高深溜井懸拱堵塞相似試驗研究

張寶金，楊雷，高英勇，張振江，任海龍

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

0 引言

溜井是礦山礦石運輸?shù)难屎硪?，而高深溜井的穩(wěn)定運行更是礦山生產(chǎn)的重中之重[1?2]。溜井在頻繁的儲礦、放礦過程中，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，儲礦倉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)力及放礦時的沖擊載荷通過拱結(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，這對礦山放礦工作的順利進(jìn)行增加了難度。

針對溜井井筒堵塞機理，許多專家學(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。針對該機理的驗證，在現(xiàn)場進(jìn)行溜井礦石成拱的試驗是比較困難的，因此采取室內(nèi)對其進(jìn)行相似模擬試驗。魏殿恩等[8]利用溜井放礦模擬器對方形溜井在多因素影響下放礦過程進(jìn)行模擬，驗證了包括含水率、礦石顆粒粒徑等因素對結(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、材料級配及料頭高度等參量對放礦過程結(jié)拱現(xiàn)象進(jìn)行模擬，歸納出不同參量對礦石結(jié)拱行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果對礦山高深溜井堵塞的防治具有一定的指導(dǎo)意義。

1 結(jié)拱機理分析

由于上部卸礦對礦石的夯實和井內(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)律與機理，對拱進(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C距離A的豎直距離為H，C和A、B的水平距離分別為L1、L2（見圖2）。上部礦石堆積高度一般大于兩倍直徑，由于筒倉效應(yīng)，拱上方的礦石對拱的壓力q為定值。拱腳A、B同時受到向上的摩擦力f和井壁的支撐力FN。理論模型簡化后的受力如圖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，在放礦過程中便自然形成穩(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。

溜井中上部儲料自重經(jīng)懸拱傳遞至A、B拱腳處。儲料在不斷被夯實壓密過程中，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)載上覆儲料。且后續(xù)有限的溜井口放礦工作，增大了承壓拱上部儲料的高度，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)過程中，攜帶小顆粒礦石向下流動，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)的密實度和整體強度，同時降低礦石自重應(yīng)力沿拱向井壁傳遞的分散性。

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

2 工程背景

鞍鋼礦業(yè)公司眼前山鐵礦為露天轉(zhuǎn)地下開采的金屬礦山，2012 年露天礦山閉坑，2018 年井下開采投產(chǎn)。地下開采設(shè)計能力為800×104t/a，采用無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、臨儲任務(wù)，通過該主溜井的礦石量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，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。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。

礦巖非均勻下落對井壁的破壞主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，平衡拱垮落的過程中，空腔中的空氣被突然壓縮，產(chǎn)生劇烈的空腔爆破效應(yīng)，此過程中產(chǎn)生的高壓、噪聲和熱效應(yīng)現(xiàn)象均會對溜井井壁產(chǎn)生破壞。另一方面，礦石在下放過程中形成懸拱，懸拱與井壁支護(hù)層之間形成相互作用力，并通過拱的形式將上覆礦石傳遞至溜井壁，對其形成的側(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，因此針對結(jié)拱事件的分析及模擬具有一定意義。

3 相似試驗

3.1 試驗設(shè)備

試驗在自制的溜井放礦試驗平臺上進(jìn)行。該平臺主要包括亞克力管，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，有利于觀察放礦時礦石的運動特征，且其物理性能良好。上管長885 mm，內(nèi)徑為22.5 mm，厚5 mm；下管長235 mm，內(nèi)徑為30 mm，厚5 mm；中間用長20 mm，厚5 mm 的圓臺連接。支架主要保證試驗過程中亞克力管始終 保持垂直狀態(tài)。攝像裝置采用的是GoPro 相機，在放礦過程進(jìn)行拍攝，拍攝幀率為120 幀/s。攝影燈為攝像過程提供可靠光源，保證攝影素材的質(zhì)量。相似試驗平臺如圖3 所示。

圖3 溜井放礦試驗裝置

3.2 試驗過程及結(jié)果

試驗開始前需對不同級配的粒徑進(jìn)行試驗，主要分為單一粒徑及與眼前礦山一致的粒徑級配。然后制備不同級配、不同含水率的儲料，本試驗主要配制了含水率為0%，1%，2%，3%的礦石（見表1）。

表1 不同級配粒徑的比重/%

將不同含水率的各級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。

在底部對礦石進(jìn)行均勻放出，放礦過程需以攝影燈輔助攝影相機進(jìn)行全程攝像。對每種試驗條件下的放礦試驗重復(fù)多次，記錄不同試驗條件下發(fā)生結(jié)拱事件的次數(shù)，計算礦石發(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 試驗結(jié)果

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

從表2 中可以看出，不同級配下，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的咬合作用，在放出時存在一定概率的結(jié)拱事件。其次，在干燥狀態(tài)下，各級配礦石在下放過程中結(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 組級配，即與礦山實際較為一致的礦石級配為例，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1%時），概率降低，表明水分對礦石顆粒間的黏聚作用逐漸向潤滑作用發(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結(jié)拱事件具有較強的影響，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，同時加強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）通過極限平衡法分析了高深溜井井內(nèi)成拱機理，得出了拱的軸線是拋物線。

（2）對試驗數(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。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，松散體則出現(xiàn)一定的結(jié)拱現(xiàn)象。料頭高度對結(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）利用亞克力管對賦存不同條件下的礦石下放過程進(jìn)行模擬，其結(jié)果與實際情況較為相符，這說明了相似模擬試驗具有較強的可行性。