高深溜井井筒堵塞機理分析與治理

呂向東

(酒泉鋼鐵集團公司，甘肅 嘉峪關 735100)

高深溜井井筒堵塞機理分析與治理

呂向東

(酒泉鋼鐵集團公司，甘肅 嘉峪關 735100)

在前人總結的礦石在溜井中的移動規律及特點的基礎上，通過對經常發生井筒堵塞事故的黑溝礦高深溜井的觀測，發現高深溜井在垂直全斷面連續性礦石移動區之上存在垂直全斷面階段性礦石移動的特性，該特性是由溜井中流動礦石散體的搭拱效應所產生，井筒中拱的形成和破壞交替進行，從而使礦石的放出呈現脈動過程；由此歸納總結出高深溜井井筒中礦石移動存在垂直全斷面階段性移動、垂直全斷面連續性移動、變速變向全斷面移動和變速變向局部斷面移動的規律；通過分析揭示了垂直全斷面階段性礦石移動的特性是造成溜井井筒堵塞、片幫、磨損、礦石分級混合等現象出現的重要原因；同時，對于在用的高深溜井提出井筒黏結拱堵塞處理技術，針對設計與新建的溜井提出井筒結構設計上的建議以預防堵塞；為破解高深溜井井筒出現的故障開拓了思路，對同類型溜井的設計和生產實踐有重要的指導意義。

高深溜井 井筒堵塞 散體材料 移動規律

酒鋼黑溝鐵礦屬山坡露天礦，礦山采用平硐—溜井方式開拓，開采境界處于海拔3 980～3 466 m，設計年產原礦450萬t。3條礦石溜井均為單段垂直式溜井，投產時主溜井、1#、2#采區溜井井深分別達561、362和529 m，溜井直徑分別為5、5.5和5.5 m，采區溜井拉出的礦石經粗破碎后裝進主溜井。其中，主溜井和2#采區溜井屬于國內冶金礦山少有的幾條高深溜井之一。

2#溜井是二期采場的唯一礦石輸出通道，該溜井在輸出礦105萬t后于2007年9月開始發生井筒堵塞，堵塞前深度達493 m，經氫氣球探測等方法觀測8次，堵塞在井筒內標高3 650～3 700 m處，至今該井筒發生堵塞多次。主溜井在輸出礦1 800萬t后于2013年5月6日—5月31日，在井筒內標高3 220 m處發生堵塞25 d，溜井堵塞迫使黑溝礦區停產。

高深溜井在生產過程中存在很多不可控因素，難免發生堵塞，因此大部分溜井在設計時都有專門的監測巷，黑溝礦區除主溜井(設有3條監測巷)外，1#、2#溜井在設計時沒有布置監測巷，導致一旦發生溜井井筒堵塞處理非常困難。礦山管理技術人員經過不斷探索獨自完成了主溜井和2#采區溜井井筒堵塞的多次疏通工作，在高深溜井的生產管理和井筒堵塞處理方面積累了較為豐富的經驗。

對于高深溜井的安全使用，國內沒有成熟的系統的經驗可循。大多文獻通過對礦石在溜井中移動規律的分析研究，并結合國內外出現的溜井堵塞事故原因分析，總結出溜井井筒堵塞通常呈2種形式：一是大塊咬合拱，二是粉礦黏結拱。大塊咬合拱形成機理簡單，對于粉礦黏結拱通常將堵塞因素劃分為內因和外因2個方面，內因主要是指礦石的物理機械性能，如塊度組成、壓實程度、含水量等，外因主要是指溜井底部結構形式與尺寸、卸礦方式、貯礦時間等[1]。

對正常生產中的溜井，通常認為有以下幾種可能造成井筒堵塞[1]：

(1)井壁發生較大的片幫或裝入的礦巖大塊聚集形成大塊咬合拱。

(2)溜井中流動的礦巖粉礦聚集形成的黏結拱。

(3)將木料、鐵軌、鋼鐵件、充填料等雜物倒入溜井，如果雜物過多或過長，就容易造成溜井堵塞。

(4)上述情形共同作用形成的穩定平衡拱。

鑒于黑溝礦主溜井和2#溜井建設時，屬于國內冶金礦山位列前2位的高深溜井，在建設初期就委托相關科研單位對高深溜井的安全使用進行了專題研究論證，對溜井井深、井位選擇、直徑確定、底部結構的設計和安全使用提出系統的建議；施工期間建設單位加強對溜井施工的管理與監督，基本確保了溜井施工質量；礦山投產前生產單位為加強高深溜井的使用與管理，確保溜井在生產使用過程中的安全與順行，依據行業安全規程、黑溝高深溜井專題研究，結合國內外溜井使用管理的研究文獻和酒鋼礦山溜井管理經驗，制訂了《高深溜井使用管理制度》并逐年完善，對高深溜井的使用管理從入井大塊的控制、溜井空高的控制、塊粉礦的搭配入井、廢鋼鐵及雜物入井控制、井口阻水、溜井降段設計、爆破振動控制、放礦溜口死礦清理、下口大塊處理、均衡輸出等方面制訂了明確的管理使用辦法，溜井日常的安全運行管理按照制度規定執行。

在溜井多次堵塞疏通后通過溜井拉礦觀察，沒有發現超標大塊集中出現和井壁發生較大的片幫，沒有發現金屬件和其他影響礦石流動的雜物，基本可以排除大塊咬合拱堵塞和金屬網與錨桿等雜物將礦石兜住導致堵塞的情況，在溜井正常生產期間基本做到了控制礦石水分2%以下且均衡生產，符合保證高深溜井的安全使用專題試驗研究要求。根據研究結論，當黑溝溜井中礦石粉礦含量達到一定比例，含水量達到3%～7%，該條件下壓實系數大，礦石易結塊成拱。

2條溜井發生多次堵塞，而且堵塞部位大致都在井筒中上部位，堵塞形式可以斷定均為粉礦黏結拱，堵塞原因較為復雜。由于不能將堵塞原因分析透徹，制定的預防措施也不能做到對癥下藥，從而出現反復堵塞的現象。

通過對黑溝礦3條溜井礦石移動規律的觀察分析，筆者認為高深溜井井筒粉礦黏結拱的形成除與上述因素有關外，還與井筒深度和溜井中礦石移動規律有很大關系。

1 礦石在溜井中的移動規律及特點綜述

按業界通常認識[2]，根據礦石在溜井中的移動規律及特點可將溜井分為4個區(見圖1)，各區礦石流動特點如下。

圖1 溜井分區Fig.1 Subarea of slip shaft

(1)第一區為等速垂直全斷面移動區。該區的礦石垂直下降而不產生水平移動，是典型的全斷面流。如果溜井直徑與溜口尺寸匹配合理，礦石在該段不會產生堵塞。

(2)第二區為變速變向全斷面移動區。由于使用旁側溜口，這樣使遠離溜口一側的礦石產生較大的水平移動。在垂向上靠近流動軸線的礦石移動速度較快，遠離軸線的礦石移動速度較慢。在松動體內形成移動的平衡拱，當拱的尺寸大于或等于礦石移動的有效斷面時，容易形成穩定的平衡拱。由于該區內的礦石呈全斷面移動，有效斷面沒有縮小，故在此區內一般不產生穩定的平衡拱，即不發生溜井堵塞事故。

(3)第三區為變速變向局部斷面移動區。由于溜口偏于溜井一側，致使另一側易形成一個粉礦堆積體(即第四區)。堆積體的存在，會使礦石通過溜口附近的有效斷面逐漸縮小，礦流阻力增大，愈接近溜口該現象愈明顯，也愈容易導致咬合拱或黏結拱的產生。當條件成熟時，移動的平衡拱便會形成穩定的平衡拱，導致溜井堵塞。

(4)第四區處在流動線以下，該區礦石處于靜止狀態，所以又稱為死礦區。

2 高深溜井礦石移動規律

自投產以來，黑溝礦3條溜井經常發生井筒上部滯留現象，一次下落20～30 m，多則下落50～60 m，且主溜井和2#溜井井筒發生堵塞多次。發現如上前人總結的礦石在溜井中的移動規律及特點不能很好地解釋黑溝礦溜井使用過程中發生的一些現象，需提出對礦石在高深溜井溜井中的移動規律及特點的再認識。

2.1 礦石移動的觀察

近年來，對黑溝礦溜井的運行進行觀察，記錄了上千數據。正常生產時，記錄數據包括溜井上口裝礦量與時間、溜井下口拉礦量與時間、拉礦時井筒內礦面高度、溜井上口裝礦品位及下口出礦品位等內容；井筒堵塞時，使用自己總結的高深溜井井筒堵塞觀測監聽方法(專利號201210527031.3)，搜集在監測巷采集的溜井下部拉礦和爆破過程中井內礦流聲響、空腔回聲、鉆孔的氣流變化和氣流聲響等數據信息，并進行多次反復分析，診斷推測井筒堵塞位置、堵塞形式和空腔高度。

選取2008年9月7日黑溝2#溜井放礦井筒中礦石移動情況記錄數據供參考(見表1)。該狀態屬非正常生產組織狀況，黑溝溜井正常生產組織非貯礦段控制在30 m以內。

通過音頻和視頻等手段觀察，主溜井拉礦時各監測巷氣流變化不盡相同，下部監測巷氣流強度較弱，上部表現較強。溜井下礦過程呈現“喘氣”現象，下部“喘氣”頻率快，持續時間短，上部頻率慢，持續時間長。通過音頻觀察分析，井筒內存在空腔，上部空腔長度明顯大于下部；個別塊度大的礦石對下部礦面沖擊聲明顯，且先于整體礦石下落；溜井下口連續出礦，整個井筒有數次落礦現象。觀察結果表明，越到溜井的上部，礦石移動的平均周期越長。也就是說，越到溜井的上部，一次下落的礦量越多，一次移動礦石下降的平均距離變長。

表1 黑溝2#溜井放礦井筒中礦石移動情況(2008-09-07)Table 1 The movement of ore in No.2 shaft of Heigou Mine (September 7，2008)

通過對酒鋼3座礦山(黑溝、西溝、樺樹溝)20多條溜井礦石移動現象的觀察分析對比，認為過去業界對溜井中礦石移動規律的認識是基于短溜井的(通常深度小于100 m)，并且生產運行正常的幾十米深的短溜井的移動規律與前人的總結較為吻合。對黑溝3條溜井、西溝礦4條采區溜井和樺樹溝礦主溜井礦石移動規律的觀察分析，與前人總結的移動規律存在差異。

依據觀察分析，對井筒斷面上下一致的高深溜井(通常深度大于150 m，井筒斷面刷大的溜井同樣適用)來說，認同前人總結的第二～第四區移動規律，隨溜井深度的變化，第一區的礦石移動的規律與特點歸納如下。

(1) 第一區上部為垂直全斷面階段性移動區。在該區域受礦石物理性能，如塊度組成、壓實程度、含水量等的影響，易形成臨時平衡拱，該拱為粉礦黏結拱。該懸拱通過下部連續拉礦或落礦產生的氣流撓動和負壓的作用或承受不住來自上部的載荷時崩落；在該區域形成的臨時平衡拱有無數個，井內一定高度范圍內反復形成懸拱并向上發展，在溜井放礦過程中始終處于破壞再形成的過程；在該區域礦石移動并不是隨著下部溜口放礦而同時移動，它與下部溜口放礦有一時間差，且該時間差隨井筒向上的延伸而加大，礦石下落呈一次或數次下落過程來實現，呈全斷面階段性移動特征。如溜井閑置時間過長，受貯存礦石物理機械性能及井筒裂隙水的影響，臨時平衡拱極易向穩定的平衡拱轉變，從而形成井筒堵塞。

(2)第一區下部為垂直全斷面連續性移動區。在該區域礦石移動隨著下部溜口放礦而同時移動，呈全斷面連續性移動特征，礦石在該段不易產生堵塞。

2.2 第一區礦石移動規律的機理

近年來，國內外學者對散體材料的物理力學性質和散體的流動規律進行了較為深入的研究，已有許多研究成果。散體材料結構的最大特點之一就是搭拱效應，在散體材料結構中，力的分布具有高度的各向異性，當材料顆粒與其側向臨近顆粒的相互作用間存在的摩擦與擠壓使得顆粒位置形式合適時，它們就排列成了力鏈和拱結構，形成拱結構是顆粒系統內部自發的隨機現象，拱是一種相對穩定結構，這些拱結構支撐著堆積在其上顆粒的重力和外荷載力。當拱結構不能支撐上面的重量和外荷載力時，就會很快崩塌，內部開始自組織運動，重組新的拱結構，宏觀上表現出沉降。散體材料結構不同于連續介質材料結構，其沉降變形是在一次次的坍塌過程中完成的，自組織的過程是舊拱結構崩塌與新拱結構形成的過程，拱結構會不斷的消亡后再產生，且始終存在自組織現象，直到散體材料結構內部沒有任何一點可移動空間為止。拱結構的抗衡力與材料的密度有直接的關系，通常越密實，剪阻力越大，承載力越高。拱結構的形成與坍塌過程都是隨機過程[1]。

溜井中礦巖散體的流動遵循以上規律，對于單個礦巖顆粒，其本身具有不可壓縮和變形的固體性質，其運動具有很大的隨機性；對于整個礦巖散體來說，礦巖散體又具有流動性，但整體移動又表現出一定的規律性。井筒中拱的形成和破壞交替進行，拱形成時礦巖流動瞬間停止，拱破壞后礦巖繼續流動，礦石的放出呈現脈動過程。井筒中的平衡拱承擔著來自上部礦巖的重力、井壁摩擦力和下部放礦時的抽力(在密閉或近乎密閉的井筒中，放礦時平衡拱下部呈負壓狀態)。拱崩塌，上部礦巖移動區下降時，受到與井壁的摩擦阻力和空氣阻力等，就是由于這樣的反復，礦石才從連續流動變為階段性流動。呈現該現象的區域稱為垂直全斷面階段性移動區。在垂直全斷面階段性移動區之下一段區域(第一區下部)，在放礦過程中，礦巖散體同樣出現搭拱現象，通常拱的形成和破壞交替時間短，對移動區的整體礦巖來說，表現出整體移動的特點，將該區域稱之為垂直全斷面連續性移動區。

2.3 礦石移動規律與井筒堵塞等故障的關系

礦石在高深溜井中的移動規律對溜井井筒產生堵塞、磨損、片幫和跑礦產生較大影響。

(1)產生堵塞。對于高深溜井，第一區上部高度的增大，井筒中平衡拱的形成幾率和數量也隨之增加。在該區域落礦周期逐漸加大，臨時平衡拱下方會出現空腔，由于空腔的出現，下部放礦時的抽力減弱，對拱的破壞力也相應減弱。同樣由于空腔的出現，空腔上部的平衡拱崩塌時，空腔區呈正壓狀態，礦巖下落并非自由落體，此時散體材料顆粒的移動受到阻力的影響，與顆粒的質量大小成反比，從而礦巖散體出現顆粒分級現象，空腔高度越大，分級現象越明顯；有時會出現塊礦集中、粉礦集中的現象。若此時具備前述的內因或和外因條件，臨時平衡拱極易向穩定的平衡拱轉變，從而形成井筒堵塞。

(2)產生片幫、加大井壁磨損。由于空腔的出現，在空腔下部放礦和上部落礦的過程中，空腔區周圍井壁承受著來自于負壓和正壓的交替作用，使結構性差的井壁巖石產生破壞，加大井壁磨損；在與其他原因的共同作用下，會造成溜井井壁片幫的出現，嚴重時會在井筒內形成大塊咬合拱，從而形成溜井堵塞。筆者曾經對西溝礦1#溜井進行過井筒觀測，發現貯礦倉上部50 m范圍內，直徑未發生大的變化、井壁光滑，說明垂直全斷面連續性移動區各處磨損均勻且輕微。

(3)產生跑礦。發生井筒堵塞時，溜井下部應停止拉礦或謹慎限量拉礦。如將下部拉空，將造成溜井跑礦事故。生產過程中，應做好溜井出入礦量、溜井滯留時間、滯留塌落高度等記錄，認真核對分析數據，確認空腔位置，及時組織溜井下部連續拉礦，依靠拉礦在空腔產生的負壓和氣流擾動破壞懸拱，預防堵塞；拉礦前，計算好拉礦量，以免將溜井下部拉空，懸拱崩塌后產生跑礦，造成嚴重后果。

3 黑溝高深溜井堵塞原因的再分析

運用高深溜井礦石移動規律，可以很好地解釋黑溝溜井頻繁出現的井筒滯留和堵塞現象以及磨損情況。

礦石在井筒中滯留一段時間，之后自行下落，是井筒中空腔上部懸拱崩塌的表現。

由于階段流形成的礦流和高速氣流對井壁的沖刷以及觸底振動沖擊，加劇了井壁的磨損。受溜井圍巖巖性差異的影響，階段流對井壁造成的磨損是不一致的，在磨損過程中會在井內形成凹槽或凸臺，為懸拱形成創造了條件。

圖2是根據2009年2#溜井維修時井筒實測數據繪制的溜井中上部3D圖，可以說明階段流對井筒的磨損程度。圖3是黑溝2#溜井攝像觀測看到的井壁情況。

井筒一定高度范圍內磨損嚴重，導致局部井筒直徑變化較大，井筒呈漏斗狀，在該部位礦石呈管束狀流動；若此處堆積的是階段流作用下的粉礦集中層，由于上部礦石階段流沖擊，礦石在下落過程中同時受到軸向沖擊和徑向壓縮，使礦石壓實程度達到了形成懸拱的條件。

圖2 黑溝2#溜井上部實測3D圖Fig.2 Upper measured 3D diagram of Heigou No.2 chute

圖3 黑溝2#溜井磨損觀測照片Fig.3 Wear observation pictures of Heigou No.2 chute

以2013年5月主溜井的堵塞處理為例進行分析。通過清理3 250 m水平監測巷粉塵堆積物，在井筒內發現一黏結拱，黏結拱致密，可以推測是在強烈沖擊作用下壓實形成，說明主溜井確實存在階段流沖擊作用下形成黏結拱的情況。通過鉆孔與溜井貫通位置數據也驗證了主溜井井壁磨損程度以及溜井懸拱位置確實存在漏斗狀結構。

本次堵塞處理最后采用注水法實現了懸拱最終垮塌，說明堵塞是由粉礦黏結拱造成。堵塞疏通后恢復溜井生產，連續對井內拉出礦石進行了含水量測定，從連續7 d的數據看，未發現水分超過3%的情況。溜井在注水7 t的情況下，拉出的礦石水分含量低，說明階段流使礦石分級混合的作用不可低估。

懸拱崩塌后，礦面下落120多m，從井口拋出的礦石最遠處達40多m，井口周圍5 m范圍內堆積了10～20 cm厚的粉礦，這足以說明氣流作用的劇烈。

4 井筒堵塞治理

溜井井筒堵塞通常有大塊咬合拱和粉礦黏結拱2種形式。避免大塊咬合拱的產生，主要靠加強生產管理[3]，在此不予贅述。對于粉礦黏結拱的產生。不僅要加強生產管理，更多的原因是如前所述的礦石移動規律產生的；如何處理和避免溜井井筒堵塞，針對在用和設計與新建的溜井提出如下措施。

4.1 高深溜井井筒黏結拱堵塞處理技術[4]

對于正在生產使用的高深溜井，利用溜井檢查巷，實施下列技術可有效處理高深溜井井筒黏結拱堵塞。

(1)氫氣球懸掛藥包爆破處理技術。運用氫氣球浮力，將炸藥及起爆系統吊至堵塞懸拱處，引爆炸藥，利用爆炸沖擊波破壞堵塞懸拱。

(2)大藥量爆破沖擊波破拱處理技術。引爆在一定部位井筒中心放置的炸藥，依靠井筒傳遞爆炸沖擊波使懸拱發生破壞。

(3)連續拉礦與井筒內懸吊藥包炮振處理技術。發現溜井出現滯留現象，即礦流產生的臨時平衡拱向穩定平衡拱過渡期間，必須及時不間斷地拉礦，依靠井內壓差變化達到破壞懸拱的目的；該措施無效時，利用檢查巷向井筒內懸吊炸藥20～30 kg實施爆破，爆破后溜井連續性拉礦，以達到溜井疏通的目的。

4.2 對設計與新建溜井的建議

對于設計與新建的溜井，應盡量避免使用高深溜井，可采用倒運式溜井[5]，減少垂直全斷面階段性移動區高度，以避免產生粉礦黏結拱造成井筒堵塞。

由于高深溜井具有運輸成本低、生產組織環節少等無可比擬的優越性，當溜井圍巖工程地質條件好，溜井設計和建設時可考慮使用高深溜井，設置監察巷，在低于監察巷底板的井筒處，采取特殊措施加固井壁(如在一定部位設置鋼圈)，然后封堵監察巷(留觀察孔)，堵塞時利用觀察孔輸送炸藥，使用大藥量爆破沖擊波破拱技術處理堵塞，同時可有效避免爆破對井筒圍巖的損傷。

5 結 論

(1)高深溜井存在垂直全斷面階段性礦石移動的特性，高深溜井礦石移動規律是造成溜井井筒堵塞、片幫等故障出現的重要原因。

(2)溜井堵塞次數、堵塞頻率和堵塞部位與溜井深度有關。

(3)貯礦條件下，溜井在垂直全斷面連續性移動區各處磨損均勻且輕微，在垂直全斷面階段性移動區處磨損與溜井深度有關。

(4)溜井跑礦事故與溜井深度有關。

(5)高深溜井具有礦石分級混合特性。

(6)高深溜井國內外尚無成熟的設計和使用經驗，且由于溜井結構不同，各條溜井及礦石在溜井中的移動規律既有其共性又有其個性，高深溜井存在垂直全斷面階段性礦石移動的特性，為破解高深溜井井筒出現的故障(含堵塞、片幫、跑礦等)開拓了思路，分析研究高深溜井礦石流動規律及機理有助于預防、解決溜井出現的故障問題。學習和總結借鑒國內外深溜井的設計和使用經驗，可以有效指導溜井的設計和生產管理。

[1] 呂向東.高深溜井結構優化與應用技術研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012. Lu Xiangdong.High-deep Chute Construction Optimize and Application Technique Research[D].Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology,2012.

[2] 郭寶昆，張福珍.礦石在溜井各區內的移動特點及其分析[J].黃金，1985(3):20-25. Guo Baokun，Zhang Fuzhen.Characteristics and analysis of the movement of the ore in the area of the shaft[J].Gold，1985(3):20-25.

[3] 蔣紅英.散體材料結構沉降機理分析與模型建立[J].昆明理工大學學報：理工版，2010(4)：33-36. Jiang Hongying.Research on subsidence regulation model of granular packs[J].Journal of Kunming University of Science and Technology:Science and Technology，2010(4)：33-36.

[4] 呂向東.高深溜井井筒堵塞的爆破處理實踐[J].工程爆破，2010(9):56-58. Lu Xiangdong.Blasting treatment practice of deep drop shaft wellbore plugging[J].Engineering Blasting,2010(9):56-58.

[5] 張增貴，王建中.倒運式溜井在礦山主溜井系統的應用[J].中國礦山工程，2008(6)：31-32. Zhang Zengui,Wang Jianzhong.Application of transferring chute in the mine main chute system[J].China Mine Engineering,2008(6):31-32.

(責任編輯 徐志宏)

Mechanism Analysis and Control of Deep Shafts Wellbore Plugging

Lu Xiangdong

(JiuquanIronandSteelGroupCo.，Jiayuguan735100，China)

Based on ores movement regularity and characteristics of the mine shafts from the previous，through the observation of deep shafts in Heigou mine where wellbore plugging accident often occur，the deep shafts existence characteristics of vertical full section phase ores moving is found on top of the vertical full section continuous ore moving zone.This feature is generated by the arches effect of the ores flow in the shaft，and the formation and destruction of the arches in the wellbore are carried out alternately，so that the ores discharge shows like the pulse; It is concluded that the deep shafts ores movement rules include the phase movement of the vertical full section，the continuous movement of the vertical full section，the variable speed and direction movement of the vertical full section and the variable speed and direction movement of the vertical part section；The characteristics of phase and vertical full section ores movement is the important reason for wellbore plug，wall caving，wear and ore mixing and grading by analysis.At the same time，the processing technology of the plugging wellbore is put forward for the present deep shafts，For the design and construction of the new shafts，the design form of wellbore structure to prevent blockage is put forward；It opens up the new idea for trouble clearing appearing in deep shaft，and this idea is an important guiding significance on the design and practice of production of the same type of deep shafts.

Deep shaft，Wellbore plugging，Granular material，Movement regularity

2015-08-23

呂向東(1969—)，男，教授級高級工程師。

TD262.1+1

A

1001-1250(2015)-11-158-06