• Модель отвала при бульдозерном периферийном отвалообразовании
• Расчет основных структурных параметров
• Модель отвала при бульдозерном площадном отвалообразовании
• Выводы

Наверх

Для смеси с заданным гранулометрическим составом (см. табл. 1) была отстроена плоская модель из 1800 частиц (рис. 1). В данном случае моделировалось формирование массива при бульдозерном периферийном отвалообразовании.

Рис. 1. Плоская модель отвала при бульдозерном периферийном отвалообразовании

Высота приведенной на рис. 1 упаковки находится в пределах 1600 минимальных радиусов частиц; ширина – в пределах 20 максимальных радиусов для получения представительного объема. Время построения модели составило около 50 мин. (компьютер с процессором Pentium MMX –166, ОЗУ 32 Мб).

Как видно из рисунка, даже для такой небольшой высоты упаковки и сравнительно небольшого числа частиц, наблюдается сегрегация отсыпаемого материала по крупности в зависимости от высоты. Наиболее крупные частицы скатываются вниз, в то время как мелкие частицы скапливаются в верхней части массива. Частицы со средними размерами скапливаются преимущественно в средней части, хотя их достаточно много встречается как в нижней части массива, так и в верхней. Такая особенность гравитационного массопереноса характерна лишь для создания многофракционных техногенных породных массивов (ТПМ) при открытых горных работах, например, отвалов пустых пород или складов рядового угля.

Наверх

Относительная плотность, пористость и удельная поверхность определялись вероятностно-статистическим методом.

На приведенных ниже рисунках показаны расчетные значения относительной плотности, пористости и удельной поверхности упаковки.

Рис. 2. Зависимость плотности (1) и пористости (2) от высоты.

Рис. 3. Зависимость удельной поверхности от высоты.

Из рис. 2 и 3 видно, что с увеличением расстояния от дна контейнера плотность и удельная поверхность упаковки растут, а пористость снижается. Это происходит из-за скопления мелких фракций в верхней части упаковки.

Для данной упаковки было также рассчитано координационное число (число контактов между частицами). На рис. 4 показано распределение числа контактов К между частицами в зависимости от крупности частиц. Крупность задается как отношение радиуса рассматриваемой частицы к минимальному.

Рис. 4. Зависимость координационного числа К от относительного радиуса частицы r/r_min.

Из рисунка видно, что для мелких фракций (r/r_min = 1) К изменяется в пределах от 0 до 6, в то время как для крупных (r/r_min = 40ё 60)  К = 1 ё  18. Значение координационного числа К = 0 означает, что частица лежит на дне и не соприкасается с другими. Это характерно для мелких классов (r/r_min = 1ё 3) и представляет собой единичные случаи. Среднее значение К для данной упаковки составляет 4,12.

Видно также, что для крупных фракций (размер которых составляет 60 минимальных радиусов) среднее координационное число меньше, чем для средних (с размерами в 40 минимальных радиусов). Это происходит из-за того, что крупные фракции (и близкие с ними по размерам) скапливаются внизу.

Также численно была рассчитана зависимость суммарного содержания отдельных фракций от высоты. На рис. 6 представлены кривые процентного содержания (W) фракций действующего (d₁₀), контролирующего (d₆₀) и максимального (d₉₉) диаметров в зависимости от относительной высоты z/r_min от дна контейнера.

Рис. 5. Суммарное содержание W различных фракций в зависимости от относительной высоты: 1 – d_max; 2 – d₆₀; 3 – d₅₀; 4 – d₁₀; 5 – d_min.

Из рисунка видно, что наиболее крупные фракции диаметра d_max (менее которых в массиве содержится 99% частиц – кривая 1) находятся преимущественно в нижней трети массива: около 82% этих фракций расположено ниже отметки в 530 минимальных радиусов при общей высоте массива в 1600 минимальных радиусов. Около 13% крупных фракций находится в средней трети массива (на высоте 530–1060 минимальных радиусов), а в верхней трети (на высоте 1060–1600 минимальных радиусов) содержится лишь около 5%.

Частицы фракции контролирующего диаметра d₆₀ (менее которых в массиве содержится 60% частиц – кривая 2) располагаются в массиве относительно равномерно, хотя их содержание в нижней трети массива ниже (около 25%), чем в верхней трети (около 35%). Также видно, что большая их часть (40%) содержится в средней трети массива.

Достаточно четко прослеживается увеличение содержания фракций действующего диаметра d₁₀ (менее которых в массиве содержится 10% частиц – кривая 3) с увеличением высоты: около 85% мелочи находится в верхней трети массива, около 10% – в средней части и около 5% – в нижней трети.

Такое изменение гранулометрии по высоте отвалов (сегрегация крупности материала по высоте) обусловлено особенностями гравитационного массопереноса при формировании ТПМ. Полученные результаты хорошо коррелируют с результатами ранее проведенных С. А. Прокопенко исследований. Наблюдаемое явление проявляется независимо от разработанного алгоритма упаковки частиц и, следовательно, является объективным показателем качественной адекватности моделирования процесса отвалообразования в плоском случае.

Наверх

Для смеси с заданным гранулометрическим составом (см. табл. 1) была отстроена плоская модель отвальной структуры, образующейся при бульдозерном площадном отвалообразовании (рис. 6).

Рис. 6. Плоская модель отвала при бульдозерном площадном отвалообразовании.

Высота приведенной на рис. 6 упаковки находится в пределах 1600 минимальных радиусов частиц. Время построения модели составило около 5 мин. (компьютер с процессором Pentium MMX – 166 МГц, ОЗУ 32 Мб). Отличие от предыдущей модели состоит в том, что входная координата х каждой вновь пакуемой частицы меняется не при достижении упаковкой максимальной высоты, а равномерно в диапазоне от 0 (левая стенка контейнера) до некоторого значения, соответствующего верхней бровке уступа. Данное значение (20 максимальных радиусов) выбрано для получения представительного объема.

Из рисунка видно, что сегрегации материала по крупности в зависимости от высоты не происходит, т.к. моделируется равномерное заполнение по оси Ох. Данное явление можно показать и на аналитически рассчитанных характеристиках среды (изменение содержания различных фракций, плотности и пористости с высотой).

Расчет структурных параметров проводился так же, как и на предыдущей модели.

Рис. 7. Зависимость плотности (1) и пористости (2) от высоты.

Рис. 8. Зависимость удельной поверхности от высоты.

Рис. 9. Суммарное содержание W различных фракций в зависимости от относительной высоты: 1 – d_max; 2 – d₆₀; 3 – d₅₀; 4 – d₁₀; 5 – d_min.

Из рис. 7 – 9 видно, что с увеличением высоты плотность, пористость, удельная поверхность и суммарное содержание фракций максимального, контролирующего, среднего, действующего и минимального диаметров заметного изменения не испытывают, хотя наблюдаются некоторые колебания их значений в ту или иную сторону. Это свидетельствует о достаточно гомогенном строении данного массива.

Рис. 10. Зависимость координационного числа К от относительного радиуса частицы r/r_min.

Из рис. 10 видно, что с увеличением радиуса частиц их координационное число, в отличие от предыдущей модели, растет. Это происходит из-за более равномерного распределения фракций в массиве, т.е. с крупными частицами, которые уже не скапливаются в нижней части отвала, контактирует больше средних и мелких.

Наверх

С помощью алгоритмов и программ, моделирующих в плоском случае техногенные породные массивы (отвалы вскрышных пород), можно исследовать качественные зависимости различных структурных и физических параметров, в том числе и таких, которые инструментальным исследованиям не поддаются или поддаются с трудом (например, координационное число).

Разработанные алгоритмы позволяют также очень гибко изменять условия проведения эксперимента: изменять высоту упаковки, грансостав “отсыпаемых” пород, учитывать технологию отвалообразования.