倾斜溜井中的矿岩运动特征及其对井壁的损伤与破坏

2020-10-26吴晓旭路增祥

金属矿山 2020年9期

马驰吴晓旭路增祥，2

（1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051；2.辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心，辽宁鞍山 114051）

国内外地下矿床开采中，溜井是承担矿岩下向运输任务的重要开拓工程之一。根据溜井井筒与水平面的夹角，溜井工程可划分为垂直溜井和倾斜溜井2种布置方式。其中，国外矿山以倾斜溜井为主，而国内以垂直溜井为主。由于溜井工程恶劣的使用环境和复杂地质条件影响，导致溜井问题频繁发生［1］。为延长溜井服务年限，并保障其顺畅运行，国内外学者从不同角度进行了大量研究并取得了丰硕成果，对于解决溜井问题起到了良好的作用。

倾斜溜井是溜井的一种重要布置方式，在矿山主溜井和采区溜井系统中均有广泛应用，如加拿大Quebec省和Ontario省的多数矿山采用斜溜井用于矿石运输［2］。由于矿岩散体在溜井运动时对井壁产生的冲击与摩擦作用，导致倾斜溜井井壁的变形与破坏问题非常严重。如加拿大Quebec省北部10多家地下矿山的50条溜井中，共有8条溜井进行返修、7条报废［3］；英帕拉白金有限公司的溜井修复案例［4］和南非Kloof金矿3号溜井的修复案例［5］，也充分反映了倾斜溜井也存在严重的井壁变形与破坏问题。导致溜井变形破坏的因素主要有溜井工程地质条件［6-7］、围岩应力诱导［8-10］、溜井结构合理性［11］、矿岩块度及其分布特征［12］、矿岩散体的运动冲击与摩擦［4，13-14］等。

矿岩散体在溜井中的运动并与井壁产生力的作用是溜井产生变形与破坏的根本原因。一般情况下，溜井井壁的损伤破坏是一个渐进发展的过程。在这一过程中，除了矿岩块形态、大小，以及矿岩块与溜井井壁材料的物理力学性质等客观因素外，矿岩散体在溜井中的运动方式、速度大小、与井壁的接触方式等都会对井壁的变形破坏产生影响。因此，本研究依托国家自然科学基金项目“溜井中物料运动特征及其对井壁的损伤演化机理”（编号：51774176），结合国外矿山研究案例，从理论角度探索倾斜溜井中的矿岩运动特征及其对井壁损伤破坏产生的影响，对于进一步分析倾斜溜井井壁的损伤破坏机理和破坏范围具有重要作用，有助于从溜井工程设计与施工管理角度采取相应的措施，防止溜井问题发生。

1 倾斜溜井中的矿岩运动特征

1.1 倾斜溜井的使用特点

根据溜井工程应用实例，主溜井和采区溜井均可采用倾斜布置方式。典型矿山主溜井的倾斜布置方式如图1所示［1］。

倾斜溜井在具体工程应用中，无论是主溜井还是采区溜井，均表现出以下特征：

（1）能够有效缩短上部水平的矿岩运输距离，降低矿岩的运输功，有助于降低矿岩的运输成本。

（2）溜井的井筒工程量随着溜井倾角的变化而变化，倾角越大，井筒长度越小；反之，井筒长度越大。相比于垂直溜井，倾斜溜井增加了井筒工程的开挖量和施工成本，但在相同的断面面积条件下，能够增加溜井的矿岩临时存储量。

（3）相比于垂直溜井，倾斜溜井能够有效改变矿岩在溜井中的运动方式，降低矿岩下落时对井内储料的冲击夯实作用程度，因而能使井内储料具有较好的松散性和流动性，有利于减少溜井悬拱堵塞现象出现［15-16］。

（4）工程地质条件较差、溜井井筒需要支护时，倾斜溜井的支护工程施工难度相对较大。

1.2 倾斜溜井中的矿岩运动特征

倾斜溜井中，矿岩散体的运动表现为下落、跳动、滚动、滑动等4种方式［1］，矿岩块产生下落、跳动、滚动、滑动运动形式的可能性与斜溜井的几何尺寸、矿岩散体形状及大小、矿岩物理力学性质、溜井井壁粗糙度和矿岩进入主溜井的初始方向等因素有关。矿岩散体在溜井中的运动特征表现为：

（1）下落。矿岩从上部卸矿站离开运输设备时，矿岩散体在重力作用下进入溜井井筒，迅速坠落，直至与井壁相撞，对井壁产生冲击；或坠落到井内的储料面上，对井内储料产生冲击夯实作用［15］。这一运动方式和运动过程与垂直溜井中矿岩块的运动相同。矿岩块下落过程中，受溜井倾角和几何尺寸的影响，矿岩块运动的距离受限，即使矿岩块进入溜井时具有一定的初始运动方向，最终也会与溜井底板发生碰撞并产生冲击作用，导致溜井底板产生冲击破坏。

（2）跳动。跳动是矿岩块下落并冲击斜溜井底板后发生的一种矿岩块运动方式，发生在倾斜溜井的溜矿段（即溜井上部卸矿站以下、溜井储料面以上部分）井筒中。矿岩块的跳动方式给溜井底板带来的破坏作用主要是微冲击破坏。矿岩块在前一次冲击溜井底板后，其携带的能量损失较大，若撞击位置的溜井底板存在粉矿且矿岩块的块度不是很大时，则轻微撞击后，矿岩块不再产生跳动而可能以滚动或滑动的方式继续向溜井储料面运动。

（3）滚动。滚动是矿岩块下落并冲击斜溜井底板后发生的另一种矿岩块运动方式。在溜井的溜矿段井筒中，当矿岩块下落到溜井底板后，不再产生跳动，矿岩块在重力作用下会以滚动方式或滑动方式向溜井底部运动，直至到达储料面位置。在矿岩块向下滚动过程中，矿岩块会产生与溜井底板的滚动摩擦作用，相比于其它方式，这种滚动摩擦对矿岩块和溜井底板的损伤破坏作用较小。

（4）滑动。滑动方式主要产生于倾斜溜井储料面以下位置。当斜溜井底部卸矿站卸矿时，放矿口上部的矿岩在重力作用下，随着矿岩放出而不断下移。这种下移过程相对于溜井井壁来说，则为矿岩散体的滑动。当矿岩散体在向下滑动过程中，若与溜井井壁接触，则会产生摩擦作用，引起井壁的摩擦损伤破坏。

2 矿岩运动特征的影响因素

根据倾斜溜井的布置特点，倾斜溜井中，影响矿岩运动特征的因素较多，而且，这些影响因素或单一产生作用，或多因素综合作用，从不同程度上影响着矿岩散体在溜井中的运动方式和运动特征。影响矿岩运动特征的因素主要有以下几个方面。

2.1 溜井倾角

在影响矿岩运动特征的诸多因素中，溜井倾角对矿岩运动特征的影响最显著。溜井运输中，矿岩在重力作用下的运动，是利用了矿岩的重力特性，矿岩的运动方向为垂直向下运动。倾斜溜井为运动中的矿岩提供了改变其运动方向的外界条件，迫使矿岩散体按其中心线方向向下运动，会产生矿岩散体与溜井井壁和溜井底板的接触与碰撞，要么改变矿岩的运动方向和降低矿岩的运动速度，要么改变矿岩的运动方式，使其产生下落、跳动、滚动或滑动。

溜井的倾角越大，矿岩散体在溜井中的运动特征越接近于垂直溜井中的运动特征，倾角越小，矿岩散体产生跳动、滚动或滑动的可能性越大。当溜井的倾角接近或小于矿岩散体的自然安息角时，矿岩散体会在溜井中处于堆积状态而不再流动。

2.2 矿岩块形状、粒度及其分布特征

矿岩块形状、粒度及其分布特征对矿岩运动特征的影响主要表现为：

（1）不同的矿岩块形状，对矿岩的运动特征影响不同。矿山采掘生产中爆破作用下形成的矿岩块具有不同的形态，如四面体、五面体、六面体等多面体。这些多面体在其尺寸上可分为长方体、正方体或近似正方体。不同形态的多面体在溜井中的运动特征是不同的。当矿岩块在溜井底板上不再跳动时，长方体多以滑动方式向溜井下方运动，而正方体或近似正方体则多以滚动方式运动。从矿岩块表面形状上，可分为尖锐面和钝面两类。当矿岩块下落并与溜井底板发生碰撞时，若矿岩块的尖锐面与底板发生碰撞，矿岩块可能发生滚动；若钝面与溜井底板产生碰撞，矿岩块可能发生跳动或滑动。

（2）同样的矿岩密度条件下，矿岩块的块度越大，其质量越大，在溜井中下落时所具有的重力势能也越大，对溜井底板造成的冲击损伤也越大；反之，对溜井底板造成的冲击损伤越小。矿岩块质量越大，其与溜井底板发生碰撞后，发生滚动和滑动的可能性越大；反之，发生跳动和滚动的可能性越小。

（3）当矿岩中的粉矿含量与溜井底板粗糙度较大或溜井倾角较小时，粉矿或小粒度矿岩会在溜井底板上产生堆积，堆积的小粒度矿岩散体会对下落到其上的矿岩块起到缓冲作用。这种缓冲作用能够降低对溜井底板的冲击力，同时改变矿岩块的运动方式，使其以滚动方式向溜井下部继续运动。

2.3 矿岩物理力学性质

矿岩物理力学性质对溜井中矿岩运动特征的影响主要表现在矿岩硬度或强度、节理裂隙发育程度等方面。受各种因素影响，矿岩块在溜井中运动时，会发生矿岩块之间、矿岩块与井壁或底板之间的碰撞。

当矿岩块的节理裂隙发育、矿岩块硬度或强度较小且溜井井壁材料硬度或强度较大时，这种碰撞的结果会导致矿岩块破裂成小块而继续向下运动。若矿岩块的完整性较好，硬度或强度较大时，这种碰撞不足以产生矿岩块的破裂，但会对溜井井壁或底板造成损伤。但是，由于碰撞的影响，会引起矿岩块携带的能量产生损失，使矿岩块的运动方向发生改变，运动速度降低。

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对矿岩运动特征也具有重要影响。当溜井两帮较为平整时，下落的矿岩块与井壁一旦产生接触并相撞，矿岩块在井壁上会产生“蹭滑”，并在小范围内改变矿岩的运动方向和降低其运动速度。当井壁粗糙度较大时，一旦矿岩块与井壁相撞，矿岩块与井壁会产生冲击剪切作用，在较大范围内会改变矿岩的运动方向和运动速度。

与溜井井壁不同的是，当矿岩块与较光滑的溜井底板接触相撞后，溜井底板对矿岩块的反作用较大，矿岩块产生跳动或滚动的可能性大；若溜井底板粗糙度较大，粉矿或小粒度矿岩会在溜井底板产生堆积，对后续下落的矿岩块产生缓冲作用，使矿岩块产生滚动或滑动的概率增多。

2.5 矿岩块进入溜井时的初始运动方向

矿岩散体通过溜井上部卸矿站进入溜井井筒时具有一定的初始运动方向，使下落的矿岩散体具备了斜下抛运动的初始动能和运动特征，从而使矿岩散体在下落过程中产生了与溜井井壁发生碰撞的机会。

矿岩在这一运动过程中的运动特征与垂直溜井中的矿岩下落特征极为相似，当矿岩块携带的初始动能越大，或溜井断面尺寸较小时，矿岩散体与井壁碰撞的概率就越大。矿岩块一旦与井壁发生碰撞，则在井壁反作用力作用下，改变其运动方向，进入下一斜下抛运动过程，直到矿岩块落至溜井底板或井内储料面上。

3 倾斜溜井井壁损伤与破坏

3.1 井壁损伤与破坏机理

矿岩散体在斜溜井内运动过程中，由于不同的运动方式引发的溜井井壁破坏特征也不同。在倾斜溜井中，溜井井壁的损伤与破坏主要表现为冲击损伤与破坏和摩擦损伤与破坏两个方面。

3.1.1 冲击损伤与破坏

根据矿岩散体在溜井中的运动特征，能够对井壁产生冲击作用的运动方式主要有下落和跳动两种方式。

当矿岩从上部卸矿站离开运输设备，或由分支溜井进入主溜井井筒时，矿岩散体在重力作用下进入溜井井筒，迅速坠落，直至与井壁相撞，对井壁产生冲击；或是坠落到井内的储料面上，对溜井内的储料产生冲击夯实作用［15］。这一运动方式和运动过程与垂直溜井中矿岩块的运动方式相同。

跳动是矿岩块在斜溜井中运动的一种特殊方式。矿岩块在第一次与斜溜井底板产生碰撞后，当其质量较小时，在溜井底板材料的弹性恢复力作用下，矿岩块离开溜井底板，向溜井井筒下部运动，其运动方式近似于抛物运动。

向下运动的物体在与其它物体相碰撞时，运动物体所携带的能量与其重力势能和初始速度成正比，因而在垂直方向上的运动距离越小，对被冲击物体的冲击破坏强度也越小。相比于矿岩块从上部卸矿站或分支溜井的直接下落运动，跳动产生的垂直方向上的运动距离要小，因而对溜井底板产生的冲击破坏强度较小。

3.1.2 摩擦损伤与破坏

矿岩散体以滚动或滑动的运动方式与井壁产生接触时，会在矿岩块与井壁之间产生摩擦力的作用，进而引起溜井井壁的摩擦损伤与破坏。这种损伤与破坏同时产生在矿岩块与井壁的接触面上，损伤破坏的程度与矿岩块和井壁材料的物理力学特性和两者之间摩擦力大小密切相关。

矿岩和井壁材料的物理力学特性对于井壁的损伤破坏程度虽有较大影响，但对于特定矿床开采来讲，矿岩和井壁材料的物理力学特性是其固有特性，特别是溜井加固一旦形成，矿岩和井壁材料的抗冲击性能和耐磨特性等是很难改变的。如金川矿区软岩条件下，若溜井采用适当的井壁加固方式，则井壁材料很容易实现相对较高的抗冲击性能和耐磨特性，使其能够抵御矿岩块的冲击与摩擦，且产生的损伤与破坏很小。这是因为矿岩的物理力学性能相对较差，当矿岩块与井壁接触并产生力的作用时，首先导致了矿岩块的损伤与破坏。

矿岩块与井壁之间的摩擦力大小取决于矿岩块质量、表面粗糙度、溜井倾角以及矿岩块作用在井壁上法向力的大小等。矿岩块与井壁之间的摩擦力f可通过下式计算［16］：

式中，μ为矿岩块与井壁材料间的摩擦系数，与两者的表面粗糙度有关；m为矿岩块质量，kg；g为重力加速度，m/s2；α为斜溜井倾角，（°）；PL和PV分别为其它矿块通过与井壁接触的矿岩块传递来的水平方向和铅垂方向的作用力，N。

3.2 井壁破坏区域分布特征

HADJIGEORGIOU 等［2］研究了加拿大魁北克和安大略省部分矿山溜井系统的应用情况，通过对斜溜井的破坏情况分析发现，冲击破坏区主要位于溜井上部卸矿站以及分支溜井与主溜井交叉处下方的溜井底板区域，而摩擦破坏区主要分布在主溜井和分支溜井的底板，如图2所示。

根据倾斜溜井井壁的损伤破坏机理，倾斜溜井的破坏可分为冲击破坏区和摩擦破坏区两类。溜井工程实践中，有时很难区分井壁的破坏是由于冲击、磨损或其它原因造成的，但从倾斜溜井中矿岩的运动特征及其对井壁的损伤破坏机理研究中不难发现，冲击与摩擦是造成溜井井壁损伤破坏的主导因素。在溜井的破坏分区中，冲击破坏区的主导因素是矿岩块的运动冲击，摩擦破坏区中的主导因素是摩擦。相比之下，冲击破坏对溜井的损伤破坏程度更为严重。

4 倾斜溜井变形防治措施

冲击作用和摩擦作用对溜井井壁的破坏特征有很大差异性，造成的井壁损伤范围及其损伤发育情况有所不同。矿山应分别采取针对性的防治措施，最大限度降低井壁损伤，延长倾斜溜井的使用年限。

倾斜溜井冲击破坏区范围较小且集中，一般位于溜井卸矿站下方或分支溜井轴线方向与主溜井底板相交的井壁附近。由于矿岩与井壁的作用力较大，针对该范围应采用柔性筋或锰钢板等方式支护井壁。例如南非Kloof金矿3号溜井同时使用了岩石锚杆和柔性筋加固井壁，取得了很好的防护效果［11］。摩擦破坏区虽然损伤范围大，但井壁材料损伤发展速度明显小于冲击损伤区，多发生在主溜井和分支溜井的底板。对于摩擦破坏区域可以使用成本小、耐磨性强的材料加固井壁，常用方法为混凝土复合材料加固。对于磨损较为严重的井壁区域也可以使用混凝土与钢筋、钢板或钢轨相结合的方法加固井壁。例如望儿山金矿采用锰钢板与混凝土相结合的方法加强了矿仓及局部井壁材料的抗冲击和抗磨损性能［17］；高义军等［18］、张增贵等［19］认为橡胶衬板具有极强的耐磨性和抗冲击性，对于磨损程度较大的井壁加固具有较好的适用性。

利用粉矿和矿岩散体的缓冲性能，可防止运动的矿岩块与井壁直接接触，以降低矿岩块对井壁的冲击力。常用方法是在已经损伤且破坏程度严重的区域堆积大量矿粉作为缓冲层保护下方井壁，防止井壁产生进一步损伤。如Moab Khotsong金矿［9］通过在倾斜溜井高磨损区安装“磨损块”，人为制造矿岩缓冲区。该方法是在溜井建设初期在井壁下部每隔3.5～4.5 m开挖小“隔间”，并通过锰钢与混凝土相结合的方式填充“隔间”。相邻“隔间”之间的井壁经过矿岩长期的磨损出现凹坑，加固后的“隔间”不会被破坏并可有效阻挡坑内颗粒下滑。部分小颗粒矿岩会堆积在凹陷处，形成缓冲区，降低了矿岩运动速度及其与井壁的作用力，从而达到保护井壁的目的。矿岩储料也能有效减弱卸矿过程中的冲击作用［15］。溜井使用过程中，尽可能保持溜井上部卸矿量与下口放矿量一致，可以有效发挥储料的缓冲性能［20-23］。因此，适当提高贮矿高度既可以减少井壁暴露面积，缩小溜井井壁的损伤范围，也可以增加储料缓冲作用，减小储料覆盖范围内井壁的损伤程度。

斜溜井设计时，通过减小溜井卸矿站和溜井井壁之间的结构落差，调整溜井倾斜角度等，优化倾斜溜井结构参数，可降低矿岩块冲击井壁时的瞬时速度，减小矿岩散体对井壁作用的正压力，进而减缓倾斜井壁损伤的发育速度。一些垂直溜井的支护方法同样也适用于倾斜溜井变形防治，例如减小矿块质量，在冲击破坏区安装钢板［18］，混凝土箱型承载圈梁整体加固［21］等。