談談高深溜井——兼論放礦過程中礦石的粘結力C

詹森昌

（江西銅業集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

在采礦場與選礦廠之間高差很大的礦山，采用溜井平巷運輸系統，是有很大的優勢，是首選方案。不僅經濟效益好、管理方便，同時避免了公路汽車運輸系統中長距離的重車下坡的

安全和管理方面的一系列問題，優點突出。關鍵是能否使用和管理好高深溜井，現對其進行具體分析。

1 礦石在溜井中的移動規律

1.1 “四區論”礦石移動規律

礦業界公認的“四區論”礦石移動規律［1］如圖1。

（1）井筒頂部不貯礦，稱非貯礦段。（2）第一區的礦石是隨著下部放礦，呈全斷面、等速、緩慢的垂直向下移動。（3）第二區的礦石受放礦類橢球體影響，除了垂直向下移動外，出現橫向移動，屬全斷面移動。（4）第三區內礦石是變速變向，流動斷面逐漸減小，流速加快，易在閘門口附近產生堵塞。（5）第四區是處在礦石流動線以下，礦石不流動，稱死礦堆。

圖1 溜井分區示意圖

1.2 高深溜井礦石移動規律

在長期利用音頻、視頻觀察，結合收集到的監測巷道內氣流變化和呈現的“喘氣”現象，通過資料整理分析，對高深溜井第一區的礦石移動規律提出了如下說法。

1.2.1 第一區上部為垂直全斷面階段性移動區

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，該拱為粉礦粘結拱。該懸拱通過下部連續拉礦或落礦產生的氣流擾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同時移動，它與下部溜口放礦有一時間差，且該時間差隨著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［2］。

1.2.2 第一區下部為垂直全斷面連續移動區

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［3］。同一般溜井第一區內礦石移動規律一樣。

2 高深溜井第一區上部垂直全斷面階段性礦石移動形成機制的探討

2.1 散體材料的移動特性

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，散體材料結構是靠內部一系列拱結構承受、支撐上部壓力，而內部結構是自發組織起來的，靠顆粒之間摩擦和擠壓來維持平衡，當拱結構不能支撐上面的重量時，就很快崩塌，內部開始自組織運動，重組新的拱結構，宏觀上表現為沉降［4］。

2.2 井筒中礦石移動平衡拱受力分析

井筒中的礦石屬于散體物料，它的重量是以平衡拱的形式構成力F作用于井壁上，F力可分解為作用于井壁上的垂直力T，使礦石向下移動的分力N［4］。如圖 2 所示。

圖2 礦石作用于井壁上的力

圖2 中力F的分力N與礦石同井壁產生的摩擦阻力相平衡；分力T對井壁產生壓力，其壓強為［5］：

式中：P為井筒中礦石作用于井壁的壓強，N/m2；r為井筒半徑，m；γ為礦石松散體重，t/m3;α為礦石與井壁的摩擦角。

對一個礦山來講，α和γ可視為一個常數，故井筒中礦石對井壁產生的壓強，只與井筒半徑成線性正比；與井筒上、下部位的地點無關，大小是一樣的。

當然，井筒中礦石移動平衡拱除受上述礦石重力影響外，還受放礦時產生的負壓吸力作用。但由于放礦速度較慢，礦石移動速度較小；加之礦石本身又是散體，故其作用很小。

2.3 井筒中礦石移動

根據散體材料“內部開始自組織運動，重組新的拱結構”特點，礦石在溜井內的移動是由于具有周期的移動拱的崩塌引起不連續現象的反復、井筒中礦石平衡拱所產生的壓力大小與井筒上、下部位無關，大小是一樣的論述［6］，說明高深溜井第一區上部礦石移動規律發生變化，出現垂直全斷面階段性移動現象，應該是由外部原因引起的。現作如下分析

2.4 產生垂直全斷面階段性礦石移動機制的探討

2.4.1 高深溜井的放礦特點

一般溜井，當發現井筒貯礦量不多時，就會抓緊供礦。這樣空井高度不會很大；同時，下部也會及時放礦。也就是說，供礦與放礦兩者配合較好。高深溜井，由于井深，貯礦量大，兩者配合沒有一般溜井這樣好，易形成較高井空條件下，上部卸礦和下部放礦脫節現象。

2.4.2 井筒直徑

為使溜井在放礦過程中，不產生穩定的平衡拱而發生井筒堵塞，設計井筒直徑要求［6］：

式中：D1、D2為溜放非粘性和粘性物料的溜井直徑，m；dmax為溜放物料最大塊度尺寸，m；C為松散物料的粘結力，104Pa；γ為松散物料體重，t/m3；θ為松散物料內摩擦角,度。

礦山的溜井直徑一般都能滿足上述要求，因此在正常情況下，在放礦過程中，井筒是不會發生堵塞的。

2.4.3 粘結力C

上述公式（3）中的粘結力C，是“散體的粘結性是指在無壓強條件下，松散礦塊之間彼此粘結在一起的性質，會使散體有一定剛度和抗剪能力，這種初始抗剪能力稱之為粘結力［7］。”溜井放礦時，井筒內的礦石的粘結力與上述提及的無壓力條件下是不一樣的。井筒內礦石，除受到平衡拱內本身相互擠壓外，其上部表面還會受到卸礦的礦石沖擊。當礦石受到沖擊力作用時，粘結力會發生變化，即開始向井筒卸礦，對井筒上部表面的礦石進行沖擊；接著本身受后來的卸礦沖擊，此時礦石的粘結力增至最大。增大值與礦石中粉礦及水的含量和卸礦產生的沖擊力大小等因素密切相關。現對卸礦的礦石對井筒內礦石的沖擊力做簡略分析：

設卸礦對井筒內礦石發生撞擊時的沖擊速度為v，由力學的勢能轉化為動能公式

根據力學的沖量和動量變化的關系：

式中h為井空高度，m；g為重力加速度，9.8m/s2；V為礦石落到下部礦石表面時的沖擊速度，m/s，f為卸礦對存礦的沖擊力，N；t為礦石沖擊作用時間，s；m為沖擊礦石的質量，kg。

從（5）式可以看出，礦石的沖擊力f，與其質量成正比，與井空高度成平方根正比，與沖擊作用時間成反比。在一般情況下，每次用汽車卸下的礦石重量基本上是相等的，即其質量可視為一個常數。因此，沖擊力與井空高度和卸礦與井筒存礦的沖擊作用時間，存在密切關系。

設1kg礦石在沒有空氣阻力的情況下，從1m、20m、50m、100m、200m的高度下落，而溜井下部有放礦和不放礦二種情況；假設前者卸礦下落礦石對下部存礦的沖擊作用時間為0.2s，后者為0.1s。具體計算數據如下表

表1 沖擊力計算表

從表1可看出，當井空高度為200m、100m、50m和20m，下部未放礦時，卸礦的礦石對井筒中表面礦石產生的沖擊力是井空高度為1m，而下部同時進行放礦時受到的沖擊力的28.6、20、14和9倍；是相同條件的14.3、10、7和4.5倍。井筒中礦石受到這樣大的沖擊力后，礦石粘結力是會隨著其受到沖擊力增大而隨之增大。

當然，影響礦石粘結力變化增大的因素，除上述分析的很重要的外因沖擊力外，還與礦石本身的水份和粉礦含量有關。只有三者結合起來，礦石粘結力才會發生相應的變化并增大。

2.4.4 垂直全斷面階段性礦石移動形成原因

井筒中的礦石，在一定水份和粉礦含量時，隨著上部卸礦的井空高度增加，卸礦的沖擊力增大，受沖擊礦石的粘結力隨之增大；同時，隨著粉礦含量增加，并下部又未同時進行放礦，而水份又合適時，受沖擊礦石粘結力隨著沖擊力的增大而增至最大。礦石粘結力增大后，礦石移動平衡拱崩塌時間隨之延長，因而出現井筒第一區上部礦石移動的垂直全斷面階段性移動現象。而后，隨著下部放礦的進行，礦石不斷移動，增大的粘結力，逐漸減小，礦石移動平衡拱崩塌時間隨之逐漸縮短，最終恢復到正常狀態，礦石移動平衡拱崩塌時間也恢復正常。由于高深溜井易形成較高的空井情況下卸礦，因而其第一區上部的礦石會受到較大的卸礦沖擊力的影響，礦石粘結力會發生較大變化，因而發生垂直全斷面階段性礦石移動現象。

以上就是高深溜井第一區上部礦石移動時，出現垂直全斷面階段性礦石移動和下部出現垂直全斷面連續性礦石移動現象的原因和過程。

3 溜井放礦時反映礦石粘結力C的案例

3.1 酒鋼黑溝礦主溜井出現很大粘結力C

酒鋼黑溝礦主溜井在出礦1800萬t后，于2013年5月6日至5月31日，標高為3220m處的井筒內發生嚴重堵塞25天［7］。

據分析，當時溜井下部未放礦、井筒內3220m標高處礦石的粉礦含量較高和其水份又合適，受到約150m(窄軌運輸平硐標高為3400m水平)高井空的卸礦強力沖擊，形成了粘結塊，并同時大力向井壁擠壓，增大了抗剪強度，形成了很穩定的平衡拱，堵塞井筒25天的嚴重后果。

后向井筒注了7t水，使堵塞處與井壁接觸的礦石和井壁都得到潤濕，其摩擦系數大為減小，摩擦阻力大為減小，而受沖擊形成粘結塊的礦石，整體下滑，形成巨大沖擊氣流，“使井內礦石最遠沖至40多米處，井口周圍內堆積了10～20cm厚的粉塵”［8］。

3.2 德興銅礦1號溜井滿井放礦的正常粘結力C

德興銅礦1號溜井，井筒直徑施工為6m，投產時地表標高305m，下部鐵路軌面標高為125m，施工平巷全部封死，沒有檢查巷道；采用滿井放礦。在放出1018.4萬t礦石后，于1981年12月27日至30日，當時地表標高為281m，進行了實測檢查。

檢測結論：“全溜井井壁光滑、完整，磨損輕微。”“從表面上看溜井中礦石移動是平穩的，好像是連續的，實際上非連續的。因為在溜井璧上的潮印有明顯的“波痕”（圖略），“波痕”間距約20-30mm”。“礦石在溜井中的移動速度為2.9mm/s，同時以放礦速度求算移動速度為3.01mm/s，誤差為3.9%［8］。”

從以上論述中可以看出，在井筒貯滿礦實測過程中，未發生垂直全斷面階段性礦石垂直移動現象；從井壁完整、光滑看，在放出1081.4萬t礦石后，井壁上未發現有全斷面階段性礦石移動所產生的磨損、破壞痕跡；而井壁上20-30mm間隔“波痕”，實際上是臨時平衡拱的形成與崩塌的間距。這些都說明在貯礦條件下，井筒內的礦石是非常平穩、緩慢地向下移動，不會發生垂直全斷面階段性礦石移動現象。同時，在貯礦條件下，井壁發生的放礦磨損，四周均勻，上下近似，井壁像水磨石樣光滑，見下圖。

德興銅礦1號溜井放礦磨損后的井壁照片

3.3 一般沒有滿井放礦的變化的礦石粘結力C

除去上述兩種特殊情況外，在一般正常生產中，未采用礦石滿井放礦時，高深溜井第一區上部是會發生垂直全斷面階段性礦石移動現象。只是在各種井空高度、下部放礦與不放礦的條件下，當井筒中礦石的粉礦和水的含量不一樣時，受沖擊后礦石的粘結力增加值是不一樣的，這時形成的臨時平衡拱崩塌時間間隔是不同的，崩塌前空腔大小也是不同的，即垂直全斷面階段性礦石移動對井壁的影響程度是不一樣的。另外，檢查巷道對放礦負壓有影響，對垂直全斷面階段性礦石移動有一定的促進作用。

4 結語

（1）從溜井放礦時礦石平衡拱所受的力和礦石移動是臨時平衡拱的崩塌引起的不連續現象的反復等方面來看，一般溜井和高深溜井是沒有本質上的區別。

（2）從高深溜井的深度大、貯礦量大的特點看，當沒有采用滿井放礦時，一區上部是會發生垂直全斷面階段性礦石移動現象。也就是說，如果高深溜井從投產一開始，就堅持滿井放礦，其第一區上部是不會出現垂直全斷面階段性礦石移動現象的。

（3）當井空很高時，為防止井筒堵塞，盡量避免下部未放礦而上部卸礦；尤其是粉礦含量高時，更要特別警惕。

（4）在高深溜井放礦過程中，井筒中礦石受卸礦沖擊時，粘結力增至最大，后隨著下部放礦，礦石產生移動而逐漸恢復到正常。

總之，希望通過對高深溜井放礦過程中出現問題進行深入探討研究，分析產生原因，找出規律，采取措施，解決問題，把高深溜井使用好，管理好，把溜井放礦事業向前推進一大步。