放矿扰动和矿体倾角对散体侧压力分布的影响研究

2021-09-09何荣兴任凤玉张东杰

金属矿山 2021年8期

刘洋何荣兴任凤玉张东杰

（1.内蒙古科技大学矿业与煤炭院，内蒙古包头014010；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004）

在金属矿床地下开采中，空区引起周边围岩破坏，进而引起地表塌陷和周边出现裂缝，形成陷落区［1，2］。在深部开采中，准确预测地表陷落区的范围，对于优化总图布置、保障生产安全及降低生产成本有着重要意义。为此，任凤玉教授提出临界散体柱理论，即当空区冒透地表后，四周围岩是否发生片落，取决于围岩自身强度与边壁有无侧向支撑力。在强度一定时，如果有侧向支撑力，围岩片落的程度将会受到限制；如果有足够大的侧向支撑力，便不会发生侧向片落，在弓长岭铁矿、小汪沟铁矿及锡林浩特萤石矿的应用中取得了成功［3-5］。

散体侧压力的相对大小常用侧压力系数来表示。大体说来，侧压力系数（即散体侧向压力与垂直压力的比值）是反映散体颗粒流动性的一项指标，其中，著名的理论分析方法有多种：JANSSEN［6］、MARECL和ANDRE REIMBERT［7］、JENIKE［8］及 WALKER［9，10］。但目前关于散体侧压力研究大部分集中于筒仓方面，对于井下放矿对散体侧压力影响的研究很少，不能为放矿情况下临界散体柱高度及地表陷落范围的确定提供有力支撑。本项目在以往散体侧压力分布规律研究基础上，利用散体颗粒流动侧向压力实验系统研究放矿扰动和矿体倾角对散体侧压力的影响规律，并结合矿山实际情况为放矿扰动下地表陷落范围形态的预测提供理论基础。

1 实验设备及过程

1.1 实验设备

本次实验采用吉林省金力实验技术有限公司和东北大学共同设计的散体颗粒流动侧向压力测试系统进行数据采集（如图1所示）［11，12］。测试系统由放矿设备和数据采集软件组成。为保证设备在实验过程中稳固安全，放矿设备由32块铝合金板构成，每块板的高度为10 cm，长度为50 cm，厚度为25 mm。为了采集到更多的样本和尽量不影响数据的准确性，每隔一块板上设置1个传感器采集通道，共16个通道，1#～8#通道靠近放出口，9#～16#通道远离放出口，1#与9#为最下部采集通道，8#与16#为最上部采集通道。为了使设备更加稳固和数据传输更加顺畅，钢板外边缘有2个光滑的轴与外框架固定，钢板与框架之间连接1个CSF-1A位移传感器，钢板的重量靠轴杆和框架支撑，光滑轴杆可使钢板受散体侧压力完全传递至传感器，传感器通过数据线传至监测主机。为了方便调节矿体倾角，靠近放矿口一侧安装支撑杆，借此调整实验设备倾角。同时，为了更好地观测矿体倾角，设备侧壁上放置角度显示器。设备最下端依次开设1#～4#放矿口，放矿口尺寸为3 cm×3 cm。为了保证颗粒的流动性和力学性质相近，将散体颗粒染成红色模拟矿石，白色散体颗粒作为覆盖岩层。根据相似理论，得出放置红色散体颗粒的厚度是0.3 m。为了更好地反映松动体的影响，采用无贫化放矿，每次放矿量约为200 g，选取1#～4#放矿口等量均匀放矿。

1.2 实验过程

放矿扰动和矿体倾角对散体侧压力的影响规律实验步骤如下：①将实验设备调节至90°，打开数据测试装置，检查16个测试通道是否正常，确认无误后，将连接每个传感器的移动轴杆推至最外侧，对软件清零操作并保存数据；②使用弹性材料将底部4个放出口封堵，先将红色散体按要求装入实验设备中，然后将白色散体装入设备中，直至装满为止，静置20 min，记录静止状态下各通道的散体侧压力；③采用1#～4#放矿口等量均匀放矿，每次放矿量约为200 g，记录各通道的散体侧压力，当放矿口出现白色散体时，就停止对该放矿口放矿，直至4个放矿口都有白色散体颗粒出现为止；④一次实验结束后，分别调节设备到85°及80°，重复步骤②及③。

2 实验结果分析

根据调节倾角后实验设备的形态，将远离放出口一侧边壁定义为上盘（9#～16#通道），近放出口一侧边壁定义为下盘（1#～8#通道）。图2（a）～图2（c）分别是矿体倾角为90°、85°及80°时各通道的散体侧压力与放矿次数的关系图。

通过图2分析得出，不同矿体倾角条件下散体侧压力的变化趋势大致相同。1#通道测量值随着放矿次数的增加而逐渐减小，但减小速率逐渐减小，减小率呈现出指数函数的增长趋势。2#和3#通道测量值随着放矿次数的增加而先增大后减小。8#通道测量呈现出下降趋势。其余下盘侧的通道测量值均随着放矿次数的增加而增大。9#通道测量值随着放矿次数的增加而减小，减小率也呈现出指数函数的增长趋势；10#通道测量值随着放矿次数的增加而先增大后减小；16#通道测量值呈现出下降趋势。其余上盘侧的通道测量值均随着放矿次数的增加而逐渐增大。

由于通道测量范围内的散体轻微减小，导致8#和16#通道测量值呈现出下降趋势。放矿过程中，放出体和松动体的范围是逐渐增大的，位于松动体范围以外的散体几乎不发生松动，且随着放矿过程的进行，内摩擦系数不断增大，导致散体侧压力增大。位于松动体范围内的散体，受到放矿扰动的影响，散体发生移动和松散，导致散体侧压力减小。放出体和松动体的范围随着放出矿石质量增加而增大，因此位于放矿口稍远位置的散体在初始放矿阶段不会受到放矿扰动的影响。随着放矿过程的进行，放出体和松动体的范围逐渐变大，就出现了2#、3#及10#通道的散体侧压力的变化情况，而且距离放矿口的距离越远，受到放矿扰动影响的时间就晚。采用无贫化方式放矿，因此本组实验放出体的高度是30 cm。根据放出体高度和松动体高度的关系式，得出本次实验的松动体高度约为73.8 cm。通过本组实验结果与松动体高度的对比分析得出，位于松动体范围以外的散体基本不受放矿扰动的影响，而是受到摩擦系数的影响，导致散体侧压力呈现出增大的趋势。目前，使用无底柱分段崩落法的矿山大部分都采用15 m作为一个分段的高度，由此可见，采用无底柱分段崩落法开采对散体侧压力的影响范围较小。且不论上盘侧还是下盘侧的通道，它们的散体侧压力的减小速率均随着放矿次数的增加而减小，最终趋于稳定。

放矿扰动范围内散体侧压力降低率与矿体倾角的关系如表1所示，随着矿体倾角的减小，矿体上盘散体侧压力的降低率逐渐增大，矿体下盘则与之相反，随着矿体倾角的减小而逐渐减小。通过上述分析可得，矿体倾角越缓，散体对上盘岩体的支撑力越小，岩体越容易发生破坏。不同矿体倾角条件下散体侧压力的变化趋势基本相近，矿体倾角对散体侧压力的减小速率有较大影响。