某礦山礦倉(cāng)加固技術(shù)方案比選及應(yīng)用

郭相參

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

國(guó)內(nèi)某礦山破碎后的礦石，由膠帶斜井與主井接力提升至地表。膠帶斜井與主井之間的轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)上承膠帶斜井，下啟水平轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶，其凈直徑6.0 m，總高度約50.0 m，井壁采用450 mm鋼筋混凝土，外襯40 mm厚的耐磨鋼襯板進(jìn)行聯(lián)合加固。礦山投產(chǎn)前9年，轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)的加固體均保持完好，沒(méi)有出現(xiàn)破損現(xiàn)象。在投產(chǎn)第10年，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)行情利好，該礦山對(duì)現(xiàn)有的提升系統(tǒng)進(jìn)行了技改，提升產(chǎn)能約30%。然而在技改的第3年，轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)井壁在膠帶斜井礦石長(zhǎng)期沖擊下，井壁耐磨鋼襯板和混凝土加固體出現(xiàn)多處不同程度的破損現(xiàn)象。此后的4年內(nèi)，每隔1～2年均要對(duì)井壁的破損處反復(fù)進(jìn)行返修處理。然而每次返修后，均仍在礦倉(cāng)井口約8.0～44.0 m范圍內(nèi)發(fā)生破損。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，破損處成豎向交錯(cuò)分布，具體表現(xiàn)有井壁襯板滾卷、撕裂脫落、混凝土脫落、鋼筋外露等。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)井壁加固體變形破損的問(wèn)題并沒(méi)有得到根本解決，這也嚴(yán)重制約著礦山的安全生產(chǎn)。因此，探尋可行有效的加固技術(shù)方案并徹底解決這一問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫，也是重要的和必要的。下面就新提出的礦倉(cāng)加固技術(shù)方案進(jìn)行探討研究。

2 礦倉(cāng)井壁破損機(jī)理

在慣性和自重的共同作用下，礦石在膠帶頭部被向前拋射并作拋物滾落運(yùn)動(dòng)。由于存在高差，滾落過(guò)程中礦石的相對(duì)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定律，在與井壁發(fā)生碰撞時(shí)，大部分沖擊動(dòng)能被井壁加固體吸收，礦石被彈射后繼續(xù)作拋物滾落運(yùn)動(dòng)，并再次與井壁發(fā)生碰撞，如此循環(huán)，直至礦石滾落在礦倉(cāng)內(nèi)的礦石堆上。礦石與井壁的碰撞點(diǎn)與轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)的破損位置相吻合，也成豎向交錯(cuò)分布，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)以不同的速度拋射有顏色標(biāo)記的潔凈礦石，驗(yàn)證了上述分析的準(zhǔn)確性。每次碰撞后被彈射的礦石的速度水平分量逐漸減小，碰撞點(diǎn)的豎向間距逐漸增大。滾落的水平距離、與井壁撞擊次數(shù)、井壁的損壞程度等均與礦石被拋射的速度成正比。碰撞點(diǎn)至拋射點(diǎn)的豎向距離與礦石被拋射的速度成反比，當(dāng)拋射速度達(dá)到一定水平時(shí)，礦石將被拋出礦倉(cāng)外或作近似自由落體運(yùn)動(dòng)。

圖1 礦石運(yùn)動(dòng)軌跡圖

在持續(xù)沖擊下，礦石的沖擊動(dòng)能使得井壁鋼襯板內(nèi)部產(chǎn)生次生應(yīng)力，其與鋼襯板殘余應(yīng)力疊加形成復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)作用在鋼襯板原生微裂紋尖端附近。隨著應(yīng)力增加，裂紋擴(kuò)展、延伸，鋼襯板應(yīng)變和塑性變形不斷增加。當(dāng)變形量超過(guò)其變形能力時(shí)，便發(fā)生塑性破壞，鋼襯板出現(xiàn)參差不齊的暗灰色纖維狀撕裂口[1]。鋼襯板斷裂實(shí)際上是其內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂縫，損傷逐漸累積的結(jié)果[2]。同時(shí)在沖擊振動(dòng)的作用下，襯板錨固螺母開(kāi)始松動(dòng)并最終脫落，導(dǎo)致襯板錨固失效，加劇其損壞脫落，最終溜放出襯板呈現(xiàn)滾卷、撕裂狀態(tài)。

井壁混凝土加固體吸收礦石沖擊動(dòng)能，由此產(chǎn)生的次生應(yīng)力與混凝土的原生內(nèi)部應(yīng)力疊加后作用在混凝土骨料上，使其承受很高的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)骨料間的黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，混凝土的內(nèi)部原生微裂紋和次生微裂紋便會(huì)擴(kuò)展、延伸、貫通，形成可見(jiàn)的宏觀裂縫，混凝土隨著這些裂縫的擴(kuò)展而破壞，骨料(沙子、石頭)與膠合料(水泥水化物)因應(yīng)力而分裂，混凝土完整性和連續(xù)性遭到破壞，其局部外觀體積也發(fā)生膨脹。在礦石的持續(xù)沖擊下，最終導(dǎo)致混凝土被剝落，鋼筋裸露。由此可見(jiàn)，混凝土的破壞是一個(gè)喪失完整性和連續(xù)性由量變到質(zhì)變的過(guò)程，表現(xiàn)為由內(nèi)部的微量損傷到外部的局部宏觀破壞[3-6]。

3 礦倉(cāng)加固技術(shù)方案

轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)井壁破損之初，礦山采取了加大配筋、植筋、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、加厚鋼襯板厚度、注漿加固圍巖體等一系列措施對(duì)破損處進(jìn)行返修加固，以此來(lái)抵抗礦石的沖擊。這種“以剛克硬”的加固措施沒(méi)有減輕礦石的沖擊，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，最終沒(méi)有經(jīng)受住實(shí)踐的考驗(yàn)。根據(jù)前述破損機(jī)理分析，礦倉(cāng)井壁破損是其吸收礦石沖擊動(dòng)能的結(jié)果，根據(jù)溜放的鋼襯板破損形狀來(lái)看，其主要受沖擊砸裂導(dǎo)致脫落為主，磨損不嚴(yán)重，耐磨不耐沖擊的表現(xiàn)也與鋼襯板的性能相符合。因此，盡量減輕或避免礦石對(duì)礦倉(cāng)井壁加固體的沖擊才是解決問(wèn)題的根本所在。本文在以往返修加固經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了幾個(gè)新的礦倉(cāng)加固技術(shù)方案。

3.1 礦倉(cāng)井壁增設(shè)內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)

膠帶的運(yùn)行速度一定時(shí)，礦石被拋射后的運(yùn)動(dòng)軌跡也是相對(duì)不變的。如圖2所示，在第一次沖擊區(qū)的井壁上增設(shè)一個(gè)緩沖平臺(tái)和柔性緩沖體，以改變礦石滾落軌跡。柔性緩沖體可為鏈環(huán)、鏈條、鋼絲繩等柔性物質(zhì)，其被懸掛于緩沖平臺(tái)頂部并可多條成直線型或曲線型之梅花狀設(shè)置，但其設(shè)置方式不受特別限制，只要能與滾落的礦石相碰撞，且不會(huì)造成礦石在緩沖平臺(tái)內(nèi)滾動(dòng)停止即可。礦石撞擊柔性緩沖體后，其沖擊動(dòng)能被吸收，滾落到緩沖平臺(tái)時(shí)，其沖擊動(dòng)能再次被緩沖平臺(tái)上的保護(hù)體吸收。保護(hù)體可為粉礦、碎石、黏土、木屑、橡膠等軟性物質(zhì)，保護(hù)體不僅可以吸收礦石沖擊動(dòng)能，還可以降低緩沖平臺(tái)自身的磨損程度。隨后礦石繼續(xù)作拋物滾落運(yùn)動(dòng)，此時(shí)礦石的速度水平分量減小，滾落過(guò)成中前行的水平距離有限，撞擊井壁加固體的機(jī)率變小，若生產(chǎn)時(shí)合理限定礦倉(cāng)的料位高度，則可保證礦石不再二次沖擊加固體并順利地被溜放至礦石堆上。經(jīng)過(guò)兩次有效的緩沖減速，礦石的沖擊動(dòng)能被柔性緩沖體和緩沖平臺(tái)上的保護(hù)體吸收消耗，從而減輕甚至避免了其對(duì)礦倉(cāng)井壁加固體的沖擊破損，達(dá)到保護(hù)礦倉(cāng)井壁加固體的目的，進(jìn)而保證了礦山的安全生產(chǎn)。

圖2 內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)圖

3.2 礦倉(cāng)增設(shè)鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)

礦石被拋射后作拋物滾落運(yùn)動(dòng)，并在滾動(dòng)過(guò)程中與礦倉(cāng)井壁加固體相遇，能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是井壁加固體破損的根本原因?；谇笆銎茡p機(jī)理分析，為減輕或避免井壁加固體發(fā)生沖擊破損，首先可降低礦石的沖擊動(dòng)能，其次要改變礦石的滾落軌跡，二者相輔相成。該方案是在礦石滾落軌跡線上設(shè)置鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)，其分布需吻合礦石的運(yùn)動(dòng)軌跡，豎向交錯(cuò)布置，緩沖平臺(tái)越靠近礦石拋射點(diǎn)，其對(duì)礦石的減速效果就越好。如圖3、圖4所示，在礦倉(cāng)上口以“井”字形預(yù)埋多層鋼梁，并用耐磨鋼封閉成方型溜筒或槽型溜筒。為增加吸能效率，可在耐磨鋼溜筒內(nèi)側(cè)設(shè)置橡膠面層，同時(shí)在溜筒內(nèi)側(cè)壁或礦倉(cāng)井壁上增設(shè)多個(gè)豎向交錯(cuò)的具有保護(hù)體的鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)。通過(guò)鋼質(zhì)平臺(tái)的緩沖減速及耐磨鋼溜筒的約束導(dǎo)向，迫使礦石豎向滾落，同時(shí)輔以合理的礦倉(cāng)料位高度管理，則可減輕或避免礦石對(duì)井壁的沖擊，進(jìn)而保護(hù)礦倉(cāng)井壁，保障安全生產(chǎn)。

圖3 鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)1

圖4 鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)2

3.3 礦倉(cāng)井口增設(shè)礦石格篩

根據(jù)上文所述，解決礦倉(cāng)井壁破損難題的本質(zhì)就是要減輕或避免其遭受礦石滾落沖擊，不但要降低礦石的沖擊動(dòng)能，還要讓礦石作近似豎直向下運(yùn)動(dòng)，直至溜放至礦石堆上。如圖5所示，在井口設(shè)置頂?shù)酌嫫烬R的具有二維等強(qiáng)度的鑄造格篩，格篩上面設(shè)置約束礦石滾動(dòng)范圍的內(nèi)側(cè)設(shè)置橡膠面層的鋼質(zhì)溜槽，在格篩底面懸掛多條成“口”字型之梅花狀設(shè)置的柔性緩沖體以形成柔性“溜槽”，“溜槽”范圍不小于鋼質(zhì)溜槽下口范圍即可。礦石被拋射在鋼質(zhì)溜槽內(nèi)，隨即滾落入格篩網(wǎng)孔內(nèi)，不同方向的礦石經(jīng)格篩網(wǎng)孔約束導(dǎo)向后，拋物運(yùn)動(dòng)大大減弱，大部分礦石作近似豎直向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中心落礦。柔性“溜槽”對(duì)小部分繼續(xù)作拋物線運(yùn)動(dòng)的礦石繼續(xù)進(jìn)行約束導(dǎo)向，迫使被吸能后的礦石作近似豎直向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)溜槽、格篩及柔性緩沖體的共同豎向?qū)蜃饔茫V石的沖擊動(dòng)能被吸收且運(yùn)動(dòng)軌跡被改變，避免發(fā)生礦石滾落過(guò)程中因四處迸濺而沖擊礦倉(cāng)井壁加固體的現(xiàn)象，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

圖5 格篩圖

4 技術(shù)方案比選

根據(jù)上文對(duì)各加固技術(shù)方案的論述，在理論上各加固方案均可實(shí)施，都可從根本上解決礦倉(cāng)井壁加固體沖擊破損問(wèn)題。然而，就每個(gè)技術(shù)方案而言，其都有優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用的局限性。因此，為了能比選出最優(yōu)的加固技術(shù)方案，需要從工期、技術(shù)、成本等角度進(jìn)行闡釋。下面就對(duì)各方案的可行性進(jìn)行分析研究。

4.1 井壁內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)

內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)設(shè)置在第一次沖擊區(qū)的井壁上，首先需要將平臺(tái)范圍內(nèi)的加固體及部分圍巖鑿除，并形成新的加固體。內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)是對(duì)礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)要求低，改造成本相對(duì)略高，在柔性緩沖體和保護(hù)體的保護(hù)下，其生命周期長(zhǎng)。對(duì)于新建礦倉(cāng)而言，其同井壁加固體一體成型，具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，從現(xiàn)有的礦山使用效果來(lái)看，保護(hù)礦倉(cāng)效果很好，但對(duì)于改造加固礦倉(cāng)而言，其劣勢(shì)還是很明顯的。其開(kāi)挖會(huì)造成平臺(tái)周圍的圍巖松動(dòng)，受混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響大，工期較長(zhǎng)，作業(yè)強(qiáng)度相對(duì)較高，對(duì)生產(chǎn)影響大，底部結(jié)構(gòu)承載力要有保證。內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)與礦石拋射速度緊密相關(guān)，礦石拋射速度不變，則礦石與井壁的撞擊點(diǎn)也是相對(duì)固定的。內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)是一經(jīng)形成，不可改變的，當(dāng)拋射速度改變時(shí)，礦石可能無(wú)法滾落至緩沖平臺(tái)上，也就無(wú)法緩沖礦石的沖擊力，達(dá)不到保護(hù)礦倉(cāng)的目的。因此，形成內(nèi)嵌式緩沖平臺(tái)時(shí)，應(yīng)考慮礦石拋射速度的變化區(qū)間。

4.2 鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)

鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)是與耐磨鋼方型溜筒或槽型溜筒配套設(shè)置的，其數(shù)量可以根據(jù)使用效果進(jìn)行靈活調(diào)整，耐磨鋼溜筒對(duì)礦石進(jìn)行約束導(dǎo)向，鋼質(zhì)緩沖平臺(tái)改變礦石運(yùn)動(dòng)軌跡并吸收其沖擊動(dòng)能。該方案可根據(jù)磨損情況定期更換耐磨鋼板，檢修更換便捷。但各層“井”形預(yù)埋鋼梁的梁窩開(kāi)鑿作業(yè)強(qiáng)度大，鋼梁安裝難度大，受混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響大，整體工期相對(duì)較長(zhǎng)，后期檢修時(shí)需設(shè)置檢修平臺(tái)及爬梯，檢修輔助設(shè)施多，服務(wù)期內(nèi)的綜合成本高，且礦石長(zhǎng)期對(duì)耐磨鋼板沖擊，預(yù)埋鋼梁的穩(wěn)固性無(wú)法保證，一旦鋼梁破壞，更換難度大，此外若槽型溜筒正前下方的井壁處的鋼緩沖平臺(tái)設(shè)置不當(dāng)會(huì)對(duì)井壁穩(wěn)定性造成影響。

4.3 礦石格篩

礦石格篩的作用首先是對(duì)不滿足設(shè)計(jì)塊度的礦石過(guò)濾并再次進(jìn)行破碎，其次是對(duì)溜放的礦石進(jìn)行約束導(dǎo)向，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡。該方案主要就是利用其約束礦石的導(dǎo)向作用，方案中的格篩可以整體鑄造，也可以利用縱橫鋼梁對(duì)接或搭接而成，其安裝用錨固錨桿固定，實(shí)現(xiàn)可拆卸性。格篩直接設(shè)置在礦倉(cāng)井口，無(wú)需在井壁上開(kāi)鑿梁窩，使得其作業(yè)強(qiáng)度低，安裝進(jìn)度快、維修檢查及更換十分方便，此外格篩不僅安全適用、經(jīng)久耐用、具有互相匹配的二維強(qiáng)度，不易發(fā)生強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、磨損破壞，且其適用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鑄造加工方便、技術(shù)要求低、實(shí)現(xiàn)成本低，鑄造外型可圓可方。格篩在采場(chǎng)溜井中已得到普遍應(yīng)用，效果很好。實(shí)施方案時(shí)，可根據(jù)約束導(dǎo)向需求，設(shè)置合理的格篩高度。但格篩需要事先鑄造甚至定制，單件重量大，安裝檢修時(shí)需輔以大型起吊設(shè)備。

4.4 技術(shù)方案確定

通過(guò)4.1～4.3的方案分析可知，轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)加固技術(shù)方案各有利弊，綜合礦倉(cāng)井壁破損處的返修加固，各種因素總的影響程度詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 加固技術(shù)方案對(duì)比

根據(jù)表1中各種因素影響程度的綜合比較結(jié)果，結(jié)合礦山的實(shí)際生產(chǎn)情況，確定在礦倉(cāng)井口增設(shè)礦石格篩對(duì)礦倉(cāng)井壁進(jìn)行返修加固。

5 加固技術(shù)方案實(shí)施

將礦倉(cāng)內(nèi)的礦石回填至合理的高度，為返修施工提供作業(yè)平臺(tái)，依次自上而下對(duì)井壁破損處進(jìn)行返修加固。為提高轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)破損處井壁強(qiáng)度，采用耐磨鋼襯板+混凝土+錨注的礦倉(cāng)井壁返修加固技術(shù)。錨注錨桿采用φ32 mm×6 mm×2.25 m無(wú)縫鋼管，錨注注漿材料采用強(qiáng)度為42.5 MPa的525#水泥，注漿水灰比0.6～0.7，單孔注漿壓力5 MPa時(shí)停止注漿?；炷劣煽煊补杷猁}水泥和精選石英砂配制，強(qiáng)度等級(jí)為C35，混凝土中按0.5%比例加萘系NF減水劑，水灰比0.7。同時(shí)加大配筋和植筋，加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)。為降低返修成本和加快進(jìn)度，仍選用40 mm厚的備用耐磨鋼襯板，其錨固錨桿采用φ28 mm×1.0 m螺紋鋼。

在井口用錨桿固定20 mm厚的鋼板以焊接固定鑄造格篩，按圖5將柔性緩沖體、鋼質(zhì)溜槽安裝到位，保證各部分均可拆卸更換。

該轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)返修加固3年以來(lái)，井壁加固體無(wú)破損，完整性好，表明采用此技術(shù)方案返修加固轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

6 結(jié)論

(1)基于能量轉(zhuǎn)化及守恒原理，對(duì)井壁加固體破損機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

(2)根據(jù)礦倉(cāng)井壁加固體破損機(jī)理，提出了4個(gè)可從根本上解決轉(zhuǎn)運(yùn)礦倉(cāng)井壁加固體沖擊破損的返修加固技術(shù)方案，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)及各個(gè)影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的綜合分析對(duì)比，進(jìn)而得出最優(yōu)的加固技術(shù)方案，并將其應(yīng)用到實(shí)踐中，取得了預(yù)期的效果。

(3)礦山礦倉(cāng)是礦石運(yùn)輸必經(jīng)通道，生產(chǎn)時(shí)遇到的礦石沖擊破損問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理都將產(chǎn)生一定的影響。設(shè)計(jì)方面，在設(shè)計(jì)方案中應(yīng)當(dāng)采取可從根本上解決礦石沖擊破損問(wèn)題的措施，比如文章所提出的幾種方法，可供相關(guān)從業(yè)者在進(jìn)行礦倉(cāng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。生產(chǎn)管理方面，在實(shí)際生產(chǎn)中，要加強(qiáng)礦倉(cāng)管理，比如礦倉(cāng)料位管理、塊度控制管理、日常檢查管理等，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)破損跡象，應(yīng)立即停止溜礦，制定方案，及時(shí)返修，避免發(fā)生加固失效、井壁垮塌、礦倉(cāng)堵塞等嚴(yán)重事故，造成不可估量損失。通過(guò)設(shè)計(jì)和管理上的一系列措施，為礦山的安全生產(chǎn)提供了條件。