·894 工程科学学报，第38卷，第7期 继“协同开采”理念0提出后，笔者2010年提出 数据 同步充填理念网，并提出一种大量放矿同步充填无顶 柱留矿采矿方法网（简称同步充填留矿法）.新采矿方 法实现了采空区协同利用0，防止围岩大面积冒落后 混入采场，提高了矿石回收率，促进矿山废料的绿色 排放. 新采矿方法与传统留矿法的区别在于大量放矿前 设置柔性隔离层，使得放矿过程中矿岩流动受到来自 充填料的非自由表面纵向荷载、柔性隔离层因介质流 动产生的次生横向荷载、采场边界限制条件等多重复 合作用，这与传统放矿工艺受力条件明显不同，其介质 图1试验模型 流动规律突破了传统放矿理论的描述范围，因此开展 Fig.1 Test model 柔性隔离层作用下散体介质流理论研究对于完善放矿 学理论具有重要理论意义， 2 试验现象 矿岩流动规律5-可在传统放矿工艺研究中已取得 丰厚的研究成果，其主要存在三大类放矿理论-0 试验中矿石不断放出，隔离层逐渐下降，同步充填 放矿过程中隔离层的概念是由俄罗斯学者马拉霍 废石保持矿岩面平整.每放出一定矿石量后，记录放 夫)首先提出的，刘国栋☒将细碎矿石作为隔离层 出标记颗粒编号，用相机拍摄记录相关数据，矿石流动 极大改善放矿的损失与贫化，董鑫和柳小波图结合数 规律如图2所示. 据计算与数值模拟验证矿石隔离层下放矿的可行性， 打开漏斗口后，漏口附近矿石参与运动且范围随 但这些隔离层指的是松散岩石颗粒，均未涉及柔性隔 着放出量增加而不断扩大.各层标记颗粒由下至上依 离层条件下矿岩流动规律研究领域. 次下沉直至隔离层，整体呈现高斯分布形态.隔离层 本文参照经典放矿学理论，开展柔性隔离层下单 下沉后在隔离层底部出现空腔，随着放出矿石量增多， 漏斗散体矿岩流动规律试验研究，重点分析放出体、松 空腔形态愈加明显.空腔组成形态在前期呈月牙形， 动体等演化规律 后期呈现三角形.各层标记颗粒之间距离逐渐增大， 层间距逐渐缩短，放矿口上部未放出标记颗粒杂乱 1 试验材料与试验方法 无序 1.1试验材料 3放出体形态演化规律 按相似比将石灰石破碎加工成平均块度为2cm 的散体矿石，人工选取1000个矿石颗粒用染色剂上色 将标记颗粒按原始坐标绘出，将当次放出标记颗 作为标记颗粒，购置2mm厚度的硅橡胶作为柔性隔离 粒边界光滑连接绘出矿石放出体形态，如图3所示. 层（下称隔离层）.矿石装填容重y为15NL,相对 由图3可知，在最高层位矿石未被放出前放出体 湿度n为0.14%，自然安息角中为35.8°，内摩擦角日e 形态为完整近似椭球体，且逐渐增大至矿石最高层面， 为41.5°. 并没有因为隔离层的存在而改变基本规律.待最高层 1.2试验方法 位矿石被放出后，上部受隔离层滑动影响，变为新的曲 为了研究同步充填大量放矿时矿岩流动规律，制 线，不再是椭球体一部分，中间部分由于空腔存在，放 作图1所示的相似模型，相似比1：25.试验模型的矿 出体边界为新的部分近似椭球体，下部受隔离层影响 块长度为200cm,阶段高度为160cm,矿块厚度为24 较小，平面图形仍为原来基础上近似椭球体扩展形状 m.模型的基本框架材料主要由不同型号角钢、扁钢 放出体剖面图形类似陀螺体 和铁板组成.在模型前PC板面上绘制2cm×2cm坐 (1)根据随机介质放矿理论非点源放矿放出体公 标网格.为试验过程中铺设矿石的方便，将后P℃板切 式陶可确定在最高层位矿石未被放出前放出体形态： 割成三等分.根据放出体定义，每隔一定高度预先将 直径为2cm标记颗粒有序铺设于矿石中：待试验模型 P=(a+1)aln月+以。 (1) 装填满后，将隔离层平整铺设于矿石面上.通过放出 式中，r为放出体表面标记颗粒横向长度，z为放出体 标记颗粒位置推断放出矿石在模型中所占据空间位 上标记颗粒水平高度，H,为放出体高度，H。为放矿口 置.调节相机镜头使焦点对准前P℃板中心，相机视角 影响高度，α和B为散体流动性质和放出条件有关的 边界与模型四侧角钢重合，以此记录试验中模型剖面 常数，H。=(D/2)tan6c,D为漏斗口直径，0e为内摩工程科学学报，第 38 卷，第 7 期 继“协同开采”理念［1］提出后，笔者 2010 年提出 同步充填理念［2］，并提出一种大量放矿同步充填无顶 柱留矿采矿方法［3］( 简称同步充填留矿法) ． 新采矿方 法实现了采空区协同利用［4］，防止围岩大面积冒落后 混入采场，提高了矿石回收率，促进矿山废料的绿色 排放． 新采矿方法与传统留矿法的区别在于大量放矿前 设置柔性隔离层，使得放矿过程中矿岩流动受到来自 充填料的非自由表面纵向荷载、柔性隔离层因介质流 动产生的次生横向荷载、采场边界限制条件等多重复 合作用，这与传统放矿工艺受力条件明显不同，其介质 流动规律突破了传统放矿理论的描述范围，因此开展 柔性隔离层作用下散体介质流理论研究对于完善放矿 学理论具有重要理论意义． 矿岩流动规律［5--7］在传统放矿工艺研究中已取得 丰厚的研究成果，其主要存在三大类放矿理论［8--10］． 放矿过程中隔离层的概念是由俄罗斯学者马拉霍 夫［11］首先提出的，刘国栋［12］将细碎矿石作为隔离层 极大改善放矿的损失与贫化，董鑫和柳小波［13］结合数 据计算与数值模拟验证矿石隔离层下放矿的可行性， 但这些隔离层指的是松散岩石颗粒，均未涉及柔性隔 离层条件下矿岩流动规律研究领域． 本文参照经典放矿学理论，开展柔性隔离层下单 漏斗散体矿岩流动规律试验研究，重点分析放出体、松 动体等演化规律． 1 试验材料与试验方法 1. 1 试验材料 按相似比将石灰石破碎加工成平均块度为 2 cm 的散体矿石，人工选取 1000 个矿石颗粒用染色剂上色 作为标记颗粒，购置 2 mm 厚度的硅橡胶作为柔性隔离 层( 下称隔离层) ． 矿石装填容重 γ 为 15 N·L － 1，相对 湿度 n 为 0. 14% ，自然安息角  为 35. 8°，内摩擦角 θG 为 41. 5°． 1. 2 试验方法 为了研究同步充填大量放矿时矿岩流动规律，制 作图 1 所示的相似模型，相似比 1∶ 25． 试验模型的矿 块长度为 200 cm，阶段高度为 160 cm，矿块厚度为 24 cm． 模型的基本框架材料主要由不同型号角钢、扁钢 和铁板组成． 在模型前 PC 板面上绘制 2 cm × 2 cm 坐 标网格． 为试验过程中铺设矿石的方便，将后 PC 板切 割成三等分． 根据放出体定义，每隔一定高度预先将 直径为 2 cm 标记颗粒有序铺设于矿石中; 待试验模型 装填满后，将隔离层平整铺设于矿石面上． 通过放出 标记颗粒位置推断放出矿石在模型中所占据空间位 置． 调节相机镜头使焦点对准前 PC 板中心，相机视角 边界与模型四侧角钢重合，以此记录试验中模型剖面 数据． 图 1 试验模型 Fig． 1 Test model 2 试验现象 试验中矿石不断放出，隔离层逐渐下降，同步充填 废石保持矿岩面平整． 每放出一定矿石量后，记录放 出标记颗粒编号，用相机拍摄记录相关数据，矿石流动 规律如图 2 所示． 打开漏斗口后，漏口附近矿石参与运动且范围随 着放出量增加而不断扩大． 各层标记颗粒由下至上依 次下沉直至隔离层，整体呈现高斯分布形态． 隔离层 下沉后在隔离层底部出现空腔，随着放出矿石量增多， 空腔形态愈加明显． 空腔组成形态在前期呈月牙形， 后期呈现三角形． 各层标记颗粒之间距离逐渐增大， 层间距逐渐缩短，放矿口上部未放出标记颗粒杂乱 无序． 3 放出体形态演化规律 将标记颗粒按原始坐标绘出，将当次放出标记颗 粒边界光滑连接绘出矿石放出体形态，如图 3 所示． 由图 3 可知，在最高层位矿石未被放出前放出体 形态为完整近似椭球体，且逐渐增大至矿石最高层面， 并没有因为隔离层的存在而改变基本规律． 待最高层 位矿石被放出后，上部受隔离层滑动影响，变为新的曲 线，不再是椭球体一部分，中间部分由于空腔存在，放 出体边界为新的部分近似椭球体，下部受隔离层影响 较小，平面图形仍为原来基础上近似椭球体扩展形状． 放出体剖面图形类似陀螺体． ( 1) 根据随机介质放矿理论非点源放矿放出体公 式［14］可确定在最高层位矿石未被放出前放出体形态: r 2 = ( α + 1) βz α ln H1 + H0 z ． ( 1) 式中，r 为放出体表面标记颗粒横向长度，z 为放出体 上标记颗粒水平高度，H1 为放出体高度，H0 为放矿口 影响高度，α 和 β 为散体流动性质和放出条件有关的 常数，H0 = ( D /2) tan θG，D 为漏斗口直径，θG 为内摩 · 498 ·