詹森昌(江西铜业集团有限公司德兴铜矿, 江西 德兴 334224)

1 前言

矿山开采过程中,溜井放矿有成本低、经济效益好、生产工艺流程简单、管理方便和节能环保等重大优点。 由于溜井放矿过程中,存在井壁产生磨损破坏、井筒堵塞跑矿等安全问题;加之矿山技术进步,设备大型化和可靠性提高,矿石汽车运输成本下降等原因,露天开采的矿石运输溜井方案有所减少。西藏巨龙铜业有限公司的露天矿很适合矿石溜井运输方案,但溜井放矿存在较大的生产安全风险,最终决定采用矿石运输汽车方案。

现对溜井放矿存在的问题进行综合分析。

2 井筒贮矿对井壁应力的影响

2.1 空井时井壁应力

在岩体中开凿井筒后,井筒附近原岩应力的平衡状态受到破坏,岩体中的应力将重新分布[1]。 井筒可看作是一个半无限体中的垂直孔,其某个水平断面如图1 所示。 井筒远处周围作用有均匀压力P,而在井筒附近则有应力升高区。 对于弹性体由理论分析得知,离井筒中心r处的径向应力σr和切向应力σθ分布如图2 所示。

图1 均匀受压的圆形井筒断面

图2 弹性状态应力分布

其应力计算公式为

式中,σr为离井筒中心r处的径向应力;σθ为离井筒中心r处的切向应力;P为井筒远处的压力;a为井筒半径;r为离井筒中心的距离。

在井帮的切向应力最大可达2P,即井帮的应力集中系数为2,而井帮的径向应力为零。 这时在井帮由σr和σθ衍生的剪应力值,按不同的剪切方向可根据莫尔定律来确定,而空井时其最大值为P。

2.2 井筒中矿石对井壁的压力

1)杨森计算公式[2]

式中,σv为井筒中矿石高度z处的矿石压力;γ为矿石松散体重;F为井筒断面积;c为矿石黏结力;s为井筒周长;KC为矿石侧压系数;φn为矿石与井壁摩擦角;z为矿石高度;σn为矿石高度z处侧压力。

式(3)、(4)表示σv、σh与矿石高度和井筒半径存在函数关系。 当矿石黏结力很小和矿石高度一定时,σh与井筒半径成正相关线性关系。

2)散体拱形计算公式[3]

式中,P为矿石对井壁的压力;r为井筒半径;α为矿石与井壁摩擦角,其他同上。

式(5)表示P与井筒半径成正相关线性关系。

3)井筒贮矿时井壁应力

井筒中的矿石对井壁产生的径向压力,是随着溜井放矿过程中,井壁磨损,井筒直径扩大,贮矿量增加,矿石对井壁的径向压力也随之增大,从而改变了空井时井壁径向应力为零的状态。 但切向最大应力2P是不变的。 由于井壁有了贮矿产生的不断增大的径向压力,井壁的应力也发生相应变化,这时井壁的剪应力是逐渐变小的,具体如图3 所示。

图3 井筒井壁应力图

图中,1 代表井筒半径R1空井时应力圆;2、3 代表溜井放矿井壁磨损扩大后,贮矿条件下井筒半径为R2、R3时的应力圆。 井壁的径向压力是随着井壁磨损扩大,贮矿量增加而增大。 井壁的切向应力最大为2P,P的大小与其距地表距离有关。 按各种不同切面方向要求,可根据莫尔定律或莫尔应力圆计算出σr、σθ和τ应力。

3 矿石在井筒中的移动规律

溜井放矿时,矿石在井筒中的移动过程,可分为三个部分[4-5],具体如图4 所示。

图4 溜井中矿石移动示意图

A 部分:未贮矿的井筒上部,卸矿的矿石直接冲撞对面井壁后回落到下部矿石表面。

B 部分:井筒贮矿段上部。 在溜井放矿过程中,矿石是等速、平稳、缓慢、垂直向下全断面移动。

C 部分:放矿闸门上部。 受放类椭球影响,矿石除垂直向下移动外,还有横向移动,最终留下斜面死矿堆。

4 井筒贮矿对井壁磨损与破坏的影响

4.1 井壁磨损类型

1)冲撞磨损

卸矿的矿石直接冲撞对面井壁和反弹回冲撞原边井壁所发生的磨损。 它发生在井口附近,形成“之”字形磨损。

2)滚撞磨损

卸矿的矿石冲撞井壁后,回落到下部矿石表面时,部分块度较大的矿石,以剩下的能量滚动,再次冲撞井壁发生的磨损。 其地点是随下部矿石表面高度而变化。 井空越高,冲撞力越大,磨损越严重。

3)降撞磨损

井筒内矿石随着放矿下降过程中,与下部矿石表面接触瞬间,对井壁冲撞产生的磨损。 矿石在下降移动情况下,当矿石停止重力流动时,如图5 所示砸到井壁上,使井壁产生磨损[6]。 在该区域矿石移动并不随着下部溜口放矿同时移动[7]。 其特点是地点不固定,矿石下落高度小,产生磨损小。

图5 溜井中矿石冲砸井壁造成井壁磨损示意图

4)摩擦磨损

井筒中矿石随下部放矿而同时下降过程中,周边矿石与井壁发生摩擦而产生的井壁磨损。 贮矿段溜井磨损均匀,上下磨损速度非常接近[8]。

4.2 井筒破坏

井筒破坏的发生,一般是井壁受到磨损后,岩石内部应力平衡受到破坏逐步发展而引起的。

1)冲撞和滚撞磨损引起的破坏

江铜武山铜矿为井下开采,1 号主溜井直径为3 m,设计标高为-237 ～ -80 m,同时服务四个中段( -80 ～ -200 m)的出矿任务。 矿石由矿车卸矿经斜溜槽进入溜井,在生产放矿过程中,发生的破坏情况是:井筒垮塌标高为-230 ～ -80 m,垮塌高度150 m。 在-120 ～ -80 m 呈之字形垮塌;在-120 ～-168 m 垮塌面积较大,形状不规则,在- 168 ～-200 m垮塌最严重,断面不规则,垮塌井筒断面最大达420 m2[9]。

1 号主溜井采用空井放矿, -80 m 中段卸矿的矿石冲撞井壁,产生了井筒-80 ～ -120 m 间“之”字形破坏,由-80 m 和-120 m 二个中段的高井空卸矿产生滚撞磨损,加岩石节理特别发育等原因,使得-200 ～ -168 m 处发生非常严重的滚撞破坏。

2)降撞磨损引起的破坏

在放矿过程中,降撞的高度一般不大,发生频率较低,地点也不固定,产生的磨损较小,对井壁破坏不大。

3)摩擦磨损引起的破坏

摩擦磨损是在贮矿条件下产生的,贮矿段井筒仅受矿石流动磨损,磨损速度较小且均匀,井壁光滑。 井筒贮矿使井壁剪应力减小,井壁一般不会引起破坏。

总之,井筒破坏主要是冲撞和滚撞磨损引起的。井筒贮满矿可以避免上述磨损的发生,同时减小井壁剪应力和增加对井壁的支撑力,是减少井筒产生破坏的有效措施。

5 井筒贮矿对井筒堵塞的影响

5.1 设计对井筒直径要求

溜井放矿过程中,井筒堵塞有2 种类型:大块咬合拱和粉矿黏结拱。 为防止其发生,设计规范要求井筒直径为[10]

式中,D1、D2为溜放非黏性和黏性物料的溜井直径;dmax为溜放物料最大块度;c为松散物料的黏结力;γ为物料的松散体重;θ为松散物料内摩擦角。

5.2 井筒堵塞

1)大块咬合拱堵塞

放矿过程中,井筒发生大块咬合拱堵塞的原因:井筒施工质量问题,如酒钢镜铁山铁矿黑沟2 号溜井,有五次堵塞发生在井筒直径为最小的5 m 凸台处[11];溜井井壁垮塌大块岩石进入溜井,极易造成溜井堵塞[12];进入溜井的矿石块度,大大超过规定的大块尺寸,且大块比例很高等。

2 粉矿黏结拱堵塞

江铜德兴铜矿1 号溜井于1988年10月发生一次粉矿黏结拱堵塞。 当时井空较高,矿石中粉矿含量大和水分合适,井筒中矿石受到卸矿的矿石冲撞后,粉矿量增加的同时,粉矿被夯实,黏结力增大,形成粉矿黏结拱堵塞井筒。 后经井口加水,悬拱自动垮塌。

当时入井矿石块度0 ～400 mm,矿石松散体重为1.8 t/m3,若内摩擦角和矿石黏结力取38°和0.6 t/m2,按式(7)计算,D2=2.2 m。 而1 号溜井当时已累计放矿量超过4 500 万t,估计其井筒直径大于8 m,黏结力c增大了3.6 倍以上,造成了1 号溜井堵塞,同时也是许多矿山发生的井筒黏结拱堵塞的主要原因。

5.3 井筒贮矿与井筒堵塞

井筒贮矿使溜井放矿过程,井筒中矿石与井壁发生摩擦磨损。 因为贮矿段四周井壁磨损均匀,上、下磨损速度非常接近[8]。 井筒贮矿段上部,在放矿过程中,矿石是整体、平稳、缓性、垂直向下移动[5]。因此,井壁光滑、完整;矿石黏结力c基本稳定,大大减少井筒发生堵塞的概率。

6 现场应用

江铜德兴铜矿1 号溜井,井筒直径为6 m,高180 m,采用双侧两个溜口的链式闸门放矿。 两台20 t 电机车双机牵引,10 m3矿车,轨距750 mm 窄轨铁路运输系统。 后来在井口安装一台直径1.2 m 的旋回破碎机,使入井矿石最大块度由1 m 经破碎后为0.4 m。 采用满井放矿,基本消除了卸矿对井壁产生的冲撞和滚撞磨损和破坏,只产生放矿时矿石移动与井壁发生摩擦磨损,因而井壁光滑完整1 号溜井生产, 从1975年至1993年, 累计放出6 515.5 万t,井筒完好。 最高年产860.1 万t,最高日产超过3 万t,生产正常。 其中,只发生过上述1988年粉矿黏结拱堵塞井筒事故。

1981年12月27日～ 30日,溜井放出矿量1 018.4 万t时,对溜井井筒进行了一次全面实地考察。 结论:全溜井井壁光滑、完整,磨损轻微,井壁无浮石,未发现片帮现象,锰钢板(闸门口上部井筒周边)加固结构完好[13]。

7 结论

(1)满井放矿降低井壁剪应力和增加矿石的径向压力,对井壁起到支撑保护作用,消除冲撞和滚撞磨损,有效地减少井筒破坏。

(2)满井放矿使井壁光滑完整,矿石黏结力基本稳定,是有效消除大块咬合拱和粉矿黏结拱堵塞井筒的有效措施。

(3)当井空较高时,上部卸矿和下部放矿应同时进行,最好是下部先于上部。

(4)矿石粉矿含量和水分不能有效控制,或矿石的粉矿黏性较大时,不宜采用溜井放矿。

满井放矿是解决溜井放矿过程中存在问题的重要和有效措施,溜井放矿的风险是可控的。