詹森昌

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

在采礦場(chǎng)與選礦廠之間高差很大的礦山，采用溜井平巷運(yùn)輸系統(tǒng)，是有很大的優(yōu)勢(shì)，是首選方案。不僅經(jīng)濟(jì)效益好、管理方便，同時(shí)避免了公路汽車運(yùn)輸系統(tǒng)中長(zhǎng)距離的重車下坡的

安全和管理方面的一系列問(wèn)題，優(yōu)點(diǎn)突出。關(guān)鍵是能否使用和管理好高深溜井，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行具體分析。

1 礦石在溜井中的移動(dòng)規(guī)律

1.1 “四區(qū)論”礦石移動(dòng)規(guī)律

礦業(yè)界公認(rèn)的“四區(qū)論”礦石移動(dòng)規(guī)律［1］如圖1。

（1）井筒頂部不貯礦，稱非貯礦段。（2）第一區(qū)的礦石是隨著下部放礦，呈全斷面、等速、緩慢的垂直向下移動(dòng)。（3）第二區(qū)的礦石受放礦類橢球體影響，除了垂直向下移動(dòng)外，出現(xiàn)橫向移動(dòng)，屬全斷面移動(dòng)。（4）第三區(qū)內(nèi)礦石是變速變向，流動(dòng)斷面逐漸減小，流速加快，易在閘門口附近產(chǎn)生堵塞。（5）第四區(qū)是處在礦石流動(dòng)線以下，礦石不流動(dòng)，稱死礦堆。

圖1 溜井分區(qū)示意圖

1.2 高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律

在長(zhǎng)期利用音頻、視頻觀察，結(jié)合收集到的監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)氣流變化和呈現(xiàn)的“喘氣”現(xiàn)象，通過(guò)資料整理分析，對(duì)高深溜井第一區(qū)的礦石移動(dòng)規(guī)律提出了如下說(shuō)法。

1.2.1 第一區(qū)上部為垂直全斷面階段性移動(dòng)區(qū)

該區(qū)域受礦石物理性能，如塊度組成、壓實(shí)程度、含水量等的影響，易形成臨時(shí)平衡拱，該拱為粉礦粘結(jié)拱。該懸拱通過(guò)下部連續(xù)拉礦或落礦產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)和負(fù)壓的作用或承受不住來(lái)自上部的載荷時(shí)崩落；在該區(qū)域形成的臨時(shí)平衡拱有無(wú)數(shù)個(gè)，井內(nèi)一定高度范圍內(nèi)反復(fù)形成懸拱向上發(fā)展，在溜井放礦過(guò)程中始終處于破壞再形成的過(guò)程；在該區(qū)域礦石移動(dòng)并不是隨著下部溜口放礦同時(shí)移動(dòng)，它與下部溜口放礦有一時(shí)間差，且該時(shí)間差隨著井筒向上的延伸而加大，礦石下落呈一次或數(shù)次下落過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，呈全斷面階段性移動(dòng)特征［2］。

1.2.2 第一區(qū)下部為垂直全斷面連續(xù)移動(dòng)區(qū)

該區(qū)域礦石移動(dòng)隨著下部溜口放礦而同時(shí)移動(dòng)，呈全斷面連續(xù)性移動(dòng)特征［3］。同一般溜井第一區(qū)內(nèi)礦石移動(dòng)規(guī)律一樣。

2 高深溜井第一區(qū)上部垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)形成機(jī)制的探討

2.1 散體材料的移動(dòng)特性

散體材料結(jié)構(gòu)不同于連續(xù)介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)，其沉降變形是在一次次的坍塌過(guò)程中完成的，散體材料結(jié)構(gòu)是靠?jī)?nèi)部一系列拱結(jié)構(gòu)承受、支撐上部壓力，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是自發(fā)組織起來(lái)的，靠顆粒之間摩擦和擠壓來(lái)維持平衡，當(dāng)拱結(jié)構(gòu)不能支撐上面的重量時(shí)，就很快崩塌，內(nèi)部開(kāi)始自組織運(yùn)動(dòng)，重組新的拱結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為沉降［4］。

2.2 井筒中礦石移動(dòng)平衡拱受力分析

井筒中的礦石屬于散體物料，它的重量是以平衡拱的形式構(gòu)成力F作用于井壁上，F(xiàn)力可分解為作用于井壁上的垂直力T，使礦石向下移動(dòng)的分力N［4］。如圖 2 所示。

圖2 礦石作用于井壁上的力

圖2 中力F的分力N與礦石同井壁產(chǎn)生的摩擦阻力相平衡；分力T對(duì)井壁產(chǎn)生壓力，其壓強(qiáng)為［5］：

式中：P為井筒中礦石作用于井壁的壓強(qiáng)，N/m2；r為井筒半徑，m；γ為礦石松散體重，t/m3;α為礦石與井壁的摩擦角。

對(duì)一個(gè)礦山來(lái)講，α和γ可視為一個(gè)常數(shù)，故井筒中礦石對(duì)井壁產(chǎn)生的壓強(qiáng)，只與井筒半徑成線性正比；與井筒上、下部位的地點(diǎn)無(wú)關(guān)，大小是一樣的。

當(dāng)然，井筒中礦石移動(dòng)平衡拱除受上述礦石重力影響外，還受放礦時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓吸力作用。但由于放礦速度較慢，礦石移動(dòng)速度較小；加之礦石本身又是散體，故其作用很小。

2.3 井筒中礦石移動(dòng)

根據(jù)散體材料“內(nèi)部開(kāi)始自組織運(yùn)動(dòng)，重組新的拱結(jié)構(gòu)”特點(diǎn)，礦石在溜井內(nèi)的移動(dòng)是由于具有周期的移動(dòng)拱的崩塌引起不連續(xù)現(xiàn)象的反復(fù)、井筒中礦石平衡拱所產(chǎn)生的壓力大小與井筒上、下部位無(wú)關(guān)，大小是一樣的論述［6］，說(shuō)明高深溜井第一區(qū)上部礦石移動(dòng)規(guī)律發(fā)生變化，出現(xiàn)垂直全斷面階段性移動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)該是由外部原因引起的。現(xiàn)作如下分析

2.4 產(chǎn)生垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)機(jī)制的探討

2.4.1 高深溜井的放礦特點(diǎn)

一般溜井，當(dāng)發(fā)現(xiàn)井筒貯礦量不多時(shí)，就會(huì)抓緊供礦。這樣空井高度不會(huì)很大；同時(shí)，下部也會(huì)及時(shí)放礦。也就是說(shuō)，供礦與放礦兩者配合較好。高深溜井，由于井深，貯礦量大，兩者配合沒(méi)有一般溜井這樣好，易形成較高井空條件下，上部卸礦和下部放礦脫節(jié)現(xiàn)象。

2.4.2 井筒直徑

為使溜井在放礦過(guò)程中，不產(chǎn)生穩(wěn)定的平衡拱而發(fā)生井筒堵塞，設(shè)計(jì)井筒直徑要求［6］：

式中：D1、D2為溜放非粘性和粘性物料的溜井直徑，m；dmax為溜放物料最大塊度尺寸，m；C為松散物料的粘結(jié)力，104Pa；γ為松散物料體重，t/m3；θ為松散物料內(nèi)摩擦角,度。

礦山的溜井直徑一般都能滿足上述要求，因此在正常情況下，在放礦過(guò)程中，井筒是不會(huì)發(fā)生堵塞的。

2.4.3 粘結(jié)力C

上述公式（3）中的粘結(jié)力C，是“散體的粘結(jié)性是指在無(wú)壓強(qiáng)條件下，松散礦塊之間彼此粘結(jié)在一起的性質(zhì)，會(huì)使散體有一定剛度和抗剪能力，這種初始抗剪能力稱之為粘結(jié)力［7］?！绷锞诺V時(shí)，井筒內(nèi)的礦石的粘結(jié)力與上述提及的無(wú)壓力條件下是不一樣的。井筒內(nèi)礦石，除受到平衡拱內(nèi)本身相互擠壓外，其上部表面還會(huì)受到卸礦的礦石沖擊。當(dāng)?shù)V石受到?jīng)_擊力作用時(shí)，粘結(jié)力會(huì)發(fā)生變化，即開(kāi)始向井筒卸礦，對(duì)井筒上部表面的礦石進(jìn)行沖擊；接著本身受后來(lái)的卸礦沖擊，此時(shí)礦石的粘結(jié)力增至最大。增大值與礦石中粉礦及水的含量和卸礦產(chǎn)生的沖擊力大小等因素密切相關(guān)?，F(xiàn)對(duì)卸礦的礦石對(duì)井筒內(nèi)礦石的沖擊力做簡(jiǎn)略分析：

設(shè)卸礦對(duì)井筒內(nèi)礦石發(fā)生撞擊時(shí)的沖擊速度為v，由力學(xué)的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能公式

根據(jù)力學(xué)的沖量和動(dòng)量變化的關(guān)系：

式中h為井空高度，m；g為重力加速度，9.8m/s2；V為礦石落到下部礦石表面時(shí)的沖擊速度，m/s，f為卸礦對(duì)存礦的沖擊力，N；t為礦石沖擊作用時(shí)間，s；m為沖擊礦石的質(zhì)量，kg。

從（5）式可以看出，礦石的沖擊力f，與其質(zhì)量成正比，與井空高度成平方根正比，與沖擊作用時(shí)間成反比。在一般情況下，每次用汽車卸下的礦石重量基本上是相等的，即其質(zhì)量可視為一個(gè)常數(shù)。因此，沖擊力與井空高度和卸礦與井筒存礦的沖擊作用時(shí)間，存在密切關(guān)系。

設(shè)1kg礦石在沒(méi)有空氣阻力的情況下，從1m、20m、50m、100m、200m的高度下落，而溜井下部有放礦和不放礦二種情況；假設(shè)前者卸礦下落礦石對(duì)下部存礦的沖擊作用時(shí)間為0.2s，后者為0.1s。具體計(jì)算數(shù)據(jù)如下表

表1 沖擊力計(jì)算表

從表1可看出，當(dāng)井空高度為200m、100m、50m和20m，下部未放礦時(shí)，卸礦的礦石對(duì)井筒中表面礦石產(chǎn)生的沖擊力是井空高度為1m，而下部同時(shí)進(jìn)行放礦時(shí)受到的沖擊力的28.6、20、14和9倍；是相同條件的14.3、10、7和4.5倍。井筒中礦石受到這樣大的沖擊力后，礦石粘結(jié)力是會(huì)隨著其受到?jīng)_擊力增大而隨之增大。

當(dāng)然，影響礦石粘結(jié)力變化增大的因素，除上述分析的很重要的外因沖擊力外，還與礦石本身的水份和粉礦含量有關(guān)。只有三者結(jié)合起來(lái)，礦石粘結(jié)力才會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化并增大。

2.4.4 垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)形成原因

井筒中的礦石，在一定水份和粉礦含量時(shí)，隨著上部卸礦的井空高度增加，卸礦的沖擊力增大，受沖擊礦石的粘結(jié)力隨之增大；同時(shí)，隨著粉礦含量增加，并下部又未同時(shí)進(jìn)行放礦，而水份又合適時(shí)，受沖擊礦石粘結(jié)力隨著沖擊力的增大而增至最大。礦石粘結(jié)力增大后，礦石移動(dòng)平衡拱崩塌時(shí)間隨之延長(zhǎng)，因而出現(xiàn)井筒第一區(qū)上部礦石移動(dòng)的垂直全斷面階段性移動(dòng)現(xiàn)象。而后，隨著下部放礦的進(jìn)行，礦石不斷移動(dòng)，增大的粘結(jié)力，逐漸減小，礦石移動(dòng)平衡拱崩塌時(shí)間隨之逐漸縮短，最終恢復(fù)到正常狀態(tài)，礦石移動(dòng)平衡拱崩塌時(shí)間也恢復(fù)正常。由于高深溜井易形成較高的空井情況下卸礦，因而其第一區(qū)上部的礦石會(huì)受到較大的卸礦沖擊力的影響，礦石粘結(jié)力會(huì)發(fā)生較大變化，因而發(fā)生垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)現(xiàn)象。

以上就是高深溜井第一區(qū)上部礦石移動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)和下部出現(xiàn)垂直全斷面連續(xù)性礦石移動(dòng)現(xiàn)象的原因和過(guò)程。

3 溜井放礦時(shí)反映礦石粘結(jié)力C的案例

3.1 酒鋼黑溝礦主溜井出現(xiàn)很大粘結(jié)力C

酒鋼黑溝礦主溜井在出礦1800萬(wàn)t后，于2013年5月6日至5月31日，標(biāo)高為3220m處的井筒內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重堵塞25天［7］。

據(jù)分析，當(dāng)時(shí)溜井下部未放礦、井筒內(nèi)3220m標(biāo)高處礦石的粉礦含量較高和其水份又合適，受到約150m(窄軌運(yùn)輸平硐標(biāo)高為3400m水平)高井空的卸礦強(qiáng)力沖擊，形成了粘結(jié)塊，并同時(shí)大力向井壁擠壓，增大了抗剪強(qiáng)度，形成了很穩(wěn)定的平衡拱，堵塞井筒25天的嚴(yán)重后果。

后向井筒注了7t水，使堵塞處與井壁接觸的礦石和井壁都得到潤(rùn)濕，其摩擦系數(shù)大為減小，摩擦阻力大為減小，而受沖擊形成粘結(jié)塊的礦石，整體下滑，形成巨大沖擊氣流，“使井內(nèi)礦石最遠(yuǎn)沖至40多米處，井口周圍內(nèi)堆積了10～20cm厚的粉塵”［8］。

3.2 德興銅礦1號(hào)溜井滿井放礦的正常粘結(jié)力C

德興銅礦1號(hào)溜井，井筒直徑施工為6m，投產(chǎn)時(shí)地表標(biāo)高305m，下部鐵路軌面標(biāo)高為125m，施工平巷全部封死，沒(méi)有檢查巷道；采用滿井放礦。在放出1018.4萬(wàn)t礦石后，于1981年12月27日至30日，當(dāng)時(shí)地表標(biāo)高為281m，進(jìn)行了實(shí)測(cè)檢查。

檢測(cè)結(jié)論：“全溜井井壁光滑、完整，磨損輕微。”“從表面上看溜井中礦石移動(dòng)是平穩(wěn)的，好像是連續(xù)的，實(shí)際上非連續(xù)的。因?yàn)樵诹锞瞪系某庇∮忻黠@的“波痕”（圖略），“波痕”間距約20-30mm”。“礦石在溜井中的移動(dòng)速度為2.9mm/s，同時(shí)以放礦速度求算移動(dòng)速度為3.01mm/s，誤差為3.9%［8］。”

從以上論述中可以看出，在井筒貯滿礦實(shí)測(cè)過(guò)程中，未發(fā)生垂直全斷面階段性礦石垂直移動(dòng)現(xiàn)象；從井壁完整、光滑看，在放出1081.4萬(wàn)t礦石后，井壁上未發(fā)現(xiàn)有全斷面階段性礦石移動(dòng)所產(chǎn)生的磨損、破壞痕跡；而井壁上20-30mm間隔“波痕”，實(shí)際上是臨時(shí)平衡拱的形成與崩塌的間距。這些都說(shuō)明在貯礦條件下，井筒內(nèi)的礦石是非常平穩(wěn)、緩慢地向下移動(dòng)，不會(huì)發(fā)生垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，在貯礦條件下，井壁發(fā)生的放礦磨損，四周均勻，上下近似，井壁像水磨石樣光滑，見(jiàn)下圖。

德興銅礦1號(hào)溜井放礦磨損后的井壁照片

3.3 一般沒(méi)有滿井放礦的變化的礦石粘結(jié)力C

除去上述兩種特殊情況外，在一般正常生產(chǎn)中，未采用礦石滿井放礦時(shí)，高深溜井第一區(qū)上部是會(huì)發(fā)生垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)現(xiàn)象。只是在各種井空高度、下部放礦與不放礦的條件下，當(dāng)井筒中礦石的粉礦和水的含量不一樣時(shí)，受沖擊后礦石的粘結(jié)力增加值是不一樣的，這時(shí)形成的臨時(shí)平衡拱崩塌時(shí)間間隔是不同的，崩塌前空腔大小也是不同的，即垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)對(duì)井壁的影響程度是不一樣的。另外，檢查巷道對(duì)放礦負(fù)壓有影響，對(duì)垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)有一定的促進(jìn)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）從溜井放礦時(shí)礦石平衡拱所受的力和礦石移動(dòng)是臨時(shí)平衡拱的崩塌引起的不連續(xù)現(xiàn)象的反復(fù)等方面來(lái)看，一般溜井和高深溜井是沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。

（2）從高深溜井的深度大、貯礦量大的特點(diǎn)看，當(dāng)沒(méi)有采用滿井放礦時(shí)，一區(qū)上部是會(huì)發(fā)生垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)現(xiàn)象。也就是說(shuō)，如果高深溜井從投產(chǎn)一開(kāi)始，就堅(jiān)持滿井放礦，其第一區(qū)上部是不會(huì)出現(xiàn)垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)現(xiàn)象的。

（3）當(dāng)井空很高時(shí)，為防止井筒堵塞，盡量避免下部未放礦而上部卸礦；尤其是粉礦含量高時(shí)，更要特別警惕。

（4）在高深溜井放礦過(guò)程中，井筒中礦石受卸礦沖擊時(shí)，粘結(jié)力增至最大，后隨著下部放礦，礦石產(chǎn)生移動(dòng)而逐漸恢復(fù)到正常。

總之，希望通過(guò)對(duì)高深溜井放礦過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行深入探討研究，分析產(chǎn)生原因，找出規(guī)律，采取措施，解決問(wèn)題，把高深溜井使用好，管理好，把溜井放礦事業(yè)向前推進(jìn)一大步。