高深溜井悬拱堵塞相似试验研究.docx

? ? 高深溜井悬拱堵塞相似试验研究 ? ? 张宝金，杨雷，高英勇，张振江，任海龙 (1.鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司， 辽宁 鞍山市 114044；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院， 北京 100083) 0 引言 溜井是矿山矿石运输的咽喉要道，而高深溜井的稳定运行更是矿山生产的重中之重[1?2]。溜井在频繁的储矿、放矿过程中，内部矿石不断承受冲击载荷以及上覆料头的自重，导致矿石不断夯实压密，增大了散体颗粒间的黏聚力，内摩擦力以及区域性自稳能力。在后续卸矿工作中，储矿仓矿石逐渐丧失与溜井筒内矿石的关联性，井筒料头形成了悬拱结构，这是一种黏结及啮合组合且具备一定自稳性的拱结构[3]，能够将上覆松散岩石自重应力及放矿时的冲击载荷通过拱结构传递至溜井壁[1]，相当于形成了“拱+井壁”的联合承载体，共同负载松散矿石，这对矿山放矿工作的顺利进行增加了难度。 针对溜井井筒堵塞机理，许多专家学者做出了大量研究，发现溜井中矿石的含水率、矿石粒径以及料头高度等是造成矿石结拱的主要因素[4?7]，多因素的耦合作用直接增大了矿石颗粒从松散到统一的转化程度，导致卸矿困难。针对该机理的验证，在现场进行溜井矿石成拱的试验是比较困难的，因此采取室内对其进行相似模拟试验。魏殿恩等[8]利用溜井放矿模拟器对方形溜井在多因素影响下放矿过程进行模拟，验证了包括含水率、矿石颗粒粒径等因素对结拱行为的影响。 本文利用亚克力管构建相似模型，综合含水率、材料级配及料头高度等参量对放矿过程结拱现象进行模拟，归纳出不同参量对矿石结拱行为的影响规律。研究结果对矿山高深溜井堵塞的防治具有一定的指导意义。 1 结拱机理分析 由于上部卸矿对矿石的夯实和井内矿石的自重，眼前山铁矿2#溜井其变径上部的矿石容易形成稳定拱，破碎的矿石铰接成拱后，上部的矿石停止下落，下部矿石继续下落，内部出现空腔。 为了研究溜井成拱规律与机理，对拱进行受力分析，建立的理论模型如图1 所示。假设是由大块矿石咬合形成的拱，矿石面之间作用相互支撑力和摩擦力，散体矿石之间，这两个力和重力及上部矿石的压力平衡，形成稳定的拱结构。拱的左右拱脚分别标记为A、B，AB的高度差为ΔH，拱的最高点C距离A的竖直距离为H，C和A、B的水平距离分别为L1、L2（见图2）。上部矿石堆积高度一般大于两倍直径，由于筒仓效应，拱上方的矿石对拱的压力q为定值。拱脚A、B同时受到向上的摩擦力f和井壁的支撑力FN。理论模型简化后的受力如图2 所示。 图1 结拱理论模型 图2 拱结构受力分析 当岩石颗粒之间相互作用力达到自稳标准且具备一定承载力时，在放矿过程中便自然形成稳定平衡拱结构，即： 由上述公式整理可得： 由式（7）可以看出，拱形为抛物线形。 溜井中上部储料自重经悬拱传递至A、B拱脚处。储料在不断被夯实压密过程中，逐渐降低了拱高H，由式（6）可得，随着H的降低，悬拱结构与井壁之间的正应力FN增大，其次压密过程也导致二者之间的有效接触摩擦增加，最终形成“拱+井壁”共同承载体，负载上覆储料。且后续有限的溜井口放矿工作，增大了承压拱上部储料的高度，继而增大了拱的压力q，从式（6）可以看出，进一步增大了二者之间摩擦力f，增加了拱的自稳性，即结拱事件的概率增加。 溜井中的水分不断渗流至悬拱结构过程中，携带小颗粒矿石向下流动，并不断填充至大尺寸矿石之间的缝隙中[8]，增加了拱结构的密实度和整体强度，同时降低矿石自重应力沿拱向井壁传递的分散性。 储料的不同颗粒尺寸占比对矿石成拱效果的影响更为显著[9]，当小颗粒占比较大时，矿石之间的黏结度增加，且小颗粒对缝隙填充作用较强。 2 工程背景 鞍钢矿业公司眼前山铁矿为露天转地下开采的金属矿山，2012 年露天矿山闭坑，2018 年井下开采投产。地下开采设计能力为800×104t/a，采用无底柱分段崩落采矿方法，阶段高度为180 m，分段高度为18 m，进路间距为20 m。 眼前山铁矿设有1#和2#两条主溜井，目前1#主溜井尚未完成安装，由2#主溜井担负矿山露天转地采后主要矿石的转载、临储任务，通过该主溜井的矿石量1 亿吨以上，服务年限30 a，是眼前山铁矿的主要工程之一。2#主溜井全长228 m，采用全断面支护。其中，?321～?331 m 段为锰钢衬板支护，直径为4.0 m；?331～?504 m 为钢纤维混凝土支护，壁厚1 m，直径为4.5 m；?504～552 m 段为锰钢衬板支护，直径为6 m。2#主溜井施工期间，掘进至井深50～63 m 处遇破碎带，破碎带宽1.5～2.0 m，以绿泥角闪片岩、花岗质碎斑岩为主，井壁破碎带区域出现较大裂缝。经研究，确定采用1 m 厚钢纤维混凝土分段支护，并在混凝土中加f＞8 的鹅卵石增加其抗磨性，在井筒适当位置设置反漏斗装置减少对井壁的冲击破坏。为防止