某礦山礦倉加固技術方案比選及應用

郭相參

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

國內某礦山破碎后的礦石，由膠帶斜井與主井接力提升至地表。膠帶斜井與主井之間的轉運礦倉上承膠帶斜井，下啟水平轉運膠帶，其凈直徑6.0 m，總高度約50.0 m，井壁采用450 mm鋼筋混凝土，外襯40 mm厚的耐磨鋼襯板進行聯合加固。礦山投產前9年，轉運礦倉的加固體均保持完好，沒有出現破損現象。在投產第10年，國內外市場行情利好，該礦山對現有的提升系統進行了技改，提升產能約30%。然而在技改的第3年，轉運礦倉井壁在膠帶斜井礦石長期沖擊下，井壁耐磨鋼襯板和混凝土加固體出現多處不同程度的破損現象。此后的4年內，每隔1～2年均要對井壁的破損處反復進行返修處理。然而每次返修后，均仍在礦倉井口約8.0～44.0 m范圍內發生破損。根據現場調查，破損處成豎向交錯分布，具體表現有井壁襯板滾卷、撕裂脫落、混凝土脫落、鋼筋外露等。由此可見，轉運礦倉井壁加固體變形破損的問題并沒有得到根本解決，這也嚴重制約著礦山的安全生產。因此，探尋可行有效的加固技術方案并徹底解決這一問題已經迫在眉睫，也是重要的和必要的。下面就新提出的礦倉加固技術方案進行探討研究。

2 礦倉井壁破損機理

在慣性和自重的共同作用下，礦石在膠帶頭部被向前拋射并作拋物滾落運動。由于存在高差，滾落過程中礦石的相對重力勢能轉化為動能。根據能量守恒定律，在與井壁發生碰撞時，大部分沖擊動能被井壁加固體吸收，礦石被彈射后繼續作拋物滾落運動，并再次與井壁發生碰撞，如此循環，直至礦石滾落在礦倉內的礦石堆上。礦石與井壁的碰撞點與轉運礦倉的破損位置相吻合，也成豎向交錯分布，運動軌跡如圖1所示。現場以不同的速度拋射有顏色標記的潔凈礦石，驗證了上述分析的準確性。每次碰撞后被彈射的礦石的速度水平分量逐漸減小，碰撞點的豎向間距逐漸增大。滾落的水平距離、與井壁撞擊次數、井壁的損壞程度等均與礦石被拋射的速度成正比。碰撞點至拋射點的豎向距離與礦石被拋射的速度成反比，當拋射速度達到一定水平時，礦石將被拋出礦倉外或作近似自由落體運動。

圖1 礦石運動軌跡圖

在持續沖擊下，礦石的沖擊動能使得井壁鋼襯板內部產生次生應力，其與鋼襯板殘余應力疊加形成復合應力場，該應力場作用在鋼襯板原生微裂紋尖端附近。隨著應力增加，裂紋擴展、延伸，鋼襯板應變和塑性變形不斷增加。當變形量超過其變形能力時，便發生塑性破壞，鋼襯板出現參差不齊的暗灰色纖維狀撕裂口[1]。鋼襯板斷裂實際上是其內部損傷到出現宏觀裂縫，損傷逐漸累積的結果[2]。同時在沖擊振動的作用下，襯板錨固螺母開始松動并最終脫落，導致襯板錨固失效，加劇其損壞脫落，最終溜放出襯板呈現滾卷、撕裂狀態。

井壁混凝土加固體吸收礦石沖擊動能，由此產生的次生應力與混凝土的原生內部應力疊加后作用在混凝土骨料上，使其承受很高的拉應力。當拉應力超過骨料間的黏結強度時，混凝土的內部原生微裂紋和次生微裂紋便會擴展、延伸、貫通，形成可見的宏觀裂縫，混凝土隨著這些裂縫的擴展而破壞，骨料(沙子、石頭)與膠合料(水泥水化物)因應力而分裂，混凝土完整性和連續性遭到破壞，其局部外觀體積也發生膨脹。在礦石的持續沖擊下，最終導致混凝土被剝落，鋼筋裸露。由此可見，混凝土的破壞是一個喪失完整性和連續性由量變到質變的過程，表現為由內部的微量損傷到外部的局部宏觀破壞[3-6]。

3 礦倉加固技術方案

轉運礦倉井壁破損之初，礦山采取了加大配筋、植筋、提高混凝土強度等級、加厚鋼襯板厚度、注漿加固圍巖體等一系列措施對破損處進行返修加固，以此來抵抗礦石的沖擊。這種“以剛克硬”的加固措施沒有減輕礦石的沖擊，沒有實現質的突破，最終沒有經受住實踐的考驗。根據前述破損機理分析，礦倉井壁破損是其吸收礦石沖擊動能的結果，根據溜放的鋼襯板破損形狀來看，其主要受沖擊砸裂導致脫落為主，磨損不嚴重，耐磨不耐沖擊的表現也與鋼襯板的性能相符合。因此，盡量減輕或避免礦石對礦倉井壁加固體的沖擊才是解決問題的根本所在。本文在以往返修加固經驗的基礎上，提出了幾個新的礦倉加固技術方案。

3.1 礦倉井壁增設內嵌式緩沖平臺

膠帶的運行速度一定時，礦石被拋射后的運動軌跡也是相對不變的。如圖2所示，在第一次沖擊區的井壁上增設一個緩沖平臺和柔性緩沖體，以改變礦石滾落軌跡。柔性緩沖體可為鏈環、鏈條、鋼絲繩等柔性物質，其被懸掛于緩沖平臺頂部并可多條成直線型或曲線型之梅花狀設置，但其設置方式不受特別限制，只要能與滾落的礦石相碰撞，且不會造成礦石在緩沖平臺內滾動停止即可。礦石撞擊柔性緩沖體后，其沖擊動能被吸收，滾落到緩沖平臺時，其沖擊動能再次被緩沖平臺上的保護體吸收。保護體可為粉礦、碎石、黏土、木屑、橡膠等軟性物質，保護體不僅可以吸收礦石沖擊動能，還可以降低緩沖平臺自身的磨損程度。隨后礦石繼續作拋物滾落運動，此時礦石的速度水平分量減小，滾落過成中前行的水平距離有限，撞擊井壁加固體的機率變小，若生產時合理限定礦倉的料位高度，則可保證礦石不再二次沖擊加固體并順利地被溜放至礦石堆上。經過兩次有效的緩沖減速，礦石的沖擊動能被柔性緩沖體和緩沖平臺上的保護體吸收消耗，從而減輕甚至避免了其對礦倉井壁加固體的沖擊破損，達到保護礦倉井壁加固體的目的，進而保證了礦山的安全生產。

圖2 內嵌式緩沖平臺圖

3.2 礦倉增設鋼質緩沖平臺

礦石被拋射后作拋物滾落運動，并在滾動過程中與礦倉井壁加固體相遇，能量發生轉移，這是井壁加固體破損的根本原因。基于前述破損機理分析，為減輕或避免井壁加固體發生沖擊破損，首先可降低礦石的沖擊動能，其次要改變礦石的滾落軌跡，二者相輔相成。該方案是在礦石滾落軌跡線上設置鋼質緩沖平臺，其分布需吻合礦石的運動軌跡，豎向交錯布置，緩沖平臺越靠近礦石拋射點，其對礦石的減速效果就越好。如圖3、圖4所示，在礦倉上口以“井”字形預埋多層鋼梁，并用耐磨鋼封閉成方型溜筒或槽型溜筒。為增加吸能效率，可在耐磨鋼溜筒內側設置橡膠面層，同時在溜筒內側壁或礦倉井壁上增設多個豎向交錯的具有保護體的鋼質緩沖平臺。通過鋼質平臺的緩沖減速及耐磨鋼溜筒的約束導向，迫使礦石豎向滾落，同時輔以合理的礦倉料位高度管理，則可減輕或避免礦石對井壁的沖擊，進而保護礦倉井壁，保障安全生產。

圖3 鋼質緩沖平臺1

圖4 鋼質緩沖平臺2

3.3 礦倉井口增設礦石格篩

根據上文所述，解決礦倉井壁破損難題的本質就是要減輕或避免其遭受礦石滾落沖擊，不但要降低礦石的沖擊動能，還要讓礦石作近似豎直向下運動，直至溜放至礦石堆上。如圖5所示，在井口設置頂底面平齊的具有二維等強度的鑄造格篩，格篩上面設置約束礦石滾動范圍的內側設置橡膠面層的鋼質溜槽，在格篩底面懸掛多條成“口”字型之梅花狀設置的柔性緩沖體以形成柔性“溜槽”，“溜槽”范圍不小于鋼質溜槽下口范圍即可。礦石被拋射在鋼質溜槽內，隨即滾落入格篩網孔內，不同方向的礦石經格篩網孔約束導向后，拋物運動大大減弱，大部分礦石作近似豎直向下運動，實現中心落礦。柔性“溜槽”對小部分繼續作拋物線運動的礦石繼續進行約束導向，迫使被吸能后的礦石作近似豎直向下運動，通過溜槽、格篩及柔性緩沖體的共同豎向導向作用，礦石的沖擊動能被吸收且運動軌跡被改變，避免發生礦石滾落過程中因四處迸濺而沖擊礦倉井壁加固體的現象，為安全生產保駕護航。

圖5 格篩圖

4 技術方案比選

根據上文對各加固技術方案的論述，在理論上各加固方案均可實施，都可從根本上解決礦倉井壁加固體沖擊破損問題。然而，就每個技術方案而言，其都有優缺點及應用的局限性。因此，為了能比選出最優的加固技術方案，需要從工期、技術、成本等角度進行闡釋。下面就對各方案的可行性進行分析研究。

4.1 井壁內嵌式緩沖平臺

內嵌式緩沖平臺設置在第一次沖擊區的井壁上，首先需要將平臺范圍內的加固體及部分圍巖鑿除，并形成新的加固體。內嵌式緩沖平臺是對礦倉結構設計的改進，結構簡單，技術要求低，改造成本相對略高，在柔性緩沖體和保護體的保護下，其生命周期長。對于新建礦倉而言，其同井壁加固體一體成型，具有絕對的優勢，從現有的礦山使用效果來看，保護礦倉效果很好，但對于改造加固礦倉而言，其劣勢還是很明顯的。其開挖會造成平臺周圍的圍巖松動，受混凝土養護時間影響大，工期較長，作業強度相對較高，對生產影響大，底部結構承載力要有保證。內嵌式緩沖平臺與礦石拋射速度緊密相關，礦石拋射速度不變，則礦石與井壁的撞擊點也是相對固定的。內嵌式緩沖平臺是一經形成，不可改變的，當拋射速度改變時，礦石可能無法滾落至緩沖平臺上，也就無法緩沖礦石的沖擊力，達不到保護礦倉的目的。因此，形成內嵌式緩沖平臺時，應考慮礦石拋射速度的變化區間。

4.2 鋼質緩沖平臺

鋼質緩沖平臺是與耐磨鋼方型溜筒或槽型溜筒配套設置的，其數量可以根據使用效果進行靈活調整，耐磨鋼溜筒對礦石進行約束導向，鋼質緩沖平臺改變礦石運動軌跡并吸收其沖擊動能。該方案可根據磨損情況定期更換耐磨鋼板，檢修更換便捷。但各層“井”形預埋鋼梁的梁窩開鑿作業強度大，鋼梁安裝難度大，受混凝土養護時間影響大，整體工期相對較長，后期檢修時需設置檢修平臺及爬梯，檢修輔助設施多，服務期內的綜合成本高，且礦石長期對耐磨鋼板沖擊，預埋鋼梁的穩固性無法保證，一旦鋼梁破壞，更換難度大，此外若槽型溜筒正前下方的井壁處的鋼緩沖平臺設置不當會對井壁穩定性造成影響。

4.3 礦石格篩

礦石格篩的作用首先是對不滿足設計塊度的礦石過濾并再次進行破碎，其次是對溜放的礦石進行約束導向，改變其運動軌跡。該方案主要就是利用其約束礦石的導向作用，方案中的格篩可以整體鑄造，也可以利用縱橫鋼梁對接或搭接而成，其安裝用錨固錨桿固定，實現可拆卸性。格篩直接設置在礦倉井口，無需在井壁上開鑿梁窩，使得其作業強度低，安裝進度快、維修檢查及更換十分方便，此外格篩不僅安全適用、經久耐用、具有互相匹配的二維強度，不易發生強度破壞、疲勞破壞、磨損破壞，且其適用性強、結構簡單、鑄造加工方便、技術要求低、實現成本低，鑄造外型可圓可方。格篩在采場溜井中已得到普遍應用，效果很好。實施方案時，可根據約束導向需求，設置合理的格篩高度。但格篩需要事先鑄造甚至定制，單件重量大，安裝檢修時需輔以大型起吊設備。

4.4 技術方案確定

通過4.1～4.3的方案分析可知，轉運礦倉加固技術方案各有利弊，綜合礦倉井壁破損處的返修加固，各種因素總的影響程度詳細對比見表1。

表1 加固技術方案對比

根據表1中各種因素影響程度的綜合比較結果，結合礦山的實際生產情況，確定在礦倉井口增設礦石格篩對礦倉井壁進行返修加固。

5 加固技術方案實施

將礦倉內的礦石回填至合理的高度，為返修施工提供作業平臺，依次自上而下對井壁破損處進行返修加固。為提高轉運礦倉破損處井壁強度，采用耐磨鋼襯板+混凝土+錨注的礦倉井壁返修加固技術。錨注錨桿采用φ32 mm×6 mm×2.25 m無縫鋼管，錨注注漿材料采用強度為42.5 MPa的525#水泥，注漿水灰比0.6～0.7，單孔注漿壓力5 MPa時停止注漿。混凝土由快硬硅酸鹽水泥和精選石英砂配制，強度等級為C35，混凝土中按0.5%比例加萘系NF減水劑，水灰比0.7。同時加大配筋和植筋，加強混凝土的養護。為降低返修成本和加快進度，仍選用40 mm厚的備用耐磨鋼襯板，其錨固錨桿采用φ28 mm×1.0 m螺紋鋼。

在井口用錨桿固定20 mm厚的鋼板以焊接固定鑄造格篩，按圖5將柔性緩沖體、鋼質溜槽安裝到位，保證各部分均可拆卸更換。

該轉運礦倉返修加固3年以來，井壁加固體無破損，完整性好，表明采用此技術方案返修加固轉運礦倉在實際應用中取得了良好的效果。

6 結論

(1)基于能量轉化及守恒原理，對井壁加固體破損機理進行了詳細分析。

(2)根據礦倉井壁加固體破損機理，提出了4個可從根本上解決轉運礦倉井壁加固體沖擊破損的返修加固技術方案，并對其優缺點及各個影響因素進行了詳細的綜合分析對比，進而得出最優的加固技術方案，并將其應用到實踐中，取得了預期的效果。

(3)礦山礦倉是礦石運輸必經通道，生產時遇到的礦石沖擊破損問題，對設計和生產管理都將產生一定的影響。設計方面，在設計方案中應當采取可從根本上解決礦石沖擊破損問題的措施，比如文章所提出的幾種方法，可供相關從業者在進行礦倉設計時參考。生產管理方面，在實際生產中，要加強礦倉管理，比如礦倉料位管理、塊度控制管理、日常檢查管理等，一經發現破損跡象，應立即停止溜礦，制定方案，及時返修，避免發生加固失效、井壁垮塌、礦倉堵塞等嚴重事故，造成不可估量損失。通過設計和管理上的一系列措施，為礦山的安全生產提供了條件。