露天礦山溜井磨損與放礦量的計算式

詹森昌（江西銅業(yè)集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

露天礦山溜井磨損與放礦量的計算式

詹森昌
（江西銅業(yè)集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

在德興銅礦礦山開采過程中，早期采用礦石經(jīng)旋回破碎后，通過溜井放礦，經(jīng)電機車運往選礦廠。以德興銅礦1號溜井為例，分析了溜井放礦井筒磨損規(guī)律，在貯滿礦石的井筒放礦時，礦石對井壁的磨損是輕微、均勻、緩慢的，提出井筒摩擦損失的計算式，且摩擦當(dāng)量與磨損速度成反比關(guān)系。通過對溜井線磨損速度及總放礦量、總磨損速度進行計算和預(yù)測，可為礦山規(guī)劃、設(shè)計和生產(chǎn)計劃提供依據(jù)。

露天礦；井筒磨損；移動規(guī)律；計算式；通過礦量

1 引言

德興銅礦是一座大型現(xiàn)代化的世界級的露天銅礦山,日處理礦石量達13萬t,年采剝總量1.3億t。礦體產(chǎn)于花崗閃長斑巖與千枚巖接觸帶，礦石主要是含銅斑巖和含銅千枚巖。礦巖中等穩(wěn)固，節(jié)理發(fā)育，礦石硬度系數(shù)f=5～7,硅化較強處，硬度稍大。

露采初期，處于山坡露天礦時，采用平硐—溜井運輸系統(tǒng)，1號溜礦井在采區(qū)中部，穿過巖層為含銅千枚巖和含銅斑巖，井深為180m。設(shè)計井筒直徑為5.7m，實際施工為6m，下部21m高度井筒直徑為7.5m，除井筒底部井壁（5m高），用錳鋼板加固外，全部無支護，采用雙邊重力放礦。1號溜礦井累計放出礦石量為6515.5萬t，最高年份放礦量為860萬t，最高日放礦量超過3萬t。

在溜井放礦過程中，井壁的磨損破壞是影響礦山生產(chǎn)至關(guān)重要的問題。為了更好地掌握實際資料，分析原因、找出規(guī)律，指導(dǎo)設(shè)計和生產(chǎn),對溜井進行了全面考察和實測。考察證實全溜井的井壁光滑、完整，磨損輕微，全溜井的井筒直徑平均磨損擴大1.31m，井壁上無浮石，未發(fā)現(xiàn)有片幫現(xiàn)象，錳鋼板加固（底部）完好［1］。本文利用上述考察資料、對溜井井壁進行磨損分析。

2 礦石在溜井中的移動規(guī)律

根據(jù)礦石在溜井中的移動過程，一般認為,可分為三個部分［2］，如圖1所示。

（1）非貯礦段（圖1中A）：井筒上部，未貯存礦石。礦石在卸礦時的初速度和重力加速度的共同作用下，沖擊井壁后落到下部礦石表面。

圖1 溜井中礦石移動示意圖

（2）貯礦段上部（圖1中B）：在溜井放礦過程中，井筒內(nèi)的礦石是整體、平穩(wěn)、緩慢、垂直向下移動。

（3）貯礦段下部（圖1中C）：靠近放礦漏斗，受放礦類橢球體的影響，礦石除了垂直向下移動外，還有橫向移動。尤其是到了流動線和“死礦堆”（圖1中3、4）范圍內(nèi)，由于流動面積減小，易形成礦石結(jié)拱堵塞和“卡斗”。

3 溜井井壁磨損分析

3.1 非貯礦段

由于井壁受到卸礦時的礦石強烈沖擊，留有沖擊點、沖擊溝（圖1中6所示），使井壁受到?jīng)_擊磨損。

3.2 貯礦段上部

由于礦石是分段整體、平穩(wěn)、緩慢、垂直向下移動，其反映出井壁光滑、完整［2］；貯礦條件下溜各處磨損是均勻的，與深度無關(guān)［3］；礦石對井壁的磨損輕微，溜井周邊面磨損是均勻的［3］；貯礦段溜井磨損均勻，上下磨損速度非常接近。

根據(jù)上述磨損特點，總結(jié)井壁的磨擦損失規(guī)律：不同直徑的溜礦井在放礦磨損過程中，以1m高度的礦石與全井壁發(fā)生磨擦（放礦）1次，井壁摩擦損失是很微小，井壁四周的磨損量相同，且井筒上下部位是相近的。也就是說，由于摩擦（放礦）引起的溜井直徑擴大（摩擦損失）0.1m時，相對處于不同直徑時的井筒，其摩擦次數(shù)是相同的；但每次所用（通過溜井放出）的礦石數(shù)量是不同的，它與其不同直徑的井筒的斷面積成正比［4］。

如上所述，在分析井壁因放礦而產(chǎn)生的摩擦損失量，即井壁的磨損擴大與放礦量之間的關(guān)系，只要求出磨擦次數(shù)這個關(guān)鍵數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)時的井筒斷面積，就能找到它們之間的關(guān)系表達式。

現(xiàn)以德興銅礦1號溜礦井為例，當(dāng)井筒直徑從6m，放出1018.4萬t礦石后，井筒直徑平均擴大1.31m，進行如下放礦磨損分析：

（1）計算井壁磨損的井筒平均斷面積（表1）：

表1 井筒斷面積、放礦量計算表

（2）井筒磨損擴大0.1m的摩擦次數(shù)。

先算出井筒直徑從6m擴大到7.31m的累計井筒平均斷面積（如表1所示），并結(jié)合放出礦石量，松散礦石體重和每次摩擦井壁的礦石高度,進而計算出井筒磨損擴大0.1m時的摩擦次數(shù)N。

摩擦井壁的次數(shù)：

式中N為井筒直徑每擴大0.1m需摩擦次數(shù)，萬次；Q為累計放出礦量，萬t；S0為累計井筒平均斷面積，m2；γ為松散礦石體重，t/m3；H為摩擦的礦石高度，1m。

井筒直徑磨損擴大0.1m時,放出（摩擦井壁）的礦石量：

q=S·H·γ·N （2）

式中S為計算的井筒斷面積，m2。

計算得N=1.238萬次，即井筒直徑每擴大（磨損）0.1m，需要以井筒高度為1m的礦石量摩擦1.238萬次。由式（2）可知，式中H·γ·N的乘積是一個常數(shù)，以R表示，稱其為“摩擦當(dāng)量”，R=2.228 萬t/m2，即式（2）可表示為：

q=R·S （3）

（3）井筒磨損計算式。

溜井在放礦過程中，井壁隨之產(chǎn)生磨損擴大。當(dāng)已知井筒直徑每磨損擴大0.1m時的放礦量q，就可以用它來計算井筒直徑磨損擴大n個0.1m （ΔD）的總放礦量Q。

演算過程如下：

圖2 井筒磨損示意圖

根據(jù)圖2所示，井筒在放礦過程中不斷產(chǎn)生磨損，但其累計放礦量Q：

Q=q0+q1+q2+……+qn=R·S0+S1+……+Sn（ 4）把式（4）中的井筒斷面積改用直徑表示，得：Q=R·π/4 D02+D12+D22+……+Dn2（5）

式中D0為井筒開始使用時的直徑，m；D1D2……Dn為放礦磨損過程中不同時期的井筒直徑，m；

D1D2……Dn之間的關(guān)系為：

上述式（6），是通過n和R來表達放礦量與井筒磨損擴大之間的關(guān)系式［5］。也就是說，只要知道井筒初始直徑D0和“摩擦當(dāng)量”R后，就能通過式（6）計算出井筒直徑擴大到多少米時，其相應(yīng)的放出礦石量是多少，但有幾點需要說明一下。

第一，上式中的n是代表n個ΔD。由于上式中的第一項是 n+1 D02,并且式中ΔD=0.1m，因此，在具體計算時，如當(dāng)井筒初始直徑D0=6m,通過放礦磨損后，擴大至7.5m，即，n+1=7.5-6.0×10，n=14。

同理，井筒直徑受進一步放礦磨損擴大至8.6m時，n=25，以此類推。再用n=14、25分別代入式（6），算出井筒直徑從初始D0=6.0m，經(jīng)放礦磨損擴大至7.5m 、8.6m時，各自放出的礦石量。

第二，“摩擦當(dāng)量”R的確定。將溜井井筒初始平均直徑、放出礦石的量、放礦磨損后的井筒平均直徑這三個數(shù)據(jù)，按表1的格式和后部的計算程序計算求得“R”。對于溜井井筒平均直徑，可采用較簡易的方法求得，即把井筒貯滿礦后，全部放空，根據(jù)所放出的礦石量和貯礦高度，計算其平均直徑。

第三， 關(guān)于式（6）的計算誤差。因為溜井放礦井筒所產(chǎn)生的磨損擴大，是連續(xù)的、漸進的過程。從理論上講，適合于積分方式來計算。而本計算式是用多項式推導(dǎo)的，雖然多項式也是一個漸進的過程，兩者相比還是有誤差的。其誤差可從以下幾個方面來分析，即，其一，井筒直徑的磨損擴大，是以m為單位來進行計算的，而本式ΔD=0.1m，因此計算誤差不大；其二，如要減小誤差，可把ΔD從本式的0.1m再縮小；其三，多項式與積分方式所計算出的放礦量，兩者相比，前者偏小；其四，還有其他影響磨損的因素存在。因此，采用多項式并取ΔD=0.1m來進行井筒磨損的計算，與積分方式相比所產(chǎn)生的誤差是可以接受的。

總之，式（6）得出的數(shù)據(jù)可用于礦山開采（礦床開拓）規(guī)劃、溜井設(shè)計和生產(chǎn)安排，對溜井放礦的井壁磨損有一個理性認識，促進溜井放礦事業(yè)發(fā)展。

（4）溜井放礦量和磨損速度預(yù)測。

根據(jù)上述井筒磨損計算式和德興銅礦生產(chǎn)中有關(guān)數(shù)據(jù)，對井筒直徑每磨損擴大1m的放礦量和其線磨損速度及總放礦量、總磨損速度用式（6）進行計算和預(yù)測，有關(guān)數(shù)據(jù)如表2。

表2 溜井放礦量和磨損速度預(yù)測表

根據(jù)上述計算數(shù)據(jù)和1號溜礦井實際累計放礦量為6515.5萬t比較，其對應(yīng)的井筒直徑是11m 時 Φ10～11m的累計放礦量6420萬t，兩者估計是相近的。

1979年，美國福陸公司對德興銅礦17.3萬t/d規(guī)模進行設(shè)計時，在概念性設(shè)計階段，提出采用直徑10m的溜井放礦方案［6］。為此，在1980年設(shè)計聯(lián)絡(luò)時，德興銅礦派出專業(yè)技術(shù)人員去美國學(xué)習(xí)和考察溜礦井施工技術(shù)。因此，在貯滿礦條件下，從福陸公司設(shè)計的放礦前Φ10m溜井直徑磨損后最終直徑達到16～17m是可能的，即，從上述井筒磨損的計算數(shù)據(jù)看，1號溜礦井直徑達到17m時，其放礦量為2.7億t。

3.3 貯礦段下部

在放礦過程中，礦石按類橢球體形態(tài)移動。因此，井壁磨損，比起上部要小，尤其是在流動線（圖1中3所示）以下，除溜口正面額墻磨損速度大外，其它三個方向都有“死礦堆”（圖1中4所示），井壁基本上不發(fā)生磨損［5］。

4 結(jié)論

（1）從上述分析可以看出，放礦溜井非貯礦段的井筒磨損，主要是井壁受到卸礦時的礦石長期撞擊引起的，產(chǎn)生沖擊磨損；貯滿礦石的井筒放礦時，礦石對井壁的磨損是輕微、緩慢的，呈一定規(guī)律，可以用式（6）進行計算，其數(shù)據(jù)可作為礦山規(guī)劃、設(shè)計和生產(chǎn)安排的依據(jù)。

（2）井筒的井壁磨損速度的大小，與溜井通過的巖層和放出礦石的性質(zhì)有關(guān)。溜井通過的巖層越堅硬，整體性好，摩擦當(dāng)量越大，磨損速度越小，可通過礦量越多。相反，R減小，磨損速度加大。

（3）礦山生產(chǎn)中，在采場安裝礦石破碎機，減小入井礦石塊度，不僅對放礦有利，對安全生產(chǎn)有利，對減小整個溜礦井系統(tǒng)的磨損也是有利的。

（4）在一般情況下，從放礦的摩擦損失分析來看，只要在井筒貯滿礦時進行生產(chǎn)放礦，同時加強生產(chǎn)管理，一條溜井承擔(dān)1～2億t出礦任務(wù)是可行的。

［1］魏子昌, 詹森昌, 楊樹本, 等. 對德興銅礦1號溜井礦石移動規(guī)律及其磨損的考察[J]. 金屬礦山, 1984(8):7-10.

［2］邵必林, 呂向東. 酒鋼黑溝礦高深溜井正常使用途徑的探討[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報, 2002, 34:383-389.

［3］郭寶昆, 張福珍. 礦石在溜井各區(qū)內(nèi)的移動特點及其分析[J]. 黃金, 1985(3):20-25.

［4］李世廣. 礦山溜井磨損因素分析及加固措施[J]. 礦業(yè)工程, 2012, 1(1):64-65.

［5］侯鵬翔. 采礦設(shè)計手冊(井巷工程卷）[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1989.

［6］張澤蔭. 溜井放礦技術(shù)進展[J]. 金屬礦山, 1987(6):31-33。

The Formula of Ore Pass Wear and Ore Amount of Open-pit Mine

ZHAN Sen-chang
（Dexing Copper Mine, Jiangxi Copper Corporation, Dexing 334224, Jiangxi, China）

In early mining stage of Dexing Copper Mine, the ore was transported to the concentrator by motor vehicle through the ore pass after gyratory crushing. Taking No.1 ore pass of Dexing copper mine as an example, this paper analyzed the regular wear pattern of the mine well when the ore got through the ore pass. When the ore pass is full of the ore, the wear to the well wall is slight, uniform and slow. Proposing the formula of wellbore friction loss, the friction is inversely proportional to the rate of wear. Through the calculation and forecasting of the wear rate of orepass line, the total amount of ore and the total wear speed, it can provide the basis for mine planning, design and production plan.

open-pit mine；shaft wear；mobile law；formula；throughput of ore

TD521+.1

A

1009-3842（2015）03-0039-04

2015-04-22

詹森昌（1936-），男，江西婺源人，教授級高工，主要從事采礦工程相關(guān)研究工作。E-mail: 214533984@qq.com