高孝楼

山西矿山建设股份有限公司 山西忻州 030000

1 实验方案

1.1 实验准备

（1）实验模型箱。“单节单通道”实验框架是按照1:50 的几何比例设计和制造的，模型的结构和路面由透明的有机玻璃面板和角钢组成，模型箱的几何尺寸为400mm×400mm×1000mm（长x 宽x 高），结构原理如图1 所示。

（2）实验用矿岩材料。实验中使用的矿石是磁铁矿（黑色），废弃的石头是白色硅质岩，表1 显示了矿石和废石颗粒的粒度组成的质量百分比，计算矿石和废物的成分，称重并混合均匀，然后按特定顺序填写实验模型框。

表1 矿岩颗粒级配组成

（3）出矿铲设计。在4m3刮板（铲斗宽度2.5m）的基础上，挖掘机的宽度按1:50 设计。

1.2 铲入深度确定

（1）铲入深度计算。根据Rankine 土压力理论，铲运机最优铲入深度计算式，如式（1）。

式中，x 为铲入深度（m）；H 为巷道高度（m）；φ 为自然角。

测量实验矿石时，自然静止角为38 度，已知实验模型的路面高度为84mm，根据等式（1），在每个塌陷阶段用于挖掘矿石的挖掘机的最佳深度为66.46mm，为了研究挖掘机穿透深度与塌陷距离之间的关系，以及挖掘机穿透深度对矿石牵引力的影响，实际产量实际上是66.46 毫米实验铲的实际增加或减少了10 倍，调整产量[1]。

（2）实验铲入深度定位值计算。根据图2 模型箱中出矿巷道的长度，实验中矿铲的铲入深度定位值L 由式（2）确定。

2 物理模拟实验

2.1 模型装填

在坍塌阶段，拉矿实验的模型箱分别充满了2.6m、3.8m 和4.6m，装载过程使用垂直隔板将矿石与前部废料分离，并将矿石和废料同时安装在隔板的两侧，以防止塌陷阶段变大。为了达到设计的高度，首先要有矿顶和废物，水平放置石头，垂直拉动挡板，继续将碎石填充到设计高度，并在模型箱填充过程中，必须准确记录填充的矿石量。

2.2 出矿要求

出矿时严格按以下要求进行：

（1）在使用不同深度的挖掘机进行挖掘之前，请根据等式（2）中确定的定位值调整定位板，在整个板的提取过程中移动手柄和位置，然后使铲深出现变化；

（2）在采矿过程中，使矿石的各个部分保持均匀并在挖土时模拟铲斗的运动，将矿石保持在尽可能靠近模型箱的位置，当实际的中央刮板离开矿井时，站内的矿石和岩石会一起靠近；

（3）提取每种矿石后，用铲子将挖出的矿石与废弃的石头分离，并分别称重以创建实验记录；

（4）选矿的重要标准是基于70%的混合比。

3 铲入深度与崩矿步距的关系特征

为了研究挖掘机的侵入深度与塌陷步距之间的关系，在3 种塌陷步距和7 种深度下进行了21 组矿石牵引实验。

顶部废石漏斗演变特征。在一系列的21 个实验中，废弃矿山在矿井出口处的出现（即矿井出口处废弃岩石的正面侵入）是一个节点，废弃矿井的上部漏斗具有一定的规律性，尾矿漏斗的膨胀特征的深度为2.32m、3.32m 和4.32m、相应的崩塌度分别为2.6m、3.6m 和4.6m。

当铲子的深度相同时，上部分的废石漏斗的凹部的深度随着塌陷阶段的增加而增加，这种现象可能与矿石和岩石之间的沉降密度差异有关，与沉降密度较小的岩石相比，矿石的沉降密度越高，矿石的重力作用就越明显，岩石的流动性也就越大。

在相同的步骤条件下，上挖石漏斗的埋深随开挖深度的增加而逐渐减小，造成这种现象的原因是，随着铲子深度的增加，矿化岩石的扰动范围增大，有利于矿石流动，并增加了其前面的岩石数量，并且在某些阶段可能会导致入侵。

如果铲深到达一定程度时，则矿石行进的时间越长，矿石的释放就越纯净。此特征的主要原因是，在一定的钻探深度条件下，矿石开采引起的矿物岩石扰动程度不会改变，随着崩落级数的增加，沿着道路方向的崩落厚度增加，从而延迟了碎石到达出口所需的时间。

4 结语

采矿是中国市场经济的重要组成部分，通过矿产资源的利用和利用，我们为工业生产提供了多种基本原料，并保证了矿产加工企业的生产效率和经济效益。在开采过程中，无柱分段崩落的开发方法因其效率高，成本低而被高度机械化，并被用于各种矿物开采过程中[2-3]。