628 工程科学学报，第43卷，第5期 of the ore-rock passing through the same equipotential surface.The predicting model reveals the dependency of the ore-rock migration state in the uniform speed zone with a number of parameters such as the diameter of the section of ore-storage and ore-discharge,ore- rock particle size.Conversely,the ore-rock migration state in the variable speed zone is mainly related to the ore-rock's location and the inclination angle of ore draw-hole. KEY WORDS predicting model;ore-rock dispersions;migration law;trajectory;velocity;storage section of orepass 溜井是矿产资源地下开采矿山的重要工程之 数学模型，目前仍仅能宏观地描述储矿段内矿岩 一，承担着矿岩储存和下向运输任务.溜井堵塞和 运移特点.主要原因是现有理论定量分析储矿段 井壁的变形破坏等溜井问题严重影响着矿山生产 井壁边界对矿岩运移状态的影响较为困难，同时 的连续性和安全性-)，给矿山生产带来了较大影 储矿段矿岩运移过程中力学机制复杂，相关研究 响.根据矿岩在溜井中的运动特征，溜井井筒可分 至今没有建立起系统的矿岩运移方面的理论模型山 为溜矿段和储矿段两大部分，这两部分井壁的变 若能引用合适的理论揭示储矿段矿岩运移特征， 形破坏机理与特征表现出较大的差异.矿岩在溜 建立起矿岩位移、速度、放矿量和溜井结构参数 井内的运动过程中与井壁接触并产生力的作用， 等之间的关系，预测矿岩运移过程中的轨迹和速 是导致溜井井壁破坏的主要原因之一四，而运动过 度分布特征，则能为深入分析矿岩流动性2-1)、储 程中矿岩颗粒之间的相互作用又是产生溜井堵塞 矿段堵塞、井壁损伤等问题提供理论依据 的重要原因之一四.目前针对溜井储矿段问题的研 为深入探究溜井储矿段内矿岩运移特征和揭 究大都聚焦于分析溜井围岩稳定性1、探究溜井 示其运移规律，本文以放矿漏斗中心线与溜井中 堵塞、井壁磨损问题的发生原因及解决办法等 心线重合型的溜井结构为研究对象，根据筒仓卸 方面，而涉及堵塞、磨损问题发生机理方面的深层 载过程中颗粒运动特点和流体力学中流动单元运 次研究较少且进展缓慢四溜井储矿段中矿岩运移 动特点，建立储矿段矿岩运移网络，将Beverloo经 状态的不确定性，导致了溜井储矿段堵塞频率、 验公式、流动网络等引用到储矿段矿岩运移特征 井壁磨损程度阿也不相同.因此，研究溜井储矿段 的研究中，构建预测矿岩运移轨迹、速度的数学模 内矿岩运移规律，定量矿岩运移过程中的轨迹和 型，为深入研究储矿段堵塞和井壁损伤等问题提 速度变化，是揭示溜井储矿段中堵塞和井壁磨损 供理论依据 等问题发生机理的重要研究方向 1储矿段运移特征三维预测模型的理论 矿石在储矿段内运动状态具有不可量测性， 基础 因而很难通过常规手段得到矿石在溜井储矿段内 的运移特征.目前的研究大多以椭球体放矿理论 目前，对储矿段运移规律研究的理论基础仅 为基础，宏观推测矿岩运移规律.早在20世纪 有椭球体放矿理论.但建立该理论的实验基础是 80年代，就已经有学者注意到研究矿石在溜井储 无边界条件下放矿，不考虑边界条件对矿岩散体 矿段内的运移规律是研究磨损问题、优化储矿段 运动的影响，而储矿段放矿过程中边界对矿岩 结构参数、解决储矿段变形破坏问题的关键郭 的作用效果非常明显.矿岩散体在运动过程中不 宝昆和张福珍]根据矿岩在溜井中的移动规律将 仅受重力、内摩擦力，还受到井壁侧应力的作用啊 储矿段划分成了4个区域，并据此分析了不同区 溜井储矿段结构参数的改变会导致侧应力的大 域下的溜井堵塞、磨损情况：谭志恢9称之为“分 小、方向发生变化，进而影响放矿过程中矿岩的运 区理论”，认为储矿段矿岩移动主要受内崩落角影 动速度和方向. 响，并首次引用椭球体放矿理论描述了矿岩整体 目前，研究固定边界条件下物质单元运动的 的运动过程；近年来，王其飞0再次引用椭球体理 理论主要有颗粒流动力学理论和流体力学.一方 论比较详细地将储矿段划分区域，定性分析了不 面，出口在底部的筒仓颗粒卸载过程是颗粒流动 同区域下矿岩的移动规律；刘艳章等在此基础 力学研究的典型对象之一，而溜井储矿段的放矿 上，结合储矿段结构计算了各区域的高度分布.相 过程与其极为相似，颗粒流动力学理论对于研究 关研究工作持续了40多年，但由于缺乏能够预测 储矿段放矿过程具有其可应用性.另一方面，相比 矿岩运移过程中的轨迹、速度变化的相关理论或 于颗粒流、放矿学等理论，流体力学中涉及流体流of the ore-rock passing through the same equipotential surface. The predicting model reveals the dependency of the ore-rock migration state in the uniform speed zone with a number of parameters such as the diameter of the section of ore-storage and ore-discharge, ore￾rock particle size. Conversely, the ore-rock migration state in the variable speed zone is mainly related to the ore-rock’s location and the inclination angle of ore draw-hole. KEY WORDS    predicting model；ore-rock dispersions；migration law；trajectory；velocity；storage section of orepass 溜井是矿产资源地下开采矿山的重要工程之 一，承担着矿岩储存和下向运输任务. 溜井堵塞和 井壁的变形破坏等溜井问题严重影响着矿山生产 的连续性和安全性[1−2] ，给矿山生产带来了较大影 响. 根据矿岩在溜井中的运动特征，溜井井筒可分 为溜矿段和储矿段两大部分，这两部分井壁的变 形破坏机理与特征表现出较大的差异. 矿岩在溜 井内的运动过程中与井壁接触并产生力的作用， 是导致溜井井壁破坏的主要原因之一[1] ，而运动过 程中矿岩颗粒之间的相互作用又是产生溜井堵塞 的重要原因之一[2] . 目前针对溜井储矿段问题的研 究大都聚焦于分析溜井围岩稳定性[3]、探究溜井 堵塞、井壁磨损问题的发生原因及解决办法[4] 等 方面，而涉及堵塞、磨损问题发生机理方面的深层 次研究较少且进展缓慢[2] . 溜井储矿段中矿岩运移 状态的不确定性，导致了溜井储矿段堵塞频率[5]、 井壁磨损程度[6] 也不相同. 因此，研究溜井储矿段 内矿岩运移规律，定量矿岩运移过程中的轨迹和 速度变化，是揭示溜井储矿段中堵塞和井壁磨损 等问题发生机理的重要研究方向. 矿石在储矿段内运动状态具有不可量测性， 因而很难通过常规手段得到矿石在溜井储矿段内 的运移特征. 目前的研究大多以椭球体放矿理论 为基础，宏观推测矿岩运移规律. 早在 20 世纪 80 年代，就已经有学者注意到研究矿石在溜井储 矿段内的运移规律是研究磨损问题、优化储矿段 结构参数、解决储矿段变形破坏问题的关键[7] . 郭 宝昆和张福珍[8] 根据矿岩在溜井中的移动规律将 储矿段划分成了 4 个区域，并据此分析了不同区 域下的溜井堵塞、磨损情况；谭志恢[9] 称之为“分 区理论”，认为储矿段矿岩移动主要受内崩落角影 响，并首次引用椭球体放矿理论描述了矿岩整体 的运动过程；近年来，王其飞[10] 再次引用椭球体理 论比较详细地将储矿段划分区域，定性分析了不 同区域下矿岩的移动规律；刘艳章等[6] 在此基础 上，结合储矿段结构计算了各区域的高度分布. 相 关研究工作持续了 40 多年，但由于缺乏能够预测 矿岩运移过程中的轨迹、速度变化的相关理论或 数学模型，目前仍仅能宏观地描述储矿段内矿岩 运移特点. 主要原因是现有理论定量分析储矿段 井壁边界对矿岩运移状态的影响较为困难，同时 储矿段矿岩运移过程中力学机制复杂，相关研究 至今没有建立起系统的矿岩运移方面的理论模型[11] . 若能引用合适的理论揭示储矿段矿岩运移特征， 建立起矿岩位移、速度、放矿量和溜井结构参数 等之间的关系，预测矿岩运移过程中的轨迹和速 度分布特征，则能为深入分析矿岩流动性[12−13]、储 矿段堵塞、井壁损伤等问题提供理论依据. 为深入探究溜井储矿段内矿岩运移特征和揭 示其运移规律，本文以放矿漏斗中心线与溜井中 心线重合型的溜井结构为研究对象，根据筒仓卸 载过程中颗粒运动特点和流体力学中流动单元运 动特点，建立储矿段矿岩运移网络，将 Beverloo 经 验公式、流动网络等引用到储矿段矿岩运移特征 的研究中，构建预测矿岩运移轨迹、速度的数学模 型，为深入研究储矿段堵塞和井壁损伤等问题提 供理论依据. 1    储矿段运移特征三维预测模型的理论 基础 目前，对储矿段运移规律研究的理论基础仅 有椭球体放矿理论. 但建立该理论的实验基础是 无边界条件下放矿，不考虑边界条件对矿岩散体 运动的影响[14] ，而储矿段放矿过程中边界对矿岩 的作用效果非常明显. 矿岩散体在运动过程中不 仅受重力、内摩擦力，还受到井壁侧应力的作用[15] . 溜井储矿段结构参数的改变会导致侧应力的大 小、方向发生变化，进而影响放矿过程中矿岩的运 动速度和方向. 目前，研究固定边界条件下物质单元运动的 理论主要有颗粒流动力学理论和流体力学. 一方 面，出口在底部的筒仓颗粒卸载过程是颗粒流动 力学研究的典型对象之一，而溜井储矿段的放矿 过程与其极为相似，颗粒流动力学理论对于研究 储矿段放矿过程具有其可应用性. 另一方面，相比 于颗粒流、放矿学等理论，流体力学中涉及流体流 · 628 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期