會澤某礦山高深直溜井技術(shù)研究與應(yīng)用

陳華國，張澤裕

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 昆明 650224）

會澤某礦山建礦至今，先后采用了粗粒級水砂充填采礦法及膏體充填采礦法，采出的礦石通過溜井搬運到礦石轉(zhuǎn)運中段，再經(jīng)提升運輸系統(tǒng)運至地表，經(jīng)過多年的實踐證明，溜井系統(tǒng)在礦山應(yīng)用效果良好，但隨著開采深度的增加，人工鑿井作業(yè)環(huán)境差、施工效率低、安全風(fēng)險高、溜井堵塞等問題變得突出[1]，為解決上述問題，會澤礦山于2016年啟動高深直溜井技術(shù)的研究，引進(jìn)反井鉆機(jī)施工裝備和工藝，并成功應(yīng)用于礦山，提升了溜井施工效率，控制了安全風(fēng)險，提高了礦、廢石運輸效率[2]。

1 高深直溜井技術(shù)的可行性分析

國內(nèi)一些建設(shè)、設(shè)計單位及行業(yè)專家學(xué)者們早已對溜井放礦技術(shù)進(jìn)行了深入研究，得到如下成果：

（1）溜井底部壓力與溜井存礦高度無關(guān)。在存礦條件下，當(dāng)存礦高度達(dá)到一定位置（一般存礦高度大于3倍溜井直徑）時，溜井井筒底部壓力和側(cè)壓力為一常數(shù)，與存礦高度無關(guān)。

經(jīng)查詢資料可知，目前世界上最深的溜井達(dá)866m，本文列舉了部分礦山深溜井參數(shù)，詳見表1。

（2）在溜井?dāng)嗝婧侠淼那闆r下，溜井的堵塞次數(shù)、堵塞頻率和堵塞部位與溜井深度無關(guān)[3]。在存礦條件下，當(dāng)溜井結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工質(zhì)量好，溜井堵塞一般只發(fā)生在井底存礦段。

表1 部分礦山深溜井參數(shù)

（3）存礦條件下，存礦段溜井各處磨損是均勻的，與溜井深度無關(guān)。溜井井壁在存礦條件下磨損輕微、磨損速度低、磨損均勻；在非存礦條件下，溜井各處磨損是不均勻的，井壁受礦、廢石沖擊形成沖擊坑，逐步演變成沖擊溝，進(jìn)而造成片幫和塌方，嚴(yán)重時造成溜井報廢[4]。

2 會澤某礦山溜井設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 礦山礦巖力學(xué)性質(zhì)概況

會澤某礦山礦石種類主要為方鉛礦、閃鋅礦和黃鐵礦，礦石平均體重為4.15t/m3，圍巖體重平均為2.724.15t/m3，松散系數(shù)為1.60，抗壓強(qiáng)度：礦石80Mpa～100Mpa，巖石60Mpa～80Mpa，礦石自然安息角為38°～39°。部分礦石中硫成分含量高，具有較強(qiáng)粘結(jié)性[5]。礦山通過實驗獲得了深部巖石主要物理力學(xué)參數(shù)，其結(jié)果如表2所示。

2.2 會澤某礦山溜井堵塞成因分析

美國伊利諾斯州阿貢國立實驗室研究認(rèn)為：一般情況下，有兩種情況會擾亂溜井內(nèi)礦、廢石有序的輸送狀態(tài)，造成溜井卡礦的后果，即：

（1）由連鎖拱引起堵塞；

（2）由內(nèi)聚力拱引起堵塞。

表2 礦山深部部分巖石主要物理力學(xué)參數(shù)表

2.2.1 連鎖拱的成因分析及預(yù)防措施

連鎖拱架是在溜井井筒里由于相對較大的碎塊形成穩(wěn)定的排列，變?yōu)樾罱Y(jié)構(gòu)，形成阻塞的后果。形成這種拱架的概率取決于搬運物料的大塊率、相對于溜井和放礦口尺寸的礦巖塊徑、碎塊的形狀以及流動碎塊在溜井?dāng)嗝娴牧魉俜植肌?/p>

目前關(guān)于形成連鎖拱架的概率統(tǒng)計尚沒有很好的方法，一般都采用經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)來衡量。經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)是以溜井直徑與塊石直徑的比值（D/d）為原則。很多礦山采用比值（D/d）的方法統(tǒng)計了連鎖拱架的概率，并總結(jié)了設(shè)計經(jīng)驗資料，如表3所示。

表3 連鎖拱架結(jié)構(gòu)概率統(tǒng)計表

說明：D-溜井直徑；d-碎塊尺寸。

經(jīng)過多個礦山的實踐經(jīng)驗表明，D/d＞5～6時，一般足以確保礦巖流動暢通。

2.2.2 內(nèi)聚力拱的成因分析及預(yù)防措施

內(nèi)聚力拱是由于所搬運物料含水，細(xì)顆粒相互粘附，呈現(xiàn)出內(nèi)聚力，如果濕度增大，內(nèi)聚阻力會增加，當(dāng)增加到一定程度后，內(nèi)聚阻力大于重力，形成一個穩(wěn)定的拱架，從而引起溜井阻塞，與連鎖拱比較起來，這種拱架叫做內(nèi)聚力拱。

目前關(guān)于預(yù)防形成內(nèi)聚力拱幾率主要由式1確定：

式1：D＞4C（1+sinφ）/9.81r

適中D---溜井直徑，m；

C---礦、廢石顆粒間內(nèi)聚力，Mpa；

r---礦、廢石的密度，t/m3；

φ---礦、廢石內(nèi)摩擦角，度。

與連鎖拱一樣，矩形斷面溜井的特征尺寸D是其較小的尺寸。

2.3 會澤某礦山溜井設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)確定

2.3.1 溜井?dāng)嗝嫘螤畹拇_定

國內(nèi)外溜井常用斷面主要有圓形、方形、矩形三種形式。普遍認(rèn)為溜井?dāng)嗝嬉詧A形為最佳。會澤某礦山在早期開采時溜井?dāng)嗝婢鶠榫匦危鋽嗝娉叽缰饕?.2m＊2.4m、2m＊2.2m、2m＊2.4m。隨著資源逐步往深部延伸，地質(zhì)條件復(fù)雜、地壓增高，同時存在施工安全風(fēng)險高、效率低等問題，鑒于這些問題，本次溜井設(shè)計為圓形斷面，主要有以下幾方面優(yōu)點：

（1）圓形溜井受力最佳，其徑向壓力各處均勻，礦、廢石對溜井磨損比較均勻。其次在深部高地應(yīng)力環(huán)境下，圓形溜井不易造成應(yīng)力集中，從而降低巖爆發(fā)生幾率，緩解溜井片幫事故；

（2）在同樣斷面尺寸條件下，圓形溜井?dāng)嗝胬寐首罡撸?/p>

（3）圓形溜井方便施工，可采用反井鉆機(jī)施工，提高施工效率，降低安全風(fēng)險。

2.3.2 溜井直徑的確定

本文對會澤某礦山的礦石、廢石性質(zhì)及溜井使用情況進(jìn)行了大量統(tǒng)計，結(jié)果顯示：

（1）采出礦石呈塊狀，尺寸一般為300mm～400mm；

（2）原有溜井堵塞多發(fā)生于溜井底部及礦倉內(nèi)，井筒中少有發(fā)生堵塞事件；由此可見，表2中提出的經(jīng)驗值在會澤某礦山同樣具有很好的適用性，因此，本次圓形溜井?dāng)嗝嬷睆皆O(shè)計為2m。

2.3.3 溜井底部礦倉尺寸及溜井高度的確定

通過對礦山現(xiàn)有溜井使用情況的統(tǒng)計分析，認(rèn)為溜井底部礦倉堵塞主要由于礦、廢石含水，且部分礦石中硫成分含量高，礦石具有較強(qiáng)粘結(jié)性，在礦倉內(nèi)形成內(nèi)聚力拱造成溜井底部堵塞。同時結(jié)合多年的溜井施工經(jīng)驗考慮，本次溜井底部礦倉斷面設(shè)計為方形，其尺寸依據(jù)表2中礦、巖相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)及式1計算，得出溜井尺寸為4＊4m。

圖1 會澤礦山高深直溜井工藝流程圖

關(guān)于溜井深度的問題，國內(nèi)行業(yè)里也形成了相關(guān)成果，多數(shù)專家、學(xué)者認(rèn)為在存礦條件下，當(dāng)存礦高度達(dá)到一定位置（一般存礦高度大于3倍溜井直徑）時，溜井井筒底部壓力和側(cè)壓力為一常數(shù)，與存礦高度無關(guān)。此外，結(jié)合會澤某礦山的地質(zhì)條件及開拓運輸系統(tǒng)等因素考慮，本次底部存礦段溜井高度設(shè)計為12m，上部非存礦段溜井高度設(shè)計為168m，同時考慮礦山生產(chǎn)實際，本次溜井設(shè)計在井口還創(chuàng)新應(yīng)用了移動式皮帶機(jī)，其工藝流程如圖1所示。

3 會澤某礦山高深直溜井案例分析

圖2 會澤礦山高深直溜井生產(chǎn)過程堵塞情況示意圖

會澤某礦山高深直溜井采用反井鉆機(jī)施工直徑2m、長度180m的溜井，底部12m礦倉則采用人工刷擴(kuò)，施工過程中考慮安全風(fēng)險防控、工期要求等因素將4＊4m斷面調(diào)整為3＊3m斷面。在后期生產(chǎn)過程中，先后發(fā)生2次溜井堵塞事故，其中處理時間最長的一次用時2個月，堵塞部位發(fā)生在底部及底部向上10m～20m范圍內(nèi)，如圖2所示。

經(jīng)過分析，認(rèn)為造成上述堵塞情況的原因大致有以下兩方面：

（1）底部溜井在施工時將斷面調(diào)小，加大了內(nèi)聚力拱形成的幾率，致使溜井堵塞；

（2）溜井生產(chǎn)管理水平較低，溜井內(nèi)礦、廢石儲存水平應(yīng)盡量長期控制在底部存礦段范圍，即便超過該段范圍也應(yīng)將時間盡量縮短。

4 結(jié)語

會澤某礦山高深直溜井技術(shù)具有良好的可行性，能很好的解決由于深部開采所處的特殊環(huán)境帶來的溜井施工安全風(fēng)險防控、施工效率提升等問題，其設(shè)計有充分的理論依據(jù)及實踐經(jīng)驗作為支撐，此外，需指出的是應(yīng)確保按合理的設(shè)計參數(shù)實施并著力提高后期生產(chǎn)管理水平。

[1]郭金峰.我國地下礦山采礦方法的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[A].第四屆全國礦山采選技術(shù)進(jìn)展報告會論文集[C],2001年.

[2]張榮金.溜井堵塞處理與放礦管理[T].第六屆全國采礦學(xué)術(shù)會議論文集,1999年.

[3]D.F.HAMBLEY.地下礦山放礦溜井系統(tǒng)的設(shè)計[M].有色金屬科學(xué)與工程,2013年.

[4]呂向東.高深直溜井結(jié)構(gòu)優(yōu)化與應(yīng)用[D].西安建筑科技大學(xué),2002年.

[5]劉秀禮.淺述溜井堵塞原因、處理辦法和預(yù)防措施[M].四川冶金,1997年.