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.鞍鋼集團礦業有限公司眼前山分公司， 遼寧 鞍山市 114044；2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院， 北京 100083)

0 引言

溜井是礦山礦石運輸的咽喉要道，而高深溜井的穩定運行更是礦山生產的重中之重[1?2]。溜井在頻繁的儲礦、放礦過程中，內部礦石不斷承受沖擊載荷以及上覆料頭的自重，導致礦石不斷夯實壓密，增大了散體顆粒間的黏聚力，內摩擦力以及區域性自穩能力。在后續卸礦工作中，儲礦倉礦石逐漸喪失與溜井筒內礦石的關聯性，井筒料頭形成了懸拱結構，這是一種黏結及嚙合組合且具備一定自穩性的拱結構[3]，能夠將上覆松散巖石自重應力及放礦時的沖擊載荷通過拱結構傳遞至溜井壁[1]，相當于形成了“拱+井壁”的聯合承載體，共同負載松散礦石，這對礦山放礦工作的順利進行增加了難度。

針對溜井井筒堵塞機理，許多專家學者做出了大量研究，發現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一的轉化程度，導致卸礦困難。針對該機理的驗證，在現場進行溜井礦石成拱的試驗是比較困難的，因此采取室內對其進行相似模擬試驗。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行模擬，驗證了包括含水率、礦石顆粒粒徑等因素對結拱行為的影響。

本文利用亞克力管構建相似模型，綜合含水率、材料級配及料頭高度等參量對放礦過程結拱現象進行模擬，歸納出不同參量對礦石結拱行為的影響規律。研究結果對礦山高深溜井堵塞的防治具有一定的指導意義。

1 結拱機理分析

由于上部卸礦對礦石的夯實和井內礦石的自重，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，下部礦石繼續下落，內部出現空腔。

為了研究溜井成拱規律與機理，對拱進行受力分析，建立的理論模型如圖1 所示。假設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，形成穩定的拱結構。拱的左右拱腳分別標記為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，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 結拱理論模型

圖2 拱結構受力分析

當巖石顆粒之間相互作用力達到自穩標準且具備一定承載力時，在放礦過程中便自然形成穩定平衡拱結構，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，懸拱結構與井壁之間的正應力FN增大，其次壓密過程也導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，負載上覆儲料。且后續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，進一步增大了二者之間摩擦力f，增加了拱的自穩性，即結拱事件的概率增加。

溜井中的水分不斷滲流至懸拱結構過程中，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]，增加了拱結構的密實度和整體強度，同時降低礦石自重應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]，當小顆粒占比較大時，礦石之間的黏結度增加，且小顆粒對縫隙填充作用較強。

2 工程背景

鞍鋼礦業公司眼前山鐵礦為露天轉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。地下開采設計能力為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，進路間距為20 m。

眼前山鐵礦設有1#和2#兩條主溜井，目前1#主溜井尚未完成安裝，由2#主溜井擔負礦山露天轉地采后主要礦石的轉載、臨儲任務，通過該主溜井的礦石量1 億噸以上，服務年限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。其中，?321～?331 m 段為錳鋼襯板支護，直徑為4.0 m；?331～?504 m 為鋼纖維混凝土支護，壁厚1 m，直徑為4.5 m；?504～552 m 段為錳鋼襯板支護，直徑為6 m。2#主溜井施工期間，掘進至井深50～63 m 處遇破碎帶，破碎帶寬1.5～2.0 m，以綠泥角閃片巖、花崗質碎斑巖為主，井壁破碎帶區域出現較大裂縫。經研究，確定采用1 m 厚鋼纖維混凝土分段支護，并在混凝土中加f＞8 的鵝卵石增加其抗磨性，在井筒適當位置設置反漏斗裝置減少對井壁的沖擊破壞。為防止支護體脫落，支護段深入穩定巖層5 m 以上，并在支護底部增加壁座。

眼前山鐵礦2#主溜井屬于高深溜井（井深大于150 m），自2017 年投入生產以來，先后多次發生棚堵、支護混凝土脫落等現象，并且在變徑部位有較大空腔爆破效應，存在較大的安全風險。截止至2018 年12 月，共發生棚堵23 次，其中溜井中間棚堵3 次、粉礦堆積棚堵9 次、支護層脫落棚堵11 次。

礦巖非均勻下落對井壁的破壞主要體現在兩個方面。一方面，平衡拱垮落的過程中，空腔中的空氣被突然壓縮，產生劇烈的空腔爆破效應，此過程中產生的高壓、噪聲和熱效應現象均會對溜井井壁產生破壞。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，不斷破壞井壁的穩定性，因此針對結拱事件的分析及模擬具有一定意義。

3 相似試驗

3.1 試驗設備

試驗在自制的溜井放礦試驗平臺上進行。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，內徑為22.5 mm，厚5 mm；下管長235 mm，內徑為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。攝像裝置采用的是GoPro 相機，在放礦過程進行拍攝，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 試驗過程及結果

試驗開始前需對不同級配的粒徑進行試驗，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，裝入時應當緩慢，避免漏斗堵塞，裝配工作完成后將其靜置10～20 min。

在底部對礦石進行均勻放出，放礦過程需以攝影燈輔助攝影相機進行全程攝像。對每種試驗條件下的放礦試驗重復多次，記錄不同試驗條件下發生結拱事件的次數，計算礦石發生懸拱事件的概率并進行分析。結拱如圖4 所示。

圖4 相似模型結拱

3.3 試驗結果

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定性的懸拱結構。將測得試驗數據進行匯總以備分析，不同含水率的各級配礦石在半滿以及全滿狀態下的結拱概率見表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拱事件。其次，在干燥狀態下，各級配礦石在下放過程中結拱概率比較低，而附加水分的礦石其結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，其結拱率與含水率之間并未表現出明確的正向變化關系。隨著含水率的增加，結拱概率表現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拱概率

表2 結拱概率

由圖5 可知，在干燥狀態下結拱率最低，1%含水率狀態下結拱概率最大。這表明水分對礦石的黏結成拱具有一定的促進作用，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聯性，導致礦石在下放過程中發生的結拱事件概率降低。

以貯礦全滿及半滿狀態模擬料頭的高度對結拱事件的影響，如圖6 所示。從圖6 中可以看出，全滿狀態下礦石的結拱概率較高于半滿狀態，且普含水率時存在一定幾率的結拱事件，其余含水狀態適于任何含水率狀態。在半滿狀態下，只有在1%基本不結拱。這表明料頭的高度對結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，提高了拱的穩定性及承載能力，同時加強了拱與井壁之間的關聯性，即增大了有效接觸摩擦力。

圖6 不同料頭高度結拱概率

4 結論

（1）通過極限平衡法分析了高深溜井井內成拱機理，得出了拱的軸線是拋物線。

（2）對試驗數據分析可知，隨著含水率的增加，結拱事件發生的概率呈現先增后減的演化趨勢。并且單一尺寸的顆粒發生結拱的概率較低，當尺寸較大或摻雜不同粒徑顆粒時，松散體則出現一定的結拱現象。料頭高度對結拱現象同樣具有促進作用，在一定范圍內，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行模擬，其結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。