傾斜溜井中的礦巖運動特征及其對井壁的損傷與破壞

馬 馳 吳曉旭 路增祥，2

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；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）

國內(nèi)外地下礦床開采中，溜井是承擔(dān)礦巖下向運輸任務(wù)的重要開拓工程之一。根據(jù)溜井井筒與水平面的夾角，溜井工程可劃分為垂直溜井和傾斜溜井2種布置方式。其中，國外礦山以傾斜溜井為主，而國內(nèi)以垂直溜井為主。由于溜井工程惡劣的使用環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件影響，導(dǎo)致溜井問題頻繁發(fā)生［1］。為延長溜井服務(wù)年限，并保障其順暢運行，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進行了大量研究并取得了豐碩成果，對于解決溜井問題起到了良好的作用。

傾斜溜井是溜井的一種重要布置方式，在礦山主溜井和采區(qū)溜井系統(tǒng)中均有廣泛應(yīng)用，如加拿大Quebec省和Ontario省的多數(shù)礦山采用斜溜井用于礦石運輸［2］。由于礦巖散體在溜井運動時對井壁產(chǎn)生的沖擊與摩擦作用，導(dǎo)致傾斜溜井井壁的變形與破壞問題非常嚴(yán)重。如加拿大Quebec省北部10多家地下礦山的50條溜井中，共有8條溜井進行返修、7條報廢［3］；英帕拉白金有限公司的溜井修復(fù)案例［4］和南非Kloof金礦3號溜井的修復(fù)案例［5］，也充分反映了傾斜溜井也存在嚴(yán)重的井壁變形與破壞問題。導(dǎo)致溜井變形破壞的因素主要有溜井工程地質(zhì)條件［6-7］、圍巖應(yīng)力誘導(dǎo)［8-10］、溜井結(jié)構(gòu)合理性［11］、礦巖塊度及其分布特征［12］、礦巖散體的運動沖擊與摩擦［4，13-14］等。

礦巖散體在溜井中的運動并與井壁產(chǎn)生力的作用是溜井產(chǎn)生變形與破壞的根本原因。一般情況下，溜井井壁的損傷破壞是一個漸進發(fā)展的過程。在這一過程中，除了礦巖塊形態(tài)、大小，以及礦巖塊與溜井井壁材料的物理力學(xué)性質(zhì)等客觀因素外，礦巖散體在溜井中的運動方式、速度大小、與井壁的接觸方式等都會對井壁的變形破壞產(chǎn)生影響。因此，本研究依托國家自然科學(xué)基金項目“溜井中物料運動特征及其對井壁的損傷演化機理”（編號：51774176），結(jié)合國外礦山研究案例，從理論角度探索傾斜溜井中的礦巖運動特征及其對井壁損傷破壞產(chǎn)生的影響，對于進一步分析傾斜溜井井壁的損傷破壞機理和破壞范圍具有重要作用，有助于從溜井工程設(shè)計與施工管理角度采取相應(yīng)的措施，防止溜井問題發(fā)生。

1 傾斜溜井中的礦巖運動特征

1.1 傾斜溜井的使用特點

根據(jù)溜井工程應(yīng)用實例，主溜井和采區(qū)溜井均可采用傾斜布置方式。典型礦山主溜井的傾斜布置方式如圖1所示［1］。

傾斜溜井在具體工程應(yīng)用中，無論是主溜井還是采區(qū)溜井，均表現(xiàn)出以下特征：

（1）能夠有效縮短上部水平的礦巖運輸距離，降低礦巖的運輸功，有助于降低礦巖的運輸成本。

（2）溜井的井筒工程量隨著溜井傾角的變化而變化，傾角越大，井筒長度越小；反之，井筒長度越大。相比于垂直溜井，傾斜溜井增加了井筒工程的開挖量和施工成本，但在相同的斷面面積條件下，能夠增加溜井的礦巖臨時存儲量。

（3）相比于垂直溜井，傾斜溜井能夠有效改變礦巖在溜井中的運動方式，降低礦巖下落時對井內(nèi)儲料的沖擊夯實作用程度，因而能使井內(nèi)儲料具有較好的松散性和流動性，有利于減少溜井懸拱堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)［15-16］。

（4）工程地質(zhì)條件較差、溜井井筒需要支護時，傾斜溜井的支護工程施工難度相對較大。

1.2 傾斜溜井中的礦巖運動特征

傾斜溜井中，礦巖散體的運動表現(xiàn)為下落、跳動、滾動、滑動等4種方式［1］，礦巖塊產(chǎn)生下落、跳動、滾動、滑動運動形式的可能性與斜溜井的幾何尺寸、礦巖散體形狀及大小、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、溜井井壁粗糙度和礦巖進入主溜井的初始方向等因素有關(guān)。礦巖散體在溜井中的運動特征表現(xiàn)為：

（1）下落。礦巖從上部卸礦站離開運輸設(shè)備時，礦巖散體在重力作用下進入溜井井筒，迅速墜落，直至與井壁相撞，對井壁產(chǎn)生沖擊；或墜落到井內(nèi)的儲料面上，對井內(nèi)儲料產(chǎn)生沖擊夯實作用［15］。這一運動方式和運動過程與垂直溜井中礦巖塊的運動相同。礦巖塊下落過程中，受溜井傾角和幾何尺寸的影響，礦巖塊運動的距離受限，即使礦巖塊進入溜井時具有一定的初始運動方向，最終也會與溜井底板發(fā)生碰撞并產(chǎn)生沖擊作用，導(dǎo)致溜井底板產(chǎn)生沖擊破壞。

（2）跳動。跳動是礦巖塊下落并沖擊斜溜井底板后發(fā)生的一種礦巖塊運動方式，發(fā)生在傾斜溜井的溜礦段（即溜井上部卸礦站以下、溜井儲料面以上部分）井筒中。礦巖塊的跳動方式給溜井底板帶來的破壞作用主要是微沖擊破壞。礦巖塊在前一次沖擊溜井底板后，其攜帶的能量損失較大，若撞擊位置的溜井底板存在粉礦且礦巖塊的塊度不是很大時，則輕微撞擊后，礦巖塊不再產(chǎn)生跳動而可能以滾動或滑動的方式繼續(xù)向溜井儲料面運動。

（3）滾動。滾動是礦巖塊下落并沖擊斜溜井底板后發(fā)生的另一種礦巖塊運動方式。在溜井的溜礦段井筒中，當(dāng)?shù)V巖塊下落到溜井底板后，不再產(chǎn)生跳動，礦巖塊在重力作用下會以滾動方式或滑動方式向溜井底部運動，直至到達儲料面位置。在礦巖塊向下滾動過程中，礦巖塊會產(chǎn)生與溜井底板的滾動摩擦作用，相比于其它方式，這種滾動摩擦對礦巖塊和溜井底板的損傷破壞作用較小。

（4）滑動?；瑒臃绞街饕a(chǎn)生于傾斜溜井儲料面以下位置。當(dāng)斜溜井底部卸礦站卸礦時，放礦口上部的礦巖在重力作用下，隨著礦巖放出而不斷下移。這種下移過程相對于溜井井壁來說，則為礦巖散體的滑動。當(dāng)?shù)V巖散體在向下滑動過程中，若與溜井井壁接觸，則會產(chǎn)生摩擦作用，引起井壁的摩擦損傷破壞。

2 礦巖運動特征的影響因素

根據(jù)傾斜溜井的布置特點，傾斜溜井中，影響礦巖運動特征的因素較多，而且，這些影響因素或單一產(chǎn)生作用，或多因素綜合作用，從不同程度上影響著礦巖散體在溜井中的運動方式和運動特征。影響礦巖運動特征的因素主要有以下幾個方面。

2.1 溜井傾角

在影響礦巖運動特征的諸多因素中，溜井傾角對礦巖運動特征的影響最顯著。溜井運輸中，礦巖在重力作用下的運動，是利用了礦巖的重力特性，礦巖的運動方向為垂直向下運動。傾斜溜井為運動中的礦巖提供了改變其運動方向的外界條件，迫使礦巖散體按其中心線方向向下運動，會產(chǎn)生礦巖散體與溜井井壁和溜井底板的接觸與碰撞，要么改變礦巖的運動方向和降低礦巖的運動速度，要么改變礦巖的運動方式，使其產(chǎn)生下落、跳動、滾動或滑動。

溜井的傾角越大，礦巖散體在溜井中的運動特征越接近于垂直溜井中的運動特征，傾角越小，礦巖散體產(chǎn)生跳動、滾動或滑動的可能性越大。當(dāng)溜井的傾角接近或小于礦巖散體的自然安息角時，礦巖散體會在溜井中處于堆積狀態(tài)而不再流動。

2.2 礦巖塊形狀、粒度及其分布特征

礦巖塊形狀、粒度及其分布特征對礦巖運動特征的影響主要表現(xiàn)為：

（1）不同的礦巖塊形狀，對礦巖的運動特征影響不同。礦山采掘生產(chǎn)中爆破作用下形成的礦巖塊具有不同的形態(tài)，如四面體、五面體、六面體等多面體。這些多面體在其尺寸上可分為長方體、正方體或近似正方體。不同形態(tài)的多面體在溜井中的運動特征是不同的。當(dāng)?shù)V巖塊在溜井底板上不再跳動時，長方體多以滑動方式向溜井下方運動，而正方體或近似正方體則多以滾動方式運動。從礦巖塊表面形狀上，可分為尖銳面和鈍面兩類。當(dāng)?shù)V巖塊下落并與溜井底板發(fā)生碰撞時，若礦巖塊的尖銳面與底板發(fā)生碰撞，礦巖塊可能發(fā)生滾動；若鈍面與溜井底板產(chǎn)生碰撞，礦巖塊可能發(fā)生跳動或滑動。

（2）同樣的礦巖密度條件下，礦巖塊的塊度越大，其質(zhì)量越大，在溜井中下落時所具有的重力勢能也越大，對溜井底板造成的沖擊損傷也越大；反之，對溜井底板造成的沖擊損傷越小。礦巖塊質(zhì)量越大，其與溜井底板發(fā)生碰撞后，發(fā)生滾動和滑動的可能性越大；反之，發(fā)生跳動和滾動的可能性越小。

（3）當(dāng)?shù)V巖中的粉礦含量與溜井底板粗糙度較大或溜井傾角較小時，粉礦或小粒度礦巖會在溜井底板上產(chǎn)生堆積，堆積的小粒度礦巖散體會對下落到其上的礦巖塊起到緩沖作用。這種緩沖作用能夠降低對溜井底板的沖擊力，同時改變礦巖塊的運動方式，使其以滾動方式向溜井下部繼續(xù)運動。

2.3 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

礦巖物理力學(xué)性質(zhì)對溜井中礦巖運動特征的影響主要表現(xiàn)在礦巖硬度或強度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等方面。受各種因素影響，礦巖塊在溜井中運動時，會發(fā)生礦巖塊之間、礦巖塊與井壁或底板之間的碰撞。

當(dāng)?shù)V巖塊的節(jié)理裂隙發(fā)育、礦巖塊硬度或強度較小且溜井井壁材料硬度或強度較大時，這種碰撞的結(jié)果會導(dǎo)致礦巖塊破裂成小塊而繼續(xù)向下運動。若礦巖塊的完整性較好，硬度或強度較大時，這種碰撞不足以產(chǎn)生礦巖塊的破裂，但會對溜井井壁或底板造成損傷。但是，由于碰撞的影響，會引起礦巖塊攜帶的能量產(chǎn)生損失，使礦巖塊的運動方向發(fā)生改變，運動速度降低。

2.4 溜井井壁平整度

溜井井壁的平整度，尤其是溜井底板的平整度對礦巖運動特征也具有重要影響。當(dāng)溜井兩幫較為平整時，下落的礦巖塊與井壁一旦產(chǎn)生接觸并相撞，礦巖塊在井壁上會產(chǎn)生“蹭滑”，并在小范圍內(nèi)改變礦巖的運動方向和降低其運動速度。當(dāng)井壁粗糙度較大時，一旦礦巖塊與井壁相撞，礦巖塊與井壁會產(chǎn)生沖擊剪切作用，在較大范圍內(nèi)會改變礦巖的運動方向和運動速度。

與溜井井壁不同的是，當(dāng)?shù)V巖塊與較光滑的溜井底板接觸相撞后，溜井底板對礦巖塊的反作用較大，礦巖塊產(chǎn)生跳動或滾動的可能性大；若溜井底板粗糙度較大，粉礦或小粒度礦巖會在溜井底板產(chǎn)生堆積，對后續(xù)下落的礦巖塊產(chǎn)生緩沖作用，使礦巖塊產(chǎn)生滾動或滑動的概率增多。

2.5 礦巖塊進入溜井時的初始運動方向

礦巖散體通過溜井上部卸礦站進入溜井井筒時具有一定的初始運動方向，使下落的礦巖散體具備了斜下拋運動的初始動能和運動特征，從而使礦巖散體在下落過程中產(chǎn)生了與溜井井壁發(fā)生碰撞的機會。

礦巖在這一運動過程中的運動特征與垂直溜井中的礦巖下落特征極為相似，當(dāng)?shù)V巖塊攜帶的初始動能越大，或溜井?dāng)嗝娉叽巛^小時，礦巖散體與井壁碰撞的概率就越大。礦巖塊一旦與井壁發(fā)生碰撞，則在井壁反作用力作用下，改變其運動方向，進入下一斜下拋運動過程，直到礦巖塊落至溜井底板或井內(nèi)儲料面上。

3 傾斜溜井井壁損傷與破壞

3.1 井壁損傷與破壞機理

礦巖散體在斜溜井內(nèi)運動過程中，由于不同的運動方式引發(fā)的溜井井壁破壞特征也不同。在傾斜溜井中，溜井井壁的損傷與破壞主要表現(xiàn)為沖擊損傷與破壞和摩擦損傷與破壞兩個方面。

3.1.1 沖擊損傷與破壞

根據(jù)礦巖散體在溜井中的運動特征，能夠?qū)诋a(chǎn)生沖擊作用的運動方式主要有下落和跳動兩種方式。

當(dāng)?shù)V巖從上部卸礦站離開運輸設(shè)備，或由分支溜井進入主溜井井筒時，礦巖散體在重力作用下進入溜井井筒，迅速墜落，直至與井壁相撞，對井壁產(chǎn)生沖擊；或是墜落到井內(nèi)的儲料面上，對溜井內(nèi)的儲料產(chǎn)生沖擊夯實作用［15］。這一運動方式和運動過程與垂直溜井中礦巖塊的運動方式相同。

跳動是礦巖塊在斜溜井中運動的一種特殊方式。礦巖塊在第一次與斜溜井底板產(chǎn)生碰撞后，當(dāng)其質(zhì)量較小時，在溜井底板材料的彈性恢復(fù)力作用下，礦巖塊離開溜井底板，向溜井井筒下部運動，其運動方式近似于拋物運動。

向下運動的物體在與其它物體相碰撞時，運動物體所攜帶的能量與其重力勢能和初始速度成正比，因而在垂直方向上的運動距離越小，對被沖擊物體的沖擊破壞強度也越小。相比于礦巖塊從上部卸礦站或分支溜井的直接下落運動，跳動產(chǎn)生的垂直方向上的運動距離要小，因而對溜井底板產(chǎn)生的沖擊破壞強度較小。

3.1.2 摩擦損傷與破壞

礦巖散體以滾動或滑動的運動方式與井壁產(chǎn)生接觸時，會在礦巖塊與井壁之間產(chǎn)生摩擦力的作用，進而引起溜井井壁的摩擦損傷與破壞。這種損傷與破壞同時產(chǎn)生在礦巖塊與井壁的接觸面上，損傷破壞的程度與礦巖塊和井壁材料的物理力學(xué)特性和兩者之間摩擦力大小密切相關(guān)。

礦巖和井壁材料的物理力學(xué)特性對于井壁的損傷破壞程度雖有較大影響，但對于特定礦床開采來講，礦巖和井壁材料的物理力學(xué)特性是其固有特性，特別是溜井加固一旦形成，礦巖和井壁材料的抗沖擊性能和耐磨特性等是很難改變的。如金川礦區(qū)軟巖條件下，若溜井采用適當(dāng)?shù)木诩庸谭绞?，則井壁材料很容易實現(xiàn)相對較高的抗沖擊性能和耐磨特性，使其能夠抵御礦巖塊的沖擊與摩擦，且產(chǎn)生的損傷與破壞很小。這是因為礦巖的物理力學(xué)性能相對較差，當(dāng)?shù)V巖塊與井壁接觸并產(chǎn)生力的作用時，首先導(dǎo)致了礦巖塊的損傷與破壞。

礦巖塊與井壁之間的摩擦力大小取決于礦巖塊質(zhì)量、表面粗糙度、溜井傾角以及礦巖塊作用在井壁上法向力的大小等。礦巖塊與井壁之間的摩擦力f可通過下式計算［16］：

式中，μ為礦巖塊與井壁材料間的摩擦系數(shù)，與兩者的表面粗糙度有關(guān)；m為礦巖塊質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；α為斜溜井傾角，（°）；PL和PV分別為其它礦塊通過與井壁接觸的礦巖塊傳遞來的水平方向和鉛垂方向的作用力，N。

3.2 井壁破壞區(qū)域分布特征

HADJIGEORGIOU 等［2］研究了加拿大魁北克和安大略省部分礦山溜井系統(tǒng)的應(yīng)用情況，通過對斜溜井的破壞情況分析發(fā)現(xiàn)，沖擊破壞區(qū)主要位于溜井上部卸礦站以及分支溜井與主溜井交叉處下方的溜井底板區(qū)域，而摩擦破壞區(qū)主要分布在主溜井和分支溜井的底板，如圖2所示。

根據(jù)傾斜溜井井壁的損傷破壞機理，傾斜溜井的破壞可分為沖擊破壞區(qū)和摩擦破壞區(qū)兩類。溜井工程實踐中，有時很難區(qū)分井壁的破壞是由于沖擊、磨損或其它原因造成的，但從傾斜溜井中礦巖的運動特征及其對井壁的損傷破壞機理研究中不難發(fā)現(xiàn)，沖擊與摩擦是造成溜井井壁損傷破壞的主導(dǎo)因素。在溜井的破壞分區(qū)中，沖擊破壞區(qū)的主導(dǎo)因素是礦巖塊的運動沖擊，摩擦破壞區(qū)中的主導(dǎo)因素是摩擦。相比之下，沖擊破壞對溜井的損傷破壞程度更為嚴(yán)重。

4 傾斜溜井變形防治措施

沖擊作用和摩擦作用對溜井井壁的破壞特征有很大差異性，造成的井壁損傷范圍及其損傷發(fā)育情況有所不同。礦山應(yīng)分別采取針對性的防治措施，最大限度降低井壁損傷，延長傾斜溜井的使用年限。

傾斜溜井沖擊破壞區(qū)范圍較小且集中，一般位于溜井卸礦站下方或分支溜井軸線方向與主溜井底板相交的井壁附近。由于礦巖與井壁的作用力較大，針對該范圍應(yīng)采用柔性筋或錳鋼板等方式支護井壁。例如南非Kloof金礦3號溜井同時使用了巖石錨桿和柔性筋加固井壁，取得了很好的防護效果［11］。摩擦破壞區(qū)雖然損傷范圍大，但井壁材料損傷發(fā)展速度明顯小于沖擊損傷區(qū)，多發(fā)生在主溜井和分支溜井的底板。對于摩擦破壞區(qū)域可以使用成本小、耐磨性強的材料加固井壁，常用方法為混凝土復(fù)合材料加固。對于磨損較為嚴(yán)重的井壁區(qū)域也可以使用混凝土與鋼筋、鋼板或鋼軌相結(jié)合的方法加固井壁。例如望兒山金礦采用錳鋼板與混凝土相結(jié)合的方法加強了礦倉及局部井壁材料的抗沖擊和抗磨損性能［17］；高義軍等［18］、張增貴等［19］認為橡膠襯板具有極強的耐磨性和抗沖擊性，對于磨損程度較大的井壁加固具有較好的適用性。

利用粉礦和礦巖散體的緩沖性能，可防止運動的礦巖塊與井壁直接接觸，以降低礦巖塊對井壁的沖擊力。常用方法是在已經(jīng)損傷且破壞程度嚴(yán)重的區(qū)域堆積大量礦粉作為緩沖層保護下方井壁，防止井壁產(chǎn)生進一步損傷。如Moab Khotsong金礦［9］通過在傾斜溜井高磨損區(qū)安裝“磨損塊”，人為制造礦巖緩沖區(qū)。該方法是在溜井建設(shè)初期在井壁下部每隔3.5～4.5 m開挖小“隔間”，并通過錳鋼與混凝土相結(jié)合的方式填充“隔間”。相鄰“隔間”之間的井壁經(jīng)過礦巖長期的磨損出現(xiàn)凹坑，加固后的“隔間”不會被破壞并可有效阻擋坑內(nèi)顆粒下滑。部分小顆粒礦巖會堆積在凹陷處，形成緩沖區(qū)，降低了礦巖運動速度及其與井壁的作用力，從而達到保護井壁的目的。礦巖儲料也能有效減弱卸礦過程中的沖擊作用［15］。溜井使用過程中，盡可能保持溜井上部卸礦量與下口放礦量一致，可以有效發(fā)揮儲料的緩沖性能［20-23］。因此，適當(dāng)提高貯礦高度既可以減少井壁暴露面積，縮小溜井井壁的損傷范圍，也可以增加儲料緩沖作用，減小儲料覆蓋范圍內(nèi)井壁的損傷程度。

斜溜井設(shè)計時，通過減小溜井卸礦站和溜井井壁之間的結(jié)構(gòu)落差，調(diào)整溜井傾斜角度等，優(yōu)化傾斜溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)，可降低礦巖塊沖擊井壁時的瞬時速度，減小礦巖散體對井壁作用的正壓力，進而減緩傾斜井壁損傷的發(fā)育速度。一些垂直溜井的支護方法同樣也適用于傾斜溜井變形防治，例如減小礦塊質(zhì)量，在沖擊破壞區(qū)安裝鋼板［18］，混凝土箱型承載圈梁整體加固［21］等。

5 結(jié)論

（1）傾斜溜井中，礦巖散體的運動方式包括下落、跳動、滾動、滑動等4種方式，不同的礦巖運動方式引發(fā)的溜井井壁破壞特征也不相同。傾斜溜井中，礦巖散體下落與跳動引發(fā)的溜井井壁破壞主要表現(xiàn)為沖擊破壞，滾動與滑動引發(fā)的溜井井壁破壞主要表現(xiàn)為摩擦破壞。

（2）溜井傾角，礦巖塊形狀、粒度及其分布特征，礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，溜井井壁平整度和礦巖塊進入溜井時的初始運動方向等因素是礦巖散體在溜井中運動方式和運動特征的主要影響因素。

（3）斜溜井中的礦巖運動對井壁造成的損傷與破壞主要表現(xiàn)為沖擊破壞與摩擦破壞兩種形式。沖擊破壞主要發(fā)生在溜井上部卸礦站以及分支溜井與主溜井交叉處下方的溜井底板區(qū)域，摩擦破壞主要分布在主溜井和分支溜井的底板上。

（4）針對井壁沖擊破壞與摩擦破壞的差異性，應(yīng)采取針對性的防治措施，如采用柔性筋或錳鋼板等方式加固沖擊破壞區(qū)；采用混凝土或與其他材料混合等方式加固摩擦破壞區(qū)。此外，利用礦粉及儲料作為緩沖層、優(yōu)化傾斜溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)等方式可有效防治傾斜溜井的變形破壞。