張寶金 楊繼海 陳景峰 張振江

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司眼前山分公司，遼寧 鞍山 114044；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

目前，礦山開(kāi)采仍是國(guó)家能源的主要來(lái)源之一，隨著地表附近資源開(kāi)采結(jié)束，開(kāi)始形成由露天開(kāi)采轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的趨勢(shì)。溜井系統(tǒng)是地下金屬礦山重要的工程之一，簡(jiǎn)化了運(yùn)輸系統(tǒng)，節(jié)約了成本，開(kāi)采的礦石都在此集中儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)。不可避免的是，礦車卸礦形成的礦石流會(huì)對(duì)井壁產(chǎn)生一定的損傷，受到?jīng)_擊及各種地質(zhì)條件等環(huán)境的影響，造成溜井井壁垮塌，溜井堵塞，影響礦山的正常生產(chǎn)。

因此，研究礦石在溜井中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定礦石對(duì)井壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊力大小對(duì)井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)具有重要的指導(dǎo)意義。目前，大量研究基于理論及數(shù)值模擬，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的沖擊情況未作詳細(xì)研究，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)波，反演井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力波，并與相應(yīng)的沖擊理論進(jìn)行比對(duì)分析，得到可以近似計(jì)算礦石沖擊力的理論公式，對(duì)于指導(dǎo)溜井的加固補(bǔ)強(qiáng)有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

鞍鋼眼前山鐵礦為露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的金屬礦山，2#主溜井擔(dān)負(fù)礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采后主要礦石的轉(zhuǎn)載、臨儲(chǔ)任務(wù)，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)，井筒直徑4.5 m，在此段，錳鋼襯板支護(hù)時(shí)常受到礦石的沖擊作用，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。溜井井壁位置見(jiàn)圖1。

圖1 溜井井壁

2 溜井卸礦時(shí)礦石運(yùn)動(dòng)規(guī)律

礦石經(jīng)礦車直接卸至垂直溜井中，針對(duì)礦石在眼前山鐵礦主溜井中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：①礦石形狀簡(jiǎn)化為球狀，質(zhì)量分布均勻；②礦石在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受其他礦石的影響；③礦石在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只考慮平動(dòng)，不考慮其自轉(zhuǎn)；④礦石在卸礦過(guò)程中不考慮礦石與礦車底板之間的摩擦。

根據(jù)溜井施工圖得到了主溜井結(jié)構(gòu)圖，為了便于描述分析鐵礦石在溜礦段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了圖2所示的示意圖，原點(diǎn)位于礦車底板下邊緣處，x軸沿主溜井的徑向方向，y軸沿主溜井井壁向下。

圖2 卸礦示意圖

礦車的型號(hào)為YDCC10-9，具體參數(shù)如表1。

表1 礦車參數(shù)

假設(shè)卸礦時(shí)礦車底板與水平x軸的夾角為θ0，l為礦車底板寬度，礦石離開(kāi)礦車底時(shí)的速度為v0，g為重力加速度，R為礦石離開(kāi)礦車底板時(shí)距井壁的水平距離，此處取2 m。

則礦石離開(kāi)礦車時(shí)的最大速度為

(1)

此時(shí)，礦石與水平面的夾角仍為θ0，此后，礦石開(kāi)始做斜拋運(yùn)動(dòng)。

礦車卸下的礦石與溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生第一次碰撞的時(shí)間為

(2)

此時(shí)礦石與溜井井壁發(fā)生碰撞時(shí)的法向速度和切向速度分別為

v1n=v0n=v0cosθ0

(3)

(4)

礦石與溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)與水平方向的夾角為

(5)

礦石與溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)的垂直下落高度為

(6)

參考眼前山鐵礦主溜井礦車、礦石、井壁等數(shù)據(jù)，求得礦石與井壁發(fā)生碰撞時(shí)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如表2所示。

表2 碰撞前礦石運(yùn)動(dòng)參數(shù)

3 礦石與井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊力理論計(jì)算

關(guān)于沖擊力在邊坡滾石領(lǐng)域研究較多，且礦石對(duì)溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊與邊坡領(lǐng)域滾石對(duì)邊坡的沖擊較為相似，因此可以利用邊坡滾石使用的沖擊力計(jì)算方法來(lái)近似計(jì)算鐵礦石對(duì)主溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊力。Hertz接觸理論被廣泛的應(yīng)用到了滾石沖擊力的研究，其表達(dá)式為

(7)

式中：P—滾石的沖擊力；E—墊層土體的彈性模量；R—滾石半徑；m—滾石質(zhì)量；v0—滾石的沖擊速度。

對(duì)Hertz接觸理論進(jìn)行修正后，得到另一種最大沖擊力的計(jì)算方法，其表達(dá)式為

(8)

a2≈2Rd

(9)

(10)

式中：E1，E2—壓球與混凝土的彈性模量；v1，v2—壓球與混凝土的泊松比；a—壓痕半徑；d—壓痕深度。

由于鞍鋼眼前山鐵礦主溜井溜礦段采用錳鋼板支護(hù)，所以上式中墊層土體及混凝土的彈性模量均取錳鋼板的彈性模量，參數(shù)如表3。

表3 沖擊力計(jì)算參數(shù)

通過(guò)計(jì)算，Hertz接觸理論得到的礦石沖擊力大小為1.6×103kN，修正Hertz接觸理論計(jì)算方法得到的沖擊力大小為1.01×102kN，采用不同的計(jì)算方法所求得的礦石沖擊力大小差距較大。在實(shí)際工程中，礦石間的相互作用以及礦粉對(duì)礦石與井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)碰撞有較大的削弱作用，需進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 礦石與井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)的測(cè)量采用TC-4850爆破測(cè)振儀，如圖3所示為爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

圖3 爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

4.2 儀器安放與設(shè)置

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，由于場(chǎng)地的局限性，選擇將傳感器安裝在溜井井口位置，其中，傳感器X(徑向)方向應(yīng)布置在朝向碰撞的中心位置，采用醫(yī)用凡士林將其固定。儀器的設(shè)置與安裝如圖3所示，傳感器的固定如圖4所示。

圖4 儀器的設(shè)置與安裝

4.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)儀器測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)波形圖，利用TC-4850型爆破測(cè)振儀處理軟件Blasting vibration analysis(BVA)對(duì)波形進(jìn)行處理。此次監(jiān)測(cè)主要是獲取測(cè)點(diǎn)處的X和Z方向的速度波，即對(duì)溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)有主要影響的法向沖擊速度和切向沖擊速度。

圖5為循環(huán)第6次時(shí)，測(cè)點(diǎn)X、Z方向的波形圖。

圖5 測(cè)點(diǎn)-X、Z兩個(gè)方向上的速度波

從圖5中可以看到，波形中X、Z兩個(gè)方向的速度波總的趨勢(shì)均是由小先增大后減小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)X軸方向的峰值振動(dòng)速度明顯大于Z方向的峰值振動(dòng)速度，表明礦石流對(duì)溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊是先增大后減小，沖擊振動(dòng)對(duì)主溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響主要是正向沖擊作用。分別對(duì)X、Z兩個(gè)方向的波形圖進(jìn)行一階微分得到兩個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化圖,如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)-X、Z兩個(gè)方向上的加速度波

根據(jù)X和Z方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度波可以看到，加速度波同樣滿足先增大后減小的總趨勢(shì)，驗(yàn)證了礦石流對(duì)井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊滿足先增大后減小的趨勢(shì)，且每車礦石得到的加速度峰值也不同。

4.4 沖擊力計(jì)算結(jié)果分析

將速度波轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波，公式為：

(11)

(12)

(13)

式中:σn、σs—邊界上施加的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力；Cp、Cs—介質(zhì)中壓縮波和剪切波的傳播速度；vn、vs—法向速度和切向速度波；K、G—介質(zhì)的體積模量和剪切模量；ρ—介質(zhì)的密度;E—介質(zhì)的彈性模量；v—介質(zhì)的泊松比。

由公式可以看出，最終施加在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力波僅與主溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量、泊松比、密度及速度波有關(guān)，且與速度成一定的比例關(guān)系，即施加在主溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力波與測(cè)得的速度波趨勢(shì)相同。

從測(cè)得的數(shù)據(jù)中選出了3個(gè)代表性的速度波，由上述公式求得的應(yīng)力波如圖7所示，從圖中可以看到，得到應(yīng)力波與測(cè)得的速度波一樣滿足先增大后減小的趨勢(shì)。礦石沖擊井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的峰值速度和峰值應(yīng)力差別較大，這是由于礦石粒度分布不同造成的，直徑越大的礦石對(duì)井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的沖擊力越大，產(chǎn)生的速度波峰值就越大，將測(cè)得的所有數(shù)據(jù)的峰值應(yīng)力轉(zhuǎn)化為散點(diǎn)圖，如圖8所示，可以明顯看到X方向的最大應(yīng)力在1.75 MPa左右，Z方向的最大應(yīng)力在0.7 MPa左右。假設(shè)礦石與井壁接觸面積為πr2，修正Hertz接觸理論計(jì)算的礦石峰值沖擊應(yīng)力為1.44 MPa，現(xiàn)場(chǎng)得到的應(yīng)力大小與修正后的Hertz接觸理論得到的應(yīng)力大小處于同一數(shù)量級(jí)，因此可近似代替礦石流對(duì)井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊力大小。

圖7 X、Z方向質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力波

圖8 X、Z方向應(yīng)力峰值散點(diǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)溜井的類型及礦車的卸礦類型，結(jié)合散體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，得到了礦石與井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)的法向速度、切向速度分別為3.5 m/s、9 m/s，確定礦石與溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的碰撞位置距離井口以下3.6 m，因此，此處受到的沖擊作用最大，需要加強(qiáng)支護(hù)。

2)對(duì)溜井礦石沖擊井壁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行沖擊測(cè)振，得到礦石流沖擊溜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的速度波及應(yīng)力波，總體趨勢(shì)滿足先增大后減小，且法向沖擊遠(yuǎn)大于切向沖擊作用。

3)修正Hertz接觸理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)得到的正向最大應(yīng)力分別為1.44 MPa和1.75 MPa，可以相互驗(yàn)證，可以采用修正Hertz接觸理論近似代替礦石流對(duì)井壁結(jié)構(gòu)的最大沖擊力。