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        放礦擾動(dòng)和礦體傾角對(duì)散體側(cè)壓力分布的影響研究

        2021-09-09 10:30:14何榮興任鳳玉張東杰
        金屬礦山 2021年8期
        關(guān)鍵詞:散體側(cè)壓力側(cè)向

        劉 洋 何榮興 任鳳玉 張東杰

        (1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭院,內(nèi)蒙古包頭014010;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)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(jìn)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)地表陷落區(qū)的范圍,對(duì)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(dāng)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(qiáng)度與邊壁有無側(cè)向支撐力。在強(qiáng)度一定時(shí),如果有側(cè)向支撐力,圍巖片落的程度將會(huì)受到限制;如果有足夠大的側(cè)向支撐力,便不會(huì)發(fā)生側(cè)向片落,在弓長(zhǎng)嶺鐵礦、小汪溝鐵礦及錫林浩特螢石礦的應(yīng)用中取得了成功[3-5]。

        散體側(cè)壓力的相對(duì)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(dòng)性的一項(xiàng)指標(biāo),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(guān)于散體側(cè)壓力研究大部分集中于筒倉(cāng)方面,對(duì)于井下放礦對(duì)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(xiàng)目在以往散體側(cè)壓力分布規(guī)律研究基礎(chǔ)上,利用散體顆粒流動(dòng)側(cè)向壓力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究放礦擾動(dòng)和礦體傾角對(duì)散體側(cè)壓力的影響規(guī)律,并結(jié)合礦山實(shí)際情況為放礦擾動(dòng)下地表陷落范圍形態(tài)的預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

        1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程

        1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        本次實(shí)驗(yàn)采用吉林省金力實(shí)驗(yàn)技術(shù)有限公司和東北大學(xué)共同設(shè)計(jì)的散體顆粒流動(dòng)側(cè)向壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(如圖1所示)[11,12]。測(cè)試系統(tǒng)由放礦設(shè)備和數(shù)據(jù)采集軟件組成。為保證設(shè)備在實(shí)驗(yàn)過程中穩(wěn)固安全,放礦設(shè)備由32塊鋁合金板構(gòu)成,每塊板的高度為10 cm,長(zhǎng)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(zhǔn)確性,每隔一塊板上設(shè)置1個(gè)傳感器采集通道,共16個(gè)通道,1#~8#通道靠近放出口,9#~16#通道遠(yuǎn)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(shè)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(gè)光滑的軸與外框架固定,鋼板與框架之間連接1個(gè)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(cè)主機(jī)。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(shí)驗(yàn)設(shè)備傾角。同時(shí),為了更好地觀測(cè)礦體傾角,設(shè)備側(cè)壁上放置角度顯示器。設(shè)備最下端依次開設(shè)1#~4#放礦口,放礦口尺寸為3 cm×3 cm。為了保證顆粒的流動(dòng)性和力學(xué)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(dòng)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(shí)驗(yàn)過程

        放礦擾動(dòng)和礦體傾角對(duì)散體側(cè)壓力的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)步驟如下:①將實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)節(jié)至90°,打開數(shù)據(jù)測(cè)試裝置,檢查16個(gè)測(cè)試通道是否正常,確認(rèn)無誤后,將連接每個(gè)傳感器的移動(dòng)軸桿推至最外側(cè),對(duì)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(gè)放出口封堵,先將紅色散體按要求裝入實(shí)驗(yàn)設(shè)備中,然后將白色散體裝入設(shè)備中,直至裝滿為止,靜置20 min,記錄靜止?fàn)顟B(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(dāng)放礦口出現(xiàn)白色散體時(shí),就停止對(duì)該放礦口放礦,直至4個(gè)放礦口都有白色散體顆粒出現(xiàn)為止;④一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,分別調(diào)節(jié)設(shè)備到85°及80°,重復(fù)步驟②及③。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        根據(jù)調(diào)節(jié)傾角后實(shí)驗(yàn)設(shè)備的形態(tài),將遠(yuǎn)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(shí)各通道的散體側(cè) 壓力與放礦次數(shù)的關(guān)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(shì)大致相同。1#通道測(cè)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(zhǎng)趨勢(shì)。2#和3#通道測(cè)量值隨著放礦次數(shù)的增加而先增大后減小。8#通道測(cè)量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其余下盤側(cè)的通道測(cè)量值均隨著放礦次數(shù)的增加而增大。9#通道測(cè)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(zhǎng)趨勢(shì);10#通道測(cè)量值隨著放礦次數(shù)的增加而先增大后減小;16#通道測(cè)量值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其余上盤側(cè)的通道測(cè)量值均隨著放礦次數(shù)的增加而逐漸增大。

        由于通道測(cè)量范圍內(nèi)的散體輕微減小,導(dǎo)致8#和16#通道測(cè)量值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。放礦過程中,放出體和松動(dòng)體的范圍是逐漸增大的,位于松動(dòng)體范圍以外的散體幾乎不發(fā)生松動(dòng),且隨著放礦過程的進(jìn)行,內(nèi)摩擦系數(shù)不斷增大,導(dǎo)致散體側(cè)壓力增大。位于松動(dòng)體范圍內(nèi)的散體,受到放礦擾動(dòng)的影響,散體發(fā)生移動(dòng)和松散,導(dǎo)致散體側(cè)壓力減小。放出體和松動(dòng)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(yuǎn)位置的散體在初始放礦階段不會(huì)受到放礦擾動(dòng)的影響。隨著放礦過程的進(jìn)行,放出體和松動(dòng)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(yuǎn),受到放礦擾動(dòng)影響的時(shí)間就晚。采用無貧化方式放礦,因此本組實(shí)驗(yàn)放出體的高度是30 cm。根據(jù)放出體高度和松動(dòng)體高度的關(guān)系式,得出本次實(shí)驗(yàn)的松動(dòng)體高度約為73.8 cm。通過本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與松動(dòng)體高度的對(duì)比分析得出,位于松動(dòng)體范圍以外的散體基本不受放礦擾動(dòng)的影響,而是受到摩擦系數(shù)的影響,導(dǎo)致散體側(cè)壓力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。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(gè)分段的高度,由此可見,采用無底柱分段崩落法開采對(duì)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(dòng)范圍內(nèi)散體側(cè)壓力降低率與礦體傾角的關(guān)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(duì)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(shì)基本相近,礦體傾角對(duì)散體側(cè)壓力的減小速率有較大影響。

        3 結(jié)論

        (1)提出測(cè)試放礦擾動(dòng)和不同礦體傾角下散體側(cè)壓力變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方案,開發(fā)了測(cè)試系統(tǒng),設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在不斷放出和改變礦體傾角的過程中測(cè)試不同通道的散體側(cè)壓力數(shù)值。

        (2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:位于松動(dòng)體范圍內(nèi)的散體,受到放礦擾動(dòng)的影響,散體發(fā)生移動(dòng)和松散,導(dǎo)致散體側(cè)壓力減小;位于松動(dòng)體范圍以外的散體基本不受放礦擾動(dòng)的影響,而是受到摩擦系數(shù)的影響,導(dǎo)致散體側(cè)壓力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

        (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小;不同礦體傾角條件下散體側(cè)壓力的變化趨勢(shì)基本相近,礦體傾角對(duì)散體側(cè)壓力的減小速率有較大影響。

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