在Nonpillar放顶煤开采过程中的侧向压力回采顺序和粒度分级影响的实验研究

摘要

本研究通过自行设计的比例物理模型，研究不同回采顺序和颗粒级配下侧压力的变化规律，并利用实验放矿模拟采矿过程。在极限平衡状态下，侧压力随颗粒介质深度的增加呈指数增长，随着颗粒介质深度的增加，侧压力的增长速率逐渐减小。实验结果表明，侧压力的分布规律分为拉深影响区、上降区和中心生长区三部分。随着隔离抽采区高度的增加，抽采影响区和上降压区范围增大，中心生长区范围减小;在IEZ高度不变的情况下，下壁面会出现较大的折弯比和拉伸影响范围。增大拉拔点与颗粒级配之间的距离是控制拉拔影响区域侧压力降低率的有效途径，而上述部分的范围保持稳定。在相同放矿次数下，随着颗粒级配的减小，侧压力平均值呈增大趋势。

1.介绍

地下金属矿山开采通常采用无底柱分段崩落法采矿，开采强度高，采矿成本低，回采工艺简单[1- - - - - -3.］.然而，基于该开采方法的主要特点，开采作业附近不可避免地会产生地表沉陷。地表沉降范围的不准确会严重影响采收率、自然资源损失和作业安全。同时，侧压力分布规律是预测无底柱分段崩落开采地表沉陷范围的重要因素[4- - - - - -7］.因此，研究其分布规律对控制和避免自然资源的损失和地表沉降的危害是十分必要的。

近年来，人们通过物理模型、理论分析和数值分析等方法对侧压力的分布规律进行了研究。同时，传统的侧压力定律是建立在Janssen、Coulomb、Reimbert、Wilfred Airy、Rankine等理论的基础上的，其广泛应用的侧压力计算公式如表所示1(8- - - - - -19.］.詹森的理论已被广泛使用，但侧向压力的不同系数在不同规格的施加。Reimbert [14.]研究了基于室内试验的方程，其中侧压力系数是可变的。然后,陈17.根据詹森方程，它已在薄矿体被使用的假设报道侧压力的公式有倾斜角度。否则，缩放物理实验已经被广泛应用在实验室中，具有成本低，简单的操作和低时间消耗。布朗等人。研究在存储和放电状态压力的图案与两个不同的自由流动的固体[20.］.同时，仁等。设计的设置绘图矿石[过程中，研究侧向压力的变化规律21］.随着数值模拟技术的发展，大量的数字代码，包括ANSYS [22，23],民主党[24，25]和PFC [26，并应用于颗粒介质侧压力模型。采用PFC3D软件模拟出卸煤过程中物料内部压力的分布规律[27]，利用ADINA软件预测筒仓侧压力值[28］.这些研究对极限平衡状态下侧压力的分布规律、材料间侧压力的影响、箱体形状几何形状的影响因素、侧压力的系数特征及其变化趋势等方面提供了重要的认识。


传统的法律		申请人

；		詹森(13.］
；；		Reimbert [14.］
；；；		库仑(15.］
；		威尔弗雷德的(16.］
；		陈(17.］
，；，		兰金(18.］

笔记：p是侧向压力;p _一个为主动侧压;p _b是被动侧压;K为侧向压力系数;K _一个为主动侧压力系数;K _b为被动侧压力系数;γ为颗粒介质的单位重量;年代是类筒仓的水平投影面积;C是类筒仓水平投影的周长;f为颗粒介质与级筒仓之间的摩擦系数，f= tanϕ，ϕ为颗粒介质与级筒仓的摩擦角;z为颗粒介质高度;ε是类筒仓和垂直线之间的角度;θ为颗粒介质的内摩擦角;α是班级的低谷;β为土壤表面的倾角;D为级筒仓的内径;ζ为破裂角;μ为颗粒介质的休止角。

在无底柱分段崩落法开采中，崩落岩带中颗粒介质的运动和非均匀颗粒条件非常普遍[29，30.］.因此，侧压力的分布规律受到开采的影响。然而，这些研究大多集中在极限平衡和均匀颗粒条件下的侧压力分布规律上。在放矿和非均匀分级条件下的分布规律研究较少。虽然拉拔点的大小、物料的性质、矿体的倾角和宽度等重要因素都会影响侧压力，但回采顺序和散体级配对分析地表塌陷侧壁的应力状态也至关重要。考虑回采顺序和颗粒级配对侧压力分布规律的影响，进行了尺度物理实验，找到了放矿过程中侧压力的变化规律。这项工作不仅可以帮助研究者了解散体介质重力流的机理，而且可以为无底柱分段崩落法开采地表沉陷范围的预测提供理论工具。

2.材料和模型

卡斯特罗等人[31]的研究结果表明，利用大型三维物理模型，隔离提取区(IEZ)的形状不受几何尺度的显著影响。为减少对操作或流程能力的影响，设置应合理可行。(1)采用1:10 0的几何比例尺模拟整个块体的几何形状，包括块体尺寸(拉伸高度和拉伸面积)、拉伸点尺寸和颗粒尺寸;(2)模型中的容重和残余摩擦角与现场相同;(3)壁面摩擦角与内摩擦角相似;(4)次数的比例与长度的比例成正比λ_t = 100^1/2 = 10

该设备由放矿装置、数据采集系统和调整矿体倾角的支撑杆组成，如图所示1．如图所示2出矿装置由上、下壁、前后壁、出矿点、试验通道组成，尺寸为50 cm × 25 cm × 160 cm(宽×长×高)。在试验过程中，要求放矿装置中的颗粒介质具有可测量的稳定性。因此，上下墙都是用钢建造的。然后在下壁底部设置4个引出点(长宽均为3cm)，间隔7.6 cm。利用拉拔点模拟不同的回采顺序。为了准确获得侧压力值，上下两面墙分别由16块板组成，尺寸为50 × 10 cm(宽×长)。然后在下壁上设置1# -8 #试验通道，在上壁上设置9# -16 #试验通道，间隔在各自壁上20cm。1#和9#测试通道距离设备底部15厘米，8#和16#测试通道距离设备顶部5厘米。各试验通道收集了不同测量高度下的侧压力信息，各试验通道测量高度见表2．然后，在绘制过程中，将不同高度的侧压力值从测试通道传递到数据采集系统。研究以回采顺序和颗粒级配为影响因素，掌握放矿时侧压力的分布规律。试验以白云石为实验材料，认为白云石无粘结。

测试通道

较低的墙

上墙

1＃

2＃

3 #

4 #

5 #

6 #

7 #

8 #

9 #

10 #

11＃

12＃

13 #

14 #

15 #

16 #

测量身高(米)

1.45

1．25

1.05

0.85

0．65

0.45

0.25

0．05

1.45

1．25

1.05

0.85

0．65

0.45

0.25

0．05

3.实验过程

张拉等人提出的孤立拉拔实验的基本操作和理论基础。32］.设计了9个物理模拟试验，研究了回采顺序和颗粒级配对侧压力分布规律的影响。如表格所示3.- - - - - -5，本研究考虑了三种不同的回采顺序和三种颗粒级配。根据几何尺度和无底柱分段崩落法开采[1，33]，矿体高度(30 cm)，采用非贫化放矿方式。为保持矿石流动能力与试验物料一致，矿石直接从试验物料中获得，粒度与试验物料一致。然后，这些矿石被涂上红色，以与测试材料区分开来。为了使颗粒介质的流动速度保持恒定，并与矿山条件完全相似，从拉矿点抽出的矿石单质量约为200 g /次，矿石破碎的独立推进约为1.5 cm。每个实验重复3次，以减少实验材料在拉拔过程中根据流动特性随机运动的影响。为避免对试验数据的影响，放矿装置保持在地面水平，调节杆固定在试验模型上。


细粒度的分级	回采顺序
细粒度的分级	间隔的脸	从头到尾	从端到中心

第1组	方案1	计划4	计划7
第2组	方案2	计划5	计划8
第3组	方案3	计划6	计划9


回采顺序	总结

间隔面	(1)展开二、五的支点;(2)记录拉拔过程中的侧压力值;(3)当废石从拉拔点抽出时，堵住相应的拉拔点;(4)放矿装置静置20分钟;(五)揭示I和III的要点;(6)重复(2)和(3)步骤。

从头到尾	（1）展开II和III的绘图点；（2）记录拉拔过程中的侧压力值；（3）一旦从提取点提取废石，则堵塞相应的提取点；（4）让放矿装置静置20分钟会议记录；（5）展开I和V的绘图点；（6）重复（2）和（3）的步骤。

从端到中心	(1)展开I和V的抽点;(2)记录拉拔过程中的侧压力值;(3)当废石从拉拔点抽出时，堵住相应的拉拔点;(4)放矿装置静置20分钟;(五)揭示二、三的要点;(6)重复(2)和(3)步骤。


细粒度的分级	第1组			第2组			第3组

质量百分比(%)	24.6	38.6	36.8	24.6	38.6	36.8	24.6	38.6	36.8
颗粒尺寸(mm)	＜2	2∼4	4.∼6.	＜３	3.∼6.	6∼9	＜4	4.∼8.	8∼12

完成上述步骤后，将drawpoints封闭与所述弹性材料，以便模拟真实状态而不爆破。Then, the incompact ores were dropped into the setup with 30 cm, and a smooth surface of the ores would be obtained. Next, the surface of the ores was surrounded by a little waste rock, such that each ore granular was stabilized. Otherwise, the ore granular in the surface would move randomly in the ore loading process, thereby affecting the experimental results. Also, the other incompact waste rocks were dropped into the setup, so no more materials could be dropped into the experimental model. Finally, the total internal space of setup was filled with the experimental materials. Additionally, the internal friction angle and friction angle between granular media and the drawing-ore device were analyzed. Meanwhile, the total mass and density of granular media were calculated once the ore loading process was terminated. Since the internal model was filled with the experimental materials, the elastic material blocking the drawpoints was taken off, and the materials were then drawn from the drawpoints. According to the above scheme, the corresponding drawpoints were unfolded. During the drawing process, the flow speed of granular media should remain as constant as possible rather than fast. Hence, the single mass of the ore drawn from the drawpoints was about 200 g each time, and the values of lateral pressures and the number of drawing ore were recorded. Then, the corresponding drawpoint was terminated once the waste rocks were drawn. The interval time of 20 minutes was employed to simulate the mining conditions. Then, the next corresponding drawpoints were unfolded and the previous steps were repeated. Consequently, the variation laws of lateral pressure could be received once the waste rock reached the last drawpoint.

4.实验结果

4.1.颗粒介质的侧向压力和深度之间的关系

数字3.给出了极限平衡状态下颗粒介质的侧压力与深度的关系。侧压力随颗粒介质深度的增加呈指数级增加，随着颗粒介质深度的增加，侧压力的增长速率逐渐减小。随着颗粒级配的增大，颗粒介质孔隙度增大。然而，单位重量相应减少。因此，在颗粒介质深度相同的情况下，侧压力随颗粒级配的减小而增大。颗粒介质孔隙度随颗粒介质深度的增加而减小，颗粒级配间侧压力随颗粒介质深度的增加而增大。

4.2.侧向压力变化规律的特征

不同方案放矿数与侧压力值的关系如图所示4- - - - - -12.,分别。由于放矿间隔时间为20分钟，可将放矿过程分为两个阶段，两个放矿阶段诱导的IEZ是独立的[34］.在每个放矿阶段，1#和9#试验槽的实测值随放矿次数的增加呈指数递减。2#、3#和10#试验巷道侧向压力随放矿次数的增加先增大后减小;8#和16#试验槽侧压力与放矿数量呈负相关关系，其他试验槽侧压力随放矿数量的增加呈增加趋势。

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

（一种）

（b）

(c)

(d)

在绘图过程中，IEZ和隔离运动区（IMZ）的范围随着放矿数量的增加，侧向压力增加。然后，IMZ内的颗粒介质会松动，IMZ上方的颗粒介质缓慢移动，内摩擦角逐渐增大。因此，当试验通道位于IME范围内时，侧向压力预计会继续降低。同时，由于对于相对较小的IMZ尺寸和初始拉伸阶段的内摩擦角增加，当IMZ范围以上的试验通道时，测量值增大，然后当IMZ达到试验通道的试验范围时，侧向压力下降。由于颗粒介质的下降表面，8#和16#测试通道趋于逐渐下降。由于使用了非稀释放矿，IEZ和IMZ的高度约为30 cm和73.8 因此，当测试通道高于73.8时，其他值预计会上升厘米

不同回采顺序和颗粒级配下的侧压力变化率见表6提出了一种新的观点，即分布规律可分为三部分：一部分是牵引影响区，位于IMZ内，与牵引矿石数量呈正相关；另一部分是上部下降区，位于颗粒介质表面，体积等于to IEZ。最后一部分是中心生长区，位于前两部分之间。然后，侧向压力与中心生长区的放矿数量呈正相关。随着放矿数量的增加，放矿影响区和上下降区的范围增大，而中心生长区的范围增大在拉拔影响区，随着颗粒介质高度的增加，侧压降低率呈下降趋势。


测试通道	侧压力变化率(%)
测试通道	方案1	方案2	方案3	计划4	计划5	计划6	计划7	计划8	计划9

1＃h= 1.45米	−9.89	−8.46	−6.70	−10.87	−9.39	−7.70	−9.26	−7.69	−6.60
2＃h= 1.25米	−7.07	−5.57	−4.71	−7.83	−6.50	−5.40	−6.19	−5.20	−4.40
3 #h= 1.05米	−2.94	−1.75	−1.63	−3.43	−2.83	−1.62	−2.77	−1.91	−1.60
4 #h= 0.85米	3.20	2.85	2.17	1.76	2．13	4.28	2.94	2.54	3.32
5 #h= 0.65米	2.75	2.19	2.01	3.17	1.57	1.96	2.69	2.23	2．14
6 #h = 0.45 M	2．12	2.27	2．04	3．15	1.77	1.06	2.51	2.43	2.18
7 #h= 0.25米	3.22	2.43	2.31	3.83	3.65	1.45	2.73	2.54	2.49
8 #h= 0.05米	−6.39	−4.34	−5.61	−5.77	−4.41	−4.28	−5.93	−6.24	−5.05
9 #h= 1.45米	−7.64	−6.18	−5.03	−8.65	−7.00	−5.64	−6.75	−5.49	−5.00
10 #h= 1.25米	−5.31	−4.26	−3.80	−6.74	−5.11	−4.17	−4.95	−4.09	−3.58
11＃h= 1.05米	1.49	2．10	0.85	1.73	1．39	1.17	1.78	1.53	1．30
12＃h= 0.85米	2.41	2.01	1.05	2.01	1.62	1.29	2.34	1.56	2.09
13 #h= 0.65米	1.76	1.49	1.29	1.33	１．２６	１．２６	1.79	1.58	1.49
14 #h = 0.45 M	3.62	3.28	3.07	3.95	3.47	3.48	3.63	3.49	2.88
15 #h= 0.25米	2.08	2.01	2.29	3.10	2.88	2.41	2.66	2.49	2.03
16 #h= 0.05米	−3.49	−2.47	−3.9	−4.0	−3.97	−3.16	−6.20	−6.78	−6.40

在开采方案不变、放矿量相同的情况下，下壁可出现更多的压下率和放矿影响区范围。一旦确定了IEZ的高度和质量，就可以获得拉深影响区和上部下降区的范围，并用于预测地表沉降的范围。此外，还发现回采顺序和颗粒级配对侧压力值都有主要影响。

4．3．侧压力与回采顺序的关系

为方便获得回采顺序的影响效果，将方案分为3组(组1:方案1、方案2、方案3;组2:方案4、方案5、方案6;和组3:方案7、方案8、方案9)。不同的回采顺序会导致第一阶段放矿后颗粒级配发生变化，因此:第一阶段的铁矿石在同一组被选为研究侧向压力的变化规律影响回采顺序,减少颗粒分级的影响,和侧压的降低利率在第一阶段画矿石如表所示7．可以看出，三部分的范围不受回采顺序的影响，而在IEZ相同高度下，回采顺序对出料质量有影响。


集团	计划	侧压力变化率(%)
集团	计划	1＃h= 1.45米	2＃h= 1.25米	3 #h= 1.05米	9 #h= 1.45米	10 #h= 1.25米

1	1	−4.77	−3.94	−1.32	−3.56	−3.12
	4	−6.75	−4.72	−2.37	−5.10	−3.81
	7	−2.89	−2.15	−0.84	−2.59	−1.82
2	2	−3.89	−3.14	−1.03	−3.21	−2.52
	5	−6.12	−4.04	−2.16	−4.16	−3.55
	8	−2.82	−2.10	−0.80	−2.34	−1.42
3.	3.	−2.95	−2.55	−0.86	−2.61	−2.02
	6	−4.58	−3.18	−1.08	−3.12	−2.57
	9	−2.67	−1.59	−0.74	−2.30	−1.44

同时，回采顺序对放矿影响区侧压力减小率有显著影响。在颗粒级配和IEZ高度相同的情况下，拉拔点间距减小，侧压力降低率增大。对这三种不同回采顺序(方案1,方案4,计划7)相同的颗粒分级和高度的IEZ(30厘米),还原利率的1 #和9 #测试通道分别为4.77%和3.56%,6.75%和5.10%,2.89%和2.59%,分别,而画的范围影响地区保持稳定。

4.4。侧向压力和颗粒分级之间的关系

为获得颗粒级配效果，将不同采矿方案分为3组(组1:方案1、方案4、方案7;组2:方案2、方案5、方案8;组3:方案3、方案6、方案9)，颗粒级配与折减率侧压力及平均值的关系见表8．与增加的颗粒级配，绘制影响区的范围没有显著下降，而来自drawpoints得出的质量下降。此外，人们发现，粒状分级对侧向压力的变化率，其中，在绘制影响区域的缩小率和还原率在相同回采序列是不一致的彼此具有主要影响，并且减少率有与颗粒分级负相关关系。与IEZ的相同回采序列和高度，侧向压力的平均值随着粒状分级在颗粒状介质的相同的高度降低。因为颗粒状介质，将其从粒状的更均匀的和更小的尺寸产生的更多的流动性和单位重量的，得到了更还原率和横向压力的平均值。For three granular gradings (scheme 4, scheme 5, and scheme 6) with the height of IEZ of 30 cm and the same stoping sequence, the reduction rates of 1# and 9# test channels were 10.87% and 8.65%, 9.39% and 7.00%, and 7.70% and 5.64%, respectively, and the average values of the lower wall and upper wall were 1696 Pa and 1720 Pa, 1428 Pa and 1452 Pa, and 1336 Pa and 1348 Pa, respectively.


集团	计划	侧压力变化率(%)					侧压力(Pa)平均值
集团	计划	1＃h= 1.45米	2＃h= 1.25米	3 #h= 1.05米	9 #h= 1.45米	10 #h= 1.25米	较低的墙	上墙

1	1	−9.89	−7.07	−2.94	−7.64	−5.31	1638	1662
	2	−8.46	−5.57	−1.75	−6.18	−4.26	1482	1500
	3.	−6.70	−4.71	−1.63	−5.03	−3.80	1360	1368
2	4	−10.87	−7.83	−3.43	−8.65	−6.74	1696	1720
	5	−9.39	−6.50	−2.83	−7.00	−5.11	1428	1452
	6	−7.70	−5.40	−1.62	−5.64	−4.17	1336	1348
3.	7	−9.26	−6.19	−2.77	−6.75	−4.95	1682	1962
	8	−7.69	−5.20	−1.91	−5.49	−4.09	1542	1558
	9	−6.60	−4.40	−1.60	−5.00	−3.58	1330	1338

5.讨论

本研究选择回采顺序和颗粒级配作为影响无底柱分段崩落法开采侧向压力分布规律的主要因素。在计算侧向压力时，其成功与否主要取决于回采顺序、颗粒级配、颗粒介质性质和结构参数。例如，就本次试验中使用的分段参数布置而言，分段高度越大，在相同的回采顺序和粒度级配下，IEZ的形状越大，因此相应出现的拉深影响区域范围和侧压降低率越大。

研究侧压力变化规律对预测地表沉陷范围具有重要的理论和实践指导意义。参考还原速率的主要特征和侧压力的变化规律，提出预测岩体破坏状态的方法，深入分析岩体移动机理，确定回采参数。例如，Li等试图预测无底柱分段崩落开采引起的地表沉陷范围[5］.侧压力分布规律集中反映了垮落岩带岩体的应力特征，是建立正确预测计算的基础。

在本研究中提出了一种新的观点，即侧压力的分布规律可以分为三部分，随着颗粒介质深度的增加，侧压力呈指数增长。Ren等[35和He等人[36]报告了不同矿体倾角条件下侧压力的分布规律，与放矿影响区范围似乎一致，但在上降带和中心生长区有一定的差异。上述结果是在矿体宽度不变的情况下，不考虑爆破振动;为了将这种简单的描述改进为实际矿山中遇到的复杂重力流的更全面的结果，需要进一步的研究。此外，还可以利用三维物理模型或现场实验对矿体的宽度和倾角、拉拔点的大小、散体介质的性质和井壁形状等参数进行考虑和研究。

6.结论

为了研究回采顺序和颗粒级配对放矿过程中侧压力的影响，设计了实验室尺度物理模型。在极限平衡状态下，侧压力随颗粒介质深度的增加呈指数增长，随着颗粒介质深度的增加，侧压力的增长速率逐渐减小。同时，实验结果表明，侧压力的分布规律分为拉深影响区、上部下降区和中部生长区三部分。在不同的回采顺序和颗粒级配条件下，虚拟识别了三个部位的形状。此外，拉伸质量或IEZ高度可增大拉伸影响区和上降区范围，并可减小中心生长区范围。在IEZ高度相同的情况下，下壁面会出现较大的折弯比和拉伸影响范围。颗粒级配和回采顺序对放矿影响区折减率的影响规律互为补充。随着拉拔点间距和颗粒级配的减小，放矿影响区域的折减率呈增大趋势，这些部分的范围受回采顺序和颗粒级配的影响可以忽略不计。在IEZ高度和回采顺序不变的情况下，侧压力平均值随颗粒介质粒径的减小而增大。

试验结果有助于了解回采顺序和颗粒级配下侧压力的分布规律，为预测地表沉降范围提供了实验工具。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金重点项目(no. 2014304702);基金资助:国家重点基础研究发展计划资助项目(51534003);基金资助:国家自然科学基金资助项目(2016YFC0801601);N150104006)。

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土木工程进展

在Nonpillar放顶煤开采过程中的侧向压力回采顺序和粒度分级影响的实验研究

摘要

1.介绍

2.材料和模型

3.实验过程

4.实验结果

4.1.颗粒介质的侧向压力和深度之间的关系

4.2.侧向压力变化规律的特征

4．3．侧压力与回采顺序的关系

4.4。侧向压力和颗粒分级之间的关系

5.讨论

6.结论

数据可用性

的利益冲突

致谢

参考文献

版权

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