卸礦高度對(duì)溜井卸礦沖擊夯實(shí)作用效果的影響

馬 馳，路增祥,2，楊宇江,2，任崇閣

(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(kāi)采工程研究中心，遼寧 鞍山 114051)

溜井卸礦過(guò)程中礦巖對(duì)儲(chǔ)料的沖擊夯實(shí)作用不僅會(huì)造成貯礦段井壁損傷，而且影響儲(chǔ)料的密實(shí)度，是引發(fā)儲(chǔ)料堵塞、井壁失穩(wěn)等溜井問(wèn)題的因素之一[1]。貯礦段內(nèi)儲(chǔ)料是由大量礦巖塊組成的散體體系，瞬時(shí)的沖擊荷載經(jīng)散體內(nèi)顆粒的碰撞和擠壓被分散傳遞。形成的應(yīng)力波在散體顆粒內(nèi)傳播、衰減，最終到達(dá)井壁或儲(chǔ)料深處[2]，影響了整個(gè)溜井貯礦段系統(tǒng)。為探究沖擊荷載作用下散體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及其影響因素，馬宗源等[3]通過(guò)顆粒流數(shù)值軟件(PFC2D/3D)模擬并分析了砂礫土地基的強(qiáng)夯過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)夯作用下砂礫土的孔隙率降低，降幅受顆粒間的接觸剛度(k)、散體體系加載和卸載的剛度比(Rh)影響；強(qiáng)夯法的最大影響深度隨k值的增大而減小，與Rh、夯錘重量呈正相關(guān)。王嗣強(qiáng)等[4]研究發(fā)現(xiàn)不同顆粒形狀的散體體系下存在一個(gè)不同的臨界厚度值Hc，Hc和顆粒床層厚度共同決定著顆粒材料的緩沖率，進(jìn)而影響著沖擊作用對(duì)容器底板的沖擊力峰值。NAZHAT等[5]分析了夯實(shí)作用下顆粒(土壤)的變形及應(yīng)變場(chǎng)的變化特征，研究表明土的變形是土體本身的承載作用和沖擊板連續(xù)的夯實(shí)作用共同影響的結(jié)果，隨著顆粒密度降低，壓實(shí)的作用效果減弱，同時(shí)更多的能量轉(zhuǎn)移至土壤更深范圍。此外，排列順序[6]、顆粒形狀[7]、邊界條件[8]等影響著沖擊荷載對(duì)散體體系的作用效果。了解影響沖擊夯實(shí)作用效果的因素及其影響特征有助于預(yù)防和解決溜井由于沖擊夯實(shí)作用導(dǎo)致的堵塞、井壁損傷問(wèn)題。

降低卸礦站與儲(chǔ)料面的結(jié)構(gòu)落差和保持溜井一定的儲(chǔ)料高度是減弱卸礦沖擊夯實(shí)作用的有效措施[1]。其根本原理是通過(guò)降低卸礦高度的方法減小礦巖與儲(chǔ)料面撞擊時(shí)的動(dòng)量，進(jìn)而削弱沖擊夯實(shí)作用效果。目前相關(guān)的研究較少，為探究溜井卸礦過(guò)程中卸礦高度對(duì)沖擊夯實(shí)作用效果的影響，本文在文獻(xiàn)[2]基礎(chǔ)上，提出了用于分析沖擊夯實(shí)作用效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，采用離散元方法(PFC2D)，建立溜井卸礦數(shù)值模型，模擬卸礦過(guò)程中礦巖對(duì)儲(chǔ)料的沖擊夯實(shí)作用過(guò)程，探究沖擊夯實(shí)作用下卸礦高度對(duì)不同范圍下儲(chǔ)料孔隙率變化量和井壁沖擊力峰值的影響特征。研究結(jié)果可為礦山防范溜井卸礦過(guò)程中的沖擊夯實(shí)作用提供參考與指導(dǎo)。

1 沖擊夯實(shí)作用效果的評(píng)判方法

卸礦過(guò)程中的沖擊夯實(shí)作用對(duì)溜井系統(tǒng)主要有兩種影響：一是增大了儲(chǔ)料的密實(shí)度，提高了溜井儲(chǔ)料堵塞概率；二是沖擊力最終傳遞到溜井井壁，對(duì)井壁造成沖擊損傷，影響井壁穩(wěn)定性[1]。前者為對(duì)儲(chǔ)料的夯實(shí)作用，后者為對(duì)井壁的沖擊作用。目前荷載作用下散體體系力學(xué)模型仍無(wú)定論，無(wú)法通過(guò)建模、解析等方法分析沖擊夯實(shí)作用。為分析這兩種作用效果，應(yīng)采用以當(dāng)前研究手段能夠獲得的指標(biāo)進(jìn)行表征。

1.1 夯實(shí)效果表征方法

卸礦過(guò)程中，礦巖散體顆粒(以下稱為沖擊體)下落，并以較高的速度V0沖擊儲(chǔ)料面，儲(chǔ)料顆粒受到外部荷載作用發(fā)生擠壓、碰撞，相對(duì)位置發(fā)生變化，密實(shí)度隨之改變。為準(zhǔn)確分析沖擊夯實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)料密實(shí)度的影響效果及影響范圍，參考強(qiáng)夯處理過(guò)程中高填地基強(qiáng)夯效果的表征方法[3,7]，采用儲(chǔ)料孔隙率的變化量表征儲(chǔ)料的夯實(shí)作用效果，見(jiàn)式1。儲(chǔ)料孔隙率變化量越大說(shuō)明夯實(shí)作用效果越明顯，反之亦然。

Δn=n0-n1

(1)

式中：Δn為沖擊夯實(shí)作用后儲(chǔ)料的孔隙率變化量，%；n0為儲(chǔ)料初始孔隙率，%；n1為沖擊夯實(shí)作用后恢復(fù)平衡狀態(tài)下儲(chǔ)料的孔隙率，%。

1.2 沖擊作用的表征方法

井壁應(yīng)力是影響溜井貯礦段井壁穩(wěn)定性的主要力源[9]。沖擊夯實(shí)作用下貯礦段井壁應(yīng)力在短暫的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值后遞減[10]。不同儲(chǔ)料標(biāo)高范圍下的應(yīng)力峰值變化是評(píng)價(jià)儲(chǔ)料緩沖性能的主要指標(biāo)之一[11]。因此應(yīng)該以沖擊夯實(shí)作用過(guò)程中井壁承受的沖擊力峰值為分析重點(diǎn)。在關(guān)于測(cè)量倉(cāng)壁應(yīng)力方面的實(shí)驗(yàn)中[9,12-13]，大多通過(guò)監(jiān)測(cè)井壁法向應(yīng)力的方法直接獲得井壁應(yīng)力值，但沖擊力存在入射角度問(wèn)題，沖擊夯實(shí)過(guò)程中井壁所受沖擊力是井壁側(cè)壓力和沖擊力法向分量的合力。因此，這種方法不適用于分析沖擊夯實(shí)作用下的井壁受力問(wèn)題。為探究更加合理精確的井壁應(yīng)力測(cè)量方法，對(duì)井壁應(yīng)力進(jìn)行受力分析，以溜井右側(cè)井壁受力為例，如圖1所示。

圖1 沖擊夯實(shí)作用下井壁受力分析Fig.1 Mechanical analysis of wall underimpacting ramming

水平方向以右為正方向，鉛垂方向以下為正方向。假設(shè)礦巖塊與井壁接觸點(diǎn)為點(diǎn)O，在儲(chǔ)料內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)下(沖擊夯實(shí)作用前)，井壁受礦巖側(cè)壓力N1(正)以及與顆粒間的摩擦力f(方向可能正也可能負(fù))的作用。沖擊夯實(shí)作用下沖擊力峰值F1以礦巖與井壁的接觸為傳播路徑作用在井壁上，因?yàn)闆_擊力由上至下傳遞，可能存在一定的入射角度α，此時(shí)可以將沖擊力分解成水平和鉛垂的兩個(gè)分量F1x和F1y，則有式(2)。

(2)

式中：F1為沖擊夯實(shí)作用下井壁承受的沖擊力峰值，N；F1x、F1y分別為F在x、y上的分量，N；α為沖擊力的入射角度，(°)；Fx、Fy分別為作用在井壁x、y方向上的合力，N；N1為井壁側(cè)壓力，N。

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在x方向、y方向上沖擊前后的井壁應(yīng)力大小是可以測(cè)量的。結(jié)合式(2)，在已知Fx、Fy、N1情況下，沖擊力峰值可以通過(guò)式(3)求得。

(3)

沖擊力峰值值越大說(shuō)明該范圍內(nèi)井壁受沖擊作用越大，反之亦然。

1.3 基準(zhǔn)線

應(yīng)力波由儲(chǔ)料面開(kāi)始向儲(chǔ)料內(nèi)部及井壁擴(kuò)散[14]。由于受顆粒內(nèi)摩擦力阻力、顆粒運(yùn)動(dòng)損耗等作用的影響，應(yīng)力波在傳遞過(guò)程中不斷衰減直至消失，沖擊夯實(shí)效果隨著應(yīng)力波傳遞距離的增加而減弱。傳統(tǒng)筒倉(cāng)井壁應(yīng)力、孔隙率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)常以溜井底板為基準(zhǔn)線，但溜井標(biāo)高不能準(zhǔn)確表達(dá)應(yīng)力波傳播距離。因此，在沖擊夯實(shí)作用的研究中應(yīng)以儲(chǔ)料面為基準(zhǔn)線進(jìn)行測(cè)量和分析。

2 溜井卸礦過(guò)程的離散元模型

沖擊荷載作用下散體顆粒的動(dòng)力響應(yīng)非常復(fù)雜，很難通過(guò)解析、建模等方法進(jìn)行分析。相關(guān)研究大多建立在數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等研究方法之上，其中離散元數(shù)值模擬是探究散體顆粒受力特征最常用的研究手段之一[3,6]。此外，礦山實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，受卸礦角度、卸礦方式等影響，下卸礦巖的運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，導(dǎo)致同一卸礦高度下同一時(shí)刻作用在儲(chǔ)料上的沖擊荷載及其作用位置可能是不同的，進(jìn)而影響儲(chǔ)料孔隙率和井壁應(yīng)力峰值的測(cè)量結(jié)果。因此，本文不考慮卸礦角度、卸礦方式及礦巖質(zhì)量等因素對(duì)沖擊夯實(shí)作用的影響，待卸礦巖顆粒在儲(chǔ)料正上方生成并自由下落，模擬礦巖沖擊夯實(shí)過(guò)程。

本文以垂直溜井為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)溜井工程的應(yīng)用實(shí)例構(gòu)建數(shù)值模型，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。其中貯礦高度(h)24 m，在距離儲(chǔ)料面Hm(卸礦高度)處生成4 m3的待卸礦巖散體，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，待卸礦巖散體自由下落，最終撞擊在下部?jī)?chǔ)料上。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以儲(chǔ)料面為基準(zhǔn)線，設(shè)測(cè)量范圍中心與儲(chǔ)料面距離為D，分別測(cè)量?jī)?chǔ)料面以下Dm(D-1≤測(cè)量范圍≤D+1)測(cè)量范圍內(nèi)的孔隙率及井壁應(yīng)力。 卸礦站和貯礦段結(jié)構(gòu)落差一般在40 m以上[15]，選取卸礦高度H=25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m，分別模擬指定高度下沖擊夯實(shí)作用過(guò)程，分析儲(chǔ)料孔隙率及井壁應(yīng)力變化特征。

圖2 溜井卸礦模型Fig.2 Model of ore dumping process

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及室內(nèi)試驗(yàn)，確定顆粒間剪切模量為13.6 GPa，泊松比0.23，摩擦系數(shù)為0.5，阻尼系數(shù)為0.3。 墻體法向剛度和切向剛度均為1 GN/m，摩擦系數(shù)為0.4。 儲(chǔ)料內(nèi)礦巖顆粒密度3 400 kg/m3，粒徑級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 礦巖顆粒級(jí)配組成Table 1 Granularity composition of ore and rock

3 卸礦高度對(duì)儲(chǔ)料夯實(shí)效果的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同卸礦高度下貯礦段儲(chǔ)料的孔隙率變化量如圖3所示。

圖3 不同卸礦高度下的孔隙率變化量Fig.3 Void ration reduction at differentunloading height

整體上，沖擊夯實(shí)作用會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)料孔隙率下降，夯實(shí)效果與D值(與儲(chǔ)料面距離)和卸礦高度有關(guān)。沖擊夯實(shí)作用下整體儲(chǔ)料變化量在不同范圍下呈現(xiàn)出兩種變化趨勢(shì)。儲(chǔ)料面以下5 m左右范圍內(nèi)的儲(chǔ)料孔隙率變化量較大，夯實(shí)效果明顯，主要受卸礦高度和與儲(chǔ)料面的距離(D)影響，隨著D值增加、卸礦高度降低而減??；距離儲(chǔ)料面7 m及以上范圍內(nèi)的儲(chǔ)料孔隙率變化量大多不超過(guò)0.002，卸礦高度和D值對(duì)其影響不大。

假設(shè)把同一卸礦高度下，孔隙率變化量隨D值改變發(fā)生明顯變化的儲(chǔ)料范圍視為該卸礦高度下的夯實(shí)范圍，則在當(dāng)前溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)下，卸礦高度在25 m時(shí)夯實(shí)范圍在儲(chǔ)料面以下1 m以內(nèi)；卸礦高度在30～45 m時(shí)夯實(shí)范圍在儲(chǔ)料面以下5 m以內(nèi)；卸礦高度50 m時(shí)夯實(shí)范圍在儲(chǔ)料面以下7 m以內(nèi)。由此可看出降低卸礦高度可以減小卸礦過(guò)程中的夯實(shí)作用范圍。

對(duì)比不同卸礦高度下孔隙率的變化量發(fā)現(xiàn)，同一范圍下卸礦高度越大，孔隙率變化量越大，同時(shí)在儲(chǔ)料面以下5 m范圍內(nèi)，這種變化趨勢(shì)尤為明顯；而在儲(chǔ)料面以下7～23 m范圍，卸礦高度對(duì)該范圍下孔隙率的影響程度越小?？傮w上，降低卸礦高度可以有效削弱夯實(shí)效果，距離儲(chǔ)料面越近，削弱效果越明顯。

在距離儲(chǔ)料面較遠(yuǎn)(7～23 m)范圍內(nèi)，隨著D值增加，不同卸礦高度下孔隙率變化量相差不大，其走勢(shì)近乎一致。說(shuō)明在該范圍下卸礦高度不是影響孔隙率變化的唯一因素。分析該范圍內(nèi)初始狀態(tài)的孔隙率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)D分別為7 m、9 m、15m時(shí)，沖擊前該范圍內(nèi)儲(chǔ)料孔隙率較低，經(jīng)過(guò)沖擊夯實(shí)后的孔隙率變化量也較?。欢鳧分別為11 m、13 m時(shí)，孔隙率分布及變化情況剛好相反，說(shuō)明初始狀態(tài)下儲(chǔ)料孔隙率分布特征會(huì)影響夯實(shí)作用效果。

4 卸礦高度對(duì)井壁沖擊效果的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同卸礦高度下貯礦段井壁承受沖擊力峰值如圖4所示。

圖4 不同卸礦高度下的沖擊力峰值Fig.4 Peak impact stress at differentunloading height

由圖4可知，在當(dāng)前溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)下，貯礦高度為25～50 m時(shí)，沖擊夯實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)料面以下0～9 m范圍井壁的沖擊作用效果比較明顯。卸礦過(guò)程中溜井儲(chǔ)料面以下3 m或5 m左右范圍內(nèi)井壁承受的沖擊作用要大于儲(chǔ)料面附近1 m范圍內(nèi)的沖擊作用，且隨著卸礦高度的增加，承受沖擊作用最大的井壁范圍有向溜井深處轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。整體上，沖擊力峰值隨著測(cè)量范圍與儲(chǔ)料面的距離(D)增加而減小。在儲(chǔ)料面下3～11 m范圍內(nèi)減小速度較大；在儲(chǔ)料面下11～23 m范圍內(nèi)減小速度明顯減小。

降低卸礦高度可明顯減弱卸礦對(duì)井壁的沖擊效果。尤其對(duì)儲(chǔ)料面以下0～9 m范圍內(nèi)井壁的沖擊效果的減弱程度明顯，其余范圍內(nèi)影響程度較小。在當(dāng)前溜井結(jié)構(gòu)參數(shù)下，貯礦高度為20～50 m時(shí)，在儲(chǔ)料面以下0～3 m范圍內(nèi)，沖擊力峰值的變化并沒(méi)有明顯的隨著卸礦高度的增加而增大，但除此以外的范圍沖擊力差值較大，說(shuō)明卸礦高度的增加會(huì)導(dǎo)致更多的沖擊能量向儲(chǔ)料深處轉(zhuǎn)移。在儲(chǔ)料面以下3～11 m范圍內(nèi)，沖擊力峰值隨D值增加而降低，卸礦高度越大，下降速度越快。在儲(chǔ)料面以下11～23 m范圍內(nèi)，降低卸礦高度對(duì)沖擊力峰值的影響明顯小于前者，沖擊力峰值隨D值增加而降低，其下降速度趨于定值，不隨卸礦高度的改變而變化。

5 降低沖擊夯實(shí)作用效果的實(shí)際措施

卸礦過(guò)程中的沖擊夯實(shí)作用是造成貯礦段井壁損傷及溜井懸拱堵塞問(wèn)題的主要原因之一[1]，礦山可采取以下措施降低或預(yù)防沖擊夯實(shí)作用。

1) 降低卸礦站與貯礦段儲(chǔ)料面間的高度落差。研究表明，卸礦過(guò)程中沖擊夯實(shí)作用效果與卸礦高度呈正相關(guān)。因此，可以通過(guò)降低卸礦高度的方式有效削弱卸礦對(duì)儲(chǔ)料、井壁的影響程度。主要有以下兩種方法：一是減小卸礦站的設(shè)計(jì)高度，下卸礦巖對(duì)儲(chǔ)料的沖擊能量主要由礦巖的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來(lái)[16]，降低卸礦站設(shè)計(jì)高度直接減小了待卸礦巖的重力勢(shì)能[17]，從根本上降低沖擊夯實(shí)作用效果；二是適當(dāng)提高儲(chǔ)礦高度，不僅可以降低礦巖的下落距離而且增加的儲(chǔ)料可消耗部分沖擊作用，進(jìn)一步削弱沖擊夯實(shí)作用效果。

2) 減少一次卸礦量。當(dāng)卸礦高度一定時(shí)，礦巖由卸礦站下落到儲(chǔ)料面時(shí)的沖擊速度是一定的[18-19]，此時(shí)礦巖總質(zhì)量決定了卸礦過(guò)程中下卸礦巖對(duì)儲(chǔ)料的沖擊荷載大小。礦山生產(chǎn)中，卸礦站應(yīng)避免在一次卸礦工作中傾倒過(guò)多的礦巖物料，可以分批次傾卸物料，減少單次卸礦質(zhì)量，達(dá)到降低沖擊夯實(shí)作用效果的目的。

3) 卸礦與放礦協(xié)同進(jìn)行。在礦山生產(chǎn)實(shí)際中，卸礦和放礦是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的[20]，前者的夯實(shí)作用造成儲(chǔ)料密實(shí)度增大，后者可使礦巖松動(dòng)下落，降低儲(chǔ)料密實(shí)度；二者應(yīng)相互配合，在確保儲(chǔ)料高度的同時(shí)盡量減弱局部?jī)?chǔ)料的夯實(shí)程度，防止懸拱問(wèn)題的發(fā)生。

4) 采取針對(duì)性的防護(hù)措施。礦山應(yīng)對(duì)服務(wù)年限較長(zhǎng)的溜井貯礦段采取必要的支護(hù)措施。尤其著重對(duì)溜井貯礦段內(nèi)儲(chǔ)料面以下9 m范圍內(nèi)的井壁進(jìn)行局部支護(hù)。常用的支護(hù)措施有噴射混凝土、錳鋼板、混凝土與鋼筋或鋼板混合等方式。

此外，控制卸礦時(shí)間、控制礦巖塊度等可以減小單位時(shí)間內(nèi)夯擊儲(chǔ)料的礦巖質(zhì)量，對(duì)預(yù)防貯礦段井壁損傷[21]、儲(chǔ)料懸拱問(wèn)題[22]有著良好的效果。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)PFC2D建立了溜井卸礦模型，以孔隙率變化量、井壁沖擊力峰值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，分析了溜井卸礦過(guò)程中卸礦高度對(duì)儲(chǔ)料夯實(shí)效果以及對(duì)井壁的沖擊效果的影響特征，得出如下結(jié)論。

1) 整體上沖擊夯實(shí)作用下儲(chǔ)料孔隙率變化量和井壁沖擊力峰值與卸礦高度呈正相關(guān)，與D值(所測(cè)量范圍與儲(chǔ)料面的距離)呈負(fù)相關(guān)。 在一定范圍內(nèi)，卸礦高度影響著二者隨D值改變的變化速度。

2) 降低卸礦高度可以減小卸礦過(guò)程中的夯實(shí)作用范圍及夯實(shí)效果。在貯礦段直徑6 m、貯礦高度24 m條件下，卸礦高度對(duì)距離儲(chǔ)料面5 m范圍內(nèi)儲(chǔ)料的夯實(shí)效果尤為明顯；其余范圍內(nèi)的影響程度較小，同時(shí)初始狀態(tài)下的儲(chǔ)料孔隙率分布特征影響著該范圍下的夯實(shí)效果。

3) 在當(dāng)前條件下，隨著卸礦高度的增加，卸礦對(duì)井壁的沖擊效果也越大，尤其在儲(chǔ)料面以下9 m范圍內(nèi)的井壁最大沖擊力增幅明顯。同時(shí)卸礦高度的增加會(huì)導(dǎo)致更多的沖擊能量向儲(chǔ)料深處轉(zhuǎn)移。

4) 礦山可以通過(guò)降低卸礦站與貯礦段儲(chǔ)料面間的高度落差、減少一次卸礦量、井壁支護(hù)等方式減弱溜井卸礦時(shí)的沖擊夯實(shí)作用效果，預(yù)防由于卸礦沖擊夯實(shí)造成的井壁損傷、溜井懸拱等問(wèn)題的發(fā)生。