地下礦山高深溜井防堵塞技術研究及實踐

唐學義 曲志生 楊學剛 趙龍 胡勇

摘要：高深溜井在使用過程中頻繁發(fā)生堵塞現(xiàn)象，已成為影響地下礦山安全高效生產(chǎn)的重要因素。針對高深溜井井筒堵塞問題，以某金銅礦高深溜井為研究對象，分析了溜井礦石的移動規(guī)律，

發(fā)現(xiàn)高深溜井礦石移動過程中在自由落體下落區(qū)和等速垂直全斷面移動區(qū)之間存在垂直全斷面間隔移動區(qū);總結了高深溜井堵塞的主要原因有貯礦高度不合理、貯礦時間過長和溜井破損嚴重等;通過調(diào)查該金銅礦溜井運行過程存在的問題，提出了溜井料位監(jiān)測技術、井筒加固技術和溜井放礦自動控制技術等預防高深溜井堵塞的技術措施，應用效果較好，可為類似礦山提供參考借鑒。

關鍵詞：高深溜井;堵塞;礦石移動規(guī)律;堵塞原因;貯礦高度;貯礦時間

中圖分類號：TD521+.1文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）05-0031-05doi：10.11792/hj20200506

引 言

溜井系統(tǒng)是井下生產(chǎn)運營的關鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)多階段礦（廢）石高效低成本運輸?shù)年P鍵工程，廣泛應用于地下礦山。然而，復雜的工程地質(zhì)環(huán)境和惡劣的使用條件，導致溜井頻繁發(fā)生堵塞，尤其是深度超過100 m的溜井（高深溜井）堵塞，一直是困擾采礦行業(yè)的一大難題[1]。

高深溜井堵塞分為溜口堵塞和井筒堵塞。溜口堵塞頻率高，而井筒堵塞造成的后果嚴重。隨著振動放礦機性能的不斷改進，溜口堵塞問題已得到了較好的解決，而井筒堵塞與溜井礦（廢）石性質(zhì)、含水率、粉礦含量、貯礦高度、貯礦時間、礦巖塊度、溜井直徑和井壁圍巖垮落產(chǎn)生的大塊及溜井管理等方面有關[2]。雖然很多學者對溜井礦石移動規(guī)律、溜井堵塞原因進行了大量研究，提出了滿井放礦，控制礦石塊度和含水率，溜井結構改造，控制貯礦時間等諸多技術措施，但有些技術措施現(xiàn)場應用效果不佳，導致高深溜井堵塞問題難以徹底解決[3]。因此，本文以某金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)為工程背景，對高深溜井礦石移動規(guī)律進行深入研究，分析高深溜井堵塞原因，并采取相應的防堵塞技術，以解決該金銅礦溜井堵塞問題。

1 溜井內(nèi)礦石移動規(guī)律

1.1 礦石流動區(qū)段劃分

根據(jù)溜井內(nèi)礦石移動規(guī)律和特點可將礦石流動劃分為5個區(qū)（見圖1），各區(qū)的流動特點如下：

1）第一區(qū)為自由落體下落區(qū)，為空井溜礦段。

2）第二區(qū)為等速垂直全斷面移動區(qū)，也稱暢流區(qū)。在貯礦段的上部，對于垂直溜井，該段井筒內(nèi)同一水平斷面的礦石以等速垂直下落。如果溜井斷面結構合理，礦石在這一區(qū)內(nèi)正常移動，難以形成穩(wěn)定平衡拱。當貯礦高度低于松動橢球體頂點時，第二區(qū)消失。

3）第三區(qū)為變速變向全斷面移動區(qū)，也稱過渡區(qū)，為溜井堵塞準備區(qū)[4]。其位于第二區(qū)以下，礦石開始進入放礦橢球體，礦石垂直方向的移動出現(xiàn)加速度并伴隨水平方向的移動而開始出現(xiàn)“坑”（凹點），越靠近凹點（即橢球體的軸線，也稱流動軸）礦石移動速度越快。實際上第三區(qū)礦石暢流斷面縮小，特別是黏性大的粉礦容易使該區(qū)礦石移動斷面減小，當?shù)谌齾^(qū)處在排空過程時，礦石表面就會出現(xiàn)滾動、滑動和陷落的現(xiàn)象，并產(chǎn)生大塊自然分級。大塊礦石集中在坑底，容易堵塞第四區(qū)[5]。與第二區(qū)相比，其產(chǎn)生移動平衡拱的機率增大，不連續(xù)的周期比第二區(qū)明顯縮短。這些移動平衡拱一般不易形成穩(wěn)定平衡拱，導致溜井堵塞，但為第三區(qū)形成穩(wěn)定平衡拱提供了條件。因此，要求溜井貯礦高度不低于凹點，這樣既可以充分利用自然調(diào)向減少堵塞，又可以避免大塊礦石突然集中形成堵井。從凹點起，礦石開始松動，松散體重減小，當全斷面礦石均松動時第三區(qū)結束。

4）第四區(qū)為變速變向局部斷面移動區(qū)，也稱高頻堵塞區(qū)。其位于振動放礦機上口與溜井全斷面的過渡部分，礦石移動的有效斷面由溜井斷面逐漸縮小到溜井口有效斷面，使形成穩(wěn)定平衡拱所需的剪切應力減小。這樣，第三區(qū)的移動平衡拱在該區(qū)轉為穩(wěn)定平衡拱的可能性增大，故溜井容易發(fā)生堵塞，是堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)最多的區(qū)段。

5）第五區(qū)為無流區(qū)，也稱“死礦區(qū)”。其處于礦石移動線以下，即松動橢球體外，該區(qū)的礦石不移動。

1.2 高深溜井礦石移動規(guī)律

某金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)運行以來，井筒上部礦石料位過高，經(jīng)常發(fā)生滯留現(xiàn)象，下部放礦口放礦過程中，上部礦石呈間隔性下降，一次性下降高度2～6 m，多則下降10 m以上;間隔時間為2～10 min，多則間隔20 min以上。井筒初始料位較低時，礦石呈連續(xù)性下降?，F(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)：前面總結的礦石移動規(guī)律適用于溜井井筒料位較低的礦石，對于高深溜井礦石并不符合該移動規(guī)律。因此，亟需對高深溜井礦石移動規(guī)律進行研究，以解決該金銅礦的礦石溜井堵塞問題。

對該金銅礦-720 m～-870 m中段礦石溜井礦石移動情況進行調(diào)查，研究在不同貯礦高度條件下，下部放礦口連續(xù)放礦時的礦石移動規(guī)律。采用雷達料位計統(tǒng)計料位變化，記錄放礦時間、移動次數(shù)和下降時間，統(tǒng)計結果見表1。

該金銅礦-720 m～-870 m中段礦石溜井礦石移動情況調(diào)查結果表明：礦石初始料位71 m以下符合上述總結的礦石移動規(guī)律，礦石初始料位超過85 m，第二區(qū)礦石呈全斷面間隔移動。礦石初始料位越高，間隔時間越長;隨著礦石料位逐漸降低，間隔時間逐漸變短，最終呈全斷面連續(xù)移動。因此，筆者認為，高深溜井礦石移動規(guī)律應分為6個區(qū)，在自由落體下落區(qū)和等速垂直全斷面移動區(qū)之間存在垂直全斷面間隔移動區(qū)。

垂直全斷面間隔移動區(qū)礦石移動并不隨下部放礦口放礦而同時移動，而是與放礦口放礦有一定的時間差，同時礦石移動呈數(shù)次下落。溜井礦石移動是在下部連續(xù)拉礦或落礦產(chǎn)生的氣流擾動和負壓及自身重力共同作用下，由于臨時平衡拱不斷被破壞而形成的。由于該區(qū)域礦石料位過高，氣流擾動和負壓作用在向上傳遞的過程中減弱，使得該區(qū)礦石臨時平衡拱不能連續(xù)處于破壞的過程，因此呈現(xiàn)出延時性和間隔性，當臨時平衡拱在氣流擾動和負壓及自身重力的作用下不能被破壞時，將轉化為穩(wěn)定平衡拱，導致溜井堵塞。

2 高深溜井井筒堵塞原因分析

由高深溜井礦石移動規(guī)律分析可知，垂直全斷面間隔移動區(qū)和變速變向局部斷面移動區(qū)是發(fā)生高頻堵塞的關鍵區(qū)域。關鍵區(qū)域堵塞的主要原因為臨時平衡拱轉向穩(wěn)定平衡拱。穩(wěn)定平衡拱的形成一方面與礦石本身的性質(zhì)和含水率有關;另一方面是由于高深溜井運行過程為臨時平衡拱轉向穩(wěn)定平衡拱提供了必要的條件。溜井內(nèi)形成大塊礦石，粉礦比例過高，貯礦時間過長，有效斷面較小，氣流擾動和負壓作用過小，井壁摩擦力過大等因素易導致穩(wěn)定平衡拱的形成。其中，溜井內(nèi)大塊礦石與格篩尺寸和溜井破壞垮落礦石有關;粉礦比例過高與鑿巖爆破和溜井自由落體下落高度有關，溜井料位高度越低，自由落體下落高度越大，礦石二次細碎作用越強;氣流擾動和負壓作用過小與溜井料位過高有關;溜井井壁摩擦力與溜井井壁光滑程度有關。因此，在礦石大塊尺寸滿足D>5d（D為溜井直徑，d為礦石直徑），流入溜井的水量適當，廢渣廢料妥善處理的情況下，溜井貯礦高度、貯礦時間和溜井破損是引起高深溜井井筒堵塞的主要原因。

1）貯礦高度與溜井堵塞存在內(nèi)在聯(lián)系。貯礦高度越低，礦石下落勢能越大，對貯礦段的沖擊也越大，導致礦石二次細碎越嚴重，礦石越密實[6]。二次細碎導致粉礦比例增大，增加堵塞風險;礦石夯實作用提高了礦石的抗剪強度，同樣增加堵塞風險，特別是在礦石移動到變速變向全斷面移動區(qū)時，礦石的松散性不能恢復時很容易導致堵塞。貯礦高度過高，雖然礦石二次細碎和夯實作用減弱，但氣流擾動和負壓作用在向上傳遞的過程中減弱，導致垂直全斷面間隔移動區(qū)存在堵塞風險。因此，合理的貯礦高度是預防溜井堵塞的關鍵。

2）控制貯礦時間對避免溜井堵塞有著重要的作用。受礦石物理性能，如塊度組成、壓實程度、含水率等的影響，易形成臨時平衡拱。該拱為粉礦黏結拱，如果溜井閑置時間過長，受貯存礦石物理機械性能及井筒裂隙水的影響，臨時平衡拱極易向穩(wěn)定平衡拱轉變，從而導致井筒堵塞。

3）溜井破損引起溜井堵塞體現(xiàn)在2個方面：一方面是溜井破損導致大塊垮落，極易形成大塊咬合拱;另一方面是溜井破損導致井筒內(nèi)部凹凸不平，為懸拱創(chuàng)造了條件。

3 高深溜井堵塞預防措施

以該金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)為例，通過分析該金銅礦深部溜井放礦存在的問題，提出高深溜井預防堵塞的技術難點和解決方案[7]。

3.1 深部溜井放礦系統(tǒng)

該金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)由-570 m中段至-720 m中段礦石溜井和廢石溜井、-720 m中段至-870 m中段礦石溜井和廢石溜井及-870 m中段至-1 000 m中段礦石溜井和廢石溜井構成，-720 m中段、-870 m中段和-1 000 m中段礦石溜井和廢石溜井底部均設有振動放礦機進行礦（廢）石轉載和放出，各中段礦石和廢石分別從礦石卸載口和廢石卸載口倒入相對應的溜井內(nèi)。-1 000 m中段皮帶道中設振動放礦硐室，礦石、廢石經(jīng)皮帶運輸機輸送至計量箕斗。該金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)見圖2。

3.2 深部溜井放礦調(diào)查

深部溜井放礦系統(tǒng)運行過程中，多次出現(xiàn)井筒堵塞現(xiàn)象，特別是2015年-720 m～-870 m中段礦石溜井發(fā)生堵塞，疏通時間長達2個月，深部采礦作業(yè)受到極大的影響，直接經(jīng)濟損失達千萬元。根據(jù)高深溜井堵塞主要原因分析，調(diào)查了深部溜井放礦系統(tǒng)存在的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）礦（廢）石含泥量較高，含有易板結成分，同時礦（廢）石在重力作用下受高位沖擊和二次細碎影響，導致粉礦比例增大，引起礦（廢）石板結。調(diào)查結果（見表2）表明：礦石經(jīng)三段溜井放礦沖擊后，礦石平均塊度由10.21 mm破碎至5.02 mm，粉礦比例由21.55 %升高至38.15 %;沖擊勢能越大，礦石越破碎，粉礦比例越高。

2）依靠經(jīng)驗和統(tǒng)計估算料位，料位經(jīng)常出現(xiàn)過高或過低現(xiàn)象，多次進行高深溜井料位監(jiān)測技術研究，由于監(jiān)測設備性能問題導致料位計監(jiān)測貯礦高度失敗。

3）兩班放礦作業(yè)，-570 m～-720 m中段溜井和-720 m～-870 m中段溜井每班放礦采用一次放礦形式，導致放礦間隔長，為形成穩(wěn)定的黏結平衡拱創(chuàng)造了條件。

4）采用C-ALS三維激光掃描儀探測溜井破損情況，溜井內(nèi)部均出現(xiàn)不同程度的破壞，以-720 m～-870 m中段礦石溜井為例[8]（見圖3），平均斷面直徑5.5 m，與設計斷面直徑2.6 m相比，斷面面積增加了3.5倍。其中，最大斷面面積達到47.1 m2（-795 m標高），斷面面積增加了7.9倍。

3.3 預防堵塞技術措施

高深溜井預防堵塞需要加強溜井管理，確保料位高度合理、貯礦時間合理、溜井井壁光滑且不發(fā)生垮落，對于該金銅礦正在使用的深部溜井放礦系統(tǒng)，采用的預防措施有以下幾項：

1）通過對溜井合理料位高度研究，確定了溜井低位值40 m，高位值70 m，因此對于150 m溜井，空高值應保持在80～110 m。調(diào)研并試驗了多款料位計，采用人工皮尺測量與料位計示數(shù)進行復驗（復驗結果見表3），最終選擇FMR67型雷達物位計和KJC-901型雷達物位計進行料位監(jiān)測，實現(xiàn)了極端條件下高深溜井料位的實時準確監(jiān)測。

2）采用C-ALS三維激光掃描儀進行溜井三維探測，建立健全了溜井檔案，采用定期探測的方式掌握井壁破壞情況并預測破壞趨勢;對于破壞嚴重的-870 m～-1 000 m中段礦石溜井中下部和-720 m～-870 m中段廢石溜井采用了錳鋼板+混凝土的方案進行了加固。

3）采用西門子S7-300PLC自動控制系統(tǒng)，設計并實施了溜井放礦自動控制系統(tǒng)。溜井放礦自動控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)測儀表、PLC控制柜、網(wǎng)絡通訊部分、上位機監(jiān)控與操作部分、軟件編程等。系統(tǒng)控制部分由地面操作員站、井下操作員站和井下PLC控制柜組成。系統(tǒng)通過PLC控制柜將各種數(shù)據(jù)信息傳送到生產(chǎn)調(diào)度中心和-1 000 m控制室，實現(xiàn)了實時監(jiān)測-570 m、-720 m和-870 m中段礦石溜井與廢石溜井料位和預警功能[9]，實時監(jiān)測-720 m、-870 m和-1 000 m中段礦石溜井和廢石溜井振動放礦機周邊環(huán)境，實時監(jiān)測振動放礦機設備運行工況，振動放礦機和監(jiān)測設備遠程和本地啟動、停止功能;同時，采用先進的過程控制軟件實現(xiàn)了“遠程單動控制放礦”“遠程時間控制放礦”“遠程松動放礦”和“遠程料位控制放礦”4種控制放礦模式和參數(shù)設定，并采用計算機圖形界面結合現(xiàn)場操作，最大程度簡化操作與狀態(tài)顯示（見圖4）。該金銅礦自采用溜井放礦自動控制系統(tǒng)以來，未發(fā)生井筒堵塞現(xiàn)象，有效地降低了溜井堵塞次數(shù)，取得了良好的效果。

4 結 論

1）根據(jù)對該金銅礦高深溜井礦石移動規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，高深溜井礦石移動在自由落體下落區(qū)和等速垂直全斷面移動區(qū)之間存在垂直全斷面間隔移動區(qū)。

2）高深溜井堵塞的主要原因有貯礦高度不合理、貯礦時間過長和溜井破損嚴重等。

3）預防高深溜井堵塞應認真分析溜井堵塞的具體原因，定期進行溜井探測，建立健全溜井檔案，掌握溜井井筒破壞程度，預測井筒破壞趨勢并進行加固，同時應根據(jù)高深溜井礦石移動規(guī)律確定合理的料位高度，監(jiān)測和控制料位高度，減少溜井貯礦時間，經(jīng)常對溜井礦石進行松動。

4）該金銅礦采用的溜井料位監(jiān)測技術、井筒加固技術和溜井放礦自動控制技術是一種預防溜井堵塞的成功案例，可為類似礦山提供技術和經(jīng)驗的借鑒。

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Abstract：The frequent blockage in very deep ore passes seriously affects safe and efficient operation of underground mines.Based on the blockage in the very deep ore passes，the paper takes a very deep ore pass of a gold copper mine as the research subject，analyzes the movement rules of the ore in the ore pass，and finds that there is a vertical full-face interval movement zone between free falling zone and constant speed vertical full-face movement zone.The factors leading to blockage are summarized as follows：ore storage height is not proper，ore storage time is too long and the ore pass is damaged badly and so on.Through investigation of the problems in the ore pass operation in the gold copper mine，the blockage prevention measures for very deep ore pass are put forward，including ore pass feed level monitoring technique，ore pass reinforcement technique，ore pass ore drawing automatic control technique and so on.The application effect of techniques is good.The research can be used as reference by similar mines.

Keywords：very deep ore pass;blockage;ore movement rule;blockage cause;ore storage height;ore storage time