多放礦口間的礦巖顆粒均勻流與應(yīng)力演化規(guī)律

孫 浩, 蘇 楠, 金愛(ài)兵, 陳帥軍

(1. 北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外地下金屬礦山面臨的挑戰(zhàn)主要包括:更深的開(kāi)采環(huán)境、更高的地應(yīng)力、更大的生產(chǎn)需求以及更多的開(kāi)采成本等[1-2].針對(duì)崩落法礦山,隨著開(kāi)采深度的不斷增加,崩落礦巖層高度及其對(duì)采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)的荷載隨之不斷增大,故合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦控制措施,尤其是放礦口間距和放礦方式對(duì)崩落礦巖流動(dòng)特性、采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及礦石貧損指標(biāo)的影響將愈發(fā)關(guān)鍵.基于此,探究不同放礦口間距和放礦方式條件下多放礦口間的礦巖顆粒相互作用規(guī)律十分必要.

目前評(píng)估崩落法礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦控制措施優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)[3-4]多為:崩落礦巖接觸面(ore-waste interface)是否均勻下降,換言之崩落礦巖層是否形成均勻流(uniform flow),即相鄰放礦口上方的兩個(gè)松動(dòng)體(isolated movement zone,IMZ)是否相交(interaction).而已有文獻(xiàn)中針對(duì)形成崩落礦巖接觸面均勻下降或均勻流現(xiàn)象的放礦口間距(drawpoint spacing)閾值問(wèn)題,存在如下兩種不同觀點(diǎn):①Laubscher[3]基于Marano[5]以砂子為介質(zhì)的三維放礦物理試驗(yàn)結(jié)果以及自身經(jīng)驗(yàn)提出:當(dāng)多放礦口同時(shí)出礦時(shí),相鄰放礦口間距Ds可設(shè)計(jì)為單口放礦所得松動(dòng)體最大寬度wIMZ的1.5倍,即Ds≤1.5wIMZ時(shí)兩相鄰松動(dòng)體即可出現(xiàn)相交現(xiàn)象.Hancock[6]利用離散元軟件ESyS-Particle,開(kāi)展了基于球形顆粒的多口放礦數(shù)值模擬研究,亦發(fā)現(xiàn):當(dāng)相鄰放礦口間距小于或等于松動(dòng)體最大寬度的1.5倍時(shí),即可形成崩落礦巖的均勻流.②Trueman等[7]開(kāi)展基于粗破碎千枚巖散體的大型三維放礦物理試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn):多口放礦條件下,當(dāng)相鄰放礦口間距為單口放礦所得松動(dòng)體最大寬度wIMZ的1.2倍,即Ds=1.2wIMZ時(shí)兩相鄰松動(dòng)體仍未出現(xiàn)相交現(xiàn)象.考慮到放礦物理模型的材質(zhì)為鋼材[8],表面較為光滑,而實(shí)際放礦邊界具有更高的摩擦系數(shù),故礦巖散體間的應(yīng)力拱效應(yīng)(stress arching effect)更為顯著.基于此,Trueman等[7]認(rèn)為:在相鄰放礦口間距大于松動(dòng)體最大寬度即Ds>1.0wIMZ的條件下,兩相鄰松動(dòng)體可能不會(huì)相交.

放礦過(guò)程中采場(chǎng)內(nèi)不同空間位置所處應(yīng)力環(huán)境,尤其是采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力及其演化規(guī)律是分析礦巖顆粒間應(yīng)力拱效應(yīng)和運(yùn)移規(guī)律的途徑之一,也是優(yōu)化放礦口間距和放礦方式的關(guān)鍵指標(biāo).Lorig[8],Pierce[9]基于Janssen公式[10]和極限平衡方法探究了采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)所受垂直應(yīng)力和崩落礦巖堆積密度、摩擦系數(shù)及放礦區(qū)域的水力半徑等因素之間的定量關(guān)系.Castro等[11]以智利大型地下銅礦EI Teniente礦為工程背景,通過(guò)相似比為1∶200的放礦物理試驗(yàn)研究不同放礦方式下誘發(fā)垂直應(yīng)力的演化規(guī)律.

綜上所述,目前在多口放礦研究中對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦巖顆粒均勻流的放礦口間距閾值問(wèn)題仍有爭(zhēng)議,對(duì)不同放礦口間距和放礦方式下采場(chǎng)內(nèi)不同空間位置所處應(yīng)力環(huán)境及其演化規(guī)律的研究尚淺.因此,本文基于剛性塊體模型(rigid block model)開(kāi)展多口放礦數(shù)值試驗(yàn)研究,對(duì)多放礦口間的礦巖顆粒均勻流與應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行量化研究.研究結(jié)果是對(duì)現(xiàn)行放礦理論的有益補(bǔ)充,可為崩落法礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)與支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、放礦控制與管理等提供有益參考.

1 不同放礦口間距下的礦巖顆粒相互作用規(guī)律研究

相鄰放礦口間距為影響礦巖顆粒是否產(chǎn)生均勻流的主要因素.為確定能夠產(chǎn)生礦巖顆粒均勻流(兩相鄰松動(dòng)體相交)的放礦口間距閾值,首先需要確定松動(dòng)體的最大寬度.底部放礦物理試驗(yàn)中的松動(dòng)體形態(tài)變化往往難以直接觀測(cè),而通過(guò)放礦數(shù)值試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)松動(dòng)體形態(tài)的可視化.本文以地下礦山開(kāi)采過(guò)程中在自然崩落或爆破作用下形成的礦巖顆粒體系為研究對(duì)象,首先基于松動(dòng)體的最大寬度開(kāi)展不同放礦口間距下的多口放礦數(shù)值試驗(yàn),研究放礦口間距閾值以及不同區(qū)域內(nèi)礦巖顆粒間的應(yīng)力演化規(guī)律.

1.1 放礦數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 放礦數(shù)值試驗(yàn)方案.作者前期已基于自主研制的大型三維放礦物理試驗(yàn)平臺(tái)(圖1a)開(kāi)展相似比為1∶25的單口底部放礦物理試驗(yàn)研究,并首次基于剛性塊體模型[12](圖1b)構(gòu)建放礦數(shù)值模型.通過(guò)放礦物理試驗(yàn)與模擬結(jié)果的對(duì)比分析,證明了剛性塊體模型在崩落礦巖流動(dòng)特性研究中的可靠性與優(yōu)越性,并確定了松動(dòng)體的最大寬度[13],為本次多口條件下的放礦數(shù)值試驗(yàn)研究奠定了模型基礎(chǔ).

圖1 三維放礦物理試驗(yàn)平臺(tái)與剛性塊體模型

圖2為前期基于剛性塊體模型的單口放礦數(shù)值試驗(yàn)所得松動(dòng)體高度與最大寬度關(guān)系曲線[13].如圖2所示,松動(dòng)體高度為50 m時(shí),其最大寬度約16 m.基于此,本次模擬共設(shè)計(jì)如表1所示的12,16,20和24 m共四種不同放礦口間距下的放礦數(shù)值試驗(yàn),探究在松動(dòng)高度為50 m范圍內(nèi)礦巖顆粒產(chǎn)生均勻流的放礦口間距閾值與應(yīng)力演化規(guī)律.

圖2 單口條件下松動(dòng)體高度與最大寬度關(guān)系的放礦數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和理論曲線對(duì)比[13]

表1 不同放礦口間距下的數(shù)值模擬方案

2) 放礦數(shù)值模型構(gòu)建.綜合考慮上述不同放礦口間距下的數(shù)值試驗(yàn)方案以及數(shù)值計(jì)算效率,構(gòu)建如圖3所示的長(zhǎng)×寬×高=80 m×40 m×70 m的多口放礦數(shù)值模型.圖3a中模型底部深色區(qū)域即為三個(gè)放礦口,相鄰放礦口間距可根據(jù)不同的模擬方案進(jìn)行調(diào)節(jié).為了更加清晰地顯示礦巖顆粒均勻流等運(yùn)移狀態(tài),故以10 m為單位將模型內(nèi)不同高度的礦巖顆粒設(shè)置成如圖3b所示的兩種不同顏色.此外,在放礦開(kāi)始前于模型內(nèi)布設(shè)如圖3b所示的直徑為6 m的15個(gè)測(cè)量球域,監(jiān)測(cè)不同空間區(qū)域內(nèi)配位數(shù)以及塊體所受水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的演化過(guò)程.其中,第1～3號(hào)、7～9號(hào)和13～15號(hào)測(cè)量域分別布設(shè)于放礦口1～3的正上方10,25和40 m處;而第4～6號(hào)和10～12號(hào)測(cè)量域分別于相鄰放礦口間的中線位置對(duì)稱布設(shè),同一高度相鄰測(cè)量域的布設(shè)間距與相鄰放礦口布設(shè)間距的一半即0.5Ds保持一致.

圖3 多口放礦數(shù)值模型

3) 放礦數(shù)值試驗(yàn)過(guò)程.整個(gè)放礦數(shù)值試驗(yàn)過(guò)程如下:① 基于剛性塊體模型(圖1b)和“雨落法”[14]生成如圖3b所示的放礦數(shù)值模型,并賦予墻體與剛性塊體相應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)(表2).需要說(shuō)明的是,有關(guān)塊體形狀、級(jí)配及細(xì)觀參數(shù)的確定等介紹可見(jiàn)文獻(xiàn)[13],為避免重復(fù),故此處不再贅述.待整個(gè)模型達(dá)重力平衡狀態(tài)后,監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)模型內(nèi)不同空間位置的初始水平應(yīng)力σh, 0與垂直應(yīng)力σv, 0;② 打開(kāi)放礦口1～3使之同時(shí)出礦,監(jiān)測(cè)、記錄整個(gè)放礦過(guò)程中包括松動(dòng)體形態(tài)演化過(guò)程在內(nèi)的礦巖顆粒運(yùn)移情況、不同空間區(qū)域內(nèi)配位數(shù)(coordination number,CN)以及塊體所受水平應(yīng)力σh與垂直應(yīng)力σv的變化過(guò)程;③ 當(dāng)?shù)V巖顆粒松動(dòng)高度達(dá)50 m時(shí)停止出礦,并在模擬過(guò)程中保持20 m的覆巖高度不變.

表2 墻體與剛性塊體細(xì)觀參數(shù)

1.2 放礦數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

四組放礦數(shù)值試驗(yàn)結(jié)束后,從礦巖顆粒運(yùn)移演化和粒間的應(yīng)力演化等方面對(duì)比分析不同放礦口間距下的礦巖顆粒相互作用規(guī)律,確定產(chǎn)生礦巖顆粒均勻流的放礦口間距閾值.

1) 運(yùn)移演化規(guī)律分析.圖4為四種放礦口間距下松動(dòng)高度達(dá)50 m即停止出礦時(shí)刻的礦巖顆粒運(yùn)移縱剖面圖.如圖4a和圖4b所示,當(dāng)放礦口間距Ds為12 m(0.75wIMZ)和16 m(1.0wIMZ)時(shí),在35 m和45 m等不同高度的礦巖顆粒層已出現(xiàn)不同范圍近似水平下降的現(xiàn)象,即相鄰松動(dòng)體已相交;而如圖4c和圖4d所示,當(dāng)放礦口間距Ds為20 m(1.25wIMZ)和24 m(1.5wIMZ)時(shí),同一高度的礦巖顆粒層均呈“波浪狀”,不同高度的礦巖顆粒層均未出現(xiàn)均勻下降的現(xiàn)象,即可認(rèn)為相鄰松動(dòng)體間未產(chǎn)生相互影響.由上述分析可知:能夠產(chǎn)生礦巖顆粒均勻流的放礦口間距閾值介于1.0～1.25倍的松動(dòng)體最大寬度.

圖4 不同放礦口間距下的礦巖顆粒運(yùn)移縱剖面圖

以試驗(yàn)4為例,由于三個(gè)松動(dòng)體的形態(tài)變化基本一致,故統(tǒng)計(jì)并計(jì)算不同高度時(shí)三個(gè)松動(dòng)體的最大寬度及其均值,得到如圖5所示的放礦口間距Ds為24 m時(shí)的松動(dòng)體形態(tài)縱剖面圖，以及松動(dòng)體高度與平均最大寬度的擬合曲線.由圖5可知:50 m高度時(shí)，三個(gè)松動(dòng)體形態(tài)均呈倒置水滴形,松動(dòng)體高度與其最大寬度之間滿足倒置水滴理論[15]所述冪函數(shù)關(guān)系(式(1)),擬合優(yōu)度R2大于0.995:

wmax=a×Hb.

(1)

式中:wmax為松動(dòng)體的最大寬度;H為松動(dòng)體的高度；a和b為擬合系數(shù).此外,圖5從定量角度證明:當(dāng)放礦口間距較大時(shí)(如Ds>1.5wmax),相鄰松動(dòng)體之間彼此獨(dú)立,其形態(tài)演化規(guī)律與單口放礦條件下的松動(dòng)體形態(tài)演化規(guī)律相同,依然符合倒置水滴理論.

2) 應(yīng)力演化規(guī)律分析.統(tǒng)計(jì)四組放礦數(shù)值試驗(yàn)中不同測(cè)量球域(圖3b)內(nèi)的礦巖顆粒間配位數(shù)以及所受水平與垂直應(yīng)力的演化過(guò)程.其中,圖6為不同放礦口間距條件下第4號(hào)測(cè)量域內(nèi)垂直應(yīng)力的變化過(guò)程.由圖6可知:① 在四組放礦試驗(yàn)的初始階段,第4號(hào)測(cè)量域所在區(qū)域?yàn)閮上噜彿诺V口間的非松動(dòng)區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力σv較放礦前的初始垂直應(yīng)力σv, 0均呈快速增加的趨勢(shì).隨后,當(dāng)放礦口間距較小時(shí)(如試驗(yàn)1和試驗(yàn)2),礦巖顆粒的松動(dòng)范圍逐漸波及第4號(hào)測(cè)量域,即顆粒逐漸出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象,故該區(qū)域內(nèi)的垂直應(yīng)力逐漸減小至初始垂直應(yīng)力的0.6倍左右;而當(dāng)放礦口間距較大時(shí)(如試驗(yàn)4),第4號(hào)測(cè)量域所在區(qū)域始終為兩相鄰放礦口間的非松動(dòng)區(qū)域,故該區(qū)域內(nèi)的垂直應(yīng)力基本穩(wěn)定在初始垂直應(yīng)力的1.2倍左右.② 放礦口間距越小,兩相鄰放礦口間的非松動(dòng)區(qū)域所受垂直應(yīng)力越大,且最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)刻越早.其中,當(dāng)放礦口間距Ds為12 m(試驗(yàn)1),第4號(hào)測(cè)量域內(nèi)的最大垂直應(yīng)力已接近初始垂直應(yīng)力的1.8倍(圖6中的試驗(yàn)1曲線).由此分析可知:若設(shè)計(jì)的相鄰放礦口間距過(guò)小,可能會(huì)威脅兩放礦口間采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

圖5 試驗(yàn)4所得松動(dòng)體高度與平均最大寬度關(guān)系的放礦數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和理論曲線對(duì)比

圖6 不同放礦口間距條件下第4號(hào)測(cè)量域內(nèi)垂直應(yīng)力的變化過(guò)程

為了進(jìn)一步分析松動(dòng)區(qū)域與非松動(dòng)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力演化間的聯(lián)系及差異性,故以放礦口間距較大的試驗(yàn)4為例,圖7為試驗(yàn)4所得第5號(hào)和第8號(hào)測(cè)量域內(nèi)水平與垂直應(yīng)力的變化過(guò)程.由圖3b和圖7可知:① 第8號(hào)測(cè)量域處于放礦口2正上方且不受兩側(cè)放礦口影響,故該測(cè)量域內(nèi)水平與垂直應(yīng)力變化規(guī)律與單口放礦條件下的應(yīng)力變化規(guī)律一致,即隨著松動(dòng)體范圍自下而上不斷接近和到達(dá)第8號(hào)測(cè)量域所在高度時(shí),該處水平應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì),垂直應(yīng)力則逐漸減小;而當(dāng)松動(dòng)體范圍超過(guò)第8號(hào)測(cè)量域所在高度時(shí),該處礦巖顆粒變得較為松散,水平與垂直應(yīng)力均在較低數(shù)值范圍內(nèi)呈波動(dòng)變化的趨勢(shì)；② 第5號(hào)測(cè)量域處于兩放礦口間的非松動(dòng)區(qū)域,該處水平應(yīng)力不斷減小;垂直應(yīng)力在放礦開(kāi)始階段無(wú)顯著變化,而在t1時(shí)刻即松動(dòng)體范圍到達(dá)第8號(hào)測(cè)量域所在高度時(shí),垂直應(yīng)力開(kāi)始逐漸增大,表明在放礦過(guò)程中松動(dòng)體上方的垂直應(yīng)力會(huì)逐漸向兩側(cè)的非松動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)移.

圖7 試驗(yàn)4所得第5號(hào)和第8號(hào)測(cè)量域內(nèi)水平與力的變化過(guò)程

圖8為試驗(yàn)4所得第4～9號(hào)測(cè)量域內(nèi)配位數(shù)的變化過(guò)程.由圖8分析可知:① 在整個(gè)放礦過(guò)程中,處于非松動(dòng)區(qū)域的第4～6號(hào)測(cè)量域內(nèi)CN的數(shù)值基本為8～9,均無(wú)顯著變化，且空間高度越低即上覆巖層高度越大,其配位數(shù)越大.② 隨著松動(dòng)范圍依次到達(dá)第7～9號(hào)測(cè)量域,其CN亦依次減小;此外,與非松動(dòng)區(qū)域內(nèi)配位數(shù)變化不同的是,在松動(dòng)體范圍內(nèi),空間高度越低其CN越小但波動(dòng)范圍越大,表明越接近放礦口的位置,其礦巖顆粒越松散且運(yùn)移與接觸變化的無(wú)序程度越高.

圖8 試驗(yàn)4所得第4～9號(hào)測(cè)量域內(nèi)配位數(shù)的變化過(guò)程

2 不同放礦方式下的礦巖顆粒相互作用規(guī)律研究

由于實(shí)際崩落法礦山存在礦-巖接觸面不水平、個(gè)別放礦口堵塞等情況,各放礦口并非始終保持同時(shí)出礦的方式.因此,在對(duì)不同放礦口間距下礦巖顆粒運(yùn)移和應(yīng)力演化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)一步探究不同放礦方式下的礦巖顆粒相互作用規(guī)律.

2.1 放礦數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為避免相鄰放礦口間過(guò)多的礦石殘留與損失,實(shí)際崩落法礦山采場(chǎng)中設(shè)計(jì)的放礦口間距應(yīng)能保證礦巖顆粒出現(xiàn)均勻流(兩相鄰松動(dòng)體相交)[16].因此,基于上節(jié)研究結(jié)果,本次不同放礦方式下的數(shù)值試驗(yàn)中均保持放礦口間距為16 m(1.0wIMZ)不變,具體設(shè)計(jì)方案如表3所示.其中,表3中放礦口間距為16 m且放礦口1,2,3同時(shí)出礦的試驗(yàn)組作為本次放礦數(shù)值試驗(yàn)的對(duì)照組,而放礦數(shù)值模型及其細(xì)觀參數(shù)均與上節(jié)不同放礦口間距下的數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)保持一致,分別如圖3和表2所示.

表3 不同放礦方式下的數(shù)值試驗(yàn)方案

2.2 放礦數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

三組放礦數(shù)值試驗(yàn)結(jié)束后,依然從礦巖顆粒運(yùn)移和應(yīng)力演化兩方面對(duì)比分析不同放礦方式下的礦巖顆粒相互作用規(guī)律.

1) 運(yùn)移演化規(guī)律分析.圖9為不同放礦方式下停止出礦時(shí)刻的礦巖顆粒運(yùn)移縱剖面圖.與圖4b所示同時(shí)出礦方式下的礦巖顆粒運(yùn)移結(jié)果相比,相同之處在于圖9所示不同順次出礦或間斷出礦方式下的礦巖顆粒層在35 m和45 m等不同高度均已產(chǎn)生不同程度的相互作用,即相鄰松動(dòng)體已相交;不同之處在于同一高度的礦巖顆粒層并非均呈近似水平下降,而是由于放礦方式的不同出現(xiàn)了不同程度的傾斜或非均勻下降的現(xiàn)象.由上述分析可知:針對(duì)實(shí)際放礦過(guò)程中由于個(gè)別放礦口堵塞、礦巖自然或強(qiáng)制崩落效果不佳以及放礦管理不善等原因造成的礦-巖接觸面不水平等情形,可以通過(guò)改變各放礦口的出礦順序調(diào)控礦巖顆粒的運(yùn)移軌跡,進(jìn)而優(yōu)化礦-巖接觸面,提高礦石回收率或減少?gòu)U石提前混入.

2) 應(yīng)力演化規(guī)律分析.統(tǒng)計(jì)包括對(duì)照試驗(yàn)在內(nèi)的四組放礦數(shù)值試驗(yàn)中不同測(cè)量球域(圖3b)內(nèi)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的演化過(guò)程.其中,圖10為不同放礦方式條件下第4號(hào)測(cè)量域內(nèi)垂直應(yīng)力的變化過(guò)程.由圖10中圓圈內(nèi)曲線變化趨勢(shì)所示:① 相同的是,在四組放礦試驗(yàn)的初始階段,第4號(hào)測(cè)量域內(nèi)垂直應(yīng)力σv較放礦前的初始垂直應(yīng)力σv, 0均出現(xiàn)明顯激增的現(xiàn)象;② 不同的是,在放礦初始階段試驗(yàn)1～3中僅放礦口1出礦,放礦口2未出礦,因此僅有放礦口1上方的垂直應(yīng)力向第4號(hào)測(cè)量域所在非松動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)移,三組試驗(yàn)中該區(qū)域內(nèi)的最大垂直應(yīng)力為初始垂直應(yīng)力的1.3倍左右;而對(duì)照試驗(yàn)中放礦口1和2同時(shí)出礦,故兩側(cè)放礦口上方的垂直應(yīng)力均向第4號(hào)測(cè)量域所在非松動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)移,因而與試驗(yàn)1～3相比,對(duì)照試驗(yàn)中該區(qū)域內(nèi)的最大垂直應(yīng)力稍大一些.由此分析可知:在放礦口間距不變的條件下,不同放礦方式對(duì)采場(chǎng)底部所受最大垂直應(yīng)力無(wú)顯著影響.

圖9 不同放礦方式下的礦巖顆粒運(yùn)移縱剖面圖

圖10 不同放礦方式下第4號(hào)測(cè)量域內(nèi)垂直應(yīng)力的變化過(guò)程

圖11為不同放礦方式下第3號(hào)和第8號(hào)測(cè)量域內(nèi)水平應(yīng)力的變化過(guò)程.如圖11a中圈1和圈2兩圓圈內(nèi)曲線變化趨勢(shì)所示,當(dāng)松動(dòng)范圍逐漸接近和到達(dá)第3號(hào)測(cè)量域所在區(qū)域時(shí),試驗(yàn)1～3中第3號(hào)測(cè)量域內(nèi)水平應(yīng)力均出現(xiàn)不同程度激增的現(xiàn)象,而對(duì)照試驗(yàn)中第3號(hào)測(cè)量域內(nèi)水平應(yīng)力無(wú)明顯增加.這是由于放礦方式不同而產(chǎn)生的差異,具體而言:對(duì)于試驗(yàn)1～3,由于放礦口1先于放礦口2和3出礦,當(dāng)松動(dòng)范圍逐漸接近和到達(dá)第3號(hào)測(cè)量域所在區(qū)域時(shí),其四周均為非松動(dòng)區(qū)域,即第3號(hào)測(cè)量域四周礦巖顆粒仍處于密實(shí)接觸的狀態(tài),應(yīng)力拱效應(yīng)[17]顯著,因此該區(qū)域存在明顯的垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)移、水平應(yīng)力激增的現(xiàn)象.而對(duì)照試驗(yàn)采用的是同時(shí)出礦方式,當(dāng)松動(dòng)范圍逐漸接近和到達(dá)第3號(hào)測(cè)量域所在區(qū)域時(shí),其四周已形成均勻流,即第3號(hào)測(cè)量域四周礦巖顆粒已處于松散接觸的狀態(tài),無(wú)顯著應(yīng)力拱效應(yīng),因此該區(qū)域水平應(yīng)力無(wú)明顯增加.與之類似,如圖11b中圓圈1,2,3,4內(nèi)曲線變化趨勢(shì)所示,不同放礦方式會(huì)影響第8號(hào)測(cè)量域四周應(yīng)力分布狀態(tài),因此四組試驗(yàn)中第8號(hào)測(cè)量域內(nèi)水平應(yīng)力會(huì)在不同放礦階段出現(xiàn)不同程度的激增現(xiàn)象.由此分析可知:不同放礦方式會(huì)顯著影響采場(chǎng)內(nèi)不同時(shí)刻和不同空間位置的應(yīng)力分布狀態(tài),進(jìn)而影響整個(gè)礦巖顆粒體系的松動(dòng)范圍和流動(dòng)特性.

圖11 不同放礦方式下第3號(hào)和第8號(hào)測(cè)量域內(nèi)水平應(yīng)力的變化過(guò)程

3 討 論

眾所周知,礦巖顆粒流動(dòng)體系內(nèi)存在不同形式、不同強(qiáng)度的拱結(jié)構(gòu)/應(yīng)力拱[11, 13],而多放礦口間的礦巖顆粒相互作用規(guī)律和拱結(jié)構(gòu)及應(yīng)力轉(zhuǎn)移之間亦存在顯著的關(guān)聯(lián)機(jī)制.因此,從拱結(jié)構(gòu)和應(yīng)力轉(zhuǎn)移(圖12)的角度對(duì)本文研究所得放礦口間距閾值和應(yīng)力演化規(guī)律等問(wèn)題作如下討論.

圖12 不同放礦口間距下的礦巖顆粒流動(dòng)體系內(nèi)應(yīng)力拱和應(yīng)力轉(zhuǎn)移示意圖

1) 本文研究所得能夠產(chǎn)生礦巖顆粒均勻流(兩相鄰松動(dòng)體相交)的放礦口間距Ds的閾值介于1.0～1.25倍的松動(dòng)體最大寬度wIMZ,而非Laubscher[3]基于以砂子為介質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)得出的1.5wIMZ.這是由于地下礦山開(kāi)采過(guò)程中由爆破作用或自然崩落形成的礦巖散體是一種典型而復(fù)雜的顆粒物質(zhì)體系,其與玉米、小麥、大豆等農(nóng)作物以及砂子等顆粒物質(zhì)相比,具有粒徑分布范圍廣、形狀復(fù)雜多變以及強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角大等特點(diǎn),故礦巖顆粒間存在顯著的應(yīng)力拱效應(yīng).因此,在放礦口間距為松動(dòng)體最大寬度的1.5倍條件下,當(dāng)兩相鄰松動(dòng)體上方垂直應(yīng)力向中間的非松動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)移時(shí),非松動(dòng)區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力明顯增大(如圖6中試驗(yàn)4對(duì)應(yīng)的曲線).若以砂子為介質(zhì),則誘發(fā)垂直應(yīng)力將導(dǎo)致兩放礦口間的非松動(dòng)區(qū)域出現(xiàn)松動(dòng)進(jìn)而形成均勻流;而以礦巖顆粒為介質(zhì),則非松動(dòng)區(qū)域內(nèi)形成拱結(jié)構(gòu)的礦巖顆粒間能夠承受一定垂直應(yīng)力而仍處于穩(wěn)定狀態(tài).

2) 對(duì)于放礦口間距為松動(dòng)體最大寬度的1.0倍時(shí)已能夠產(chǎn)生礦巖顆粒均勻流這一現(xiàn)象,則是與應(yīng)力拱的形成條件相關(guān).如圖12所示,當(dāng)放礦口間距較大時(shí)(如Ds1),兩放礦口間的礦巖顆?？尚纬奢^為穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu);當(dāng)放礦口間距逐漸減小時(shí),應(yīng)力拱的拱長(zhǎng)、跨度及其穩(wěn)定性隨之逐漸減小;而當(dāng)間距減小至某一值以下時(shí)(如Ds2),由上覆礦巖自重產(chǎn)生的垂直應(yīng)力以及由兩相鄰松動(dòng)體上方轉(zhuǎn)移而來(lái)的垂直應(yīng)力的疊加作用會(huì)超過(guò)應(yīng)力拱的承載極限,組成該應(yīng)力拱的礦巖散體間的關(guān)鍵接觸出現(xiàn)斷裂,應(yīng)力拱崩塌,即礦巖顆粒間將難以形成穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)(如圖11a中對(duì)照試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的曲線,其水平應(yīng)力無(wú)明顯增加),兩放礦口間的礦巖顆粒隨之產(chǎn)生松動(dòng).因此,不同放礦口間距和放礦方式條件下的礦巖顆粒相互作用規(guī)律本質(zhì)上可認(rèn)為是礦巖顆粒流動(dòng)體系內(nèi)粒間力學(xué)行為的作用結(jié)果.

4 結(jié) 論

1) 放礦口間距和放礦方式兩因素顯著影響采場(chǎng)內(nèi)礦巖顆粒運(yùn)移和應(yīng)力演化.多口放礦條件下能夠產(chǎn)生礦巖顆粒均勻流的放礦口間距閾值介于1.0～1.25倍的松動(dòng)體最大寬度,對(duì)于實(shí)際崩落法礦山的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化具有一定借鑒意義.

2) 礦巖顆粒流動(dòng)體系內(nèi)存在明顯的應(yīng)力拱效應(yīng),放礦過(guò)程中松動(dòng)體上方的垂直應(yīng)力會(huì)逐漸向兩側(cè)的非松動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)移.在所研究的取值范圍內(nèi),采場(chǎng)底部最大垂直應(yīng)力已接近初始垂直應(yīng)力的1.8倍.因此,若實(shí)際采場(chǎng)設(shè)計(jì)的相鄰放礦口間距過(guò)小,可能會(huì)威脅兩放礦口間采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

3) 同時(shí)出礦方式下,同一高度的礦巖顆粒層可形成近似水平下降的均勻流;而順次出礦或間斷出礦方式下,同一高度的礦巖顆粒層會(huì)出現(xiàn)不同程度的傾斜或非均勻下降的現(xiàn)象.因此實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)綜合考慮礦巖崩落效果和生產(chǎn)進(jìn)度安排等因素,通過(guò)改變各放礦口的出礦順序調(diào)控礦巖顆粒運(yùn)移軌跡,進(jìn)而優(yōu)化礦-巖接觸面,提高礦石回收率或減少?gòu)U石的提前混入.

4) 放礦過(guò)程中采場(chǎng)內(nèi)非松動(dòng)區(qū)域的配位數(shù)約為8～9,且空間高度越低其配位數(shù)越大;在松動(dòng)區(qū)域內(nèi),空間高度越低其配位數(shù)越小但波動(dòng)范圍越大,即松動(dòng)體內(nèi)越接近放礦口的位置,其礦巖顆粒越松散且運(yùn)移與接觸變化的無(wú)序程度越高.