。

【實(shí)施例】

某鐵礦應(yīng)用無底柱分段崩落法采礦，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示：

表1某鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

通過本發(fā)明各步驟的推導(dǎo)，結(jié)合礦山具體參數(shù)值來對(duì)崩落體的形態(tài)進(jìn)行描述，即求算此礦山相應(yīng)工作面的崩落體高度、垂直回采進(jìn)路方向的寬度和沿回采進(jìn)路方向的厚度。

第一步：由公式1確定被爆礦體的體積Q_礦：

Q_礦＝B·(H·L-b·h)

＝1.5×(12×12-4×3.5)＝195.000m³

第二步：由公式5確定極限松散系數(shù)K_JX：

現(xiàn)場(chǎng)取巖樣和松散礦石，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定松散礦石的容重γ_散＝33640.301N/m³以及被爆破礦體的容重γ_礦＝40704.764N/m³。

由公式5得到極限松散系數(shù)：

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

第三步：由公式8計(jì)算崩落體體積Q_崩：

第四步：由公式11求解崩落體三軸長(zhǎng)度，取ε_b＝0.386，ε_c＝0.982。

第五步：由公式12確定崩落體的高度Z，、垂直回采進(jìn)路方向的寬度X和沿回采進(jìn)路方向的厚度Y，取θ＝5°；

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。