CN109387458B - 基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下金属矿山崩落采矿法领域，特别是一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法和装置。本发明建立了放矿口非零条件下的散体移动带边界方程和放出漏斗方程，在此基础上设计了散体流动参数测定装置并提出了散体流动参数测定方法。装置由装置架、网格、放矿口侧板、放矿口插槽，放矿口插条、宽度调节插槽和宽度调节插板组成。本发明相对达孔量法，简化了测定散体流动参数的放矿实验过程和实验方法，提高了随机介质放矿理论的实用性。

Description

基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法和装置

技术领域

本发明涉及地下金属矿山崩落采矿法领域，特别是一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法和装置，具体设计用于实验室放矿试验中。

背景技术

崩落法采矿中放矿理论指导着采场结构参数的确定以及放矿系统的选择，因此准确测定出与放矿理论相对应的散体流动参数成为了放矿试验关键。随机介质放矿理论将崩落的矿石和松散覆盖岩层视为一种随机介质，将放矿过程视为一种随机过程，采用数理统计的相关理论和概率论方法建立的放矿理论。目前该理论已经在我国众多矿山得到了广泛的应用。

随机介质放矿理论的两个散体流动参数α和β是整个理论体系的关键参数。目前这两个参数的测定方法均是在放矿模型的指定位置处摆放一定数量的标志颗粒(标志颗粒上有标号以此来确定初始位置)，然后通过放矿实验回收这些标志颗粒并统计对应的放出量。数据处理采用达孔量法，即通过放矿实验，确定出每一标志颗粒的达孔量值(每一颗粒到达放矿口时对应的放出量)，由颗粒位置与其达孔量数值关系确定出散体堆内每一纵剖面或横剖面的达孔量场，通过达孔量场确定放出体体积(Q)与放出体高度(H)间的关系，然后应用公式1对Q与H进行回归分析，即可确定出散体流动参数α和β。

目前应用上述方法会存在以下问题：①忽略了放矿口的尺寸，公式(1)没有考虑放矿口对散体流动的影响；②标志颗粒的制作和摆放繁琐，一般放矿实验大约需要1000个标志颗粒左右，不仅需要对这些颗粒进行染色和标号或采用胶布标号，而且需要将标志颗粒按照既定位置进行摆放；③劳动强度大，一个放矿模型尺寸为40cm*40cm*100cm，其装填的矿岩重量就达500kg左右；④实验误差较大，首先由于散体具有孔隙性以及标志颗粒摆放好后加覆盖岩石，这将导致标志颗粒的位置错动而偏离既定位置，其次由于放矿过程呈脉冲式流出且无法观测到内部散体颗粒的运动状态，很难做到见标志颗粒就停止放矿，得到的达孔量值有偏差。目前所存在的问题在一定程度上不利于对散体流动参数的准确测定。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明建立了放矿口非零条件下的散体移动带边界方程和降落漏斗方程，在此基础上提供了一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法和装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法，首先建立放矿口非零条件下的散体移动带边界方程和放出漏斗方程：

根据机介质放矿理论，柱坐标系中点源条件下散体移动带边界公式如下：

式中：R——移动带边界距点源轴线的宽度，m；

z——移动带边界距点源的垂直高度，m；

α，β——散体流动参数；

n——移动带边界系数，取决于放矿条件与实验精度；

放矿口非零时，可将放矿口视为散体的移动带边界，即放矿口宽度W＝2R时放矿口到坐标原点的垂直距离为z＝h，根据公式2得出垂直距离为h为：

在放矿实验中可以确定出某水平层距离放矿口的垂直距离H_w(z＝H_w+h)，即放矿口非零条件下的散体移动带边界方程为：

点源条件下，放出体高度为H_f且初始垂直高度为z₀时形成的放出漏斗方程为：

式中：r——放出漏斗边界距点源轴线的宽度，m；

z——放出漏斗边界距点源的垂直高度，m；

Δ——放出漏斗边界系数，取决于实验条件和实验精度，m；

当位于r₀＝0和z₀＝H_w+h层面上的颗粒正好到达放矿口r＝0和z＝h时，则由公式5可得放矿口非零条件下放出体的高度H_f的表达式为：

式中：H_w——放出体顶点距放矿口的垂直距离，m；

公式6代入公式5中，即可得放矿口非零条件下的放出漏斗方程为：

在放矿实验中，当位于r₀＝0和z₀＝H_w+h层面上的颗粒正好到达放矿口时形成降落漏斗，根据公式7，可以得出位于z＝H_w+h层面处形成的降落漏斗半径r_w的表达式为：

根据放矿中获得的实验数据，按公式4和公式8进行回归分析，就可以得出参数α，β，n，Δ。

一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定装置，包括装置架、网格、放矿口侧板、放矿口插槽，放矿口插条、宽度调节插槽和宽度调节插板；

所述装置架是主体框架；装置架的前端面上刻有网格，用来读取实验所得数据；

装置架下部设有放矿口插槽，放矿口侧板固定于装置架的内部并与放矿口插槽位于同一水平，放矿口插槽的两端各有一块放矿口侧板；

装置架的内部设有宽度调节槽，若干宽度调节插板插入到宽度调节插槽内，实现装置架宽度的调节，以此来适应所研究散体颗粒粒径的变化；

若干放矿口插条插入放矿口插槽并贯穿装置架。

装置架、放矿口插槽、放矿口侧板、若干放矿口插条以及若干宽度调节插板之间组合可形成半封闭的装置架，即装置架的顶部处于开口状态，而装置架的下端位于放矿口插槽与放矿口侧板的水平位置处装置架处于封闭状态。实验过程中，抽出不同数量的放矿口插条，即可实现放矿口宽度的调节；

一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法，其实验具体过程为，

包括：

第一步，制作标志颗粒，将实验所用的矿石散体样染成不同颜色；

第二步，在放矿口插槽处插入若干放矿口插条，放矿口插条插满放矿口插槽；

第三步，根据矿石散体的平均粒径，在即定的宽度调节插槽处插入一节宽度调节插板，保证装置的宽度为矿石散体平均粒径的3到5倍；

第四步，装入既定高度的矿石散体样，高度为散体平均粒径的5倍以上；

第五步，装入一层同种颜色的标志颗粒；

第六步，重复第三、四、五步直到指定的矿石散体装填高度，装填过程中保证相邻3层间的标志颗粒为不同颜色；

第七步，在宽度调节插槽处继续插入若干宽度调节插板并达到指定的高度，按覆盖层的高度装填岩石散体；

第八步，根据放矿口的尺寸，从放矿口插槽处的中间部位同时抽出与放矿口尺寸W相当的若干放矿口插条；

第九步，从装置的底部开始放矿，当某一层上的标志颗粒正好到达放矿口插槽时，记录该层标志颗粒距放矿口插槽的高度H_w和该层所形成放出漏斗的宽度2r_w；

第十步，重复第九步，直到最高度的标志颗粒到达放矿口插槽，放矿实验过程持续充填岩石并保持覆盖层的高度不变；

第十一步，继续放矿，直到每一层的标志颗粒无明显的变化或无标志颗粒放出，放矿实验过程仍保持覆盖层的高度不变；

第十二步，统计每一层上标志颗距放矿口插槽的高度H_w和该层的散体移动带边界宽度2R，放矿实验结束并清理装置；

第十三步，依据记录的(R，H_w)按公式4进行回归分析，拟合得出未知数α和n²β，并可计算出h；

第十四步，将得到的α和h代入公式8，并依据统计的(r_w，H_w)按公式8进行回归分析，拟合得出未知数β和Δ，并可计算出n。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)建立了放矿口非零条件下的散体移动带边界方程和放出漏斗方程。

2)设计了散体流动参数测定装置，该装置可以调节放矿口的尺寸、装置的宽度和直接读取实验数据。

3)提出了散体流动参数测定方法，简化了实验过程和实验方法，提高了随机介质放矿理论的实用性。

附图说明

结合附图对本发明进行详细说明。

图1是为放出体、降落漏斗和散体移动带边界三者关系示意图。

图2是装置的正视图。

图3是装置的后视图。

图4是装置的俯视图。

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，本发明首先建立了放矿口非零条件下的散体移动带边界方程和放出漏斗方程：放矿口4非零时，放出体1、降落漏斗2和散体移动带边界3之间的关系。根据机介质放矿理论，柱坐标系中点源条件下(放矿口为零)散体移动带边界的计算公式为：

式中：R——移动带边界距点源(坐标原点)轴线的宽度，m；

z——移动带边界距点源(坐标原点)的垂直高度，m；

α，β——散体流动参数；

n——移动边界系数，取决于放矿条件与实验精度。

放矿口4非零时，可将放矿口4视为初始散体移动带边界3，即放矿口4宽度W＝2R时放矿口4到坐标原点的垂直距离为z＝h，根据公式2得出垂直距离为h为：

在放矿实验中可以确定出某水平层距离放矿口4的垂直距离H_w(z＝H_w+h)，即放矿口4非零条件下的散体移动带边界3方程为：

点源条件下，放出体高度为H_f且初始垂直高度为z₀时形成的放出漏斗方程为：

式中：r——放出漏斗边界距点源(坐标原点)轴线的宽度，m；

z——放出漏斗边界距点源(坐标原点)的垂直高度，m；

Δ——放出漏斗边界系数，取决于实验条件和实验精度，m。

放矿口4非零时位于r₀＝0和z₀＝H_w+h层面上的颗粒正好到达放矿口4，即r＝0和z＝h时，由公式5可得矿口非零条件下放出体的高度H_f的表达式为：：

式中：H_w——放出体顶点距放矿口的垂直距离，m。

公式6代入公式5中，可得放矿口4非零条件下的放出漏斗方程为：

在放矿实验中，当位于r₀＝0和z₀＝H_w+h层面上的颗粒正好到达放矿口4时形成降落漏斗2，根据公式7，可以得出位于z＝H_w+h层面处形成的降落漏斗2半径r_w的表达式为：

根据放矿中获得的实验数据，按公式4和公式8进行回归分析，就可以得出参数α，β，n，Δ。

为了得出参数α，β，n，Δ，本发明设计了如下放矿装置：

如图2、3和4所示，一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定装置属于平面放矿装置，包括装置架5、网格6、放矿口侧板8、放矿口插槽7，放矿口插条9、宽度调节插槽10和宽度调节插板11；所述装置架5是主体框架，装置架5采用透明的亚克力材料；装置架5的前端面上刻有网格6，用来读取实验所得数据；装置架5下部设有放矿口插槽7，放矿口侧板8固定于装置架5的内部并与放矿口插槽7位于同一水平，放矿口插槽7的两端各有一块放矿口侧板8；装置架5的内部设有宽度调节槽10，若干宽度调节插板11插入到宽度调节插槽10内，实现装置架5宽度的调节，以此来适应所研究散体颗粒粒径的变化；若干放矿口插条9插入放矿口插槽7并贯穿装置架5。装置架5、放矿口插槽7、放矿口侧板8、若干放矿口插条9以及若干宽度调节插板11之间组合可形成半封闭的装置架5，即装置架5的顶部处于开口状态，而装置架5的下端位于放矿口插槽7与放矿口侧板8的水平位置处装置架5处于封闭状态。实验过程中，抽出不同数量的放矿口插条9，即可实现放矿口4宽度的调节。

所述一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数的实验方法包括：

第一步，制作标志颗粒，将实验所用的矿石散体样染成不同颜色；

第二步，在放矿口插槽7处插入若干放矿口插条9，放矿口插条9插满放矿口插槽7；

第三步，根据矿石散体的平均粒径，在即定的宽度调节插槽10处插入一节宽度调节插板11，保证装置的宽度为矿石散体平均粒径的3到5倍；

第四步，装入既定高度的矿石散体样，高度为散体平均粒径的5倍以上(保证散体样的高度小于宽度调节插板11的高度并留有工作空间，否则在宽度调节插槽10处插入一定数量的宽度调节插板11)；

第五步，装入一层同种颜色的标志颗粒；

第六步，重复第三、四、五步直到指定的矿石散体装填高度，装填过程中保证相邻3层间的标志颗粒为不同颜色；

第七步，在宽度调节插槽10处继续插入若干宽度调节插板11并达到指定的高度，按覆盖层的高度装填岩石散体；

第八步，根据放矿口4的尺寸，从放矿口插槽7处的中间部位同时抽出与放矿口4尺寸W相同的若干放矿口插条9；

第九步，从装置的底部开始放矿，当某一层上的标志颗粒正好到达放矿口插槽7时，记录该层标志颗粒距放矿口插槽7的高度H_w和该层所形成放出漏斗的宽度2r_w；

第十步，重复第九步，直到最高度的标志颗粒到达放矿口插槽7，放矿实验过程持续充填岩石并保持覆盖层的高度不变；

第十一步，继续放矿，直到每一层的标志颗粒无明显的变化或无标志颗粒放出，放矿实验过程仍保持覆盖层的高度不变；

第十二步，统计每一层上标志颗距放矿口插槽7的高度H_w和该层的散体移动带边界3的宽度(2R)，放矿实验结束并清理装置；

第十三步，依据记录的(R，H_w)按公式4进行回归分析，拟合得出未知数α和n²β，并可计算出h；

第十四步，将得到的α和h代入公式8，并依据统计的(r_w，H_w)按公式8进行回归分析，拟合得出未知数β和Δ，并可计算出n。

Claims (3)

1.一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法，其特征在于，

首先建立放矿口非零条件下的散体移动带边界方程和放出漏斗方程：

根据随机介质放矿理论，柱坐标系中点源条件下散体移动带边界公式如下：

式中：R——移动带边界距点源轴线的宽度，m；

z_R——移动带边界距点源的垂直高度，m；

α，β——散体流动参数；

n——移动带边界系数，取决于放矿条件与实验精度；

放矿口非零时，可将放矿口视为散体的移动带边界，即放矿口宽度W＝2R时放矿口到坐标原点的垂直距离为z_R＝h，根据公式2得出垂直距离为h为：

在放矿实验中可以确定出某水平层距离放矿口的垂直距离H_w，z_R＝H_w+h，即放矿口非零条件下的散体移动带边界方程为：

点源条件下，放出体高度为H_f且初始垂直高度为z₀时形成的放出漏斗方程为：

式中：r——放出漏斗边界距点源轴线的宽度，m；

z——放出漏斗边界距点源的垂直高度，m；

Δ——放出漏斗边界系数，取决于实验条件和实验精度，m；

当位于r₀＝0和z₀＝H_w+h层面上的颗粒正好到达放矿口r＝0和z＝h时，则由公式5可得放矿口非零条件下放出体的高度H_f的表达式为：

式中：H_w——放出体顶点距放矿口的垂直距离，m；

公式6代入公式5中，即可得放矿口非零条件下的放出漏斗方程为：

在放矿实验中，当位于r₀＝0和z₀＝H_w+h层面上的颗粒正好到达放矿口时形成降落漏斗，根据公式7，可以得出位于z＝H_w+h层面处形成的降落漏斗半径r_w的表达式为：

根据放矿中获得的实验数据，按公式4和公式8进行回归分析，就可以得出参数α，β，n，Δ。

2.一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定装置，其特征在于，

包括装置架、网格、放矿口侧板、放矿口插槽，放矿口插条、宽度调节插槽和宽度调节插板；

所述装置架是主体框架；装置架的前端面上刻有网格，用来读取实验所得数据；

装置架下部设有放矿口插槽，放矿口侧板固定于装置架的内部并与放矿口插槽位于同一水平，放矿口插槽的两端各有一块放矿口侧板；

装置架的内部设有宽度调节槽，若干宽度调节插板插入到宽度调节插槽内，实现装置架宽度的调节，以此来适应所研究散体颗粒粒径的变化；

若干放矿口插条插入放矿口插槽并贯穿装置架；

装置架、放矿口插槽、放矿口侧板、若干放矿口插条以及若干宽度调节插板之间组合可形成半封闭的装置架，即装置架的顶部处于开口状态，而装置架的下端位于放矿口插槽与放矿口侧板的水平位置处装置架处于封闭状态；实验过程中，抽出不同数量的放矿口插条，即可实现放矿口宽度的调节。

3.一种基于随机介质放矿理论的散体流动参数测定方法，其特征在于，

包括：

第一步，制作标志颗粒，将实验所用的矿石散体样染成不同颜色；

第二步，在放矿口插槽处插入若干放矿口插条，放矿口插条插满放矿口插槽；

第三步，根据矿石散体的平均粒径，在装置架内部的宽度调节插槽处插入一节宽度调节插板并插入到宽度调节插槽处的底部，保证装置的宽度为矿石散体平均粒径的3到5倍；

第四步，装入既定高度的矿石散体样，高度为散体平均粒径的5倍以上；

第五步，装入一层同种颜色的标志颗粒；

第六步，重复第三、四、五步直到指定的矿石散体装填高度，装填过程中保证相邻3层间的标志颗粒为不同颜色；

第七步，在装置架内部的宽度调节插槽处继续插入若干宽度调节插板并达到指定的高度，按覆盖层的高度装填岩石散体；

第八步，根据放矿口的尺寸，从放矿口插槽处的中间部位同时抽出与放矿口尺寸W相当的若干放矿口插条；

第九步，从装置的底部开始放矿，当某一层上的标志颗粒正好到达放矿口插槽时，记录该层标志颗粒距放矿口插槽的高度H_w和该层所形成放出漏斗的宽度2r_w；

第十步，重复第九步，直到最高度的标志颗粒到达放矿口插槽，放矿实验过程持续充填岩石并保持覆盖层的高度不变；

第十一步，继续放矿，直到每一层的标志颗粒无明显的变化或无标志颗粒放出，放矿实验过程仍保持覆盖层的高度不变；

第十二步，统计每一层上标志颗距放矿口插槽的高度H_w和该层的散体移动带边界宽度2R，放矿实验结束并清理装置；

第十三步，依据记录的(R，H_w)按公式4进行回归分析，拟合得出未知数α和n²β，并可计算出h；

第十四步，将得到的α和h代入公式8，并依据统计的(r_w，H_w)按公式8进行回归分析，

拟合得出未知数β和Δ，并可计算出n；

其中，α，β——散体流动参数，取决于散体流动性质与放出条件；α决定放出体上部与下部的相对形态；β决定放出体整体的粗细状态；n——移动带边界系数，取决于放矿条件与实验精度；Δ——放出漏斗边界系数，取决于实验条件和实验精度，m。

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