張寶金，楊雷，高英勇，張振江，任海龍

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司眼前山分公司， 遼寧 鞍山市 114044；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

溜井是礦山礦石運(yùn)輸?shù)难屎硪?，而高深溜井的穩(wěn)定運(yùn)行更是礦山生產(chǎn)的重中之重[1?2]。溜井在頻繁的儲(chǔ)礦、放礦過(guò)程中，內(nèi)部礦石不斷承受沖擊載荷以及上覆料頭的自重，導(dǎo)致礦石不斷夯實(shí)壓密，增大了散體顆粒間的黏聚力，內(nèi)摩擦力以及區(qū)域性自穩(wěn)能力。在后續(xù)卸礦工作中，儲(chǔ)礦倉(cāng)礦石逐漸喪失與溜井筒內(nèi)礦石的關(guān)聯(lián)性，井筒料頭形成了懸拱結(jié)構(gòu)，這是一種黏結(jié)及嚙合組合且具備一定自穩(wěn)性的拱結(jié)構(gòu)[3]，能夠?qū)⑸细菜缮r石自重應(yīng)力及放礦時(shí)的沖擊載荷通過(guò)拱結(jié)構(gòu)傳遞至溜井壁[1]，相當(dāng)于形成了“拱+井壁”的聯(lián)合承載體，共同負(fù)載松散礦石，這對(duì)礦山放礦工作的順利進(jìn)行增加了難度。

針對(duì)溜井井筒堵塞機(jī)理，許多專(zhuān)家學(xué)者做出了大量研究，發(fā)現(xiàn)溜井中礦石的含水率、礦石粒徑以及料頭高度等是造成礦石結(jié)拱的主要因素[4?7]，多因素的耦合作用直接增大了礦石顆粒從松散到統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化程度，導(dǎo)致卸礦困難。針對(duì)該機(jī)理的驗(yàn)證，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溜井礦石成拱的試驗(yàn)是比較困難的，因此采取室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)。魏殿恩等[8]利用溜井放礦模擬器對(duì)方形溜井在多因素影響下放礦過(guò)程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了包括含水率、礦石顆粒粒徑等因素對(duì)結(jié)拱行為的影響。

本文利用亞克力管構(gòu)建相似模型，綜合含水率、材料級(jí)配及料頭高度等參量對(duì)放礦過(guò)程結(jié)拱現(xiàn)象進(jìn)行模擬，歸納出不同參量對(duì)礦石結(jié)拱行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)礦山高深溜井堵塞的防治具有一定的指導(dǎo)意義。

1 結(jié)拱機(jī)理分析

由于上部卸礦對(duì)礦石的夯實(shí)和井內(nèi)礦石的自重，眼前山鐵礦2#溜井其變徑上部的礦石容易形成穩(wěn)定拱，破碎的礦石鉸接成拱后，上部的礦石停止下落，下部礦石繼續(xù)下落，內(nèi)部出現(xiàn)空腔。

為了研究溜井成拱規(guī)律與機(jī)理，對(duì)拱進(jìn)行受力分析，建立的理論模型如圖1 所示。假設(shè)是由大塊礦石咬合形成的拱，礦石面之間作用相互支撐力和摩擦力，散體礦石之間，這兩個(gè)力和重力及上部礦石的壓力平衡，形成穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)。拱的左右拱腳分別標(biāo)記為A、B，AB的高度差為ΔH，拱的最高點(diǎn)C距離A的豎直距離為H，C和A、B的水平距離分別為L(zhǎng)1、L2（見(jiàn)圖2）。上部礦石堆積高度一般大于兩倍直徑，由于筒倉(cāng)效應(yīng)，拱上方的礦石對(duì)拱的壓力q為定值。拱腳A、B同時(shí)受到向上的摩擦力f和井壁的支撐力FN。理論模型簡(jiǎn)化后的受力如圖2 所示。

圖1 結(jié)拱理論模型

圖2 拱結(jié)構(gòu)受力分析

當(dāng)巖石顆粒之間相互作用力達(dá)到自穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)且具備一定承載力時(shí)，在放礦過(guò)程中便自然形成穩(wěn)定平衡拱結(jié)構(gòu)，即：

由上述公式整理可得：

由式（7）可以看出，拱形為拋物線形。

溜井中上部?jī)?chǔ)料自重經(jīng)懸拱傳遞至A、B拱腳處。儲(chǔ)料在不斷被夯實(shí)壓密過(guò)程中，逐漸降低了拱高H，由式（6）可得，隨著H的降低，懸拱結(jié)構(gòu)與井壁之間的正應(yīng)力FN增大，其次壓密過(guò)程也導(dǎo)致二者之間的有效接觸摩擦增加，最終形成“拱+井壁”共同承載體，負(fù)載上覆儲(chǔ)料。且后續(xù)有限的溜井口放礦工作，增大了承壓拱上部?jī)?chǔ)料的高度，繼而增大了拱的壓力q，從式（6）可以看出，進(jìn)一步增大了二者之間摩擦力f，增加了拱的自穩(wěn)性，即結(jié)拱事件的概率增加。

溜井中的水分不斷滲流至懸拱結(jié)構(gòu)過(guò)程中，攜帶小顆粒礦石向下流動(dòng)，并不斷填充至大尺寸礦石之間的縫隙中[8]，增加了拱結(jié)構(gòu)的密實(shí)度和整體強(qiáng)度，同時(shí)降低礦石自重應(yīng)力沿拱向井壁傳遞的分散性。

儲(chǔ)料的不同顆粒尺寸占比對(duì)礦石成拱效果的影響更為顯著[9]，當(dāng)小顆粒占比較大時(shí)，礦石之間的黏結(jié)度增加，且小顆粒對(duì)縫隙填充作用較強(qiáng)。

2 工程背景

鞍鋼礦業(yè)公司眼前山鐵礦為露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的金屬礦山，2012 年露天礦山閉坑，2018 年井下開(kāi)采投產(chǎn)。地下開(kāi)采設(shè)計(jì)能力為800×104t/a，采用無(wú)底柱分段崩落采礦方法，階段高度為180 m，分段高度為18 m，進(jìn)路間距為20 m。

眼前山鐵礦設(shè)有1#和2#兩條主溜井，目前1#主溜井尚未完成安裝，由2#主溜井擔(dān)負(fù)礦山露天轉(zhuǎn)地采后主要礦石的轉(zhuǎn)載、臨儲(chǔ)任務(wù)，通過(guò)該主溜井的礦石量1 億噸以上，服務(wù)年限30 a，是眼前山鐵礦的主要工程之一。2#主溜井全長(zhǎng)228 m，采用全斷面支護(hù)。其中，?321～?331 m 段為錳鋼襯板支護(hù)，直徑為4.0 m；?331～?504 m 為鋼纖維混凝土支護(hù)，壁厚1 m，直徑為4.5 m；?504～552 m 段為錳鋼襯板支護(hù)，直徑為6 m。2#主溜井施工期間，掘進(jìn)至井深50～63 m 處遇破碎帶，破碎帶寬1.5～2.0 m，以綠泥角閃片巖、花崗質(zhì)碎斑巖為主，井壁破碎帶區(qū)域出現(xiàn)較大裂縫。經(jīng)研究，確定采用1 m 厚鋼纖維混凝土分段支護(hù)，并在混凝土中加f＞8 的鵝卵石增加其抗磨性，在井筒適當(dāng)位置設(shè)置反漏斗裝置減少對(duì)井壁的沖擊破壞。為防止支護(hù)體脫落，支護(hù)段深入穩(wěn)定巖層5 m 以上，并在支護(hù)底部增加壁座。

眼前山鐵礦2#主溜井屬于高深溜井（井深大于150 m），自2017 年投入生產(chǎn)以來(lái)，先后多次發(fā)生棚堵、支護(hù)混凝土脫落等現(xiàn)象，并且在變徑部位有較大空腔爆破效應(yīng)，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。截止至2018 年12 月，共發(fā)生棚堵23 次，其中溜井中間棚堵3 次、粉礦堆積棚堵9 次、支護(hù)層脫落棚堵11 次。

礦巖非均勻下落對(duì)井壁的破壞主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，平衡拱垮落的過(guò)程中，空腔中的空氣被突然壓縮，產(chǎn)生劇烈的空腔爆破效應(yīng)，此過(guò)程中產(chǎn)生的高壓、噪聲和熱效應(yīng)現(xiàn)象均會(huì)對(duì)溜井井壁產(chǎn)生破壞。另一方面，礦石在下放過(guò)程中形成懸拱，懸拱與井壁支護(hù)層之間形成相互作用力，并通過(guò)拱的形式將上覆礦石傳遞至溜井壁，對(duì)其形成的側(cè)拉力以及徑向剪切力在空氣沖擊等條件的輔助下，不斷破壞井壁的穩(wěn)定性，因此針對(duì)結(jié)拱事件的分析及模擬具有一定意義。

3 相似試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在自制的溜井放礦試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。該平臺(tái)主要包括亞克力管，溜井支撐架，攝影燈以及攝像裝置等。其中，試驗(yàn)選用亞克力管模擬井筒，該材料透明性良好，有利于觀察放礦時(shí)礦石的運(yùn)動(dòng)特征，且其物理性能良好。上管長(zhǎng)885 mm，內(nèi)徑為22.5 mm，厚5 mm；下管長(zhǎng)235 mm，內(nèi)徑為30 mm，厚5 mm；中間用長(zhǎng)20 mm，厚5 mm 的圓臺(tái)連接。支架主要保證試驗(yàn)過(guò)程中亞克力管始終 保持垂直狀態(tài)。攝像裝置采用的是GoPro 相機(jī)，在放礦過(guò)程進(jìn)行拍攝，拍攝幀率為120 幀/s。攝影燈為攝像過(guò)程提供可靠光源，保證攝影素材的質(zhì)量。相似試驗(yàn)平臺(tái)如圖3 所示。

圖3 溜井放礦試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)開(kāi)始前需對(duì)不同級(jí)配的粒徑進(jìn)行試驗(yàn)，主要分為單一粒徑及與眼前礦山一致的粒徑級(jí)配。然后制備不同級(jí)配、不同含水率的儲(chǔ)料，本試驗(yàn)主要配制了含水率為0%，1%，2%，3%的礦石（見(jiàn)表1）。

表1 不同級(jí)配粒徑的比重/%

將不同含水率的各級(jí)配礦石分別以半滿及全滿兩種形式裝入亞克力管中，裝入時(shí)應(yīng)當(dāng)緩慢，避免漏斗堵塞，裝配工作完成后將其靜置10～20 min。

在底部對(duì)礦石進(jìn)行均勻放出，放礦過(guò)程需以攝影燈輔助攝影相機(jī)進(jìn)行全程攝像。對(duì)每種試驗(yàn)條件下的放礦試驗(yàn)重復(fù)多次，記錄不同試驗(yàn)條件下發(fā)生結(jié)拱事件的次數(shù)，計(jì)算礦石發(fā)生懸拱事件的概率并進(jìn)行分析。結(jié)拱如圖4 所示。

圖4 相似模型結(jié)拱

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可以看出，在一定條件下，礦石下放過(guò)程中會(huì)形成一定穩(wěn)定性的懸拱結(jié)構(gòu)。將測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總以備分析，不同含水率的各級(jí)配礦石在半滿以及全滿狀態(tài)下的結(jié)拱概率見(jiàn)表2。

從表2 中可以看出，不同級(jí)配下，摻雜不同尺寸顆粒以及大塊率較高的松散體因其填充作用和較強(qiáng)的咬合作用，在放出時(shí)存在一定概率的結(jié)拱事件。其次，在干燥狀態(tài)下，各級(jí)配礦石在下放過(guò)程中結(jié)拱概率比較低，而附加水分的礦石其結(jié)拱率有一定程度的提高。以第5 組級(jí)配，即與礦山實(shí)際較為一致的礦石級(jí)配為例，其結(jié)拱率與含水率之間并未表現(xiàn)出明確的正向變化關(guān)系。隨著含水率的增加，結(jié)拱概率表現(xiàn)出先增后減的演化特征（見(jiàn)圖5）。

圖5 不同含水率的礦石的結(jié)拱概率

表2 結(jié)拱概率

由圖5 可知，在干燥狀態(tài)下結(jié)拱率最低，1%含水率狀態(tài)下結(jié)拱概率最大。這表明水分對(duì)礦石的黏結(jié)成拱具有一定的促進(jìn)作用，但隨著含水率的增加（含水率超過(guò)1%時(shí)），概率降低，表明水分對(duì)礦石顆粒間的黏聚作用逐漸向潤(rùn)滑作用發(fā)展，降低了礦石顆粒間的相互作用力，削弱了顆粒相互間的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致礦石在下放過(guò)程中發(fā)生的結(jié)拱事件概率降低。

以貯礦全滿及半滿狀態(tài)模擬料頭的高度對(duì)結(jié)拱事件的影響，如圖6 所示。從圖6 中可以看出，全滿狀態(tài)下礦石的結(jié)拱概率較高于半滿狀態(tài)，且普含水率時(shí)存在一定幾率的結(jié)拱事件，其余含水狀態(tài)適于任何含水率狀態(tài)。在半滿狀態(tài)下，只有在1%基本不結(jié)拱。這表明料頭的高度對(duì)結(jié)拱事件具有較強(qiáng)的影響，高度越大，施加于承壓拱的重力越大，從前文分析可知，重力的增大對(duì)松散礦石具有壓密作用，提高了拱的穩(wěn)定性及承載能力，同時(shí)加強(qiáng)了拱與井壁之間的關(guān)聯(lián)性，即增大了有效接觸摩擦力。

圖6 不同料頭高度結(jié)拱概率

4 結(jié)論

（1）通過(guò)極限平衡法分析了高深溜井井內(nèi)成拱機(jī)理，得出了拱的軸線是拋物線。

（2）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，隨著含水率的增加，結(jié)拱事件發(fā)生的概率呈現(xiàn)先增后減的演化趨勢(shì)。并且單一尺寸的顆粒發(fā)生結(jié)拱的概率較低，當(dāng)尺寸較大或摻雜不同粒徑顆粒時(shí)，松散體則出現(xiàn)一定的結(jié)拱現(xiàn)象。料頭高度對(duì)結(jié)拱現(xiàn)象同樣具有促進(jìn)作用，在一定范圍內(nèi)，料頭高度越大，形成懸拱的概率亦愈大。

（3）利用亞克力管對(duì)賦存不同條件下的礦石下放過(guò)程進(jìn)行模擬，其結(jié)果與實(shí)際情況較為相符，這說(shuō)明了相似模擬試驗(yàn)具有較強(qiáng)的可行性。