礦巖三維運動對主溜井井壁碰撞范圍的影響

殷 越 路增祥，2 馬 馳

（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）

金屬礦山地下開采中，主溜井承擔著礦石與廢石的下向運輸任務(wù)，具有服務(wù)年限長的特點，是豎井箕斗提升礦山的重要開拓工程之一［1-4］。國內(nèi)外礦山的溜井使用經(jīng)驗表明，溜井工程的順暢使用是保障礦山生產(chǎn)順利進行的關(guān)鍵［5-8］。但是，復(fù)雜的溜井工程地質(zhì)條件和惡劣的溜井使用環(huán)境，導(dǎo)致溜井頻繁發(fā)生變形破壞現(xiàn)象［9-11］，輕則刷大溜井直徑，造成溜井變形［12-14］，嚴重時會發(fā)生坍塌致使溜井系統(tǒng)報廢。如湖北程潮鐵礦［15］、安開鐵礦3#主溜井［16］、南非kloof金礦［17］、加拿大魁北克省北部Brunswick礦等十余家地下礦山［18-19］都因溜井發(fā)生嚴重變形破壞造成溜井報廢或停產(chǎn)返修，嚴重影響了溜井的使用效果，給礦山企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。

主溜井的使用特性決定了礦巖在溜井中的運動狀態(tài)難以量測，在生產(chǎn)現(xiàn)場觀測所得的數(shù)據(jù)難以揭示礦巖運動特征與井壁破壞特征之間的相互關(guān)系。因此，目前針對溜礦段井壁破壞的研究工作主要圍繞確定井壁受沖擊后的破壞范圍方面開展。羅周全等［20］構(gòu)建了主溜井受礦石沖擊的損傷理論模型，得到了溜井的破壞范圍，并與現(xiàn)場實際探測結(jié)果進行對比，驗證了其合理性；秦宏楠等［21］以運動學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合離散元數(shù)值分析等得到井壁的沖擊位置；宋衛(wèi)東等［22］根據(jù)相似理論構(gòu)建了采區(qū)溜井物理模型，通過試驗分析得到了井壁的破壞區(qū)域。上述研究為揭示溜井井壁的破壞特征提供了重要的理論依據(jù)。

研究溜井中礦巖的運動特征與井壁破壞范圍之間的關(guān)系，對于定量計算井壁的破壞范圍意義重大。本研究以遼寧省遼陽市某鐵礦主溜井為研究對象，以運動學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立礦巖塊與井壁初次碰撞前的運動速度、軌跡與溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)、速度方向角之間的關(guān)系式，構(gòu)建井壁沖擊區(qū)域的理論計算模型，重點分析方向角對初始碰撞位置的影響，同時通過物理模擬試驗驗證所建模型計算結(jié)果的準確性；結(jié)合多組溜井放礦試驗，分別從單個礦巖塊碰撞與礦巖流沖擊兩個角度分析礦巖與井壁碰撞范圍及其分布特征，研究結(jié)果可為溜井系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化、治理修復(fù)和管理方案制定提供依據(jù)，以期保障溜井的穩(wěn)定性。

1 工程概況

遼寧省遼陽市某鐵礦采用下盤豎井開拓，無底柱分段崩落法采礦。該礦主溜井為垂直溜井，位于-40～-110 m水平，主溜井直徑為5.0 m，井筒圍巖整體比較穩(wěn)定，節(jié)理不甚發(fā)育。該礦階段運輸采用4 m3底側(cè)卸式礦車運輸，礦石從-40 m卸礦站進入主溜井，經(jīng)-110 m主溜井下部的破碎站破碎后，經(jīng)皮帶運輸、裝載硐室進入箕斗后提升至地表。該礦主溜井及溜槽主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

該礦主溜井經(jīng)過多年使用，產(chǎn)生了較嚴重的井壁變形與破壞，測量結(jié)果顯示，該段主溜井井口以下4 m至9 m處受沖擊變形破壞嚴重。

2 井壁破壞特征理論分析

研究礦巖塊在溜井中運動時，本研究進行如下假設(shè)：①礦塊和井壁均為彈塑性體，井壁為壁面平整的直筒，且各部分巖體巖性相同；②將礦塊簡化為球形，質(zhì)量均勻分布；③礦塊在溜井中運動時不考慮自轉(zhuǎn)及礦塊間的相互作用，礦塊運動過程中質(zhì)量不發(fā)生變化；④礦石與礦車的摩擦系數(shù)為一定值；⑤礦石以初速度v進入卸載溜槽，該速度值為一定值。

2.1 井壁沖擊區(qū)域模型構(gòu)建

通過圖1（a）可知，當?shù)V巖塊從溜槽進入主溜井時，由于方向角的變化造成初始運動狀態(tài)的不同，導(dǎo)致沖擊區(qū)域的不同，通過圖1（b）可知，由于礦巖塊在溜井中只受到重力作用，則不同方向角下礦石在XO-Y面上運動軌跡的投影長度小于等于溜井直徑。

2.2 礦石運動軌跡與井壁沖擊區(qū)域理論分析

礦塊進入溜井后，在重力作用下作斜下拋運動，其運動軌跡類似于一段拋物線，直至沖擊井壁。如圖1所示，對溜井運動模型建立空間直角坐標系，設(shè)礦巖塊從O點進入斜溜槽。

根據(jù)運動學(xué)公式分析可知，當?shù)V石到達O點時，速度v0大小為

式中，g為重力加速度，m/s2；H為斜溜槽高度，m；μ為礦巖塊與斜溜槽的摩擦系數(shù)；α為斜溜槽角度，（°）；v為礦塊離開礦車時的速度，m/s。

以此為基礎(chǔ)在溜井運動模型上建立空間直角坐標系，可以得到如下運動方程組：

式中，v0為礦巖塊剛離開溜槽進入溜井時的速度，m/s；t為礦巖塊從O點開始首次沖擊井壁所需要的時間，s；α為初速度與水平方向的夾角，在進入溜井的一瞬間，α與斜溜槽傾角方向一致，（°）；β為初速度與垂直面的夾角，β的取值范圍為(-90°,90°)。式（2）（xt，yt，zt）所覆蓋的區(qū)域共同確定了溜井受到?jīng)_擊的范圍。

由式（2）可知，礦巖首次與井壁的碰撞范圍與礦巖進入溜井時速度大小、方向、運動耗時以及方向角等有關(guān)。當主溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，礦巖進入溜井速度是一定的，此時速度方向角絕對值越小，礦巖與溜井的碰撞高度、碰撞點的y坐標值越小，x坐標值呈增大趨勢。

2.3 井壁沖擊區(qū)域模型構(gòu)建

通過圖1（a）可知，當?shù)V巖塊從溜槽進入主溜井時，由于方向角的變化造成初始運動狀態(tài)不同，導(dǎo)致沖擊區(qū)域的不同。通過圖1（b）可知，由于礦巖塊在溜井中只受到重力作用，則不同方向角下礦石在XO-Y面上的運動軌跡投影小于等于溜井的直徑，溜井發(fā)生碰撞的運動時間t為

式中，t的取值范圍為[0,tmax]，當方向角為0°時所需時間最長。

從式（2）、式（3）可以看出，在圖1的運動模型下，受沖擊的范圍與α、β和v的大小密切相關(guān)。而礦山生產(chǎn)實際中，α值取決于溜井的結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工，是一固定值，因而礦石初始運動狀態(tài)對其沖擊井壁的時間和范圍的影響，實質(zhì)上是由方向角β決定的。

根據(jù)該礦主溜井斜溜槽和溜礦段結(jié)構(gòu)參數(shù)（表1），并結(jié)合式（1）、式（3），根據(jù)假設(shè)④、⑤，μ，v為常數(shù)，摩擦系數(shù)取0.5計算，得到礦石運動到O點的速度v0=7.67 m/s，礦石與井壁發(fā)生碰撞的最大時間tmax=0.92 s。

如圖2所示，根據(jù)主溜井斜溜槽和溜礦段結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建溜井沖擊點模型，坐標軸上的數(shù)值代表溜井高度和斷面尺寸。通過模型可以看出，隨著方向角逐漸增加，礦塊對于井壁沖擊的位置不斷提高，從井口下一直延伸至井口正對面9.23 m處形成兩條對稱的弧形斜沖擊帶。

3 室內(nèi)試驗與分析

3.1 室內(nèi)試驗相似條件及模型

根據(jù)礦山溜井實際結(jié)構(gòu)參數(shù)及相似理論，構(gòu)建了溜礦段相似實驗平臺，礦石材料與井壁材料相似比取1，尺寸相似比取10，則尺寸相似比ρL為

式中，Lp為原型線性長度；Lm為模型線性長度。

運動相似是指礦石在主溜井溜礦段中的實際運動軌跡與在相似性模型中的運動軌跡線呈幾何相似，并且所需要的運動時間與實際需要的時間成一定比例，假設(shè)時間相似比為原型時間tp與模型時間tm之比，則：

則速度相似比ρv為

式中，vp為原型速度；vm為模型速度。

加速度相似比ρa為

式中，ap為原型加速度；am為模型加速度。

坐標原點為斜溜槽卸礦口與主溜井相連處（0，0，0），v0為礦石剛從斜溜槽進入溜井時初始速度，根據(jù)速度相似比v0=2.43 m/s。

如圖3所示，為了便于觀察井壁受沖擊破壞的位置，在溜井實驗平臺內(nèi)通過理論計算，在沖擊區(qū)域四周井壁布置相似材料，用來驗證實際破損區(qū)域，井壁相似材料采用工業(yè)石膏制作。將石膏均勻涂抹于PVC管材內(nèi)壁中，防止石膏受沖擊后整塊破裂影響試驗結(jié)果。

為更好地符合礦山溜井實際情況，對井壁相似材料進行打磨，打磨后上下表面最大不平行度小于等于0.001 m，模具制作完成后，對石膏表面進行了噴漆處理。試驗過程中井壁受到?jīng)_擊時，表面石膏會發(fā)生脫落，既能夠觀察不同方向角下井壁受沖擊后發(fā)生破壞的區(qū)域、形狀，也能觀察井壁的破壞形式，包括橫向上沖擊破壞和縱向上的剪切破壞。模具制作完畢后，對石膏表面進行噴漆處理。試驗過程中井壁受到?jīng)_擊時，表面石膏會發(fā)生脫落，露出里面石膏的顏色，便于觀察不同方向角下井壁受沖擊后發(fā)生破壞的區(qū)域。進行溜井相似試驗時，選用直徑50 mm以下不同形狀的礦巖塊進行井壁沖擊試驗，多次沖擊后井壁的破壞范圍分布如圖4所示。

分析礦巖塊對井壁的沖擊情況發(fā)現(xiàn)，相同方向角下的多次沖擊并未集中作用在井壁的同一點上，而是分布在理論計算得到的沖擊點周圍，位置誤差小于4.72%。這主要是由于以下原因所造成的：

（1）試驗過程中采取的單個礦塊溜放過程，礦巖塊的直徑遠小于溜槽寬度，在斜溜槽中運動時具有不可控性和一定范圍內(nèi)的隨機性。

（2）理論計算時將礦巖塊看作均勻的球體，而實際上礦巖塊是具有不同的體積與形狀的，所以會形成破壞面，同時通過觀察井壁破壞情況可以發(fā)現(xiàn)，不同形狀的礦巖塊對井壁的沖擊破壞程度不同。

3.2 礦石流沖擊下井壁碰撞范圍分布

礦山現(xiàn)場生產(chǎn)中，礦巖對溜井壁的沖擊是以礦巖流的形式進行的。因此，研究礦石流沖擊下井壁受沖擊的范圍更具有實際意義。礦石流沖擊時，選用磁鐵礦（黑色）礦石碎塊，其顆粒級配組成如表3所示。

根據(jù)表3的粒徑組成，按質(zhì)量百分比稱量不同粒徑組的礦巖塊質(zhì)量，然后將稱量后的礦巖塊混合均勻，一次卸礦量為0.1 m3。圖5反映了不同沖擊次數(shù)下溜井井壁碰撞分布范圍。從圖中可以看出：隨著溜礦次數(shù)的增加，礦巖沖擊井壁的位置與范圍逐漸趨向集中，反映了礦石流沖擊溜井井壁時產(chǎn)生了累積損傷效應(yīng)。

4 結(jié) 論

（1）通過構(gòu)建溜井溜礦段放礦實驗平臺和礦石運動分析模型，揭示了井壁首次受沖擊破壞的區(qū)域與溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)、礦巖速度、方向角之間的關(guān)系，建立了礦巖塊與井壁產(chǎn)生第一次碰撞范圍的理論計算模型。

（2）礦巖對井壁的沖擊位置不僅與其進入溜井時的速度有關(guān)，還與其進入溜井時的方向角密切相關(guān)，當溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，速度方向角增大時，井壁受到?jīng)_擊的位置不斷提高，經(jīng)過理論推導(dǎo)計算得到會在井口下9.23 m處形成兩條對稱的弧形沖擊帶。

（3）試驗得到的礦石沖擊區(qū)域比理論計算得到的位置更高，沖擊區(qū)域更大，造成的破壞范圍更廣，不同塊度的礦石對井壁的破壞范圍也有所不同，反映出理論推導(dǎo)結(jié)果和實際情況存在一定的誤差。

（4）礦巖流對井壁的反復(fù)沖擊試驗表明，井壁受沖擊的位置與范圍趨向集中，產(chǎn)生了累積損傷效應(yīng)。