溜井貯礦段礦石運移規(guī)律及井壁磨損研究

王 雄，邱天寧，楊繼海

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

0 引言

主溜井作為地下金屬礦山礦石轉(zhuǎn)運及臨時貯存的重要工程，其穩(wěn)定性直接關系到金屬礦山的正常運營生產(chǎn)。溜井在使用過程中常見的故障有溜井井壁變形[1]、溜井堵塞[2]以及跑礦[3]?，F(xiàn)階段對溜井貯礦段井壁磨損的研究方法有：理論分析[4]、數(shù)值模擬分析[5]和相似試驗[6]。以某地下金屬礦山為例，利用PFC2D建立溜井放礦模型，研究放礦過程中礦石的運移規(guī)律以及貯礦段磨損特征，為貯礦段井壁支護提供科學依據(jù)。

1 礦石運移規(guī)律及井壁磨損研究

1.1 井壁靜態(tài)側(cè)壓力模擬

利用PFC2D建立溜井貯礦段放礦模型，貯礦段井高“0～46 m”直徑為6.0 m, “46～48 m”為變斷面，48 m以上直徑為4.5 m，溜井放礦口呈指狀，底板傾角為39°，指狀閘門直徑為1.10 m。礦石顆粒采用分層填充法[7]生成，即在靠自身重力作用下自下而上生成，待礦石顆粒達到穩(wěn)定狀態(tài)后，再進行上一層顆粒生成，逐層生成直到達到貯礦高度，并對每隔2 m和1 m分別著色以便于觀察在放礦過程中的運動情況，裝滿顆粒后的模型見圖1。顆粒與顆粒、顆粒與墻體之間的接觸剛度的確定對于貯礦段放礦模擬十分關鍵，可根據(jù)接觸剛度的理論計算公式[8]確定其參考值，然后在生成礦石顆粒過程中根據(jù)參考值調(diào)整，具體模擬參數(shù)見表1。

表1 放礦模型中礦石顆粒及墻體特征參數(shù)

圖1 貯礦段分層裝料過程

待礦石顆粒生成完之后，運行一定時間過后不平衡力為零時，此時所測得的側(cè)壓力即為靜態(tài)側(cè)壓力，見圖2，各測點的靜態(tài)側(cè)壓力整理見表2。

(a)左側(cè)井壁各測點靜態(tài)側(cè)壓力

(b)右側(cè)井壁各測點靜態(tài)側(cè)壓力圖2 各測點靜態(tài)側(cè)壓力

表2 各測點靜態(tài)側(cè)壓力值

由表2可知，溜井井壁左右兩側(cè)的靜止側(cè)壓力并不完全相等，這是因為礦石在溜井中貯存時會在不同位置形成承壓拱，用來承擔上部礦石顆粒的重量并向拱腳處傳遞，所以位于同一高度左右兩側(cè)的井壁靜態(tài)側(cè)壓力會有差別。

1.2 溜井模型放礦模擬

待貯礦段井壁靜態(tài)側(cè)壓力完成測試后，打開溜井放礦口，使得貯礦段內(nèi)的礦石顆粒在重力作用下流出，記錄貯礦段放礦過程中井壁壓力的變化情況，見圖3。

(a) 測點19(下)、20(上) (b) 測點17(下)、18(上)

(c) 測點15(下)、16(上) (d) 測點13(下)、14(上)

(e) 測點11(下)、12(上) (f) 測點9(下)、10(上)

(g) 測點7(下)、8(上) (h) 測點5(下)、6(上)

(i) 測點3(下)、4(上) (j) 測點1(下)、2(上)圖3 各測點動態(tài)側(cè)壓力圖

由圖3可知，打開放礦口之后，貯礦段井壁側(cè)壓力會出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，位于貯礦段變截面附近的測點尤為明顯。貯礦段井壁側(cè)壓力隨放礦過程呈上下波動，這主要由礦石顆粒的運移造成的。隨著放礦時間的推移，井壁側(cè)壓力上下波動的幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在放過過程中井壁側(cè)壓力的增大幅值可通過超壓系數(shù)(井壁動態(tài)側(cè)壓力最大值與井壁靜態(tài)側(cè)壓力的比值)來表示，各測點的井壁動態(tài)側(cè)壓力最大值和超壓系數(shù)見表3、圖4。

表3 各測點的最大動態(tài)側(cè)壓力值及超壓系數(shù)

續(xù)表

圖4 各測點超壓系數(shù)

由表3和圖4可知超壓系數(shù)最大值為3.07，位于右側(cè)墻體測點高50 m處，即溜井變截面上端2 m處；左側(cè)墻體超壓系數(shù)最大值為2.81，位于測點高度45 m處，即溜井變截面下端1 m處；總體而言，超壓系數(shù)較大值分布在溜井變截面附近以及溜井上端。超壓系數(shù)最小值為1.001，即在放礦過程中動態(tài)側(cè)壓力增幅很小，超壓現(xiàn)象不明顯。

1.3 放礦過程中礦石顆粒運動軌跡

選取測點高度23 m截面上不同x坐標的10個礦石顆粒和測點高度95 m截面上不同x坐標的7個礦石顆粒作為標記礦石，在放礦過程中實時記錄標記顆粒在X方向和Y方向的坐標變化情況，見圖5、6，從而獲得標記顆粒在溜井內(nèi)的運動軌跡圖，見圖7。

(a)標記顆粒X坐標變化 (b)標記顆粒Y坐標變化圖5 放礦過程中標記顆粒(1-10)坐標變化

(a)標記顆粒(1-10)

(b)標記顆粒(ID11-17)圖7 標記顆粒(11-17)的運動軌跡圖

1)X方向上的坐標變化。由圖5(a)可知位于測點高度23 m截面上的礦石顆粒在貯礦段內(nèi)運動在X方向上幾乎不發(fā)生位移，越靠近溜井底部，越靠近左側(cè)的礦石顆粒逐漸向指狀閘門內(nèi)移動；由圖6(a)可知，位于測點高度95 m截面上的礦石顆粒在變截面高度(48 m)之上，在X方向上的相對位移非常小，作豎直向下的直線運動；當?shù)V石運動至變截面時，靠近溜井井壁兩側(cè)的礦石顆粒向溜井截面擴大處運動，位于溜井截面中心的礦石顆粒在X方向上的位移較??；當?shù)V石顆粒流出變截面處時，位于溜井截面中心中右側(cè)的礦石顆粒向右側(cè)逐漸偏移，緊貼右側(cè)井壁的礦石顆粒ID17向右側(cè)發(fā)生位移；而緊貼左側(cè)井壁的礦石顆粒ID11運動至中下部位向右側(cè)發(fā)生位移，則間接說明位于溜井貯礦底部存在物料掛壁現(xiàn)象。

2)Y方向上的坐標變化。由圖5(b)、6(b)可知，放礦過程中礦石顆粒Y方向的坐標變化就是礦石顆粒的豎向位移。位于溜井高度23 m截面的標記礦石在放礦開始階段，礦石顆粒在Y方向位移快速增加，然后保持一定的速度勻速向下運動，運動至貯礦段底部時位于同一高度截面上的礦石在豎直方向上產(chǎn)生相對位移，礦石流入放礦閘門內(nèi)在Y方向的位移變化量逐漸增大。而位于溜井高度95 m截面的標記礦石在放礦開始階段，在Y方向上位移快速增加，然后保持一定的速度勻速向下運動，運動至變截面處時位于同一高度截面上的礦石在豎直方向上產(chǎn)生相對位移；在變截面至流出放礦閘門這一階段，礦石Y方向的位移變化量逐漸變大。

由圖7(a)可知，對于變截面下端的礦石顆粒的運動軌跡在貯礦段內(nèi)是將近豎直向下的直線，越靠近溜井右側(cè)的礦石顆粒該趨勢越明顯，放礦開始階段礦石幾乎不發(fā)生橫向位移當?shù)V石運移至溜井底部范圍時，初始位置位于溜井左側(cè)的礦石逐漸向放礦閘門內(nèi)偏移。由圖7(b)可知，對于變截面上端的礦石顆粒，在運動至變截面處之前的運動軌跡也是將近豎直向下的直線，運動至變截面處時，同一截面上的礦石顆粒像流體一樣向截面擴大處散開；礦石顆粒在變截面下端至溜井底部流動時，由于同一高度截面上的速度由中間向井壁兩側(cè)遞減，越靠近截面中心的礦石顆粒流速越快，位于溜井兩側(cè)的礦石顆粒流速較慢，溜井兩側(cè)井壁會形成物料掛壁現(xiàn)象，形成中心流動，在中心流界面上會形成較大孔隙，為位于溜井井壁的礦石顆粒提供橫向位移的空間，越靠近溜井井壁的礦石顆粒，發(fā)生橫向位移的概率就越大。

礦石的運動軌跡不僅與礦石顆粒所處的初始位置坐標有關，還與礦石的邊界條件、井壁摩擦及溜井的結(jié)構形式有關。

1.4 礦石流態(tài)及井壁磨損特征

記錄從放礦開始到結(jié)束礦石在貯礦段運移的各個階段的實況圖，見圖8。放礦過程中礦石的流態(tài)變化主要呈現(xiàn)整體流和漏斗流兩種形式，位于變截面以上部位及放礦開始處于變截面下端的礦石呈全斷面整體下移；隨著放礦的進行，位于變截面至溜井底部區(qū)段，標記帶呈現(xiàn)“內(nèi)凹”，越靠近溜井底部越明顯。由圖8可知,礦石在溜井貯礦段內(nèi)的流態(tài)與礦石顆粒所處的位置相關性較大。根據(jù)礦石顆粒在貯礦段內(nèi)的流態(tài)變化特征，可將溜井貯礦段大致劃分為4個區(qū)域，見圖9。

圖8 放礦實時圖

圖9 主溜井貯礦段分區(qū)圖和磨損區(qū)域圖

1)第一區(qū)運移特點：礦石在該區(qū)域的運移呈現(xiàn)全斷面垂直下移，幾乎不發(fā)生橫向位移，該區(qū)域井壁發(fā)生的剪切破壞面為礦石與該區(qū)域井壁的接觸面，根據(jù)橢球體放礦理論[6]，該區(qū)域位于松動橢球體頂點以上，該區(qū)域井壁磨損程度輕微，且磨損比較均勻。

2)第二區(qū)運移特點：位于該區(qū)域的礦石仍然是全斷面移動，但位于同一高度截面上的礦石顆粒出現(xiàn)“內(nèi)凹”，在豎直方向的移動出現(xiàn)了加速度，該區(qū)域位于松動橢球體區(qū)域內(nèi)，井壁磨損嚴重。

3)第三區(qū)運移特點：礦石在該區(qū)域運移時同一高度截面上的最大流速逐漸向右側(cè)放礦口偏移，礦石從全斷面移動過渡到局部斷面，該區(qū)域位于放出橢球體內(nèi)，井壁磨損輕微。

4)第四區(qū)運移特點：礦石在該區(qū)域的運移流速很慢或者幾乎不移動，井壁幾乎不受磨損，故此區(qū)域溜井井壁不需要加固。第四區(qū)的高度與礦石塊度及組成、溜井下部結(jié)構形式及尺寸有關。

2 結(jié)語

1)在放礦過程中，貯礦段溜井井壁尤其位于溜井變截面附近會發(fā)生明顯的超壓現(xiàn)象。

2)礦石在貯礦段內(nèi)的流動形態(tài)呈現(xiàn)整體流和漏斗流，根據(jù)各區(qū)域礦石移動斷面的速度分布，將貯礦段按運移特征劃分為四個區(qū)域，溜井發(fā)生堵塞事故位于溜井底部局部斷面移動的第三區(qū)。

3)根據(jù)橢球體放礦理論，將井壁按磨損程度劃分為無、微、輕、重四個區(qū)域，位于變截面附近至溜井底部測高15 m區(qū)段需要重點防護。