放礦擾動和礦體傾角對散體側(cè)壓力分布的影響研究

劉 洋 何榮興 任鳳玉 張東杰

（1.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110004）

在金屬礦床地下開采中，空區(qū)引起周邊圍巖破壞，進而引起地表塌陷和周邊出現(xiàn)裂縫，形成陷落區(qū)［1，2］。在深部開采中，準確預測地表陷落區(qū)的范圍，對于優(yōu)化總圖布置、保障生產(chǎn)安全及降低生產(chǎn)成本有著重要意義。為此，任鳳玉教授提出臨界散體柱理論，即當空區(qū)冒透地表后，四周圍巖是否發(fā)生片落，取決于圍巖自身強度與邊壁有無側(cè)向支撐力。在強度一定時，如果有側(cè)向支撐力，圍巖片落的程度將會受到限制；如果有足夠大的側(cè)向支撐力，便不會發(fā)生側(cè)向片落，在弓長嶺鐵礦、小汪溝鐵礦及錫林浩特螢石礦的應用中取得了成功［3-5］。

散體側(cè)壓力的相對大小常用側(cè)壓力系數(shù)來表示。大體說來，側(cè)壓力系數(shù)（即散體側(cè)向壓力與垂直壓力的比值）是反映散體顆粒流動性的一項指標，其中，著名的理論分析方法有多種：JANSSEN［6］、MARECL和ANDRE REIMBERT［7］、JENIKE［8］及 WALKER［9，10］。但目前關于散體側(cè)壓力研究大部分集中于筒倉方面，對于井下放礦對散體側(cè)壓力影響的研究很少，不能為放礦情況下臨界散體柱高度及地表陷落范圍的確定提供有力支撐。本項目在以往散體側(cè)壓力分布規(guī)律研究基礎上，利用散體顆粒流動側(cè)向壓力實驗系統(tǒng)研究放礦擾動和礦體傾角對散體側(cè)壓力的影響規(guī)律，并結(jié)合礦山實際情況為放礦擾動下地表陷落范圍形態(tài)的預測提供理論基礎。

1 實驗設備及過程

1.1 實驗設備

本次實驗采用吉林省金力實驗技術有限公司和東北大學共同設計的散體顆粒流動側(cè)向壓力測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集（如圖1所示）［11，12］。測試系統(tǒng)由放礦設備和數(shù)據(jù)采集軟件組成。為保證設備在實驗過程中穩(wěn)固安全，放礦設備由32塊鋁合金板構(gòu)成，每塊板的高度為10 cm，長度為50 cm，厚度為25 mm。為了采集到更多的樣本和盡量不影響數(shù)據(jù)的準確性，每隔一塊板上設置1個傳感器采集通道，共16個通道，1#～8#通道靠近放出口，9#～16#通道遠離放出口，1#與9#為最下部采集通道，8#與16#為最上部采集通道。為了使設備更加穩(wěn)固和數(shù)據(jù)傳輸更加順暢，鋼板外邊緣有2個光滑的軸與外框架固定，鋼板與框架之間連接1個CSF-1A位移傳感器，鋼板的重量靠軸桿和框架支撐，光滑軸桿可使鋼板受散體側(cè)壓力完全傳遞至傳感器，傳感器通過數(shù)據(jù)線傳至監(jiān)測主機。為了方便調(diào)節(jié)礦體傾角，靠近放礦口一側(cè)安裝支撐桿，借此調(diào)整實驗設備傾角。同時，為了更好地觀測礦體傾角，設備側(cè)壁上放置角度顯示器。設備最下端依次開設1#～4#放礦口，放礦口尺寸為3 cm×3 cm。為了保證顆粒的流動性和力學性質(zhì)相近，將散體顆粒染成紅色模擬礦石，白色散體顆粒作為覆蓋巖層。根據(jù)相似理論，得出放置紅色散體顆粒的厚度是0.3 m。為了更好地反映松動體的影響，采用無貧化放礦，每次放礦量約為200 g，選取1#～4#放礦口等量均勻放礦。

1.2 實驗過程

放礦擾動和礦體傾角對散體側(cè)壓力的影響規(guī)律實驗步驟如下：①將實驗設備調(diào)節(jié)至90°，打開數(shù)據(jù)測試裝置，檢查16個測試通道是否正常，確認無誤后，將連接每個傳感器的移動軸桿推至最外側(cè)，對軟件清零操作并保存數(shù)據(jù)；②使用彈性材料將底部4個放出口封堵，先將紅色散體按要求裝入實驗設備中，然后將白色散體裝入設備中，直至裝滿為止，靜置20 min，記錄靜止狀態(tài)下各通道的散體側(cè)壓力；③采用1#～4#放礦口等量均勻放礦，每次放礦量約為200 g，記錄各通道的散體側(cè)壓力，當放礦口出現(xiàn)白色散體時，就停止對該放礦口放礦，直至4個放礦口都有白色散體顆粒出現(xiàn)為止；④一次實驗結(jié)束后，分別調(diào)節(jié)設備到85°及80°，重復步驟②及③。

2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)調(diào)節(jié)傾角后實驗設備的形態(tài)，將遠離放出口一側(cè)邊壁定義為上盤（9#～16#通道），近放出口一側(cè)邊壁定義為下盤（1#～8#通道）。圖2（a）～圖2（c）分別是礦體傾角為90°、85°及80°時各通道的散體側(cè) 壓力與放礦次數(shù)的關系圖。

通過圖2分析得出，不同礦體傾角條件下散體側(cè)壓力的變化趨勢大致相同。1#通道測量值隨著放礦次數(shù)的增加而逐漸減小，但減小速率逐漸減小，減小率呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的增長趨勢。2#和3#通道測量值隨著放礦次數(shù)的增加而先增大后減小。8#通道測量呈現(xiàn)出下降趨勢。其余下盤側(cè)的通道測量值均隨著放礦次數(shù)的增加而增大。9#通道測量值隨著放礦次數(shù)的增加而減小，減小率也呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的增長趨勢；10#通道測量值隨著放礦次數(shù)的增加而先增大后減??；16#通道測量值呈現(xiàn)出下降趨勢。其余上盤側(cè)的通道測量值均隨著放礦次數(shù)的增加而逐漸增大。

由于通道測量范圍內(nèi)的散體輕微減小，導致8#和16#通道測量值呈現(xiàn)出下降趨勢。放礦過程中，放出體和松動體的范圍是逐漸增大的，位于松動體范圍以外的散體幾乎不發(fā)生松動，且隨著放礦過程的進行，內(nèi)摩擦系數(shù)不斷增大，導致散體側(cè)壓力增大。位于松動體范圍內(nèi)的散體，受到放礦擾動的影響，散體發(fā)生移動和松散，導致散體側(cè)壓力減小。放出體和松動體的范圍隨著放出礦石質(zhì)量增加而增大，因此位于放礦口稍遠位置的散體在初始放礦階段不會受到放礦擾動的影響。隨著放礦過程的進行，放出體和松動體的范圍逐漸變大，就出現(xiàn)了2#、3#及10#通道的散體側(cè)壓力的變化情況，而且距離放礦口的距離越遠，受到放礦擾動影響的時間就晚。采用無貧化方式放礦，因此本組實驗放出體的高度是30 cm。根據(jù)放出體高度和松動體高度的關系式，得出本次實驗的松動體高度約為73.8 cm。通過本組實驗結(jié)果與松動體高度的對比分析得出，位于松動體范圍以外的散體基本不受放礦擾動的影響，而是受到摩擦系數(shù)的影響，導致散體側(cè)壓力呈現(xiàn)出增大的趨勢。目前，使用無底柱分段崩落法的礦山大部分都采用15 m作為一個分段的高度，由此可見，采用無底柱分段崩落法開采對散體側(cè)壓力的影響范圍較小。且不論上盤側(cè)還是下盤側(cè)的通道，它們的散體側(cè)壓力的減小速率均隨著放礦次數(shù)的增加而減小，最終趨于穩(wěn)定。

放礦擾動范圍內(nèi)散體側(cè)壓力降低率與礦體傾角的關系如表1所示，隨著礦體傾角的減小，礦體上盤散體側(cè)壓力的降低率逐漸增大，礦體下盤則與之相反，隨著礦體傾角的減小而逐漸減小。通過上述分析可得，礦體傾角越緩，散體對上盤巖體的支撐力越小，巖體越容易發(fā)生破壞。不同礦體傾角條件下散體側(cè)壓力的變化趨勢基本相近，礦體傾角對散體側(cè)壓力的減小速率有較大影響。

3 結(jié)論

（1）提出測試放礦擾動和不同礦體傾角下散體側(cè)壓力變化規(guī)律的實驗方案，開發(fā)了測試系統(tǒng)，設計了實驗設備。在不斷放出和改變礦體傾角的過程中測試不同通道的散體側(cè)壓力數(shù)值。

（2）實驗結(jié)果表明：位于松動體范圍內(nèi)的散體，受到放礦擾動的影響，散體發(fā)生移動和松散，導致散體側(cè)壓力減??；位于松動體范圍以外的散體基本不受放礦擾動的影響，而是受到摩擦系數(shù)的影響，導致散體側(cè)壓力呈現(xiàn)出增大的趨勢。

（3）隨著礦體傾角的減小，礦體上盤散體側(cè)壓力的降低率逐漸增大，礦體下盤則與之相反，隨著礦體傾角的減小而逐漸減??；不同礦體傾角條件下散體側(cè)壓力的變化趨勢基本相近，礦體傾角對散體側(cè)壓力的減小速率有較大影響。