張萬生

(酒泉鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,甘肅 酒泉 735100)

平硐溜井是礦山常用的開拓方式之一,其優(yōu)點(diǎn)是能夠利用溜井上下口的高差,使礦石借自重溜放,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1]。但大量研究表明,溜井井筒堵塞已成為采用平硐溜井開拓方式礦山常見的影響礦山生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素[2-6]。雖然業(yè)內(nèi)學(xué)者及技術(shù)人員對(duì)溜井井筒堵塞成因、預(yù)防措施和處理方法進(jìn)行了大量研究,并取得了豐碩成果[7-13],但是針對(duì)溜井井筒堵塞形式的判斷及位置的診斷,仍是溜井堵塞處理的難點(diǎn)。本研究以黑溝礦為例,結(jié)合大量理論分析及實(shí)踐成果,對(duì)該礦主溜井一次井筒堵塞形式判斷、位置診斷方法,處理過程和方法進(jìn)行梳理總結(jié),供類似礦山實(shí)踐參考。

1 黑溝礦主溜井概況

酒鋼黑溝鐵礦是典型的高山型露天礦,采用汽車—平硐溜井—鐵路—膠帶聯(lián)合開拓方式(圖1),采用分段式溜井,1#、2#溜井為采區(qū)溜井,分別服務(wù)于獨(dú)立的Ⅰ、Ⅱ期采場(chǎng)。采出礦石由自卸汽車運(yùn)輸至1#、2#溜井翻卸,經(jīng)溜井下口振動(dòng)放礦機(jī)裝入3 400 m水平20 t側(cè)卸式礦車,經(jīng)中段窄軌平峒運(yùn)輸系統(tǒng)由20 t電機(jī)車牽引至粗破碎卸礦,原礦經(jīng)φ900 mm旋回式破碎機(jī)粗破碎后進(jìn)入下段主溜井,粗破后礦石的粒度為0～350 mm。

圖1 黑溝礦平硐溜井開拓系統(tǒng)Fig.1 Development system of adit pass in Heigou Mine

黑溝礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為450萬t/a,主溜井是礦石下運(yùn)的唯一通道,溜井直徑5 m、井深561 m,建成時(shí)為國內(nèi)冶金礦山第一深井。同時(shí)建有一條罐籠井,深度670 m,用于人員通勤。罐籠井距主溜井99 m,分別在2 970、3 110、3 250 m有溜井監(jiān)測(cè)巷與主溜井聯(lián)通。溜井施工時(shí),在溜井與監(jiān)測(cè)巷連接處用2m厚的鋼纖維混凝土進(jìn)行了封堵,并預(yù)留了檢測(cè)孔。主溜井巖石普氏硬度系數(shù)為4～7,井壁巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ級(jí)。巖體結(jié)構(gòu)為層狀,巖層陡立或急傾斜,節(jié)理裂隙多,局部較發(fā)育或發(fā)育。

黑溝主溜井2002年建成投運(yùn),2013年5月主溜井發(fā)生第一次井筒嚴(yán)重堵塞。這次井筒堵塞導(dǎo)致整個(gè)黑溝礦區(qū)停產(chǎn)25 d,影響了正常生產(chǎn)和對(duì)下道工序的礦石供給。在整個(gè)溜井井筒堵塞處理過程中,堵塞位置診斷和堵塞形式判斷耗時(shí)費(fèi)力,巷道清理、混凝土封堵及穿孔等工程施工共占用時(shí)間近23 d。

2 主溜井井筒堵塞形式判斷及堵塞位置診斷的難點(diǎn)

溜井井筒堵塞形式判斷及堵塞位置診斷,是溜井井筒堵塞處理的前提和重要依據(jù)。一般都需要有通道或措施工程接近堵塞部位或聯(lián)通溜井空腔,通過人工觀察、監(jiān)測(cè)儀器發(fā)送和接受監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)堵塞區(qū)域進(jìn)行測(cè)量分析辨識(shí)。

黑溝礦主溜井井筒堵塞形式判斷及堵塞位置診斷的難點(diǎn)有:

(1)溜井上下口滿礦,無法直接通過人工觀察或儀器監(jiān)測(cè)獲得相關(guān)的溜井堵塞信息。若貿(mào)然放空下端礦石進(jìn)行測(cè)量,處理過程中井底設(shè)施和人員將面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)溜井監(jiān)測(cè)巷被積塵堵塞清理困難。發(fā)生井筒堵塞后人員試圖進(jìn)入溜井監(jiān)測(cè)巷,發(fā)現(xiàn)3條溜井監(jiān)測(cè)巷均被積塵堵塞。2 970 m監(jiān)測(cè)巷堵塞最為嚴(yán)重,積塵已堵塞整個(gè)巷道;3 110 m監(jiān)測(cè)巷積塵與巷道頂板間尚有部分間隙,可監(jiān)測(cè)到井內(nèi)落石聲響;3 250 m監(jiān)測(cè)巷積塵堵塞,溜井附近部分監(jiān)測(cè)巷頂部有間隙。如果同時(shí)清理3條溜井監(jiān)測(cè)巷積塵,需要將大量積塵轉(zhuǎn)運(yùn)至罐籠井并提升至地面,現(xiàn)場(chǎng)條件只能采用人工清理,完成全部積塵轉(zhuǎn)運(yùn)將需要較長(zhǎng)時(shí)間。

(3)人員進(jìn)入溜井監(jiān)測(cè)巷存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于溜井井筒堵塞存在不穩(wěn)定性,堵塞部位突然失穩(wěn)垮塌,礦流運(yùn)動(dòng)會(huì)在井筒和各檢查巷道內(nèi)形成如同打氣筒原理般的空氣吸入和壓縮現(xiàn)象,急速的空氣壓縮甚至?xí)谙锏纼?nèi)產(chǎn)生空氣沖擊波。在無法判斷堵塞部位穩(wěn)定性的情況下,人員貿(mào)然進(jìn)入將面臨巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(4)缺乏快速有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。由于通道受限,常規(guī)的測(cè)量方法無法施展,通過咨詢并論證了包括地質(zhì)雷達(dá)、近距離平行孔磁法測(cè)量等多種不進(jìn)入井筒進(jìn)行測(cè)量的方法,但可行性均不強(qiáng)。

3 主溜井井筒堵塞形式判斷及堵塞位置診斷方法

由于溜井上下口滿礦,主溜井監(jiān)測(cè)巷被積塵堵塞,采用文獻(xiàn)可查的常規(guī)方法快速判斷堵塞形式異常困難,只有結(jié)合前期生產(chǎn)過程中有關(guān)的信息及工程實(shí)踐,對(duì)所采集的信息進(jìn)行分析判斷,進(jìn)而確定堵塞形式。

3.1 主溜井井筒堵塞形式判斷

一般來說,溜井發(fā)生井筒堵塞的形式為:① 井壁發(fā)生較大的片幫,大塊礦巖直接棚堵導(dǎo)致井筒堵塞;②大塊聚集形成穩(wěn)定的大塊咬合拱堵塞;③粉礦受壓形成的粉礦黏結(jié)拱堵塞。

3.1.1 片幫體棚堵

一般在溜井井位選擇時(shí)需要通過對(duì)溜井圍巖進(jìn)行工程地質(zhì)勘探評(píng)價(jià),選擇地質(zhì)條件好的部位開鑿溜井。由于溜井位置的選擇還受采礦工程方面的因素限制,因此不可避免地會(huì)選擇地質(zhì)條件非最佳的部位,從而增加了施工難度、支護(hù)費(fèi)用和安全使用風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)主溜井圍巖強(qiáng)度、井壁巖體穩(wěn)定性、巖體結(jié)構(gòu)綜合分析,該溜井整體地質(zhì)條件一般,巖層陡立、急傾斜、節(jié)理裂隙多、局部較發(fā)育或發(fā)育,由于長(zhǎng)期使用,井筒刷大導(dǎo)致井筒變形嚴(yán)重存在大面積片幫的可能。圍巖強(qiáng)度較低且差異較小,正常情況下礦流沖刷磨損會(huì)較為均勻,但不排除部分高度階段內(nèi)階段流的存在會(huì)導(dǎo)致局部磨損刷大較為嚴(yán)重的情況。發(fā)生較大的片幫時(shí),會(huì)在溜井出礦過程中階段性發(fā)現(xiàn)夾雜大塊巖石的現(xiàn)象。根據(jù)黑溝礦主溜井多年運(yùn)行過程中溜井下口大塊巖石的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,基本未發(fā)現(xiàn)類似井壁大塊巖石集中出現(xiàn)的情況。由此判斷本次主溜井發(fā)生的井筒堵塞為井壁片幫體棚堵的可能性較小。

3.1.2 大塊聚集咬合支撐形成穩(wěn)定的懸拱

大塊礦石在井內(nèi)聚集、相互咬合支撐,也容易形成穩(wěn)固的大塊咬合拱[14]。井內(nèi)礦石在下落過程中容易出現(xiàn)大塊聚集,因此在溜井設(shè)計(jì)時(shí),需根據(jù)進(jìn)入溜井的物料最大粒級(jí)確定溜井直徑,一般溜井的最大直徑為控制最大粒級(jí)的4～6倍,主要是為了降低大塊聚集咬合產(chǎn)生穩(wěn)定懸拱的概率[14-16]。黑溝礦主溜井儲(chǔ)存的是粗破后礦石,礦石最大粒級(jí)為300 mm,形成大塊咬合拱的概率極小。

3.1.3 粉礦受壓形成的粉礦黏結(jié)拱堵塞

根據(jù)礦石在溜井中的移動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn),從溜井放礦口開始往上,可將溜井分為4個(gè)區(qū)(圖2)[9,17]。

圖2 溜井分區(qū)示意Fig.2 Schematic of chute partition

(1)Ⅰ區(qū)(死礦區(qū))。該區(qū)礦石處于靜止?fàn)顟B(tài),不移動(dòng),故稱為死礦區(qū)。死礦的堆積,有利于減小礦流對(duì)溜口襯板的磨損,但堆積過厚影響放礦口高度,極易在另一側(cè)產(chǎn)生咬合拱或黏結(jié)拱。

(2)Ⅱ區(qū)(變速變向局部斷面移動(dòng)區(qū))。該區(qū)為放礦橢球體生成和逐步擴(kuò)大的區(qū)域,由此形成變速變向局部斷面移動(dòng)區(qū)。由于溜口偏于溜井一側(cè),致使另一邊易形成一個(gè)粉礦堆積體區(qū)(即死礦區(qū))。當(dāng)條件成熟時(shí),移動(dòng)的平衡拱易形成穩(wěn)定的平衡拱。Ⅰ、Ⅱ區(qū)發(fā)生堵塞會(huì)立即影響溜井出礦,加上一般溜井下部都設(shè)置了專門的觀察孔等,堵塞空高相對(duì)較低,發(fā)現(xiàn)和處理相對(duì)簡(jiǎn)單快捷。

(3)Ⅲ區(qū)(垂直全斷面連續(xù)性移動(dòng)區(qū))。在該區(qū)域礦石隨著下部溜口放礦而同時(shí)移動(dòng),呈全斷面連續(xù)性移動(dòng)特征,礦石在該段不易產(chǎn)生堵塞。

(4)Ⅳ區(qū)(垂直全斷面階段性移動(dòng)區(qū))。高深溜井(通常深度大于200 m)與短溜井(通常深度小于200m)最大的區(qū)別就是該區(qū)段高度增加。該區(qū)域內(nèi)一定高度范圍內(nèi)反復(fù)形成懸拱并向上發(fā)展,形成的臨時(shí)平衡拱有數(shù)個(gè),在溜井放礦過程中始終破壞再形成。在該區(qū)域礦石移動(dòng)并不是隨著下部溜口放礦而同時(shí)移動(dòng),它與下部溜口放礦有一時(shí)間差,且該時(shí)間差隨井筒向上延伸而加大,礦石下落出現(xiàn)一次或數(shù)次下落現(xiàn)象,呈全斷面階段性移動(dòng)特征,礦石在該段極易產(chǎn)生黏結(jié)拱堵塞。

高深溜井該區(qū)段受井筒氣密性等的影響,具有以下有別于短溜井的特征:

(1)階段流加劇了井壁的磨損。由于階段流形成的礦流沖刷以及觸底振動(dòng)沖擊,加劇了井壁的磨損。受溜井圍巖巖性差異及地壓造成的應(yīng)力差異的影響,階段流對(duì)井壁造成的磨損程度是不一致的,在磨損過程中會(huì)在井內(nèi)形成凹槽或凸臺(tái),甚至形成局部漏斗狀結(jié)構(gòu),為懸拱形成創(chuàng)造了條件。本研究觀測(cè)的黑溝礦1#采區(qū)高深溜井的井壁情況如圖3所示,說明凸臺(tái)和漏斗型結(jié)構(gòu)的存在。

圖3 黑溝礦2#溜井磨損觀測(cè)照片F(xiàn)ig.3 Wear observation photo of No.2 chute of Heigou Mine

(2)井內(nèi)礦石長(zhǎng)距離下降運(yùn)動(dòng)帶來的礦石間磨蝕作用導(dǎo)致微細(xì)粉含量增加,對(duì)比高深溜井與短溜井排出的礦石,最大的區(qū)別是高深溜井的礦石基本沒有了尖銳的棱角。黑溝礦溜井3個(gè)監(jiān)測(cè)巷粉塵堆積差異也說明了微細(xì)粉含量在不同高度的變化。階段流下行過程中微細(xì)粉受氣流影響強(qiáng)化了分級(jí)作用,使局部礦石間隙得到了充分地充填,降低了井內(nèi)松散礦石的孔隙率,增大了通風(fēng)阻力,影響了透氣性。實(shí)際上控制溜井礦石水分、粉礦含量是為了保證礦石的透氣性。

(3)階段流加強(qiáng)了對(duì)礦石的觸底沖擊夯實(shí)作用[16-21]。該區(qū)域臨時(shí)平衡拱維持時(shí)間越長(zhǎng),下部繼續(xù)放礦將導(dǎo)致井內(nèi)空腔高度增加,臨時(shí)平衡拱一旦破壞,礦石的觸底沖擊將隨著空高增加而增強(qiáng),對(duì)接觸礦面的夯實(shí)作用也越強(qiáng)。礦石在井筒內(nèi)下落過程中受氣流影響形成的塊粉分級(jí),使局部礦石的松散性、透氣性、流動(dòng)性變差,更易形成穩(wěn)定的粉礦黏結(jié)拱。在本次疏通處理措施工程施工階段,在3 250 m監(jiān)測(cè)巷進(jìn)入井筒范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)一塊粉黏結(jié)體,黏結(jié)體塊粉結(jié)合致密,其中觀察到部分條狀塊礦有斷裂但未呈現(xiàn)較大分離位移,可以推測(cè)黏結(jié)體是在強(qiáng)烈沖擊作用下瞬間壓實(shí)形成。

(4)階段流導(dǎo)致了井內(nèi)空氣密度降低,使氣流擾動(dòng)作用弱化[15]。由于該區(qū)域形成的臨時(shí)平衡拱有數(shù)個(gè),井內(nèi)一定高度范圍內(nèi)反復(fù)形成懸拱并向上發(fā)展,在溜井放礦過程中始終處于破壞再形成的過程。隨著下部礦石向下移動(dòng),導(dǎo)致井內(nèi)空腔體積增加,再加上階段流對(duì)下部空腔空氣的壓縮,導(dǎo)致部分井內(nèi)空氣隨下部礦石或其他通道溢出,從而使空腔內(nèi)空氣密度逐漸降低形成負(fù)壓狀態(tài),下部礦面移動(dòng)或臨時(shí)平衡拱破壞使井內(nèi)氣流對(duì)新形成的臨時(shí)平衡拱擾動(dòng)作用弱化,可能導(dǎo)致該區(qū)域在溜井放礦過程中臨時(shí)平衡拱破壞再形成的過程中斷,從而形成穩(wěn)定的平衡拱。相關(guān)學(xué)者研究的溜井“喘氣”現(xiàn)象、監(jiān)測(cè)巷生產(chǎn)“霧化”現(xiàn)象,以及在測(cè)量溜井內(nèi)礦石流動(dòng)各監(jiān)測(cè)巷的氣壓變化,均說明了井內(nèi)負(fù)壓的存在。這種“喘氣”現(xiàn)象也成為了本次診斷堵塞位置的重要依據(jù)之一。

上述特征的存在,受礦石塊度組成、壓實(shí)程度、含水量等的影響,極易形成臨時(shí)平衡拱,該拱為粉礦黏結(jié)拱。可能因井筒幾何形狀、表面平整度變化而形成穩(wěn)定的支撐,其強(qiáng)度無法因上部的載荷而破壞,無法因氣流撓動(dòng)而塌落,最終將導(dǎo)致井筒堵塞。

綜上所述,并結(jié)合中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司的相關(guān)技術(shù)人員對(duì)如何保證高深溜井的安全使用進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)論,當(dāng)黑溝溜井中礦石粉礦含量達(dá)到一定比例時(shí),含水量將達(dá)到3%～7%,該條件下壓實(shí)系數(shù)大,礦石易結(jié)塊成拱[14]。

根據(jù)溜井使用年限和累計(jì)礦量,井筒肯定有一定程度的變形。本次主溜井造成懸拱堵塞的根本原因與井筒結(jié)構(gòu)和溜井流動(dòng)規(guī)律有很大關(guān)系,懸拱部位具備了懸拱形成的下述條件:井筒一定高度范圍內(nèi)磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致井筒產(chǎn)生局部變形,井內(nèi)形成凹槽或凸臺(tái),為形成穩(wěn)定拱腳創(chuàng)造了條件,階段流的夯實(shí)作用,加上粉礦含量和可能的水分條件,使礦石壓實(shí)程度達(dá)到了形成粉礦黏結(jié)拱的條件。由此判定本次主溜井井筒堵塞的基本形式應(yīng)為粉礦黏結(jié)拱堵塞。

3.2 主溜井井筒堵塞位置診斷

受限于監(jiān)測(cè)巷被積塵堆積,通過采集分析溜井下部拉礦過程中井內(nèi)礦流聲響、空腔回聲、氣流變化和氣流聲響等信息來診斷井筒堵塞位置和空腔高度。

3.2.1 拉礦產(chǎn)生階段流氣流擾動(dòng)

一般在溜井發(fā)生井筒堵塞后,在一定時(shí)間段內(nèi),會(huì)不斷有浮石從上部黏結(jié)拱掉落并在井內(nèi)產(chǎn)生聲響,少量的浮石掉落不會(huì)引起大的氣流擾動(dòng),但可以根據(jù)落石聲響的出現(xiàn)判斷礦面與監(jiān)測(cè)巷的大致距離,同時(shí)可以根據(jù)落石聲響的頻率判斷黏結(jié)拱的穩(wěn)定性,作為人員可否進(jìn)入監(jiān)測(cè)巷作業(yè)的重要安全判定依據(jù)。拉礦過程中一旦聽到落石聲響,就具備了采集更多井內(nèi)礦流聲響、空腔回聲、氣流變化和氣流聲響的基本條件。為此,本研究在3 250 m、3 100 m監(jiān)測(cè)巷積塵與頂板間隙部位設(shè)置了視頻、音頻采集,并懸掛絲帶觀察微弱的氣流變化。

根據(jù)多年觀測(cè)溜井礦石流動(dòng)的經(jīng)驗(yàn),溜井上部產(chǎn)生穩(wěn)定的平衡拱后,在井內(nèi)移動(dòng)的礦石還能夠不斷產(chǎn)生新的階段流,在下部快速的拉礦過程中,新的階段流會(huì)因?yàn)槁涓叩脑黾赢a(chǎn)生較強(qiáng)的氣流擾動(dòng),控制得當(dāng)可破壞臨時(shí)平衡拱,有利于避免井筒堵塞。較強(qiáng)的階段流會(huì)壓縮或抽拉溜井空腔內(nèi)的空氣,通過空氣擾動(dòng)在井筒內(nèi)形成彈性波,在受限的氣流通道部位產(chǎn)生“喘氣”現(xiàn)象;同時(shí)階段流觸底產(chǎn)生的振動(dòng)聲響會(huì)在井筒內(nèi)形成明顯的回音。本次溜井位置診斷主要采用“回聲定位”和“喘氣判定”兩種方法。

3.2.2 回聲定位

通過對(duì)溜井內(nèi)階段流觸底產(chǎn)生的振動(dòng)聲響的波形分析,發(fā)現(xiàn)每次大的觸底振動(dòng)波形后面都有一系列有規(guī)律的不斷衰減的波形出現(xiàn)。通過分析,認(rèn)為這是由聲波在井筒空腔內(nèi)回聲造成的。聲源為觸底位置,分析溜井入射角度可知,井筒內(nèi)能夠產(chǎn)生大的反射回音的部位只有上部黏結(jié)拱拱面,大部分黏結(jié)拱拱面都呈反射鍋形,有利于反射回音的形成。

根據(jù)階段流觸底產(chǎn)生的振動(dòng)聲響的波形分析確定回音傳播時(shí)間,并結(jié)合音頻采集點(diǎn)與井筒的距離、聲音在空氣中的傳播速度,通過計(jì)算確定的回聲反射點(diǎn)與聲源的距離(即溜井空腔高度)為102 m,大約距3 250 m監(jiān)測(cè)巷地板38 m。由于以從井內(nèi)傳出聲響判斷礦面到達(dá)監(jiān)測(cè)巷為測(cè)量計(jì)時(shí)起點(diǎn),存在一定誤差,因此該高度值的精確性稍有欠缺。

3.2.3 “喘氣”現(xiàn)象判定

溜井下部連續(xù)出礦石時(shí),隨著下部礦石向下移動(dòng),井內(nèi)空腔體積增加,再加上階段流對(duì)下部空腔空氣的壓縮,導(dǎo)致部分井內(nèi)空氣隨下部礦石或其他通道溢出,從而使空腔內(nèi)空氣密度逐漸降低形成負(fù)壓狀態(tài)。根據(jù)多年的觀測(cè),當(dāng)空腔距氣流通道到一定距離后,便出現(xiàn)氣流聲,當(dāng)氣流通道基本暢通時(shí),氣流聲隨即消失。當(dāng)氣流通道監(jiān)測(cè)到“喘氣”現(xiàn)象時(shí),一般都伴隨著井內(nèi)振動(dòng)出現(xiàn)。較強(qiáng)的階段流,導(dǎo)致溜井空腔內(nèi)的空氣被壓縮或抽拉,通過空氣擾動(dòng)在井筒內(nèi)形成彈性波,在受限的氣流通道部位產(chǎn)生了“喘氣”現(xiàn)象。一旦氣流通道暢通,“喘氣”現(xiàn)象反而消失。

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn),一般氣流聲和“喘氣”現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),空腔距監(jiān)測(cè)巷氣流通道為5～35 m。受限的氣流通道部位有可能由于礦石的松散性和透氣性不同,存在較大差異。

根據(jù)以上兩種方法推斷,初步診斷黏結(jié)拱的大致位置應(yīng)在3 250 m監(jiān)測(cè)巷底板水平以下35 m左右。

4 措施工程及堵塞處理

在初步完成主溜井井筒堵塞形式判斷及堵塞位置診斷后,判定堵塞形式為粉礦黏結(jié)拱,相應(yīng)能夠采取的處理措施為“破拱腳”“爆震”[4]和“水浸”等方式。后續(xù)將進(jìn)行鉆孔施工,為爆破或注水創(chuàng)造條件,并開展溜井疏通的措施工程和井筒堵塞疏通處理,主要工作包括:3 250m監(jiān)測(cè)巷積塵及積礦清理,為施工創(chuàng)造場(chǎng)地條件;在3 250m監(jiān)測(cè)巷和溜井結(jié)合部砌筑封閉墻,為疏通作業(yè)創(chuàng)造安全條件;鉆孔作業(yè),采用雙孔模式(圖4),進(jìn)行堵塞位置驗(yàn)證并進(jìn)一步提高堵塞定位精度,為堵塞處理技術(shù)手段應(yīng)用提供進(jìn)一步的設(shè)計(jì)決策依據(jù)。

圖4 3 250m監(jiān)測(cè)巷防護(hù)墻及鉆孔布置Fig.4 Protective wall and drilling layout of 3 250 m monitoring roadway

4.1 3 250 m監(jiān)測(cè)巷積塵清理

3 250 m監(jiān)測(cè)巷部分被積塵充填,在清理過程中發(fā)現(xiàn),有一穴狀通道通向井筒,接近井筒基本無積礦,鋼纖維混凝土封閉墻已磨損殆盡。說明在溜井施工時(shí)砌筑的鋼纖維混凝土擋墻阻擋了井內(nèi)礦石的外溢,墻體下部設(shè)置的水平監(jiān)測(cè)孔有氣流與監(jiān)測(cè)巷保持了氣流暢通。井內(nèi)強(qiáng)烈的氣流擾動(dòng)在向外輸送粉塵的同時(shí),也維持著氣流通道的暢通。鋼纖維混凝土墻體全部磨損前,積塵已經(jīng)堵塞了與溜井結(jié)合部的大部分空間。

在穴狀通道盡頭,井筒部位內(nèi)發(fā)現(xiàn)一局部黏結(jié)拱,這是第一次能夠直接近距離觀察黏結(jié)拱的形態(tài)。在黏結(jié)拱下部裝藥實(shí)施了第一次大藥量爆破,爆破后上部礦流進(jìn)入監(jiān)測(cè)巷,隨著清理礦流不斷涌出,上部未出現(xiàn)“喘氣”現(xiàn)象,可以判定3 250m監(jiān)測(cè)巷穴洞上部位置存在局部黏結(jié)堵塞,破壞后礦流連續(xù),上部未見堵塞,也進(jìn)一步驗(yàn)證了下部堵塞判斷的準(zhǔn)確性。

4.2 封閉墻施工

為了降低施工人員進(jìn)入監(jiān)測(cè)巷帶來的安全風(fēng)險(xiǎn),也為改善井筒的氣密性(本研究認(rèn)為氣密性和氣流通道暢通正負(fù)效應(yīng)都是存在的)。首先對(duì)監(jiān)測(cè)巷進(jìn)行封堵,封堵采用鋼筋混凝土。設(shè)計(jì)墻體厚度0.3 m,內(nèi)襯用礦渣裝袋碼垛,硐壁整體開槽,周邊設(shè)錨桿與配筋焊接后一次澆筑成型。為延長(zhǎng)防護(hù)墻的服務(wù)壽命,墻體距井筒5 m,部分空腔會(huì)隨著溜井生產(chǎn)由礦石自然充填?；炷翉?qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行下一步穿孔作業(yè)。

4.3 鉆孔及爆破

先按設(shè)計(jì)角度進(jìn)行鉆孔,傾角63°,設(shè)計(jì)深度20 m,鉆至17.5 m后與溜井貫通,確認(rèn)井內(nèi)有礦,隨后進(jìn)行兩次井內(nèi)爆破,效果不顯著。本次穿孔爆破目標(biāo)是鉆孔到達(dá)拱腳部位,希望通過爆破作用實(shí)現(xiàn)“破拱腳”來破壞黏結(jié)拱。由于用“回聲定位”和“喘氣判定”兩種方法確定的結(jié)拱位置精度遠(yuǎn)達(dá)不到精確測(cè)量的要求,失敗也是在所難免。

距第1個(gè)鉆孔0.5 m重新鉆孔,鉆孔傾角73°設(shè)計(jì)深度40 m,鉆至46 m,未與溜井貫通,由于穿孔深度遠(yuǎn)超鉆機(jī)設(shè)計(jì)的額定穿孔深度,遂停止穿孔作業(yè)。后經(jīng)鉆孔測(cè)斜,發(fā)現(xiàn)鉆孔跑偏嚴(yán)重,導(dǎo)致鉆孔未按預(yù)期進(jìn)入溜井。

隨后在二次穿孔底部進(jìn)行裝藥爆破,藥量31.5 kg,目的是通過對(duì)井壁的小范圍破碎利用爆破振動(dòng)破壞懸拱,或由于裝藥位置距拱腳較遠(yuǎn)、或由于爆破抵抗線過小,未能產(chǎn)生足夠的振動(dòng),雖然實(shí)現(xiàn)了炮孔與井壁的貫通,但未實(shí)現(xiàn)懸拱的破壞。根據(jù)計(jì)算的爆破振動(dòng),懸拱位置生產(chǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度足以導(dǎo)致懸拱垮塌,但未出現(xiàn)期望的效果。

確認(rèn)鉆孔與溜井貫通后,利用鉆孔通過視頻試圖對(duì)黏結(jié)拱進(jìn)行觀察,由于角度控制難度大,沒有看到懸拱清晰畫面,但觀察到了局部井筒磨損情況,從畫面看,溜井井筒呈不規(guī)則狀,說明井筒磨損還受溜井圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的控制,井筒局部形狀見圖5。

圖5 主溜井3 215 m附近井筒局部形狀Fig.5 Local shapes of wellbore near main chute 3 215m

隨后進(jìn)行“爆震”破拱[10],即通過2#鉆孔在井筒內(nèi)懸藥爆破,藥量45 kg,根據(jù)曾經(jīng)多次成功采用的處理方法,該藥量在近距離爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓值足以破壞懸拱,但也未出現(xiàn)期望的效果,說明懸拱強(qiáng)度超出預(yù)期。

4.4 鉆孔注水“水浸”破拱

依據(jù)中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司相關(guān)技術(shù)人員編制的《酒鋼鏡鐵山黑溝礦區(qū)深溜井試驗(yàn)研究報(bào)告》:當(dāng)黑溝溜井中礦石粉礦含量達(dá)到一定比例時(shí),含水量達(dá)到3%～7%,該條件下壓實(shí)系數(shù)大,礦石易結(jié)塊成拱,可以認(rèn)為粉礦黏結(jié)拱通過水浸,含水量大于7%時(shí),可能導(dǎo)致粉礦黏結(jié)拱破壞,業(yè)內(nèi)也有成功的工程實(shí)例[19]。

二次爆破未果后,隨即用已經(jīng)敷設(shè)好的管道向1#鉆孔注水,注水過程中溜井上口有強(qiáng)烈的氣流伴隨碎石飛出,溜井疏通成功,用水量約6 t,用時(shí)約10 min。

采用注水法實(shí)現(xiàn)了懸拱最終垮塌,也說明堵塞是由粉礦形成的黏結(jié)拱所致,含水量對(duì)黏結(jié)拱的形成和破壞具有重要的作用。

5 后期觀測(cè)及溜井井筒三維測(cè)量

本次堵塞處理最后采用注水法實(shí)現(xiàn)了懸拱最終垮塌,也說明堵塞是由粉礦形成的黏結(jié)拱,含水量對(duì)黏結(jié)拱的形成和破壞具有重要的作用。

通過對(duì)主溜井上部進(jìn)行了井筒三維掃描(圖6)發(fā)現(xiàn),黑溝礦主溜井的井筒磨損比較嚴(yán)重,并且磨損分布不均勻。

圖6 主溜井上部三維模型Fig.6 3D model of the upper of main chute

6 結(jié) 論

(1)利用溜井礦石流動(dòng)規(guī)律和相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以判定溜井的堵塞形式。

(2)利用“回聲定位”和“喘氣判定”可診斷溜井堵塞部位。

(3)井筒一定高度范圍內(nèi)磨損變形,階段流加強(qiáng)了對(duì)礦石的觸底沖擊夯實(shí)作用,負(fù)壓狀態(tài)削弱了空腔內(nèi)的氣流擾動(dòng),是高深溜井形成懸拱堵塞的主要原因。

(4)本次堵塞處理最后采用注水法實(shí)現(xiàn)了懸拱最終垮塌,也說明堵塞是由粉礦形成的黏結(jié)拱所致,含水量對(duì)黏結(jié)拱的形成和破壞具有重要的作用。在明確堵塞位置和堵塞形式后,在黏結(jié)拱處少量注水是一種較為快捷安全的方法。