沖擊磨損作用下的溜井井壁變形破壞機(jī)理

路增祥 馬 馳 殷 越

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114000；2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源綠色開采工程研究中心，遼寧鞍山114051）

溜井系統(tǒng)是金屬礦床地下開采礦山簡化提升運(yùn)輸系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)礦廢石低成本下向運(yùn)輸?shù)闹匾こ?，確保溜井系統(tǒng)在其服務(wù)周期內(nèi)的可靠使用，是實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)正常和高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。但是，受溜井工程所處的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和其惡劣的使用條件影響，世界范圍內(nèi)的溜井變形、失穩(wěn)和垮塌問題頻繁發(fā)生［1-7］，輕者需長時(shí)間停產(chǎn)返修，嚴(yán)重者井筒報(bào)廢，給礦山企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失。如我國的程潮鐵礦［8-9］、新城金礦［10］、甲瑪銅多金屬礦［11］等十幾家礦山都曾發(fā)生過溜井嚴(yán)重變形破壞問題；而國外礦山中，加拿大Brunswick礦［12］的4條溜井中有3條報(bào)廢。另1條進(jìn)行返修，加拿大Quebec省北部10家地下礦山［13］的50條溜井中，有8條進(jìn)行返修、7條報(bào)廢，南非Kloof金礦［14］的3號(hào)溜井也因重大變形破壞而進(jìn)行返修。因此，溜井井壁變形破壞問題已成為人們高度關(guān)注和廣泛研究的重要內(nèi)容。

為解決復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的溜井穩(wěn)定性問題，提高溜井在其惡劣使用條件下的服務(wù)壽命，確保礦山生產(chǎn)的高效運(yùn)營和順利進(jìn)行，國內(nèi)外從溜井的工程地質(zhì)環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支護(hù)與加固材料及支護(hù)方式、井壁的破壞機(jī)理和溜井修復(fù)等方面進(jìn)行了諸多的研究，并取得了許多有益的研究成果，這些成果對提高溜井井壁的穩(wěn)定性問題起到了良好的促進(jìn)作用。但是，針對井壁支護(hù)與加固的破壞機(jī)理方面的研究，多聚焦于支護(hù)與加固材料的選擇、結(jié)構(gòu)的合理性等方面，具有一定的局限性?；炷潦橇锞谥ёo(hù)與加固的主要材料之一，沖擊與磨損是造成其損傷與破壞的主要原因，本研究擬對沖擊磨損作用下井壁混凝土的變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析研究，以期對溜井井壁的穩(wěn)定性研究起到促進(jìn)作用。

1 溜井支護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)及其特征

1.1 常見溜井支護(hù)方式

由于溜井工程位置選擇存在一定的局限性，溜井穿越地段的工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且溜井使用過程中井壁反復(fù)受到礦巖的沖擊與磨損。為提高溜井井壁抵抗礦石流沖擊和磨損的能力，有效延長其服務(wù)年限，當(dāng)溜井井筒穿越軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育的不良巖層或破碎帶時(shí)，對溜井進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)是非常必要的。

國內(nèi)外溜井工程實(shí)踐中，根據(jù)支護(hù)所用材料不同，常見的溜井支護(hù)分為混凝土、鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土、鋼軌、普通鋼板（或錳鋼板）、高錳鋼板、橡膠襯板、鋼纖維噴射混凝土、長錨索+短錨桿+混凝土等支護(hù)形式。根據(jù)支護(hù)范圍的不同，可分為“裸井”（無支護(hù)）、局部加固、整體支護(hù)3種形式。

1.2 混凝土材料力學(xué)特性

各種類型的混凝土是溜井支護(hù)與加固的一種常見的主要材料。

混凝土是由水泥、砂、石等組成的非均質(zhì)復(fù)合體，由于原材料性質(zhì)和組成的較大差異，混凝土的力學(xué)特性表現(xiàn)出了復(fù)雜、多變和離散的特征。混凝土內(nèi)部隨機(jī)分布了大量大小不同的微裂紋和微空洞，這些微裂紋和微空洞在外力的作用下產(chǎn)生損傷演化，引起材料強(qiáng)度和剛度的弱化，直至破壞［15-16］。

混凝土是一種彈塑性體，受力時(shí)既產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生塑性變形。在不同的應(yīng)力水平下，混凝土材料的變形表現(xiàn)出以下特征：

（1）較低的應(yīng)力水平下，混凝土的總變形很小，并以粗骨料的彈性變形為主；

（2）隨著應(yīng)力水平的提高，水泥膠凝體的塑性變形逐漸增加并快速增長；

（3）應(yīng)力水平接近混凝土極限強(qiáng)度時(shí)，混凝土開始產(chǎn)生大量的裂紋，并且裂紋的擴(kuò)展速度隨著應(yīng)力水平的繼續(xù)增加而加大，直至混凝土完全破壞。

（4）混凝土中裂紋的產(chǎn)生首先是沿著粗骨料的表面逐漸延伸和增寬，并隨著應(yīng)力水平的增加而擴(kuò)展、貫通，然后才是沿著細(xì)骨料的表面產(chǎn)生和擴(kuò)展貫通的。

2 溜井中物料運(yùn)動(dòng)特征

礦巖在溜井上部卸礦站卸入溜井后，在重力作用下沿溜井中線方向向下運(yùn)動(dòng)，最后到達(dá)溜井底部或儲(chǔ)料面。根據(jù)溜井傾斜角度的不同，溜井中的礦巖運(yùn)動(dòng)總體上呈現(xiàn)出下落、跳動(dòng)、滾動(dòng)、滑動(dòng)等4種不同方式。溜井中礦巖運(yùn)動(dòng)的主要特征表現(xiàn)為：

（1）運(yùn)輸設(shè)備卸載時(shí)，礦巖賦予了一定的初始運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和初始運(yùn)動(dòng)方向。礦巖進(jìn)入溜井后的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樵摮跏挤较蚺c重力方向的矢量和，礦巖與溜井井壁發(fā)生碰撞前的運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一段拋物線。

（2）垂直溜井條件下，礦巖的運(yùn)動(dòng)在經(jīng)過2～3次沖擊井壁后，垂直落入溜井之中。礦巖下落過程中，礦巖塊具有的重力勢能不斷轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，運(yùn)動(dòng)速度不斷增加，當(dāng)與井壁發(fā)生“碰撞”時(shí)，其運(yùn)動(dòng)動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為造成井壁損傷破壞的沖擊能。

（3）傾斜溜井中，礦巖塊則很快與溜井底板產(chǎn)生碰撞，以跳動(dòng)（滾動(dòng)或滑動(dòng)）的方式、沿溜井中線方向向溜井底部運(yùn)動(dòng)。而垂直溜井系統(tǒng)的分支溜井是傾斜溜井的另一種表現(xiàn)形式，礦巖塊的運(yùn)動(dòng)方式與傾斜溜井中的完全相同。

（4）礦巖到達(dá)溜井儲(chǔ)礦段中的物料表面后，隨著溜井底部的放礦，礦巖呈現(xiàn)出整體下移的移動(dòng)方式，而且也會(huì)表現(xiàn)出小顆粒移動(dòng)速度快而大顆粒移動(dòng)速度慢的自然分級現(xiàn)象。在這一過程中，礦巖在重力的作用下，通過其顆粒間力的相互傳遞，形成了礦巖顆粒接觸面間的法向力和礦巖作用在井壁面上的法向力，最終產(chǎn)生了礦巖顆粒間的相互摩擦以及礦巖與井壁之間的摩擦，造成了井壁的磨損破壞。

3 溜井中物料運(yùn)動(dòng)對井壁的損傷破壞機(jī)理

根據(jù)溜井中礦巖運(yùn)動(dòng)特征的不同，溜井井壁產(chǎn)生的損傷破壞類型主要表現(xiàn)為沖擊損傷破壞和摩擦損傷破壞2類。

3.1 沖擊損傷破壞機(jī)理

沖擊損傷破壞主要源自于礦巖塊在下落過程中對井壁的撞擊，井壁的損傷破壞程度取決于礦巖塊沖擊井壁時(shí)瞬時(shí)動(dòng)能和沖擊方向與溜井井壁法向夾角的大小，同時(shí)也與井壁材料本身的力學(xué)特性有關(guān)。

溜井中礦巖運(yùn)動(dòng)所具有的能量的耗散是導(dǎo)致溜井井壁產(chǎn)生變形破壞的根源。由于井壁混凝土屬彈塑體材料，礦巖與溜井井壁發(fā)生碰撞時(shí)，礦巖塊具有的動(dòng)能作用于溜井井壁上，根據(jù)能量守恒定律，其中一部分能量使井壁產(chǎn)生彈性變形，而另一部分則使井壁產(chǎn)生塑性變形。井壁材料彈性變形的結(jié)果使礦巖塊在井壁材料彈性恢復(fù)力的作用下，改變礦巖塊的運(yùn)動(dòng)方向，并為礦巖塊新的運(yùn)動(dòng)提供初始動(dòng)能；而塑性變形的結(jié)果則造成了井壁材料的沖擊與剪切損傷破壞［17］。

礦巖塊沖擊溜井井壁的動(dòng)能來自卸載時(shí)運(yùn)輸設(shè)備所賦予的動(dòng)能和所具備的重力勢能2個(gè)方面。如圖1所示，對于特定的混凝土井壁材料，若礦巖塊沖擊井壁時(shí)的瞬時(shí)動(dòng)能為Ek，則礦巖塊沖擊井壁后，井壁的彈性變形恢復(fù)產(chǎn)生的反作用使礦巖塊具有的新的瞬時(shí)動(dòng)能為Ek′，假設(shè)礦巖塊沖擊井壁前后的瞬時(shí)方向與井壁法向的夾角為β，可建立如下所示動(dòng)能平衡方程：

式中，Ed為礦巖塊沖擊井壁時(shí)，在井壁法向上損失的動(dòng)能，該部分能量被井壁材料吸收，引起井壁材料的塑性變形，致使井壁產(chǎn)生破壞；Es為礦巖塊沖擊井壁時(shí)，沿井壁面產(chǎn)生的切向上損失的動(dòng)能，該部分能量使混凝土受到剪切作用，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，加劇了混凝土材料的破壞。

整理（1）式，得到：

從（2）式可以看出，在圖1描述的受力條件下，Ed和Es的值與β角的大小關(guān)系密切，反映了井壁材料的破壞類型，如表1。

?

3.2 摩擦損傷破壞機(jī)理

摩擦損傷破壞是井壁變形破壞的另一種形式，主要產(chǎn)生在溜井的儲(chǔ)礦段以及分支溜井和傾斜溜井的底板，源自于礦巖在溜井中移動(dòng)時(shí)對井壁的磨損。井壁的損傷破壞程度與井壁材料的耐磨特性、礦巖與井壁間的摩擦系數(shù)和礦巖移動(dòng)時(shí)對井壁產(chǎn)生的法向作用力相關(guān)。

圖2中傾斜溜井底板AB上的某一點(diǎn)O處，受到質(zhì)量為mg的礦巖塊的作用，同時(shí)也受到其它礦塊通過該礦巖塊傳遞來的鉛垂方向和水平方向的作用力PV和PL的作用。假定礦巖塊與井壁材料間的摩擦系數(shù)為μ，且礦巖塊移動(dòng)過程中不產(chǎn)生跳動(dòng)或滾動(dòng)，則很容易通過經(jīng)典力學(xué)原理求出導(dǎo)致井壁產(chǎn)生摩擦損傷破壞的力的大小。

沿溜井井壁面產(chǎn)生的摩擦力f：

式中，N為作用在溜井井壁上的正壓力。根據(jù)圖2可以得出：

整理（3）、（4）式，可得：

因此可知，傾斜溜井中，溜井底板所受摩擦力的大小不僅與溜井的傾角、礦巖塊和井壁材料間的摩擦系數(shù)有關(guān)，而且與礦巖塊的質(zhì)量以及其它礦巖塊傳遞到該礦巖塊上的力的大小相關(guān)。

在垂直溜井的儲(chǔ)礦段中，圖2中的α=90°，由（5）式可以得到：

由（6）式可知：垂直溜井的儲(chǔ)礦段中，沿溜井井壁面產(chǎn)生的摩擦力f的大小只與礦巖塊和井壁混凝土材料間的摩擦系數(shù)、其它礦塊通過該礦巖塊傳遞來的水平方向的作用力PL的大小有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和惡劣的使用環(huán)境條件是金屬礦溜井井壁產(chǎn)生變形破壞的主要原因。

（2）垂直溜井中礦巖塊運(yùn)動(dòng)對溜礦段井壁造成的變形破壞包含了沖擊破壞和剪切破壞2種形式。決定這2種形式主導(dǎo)地位的因素是礦巖塊沖擊井壁時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向與井壁法向夾角的大小。夾角小于45°時(shí)，破壞形式以沖擊破壞為主；大于45°時(shí)，則以剪切破壞為主。

（3）磨損破壞主要發(fā)生在溜井的儲(chǔ)礦段和傾斜溜井與分支溜井的底板。磨損破壞的程度和礦巖與井壁間的摩擦力的大小有關(guān)，而摩擦力的大小取決于礦巖塊與井壁材料間的摩擦系數(shù)的大小和礦巖作用在井壁法向上的力的大小。