唐學(xué)義 曲志生 楊學(xué)剛 趙龍 胡勇

摘要：高深溜井在使用過(guò)程中頻繁發(fā)生堵塞現(xiàn)象，已成為影響地下礦山安全高效生產(chǎn)的重要因素。針對(duì)高深溜井井筒堵塞問(wèn)題，以某金銅礦高深溜井為研究對(duì)象，分析了溜井礦石的移動(dòng)規(guī)律，

發(fā)現(xiàn)高深溜井礦石移動(dòng)過(guò)程中在自由落體下落區(qū)和等速垂直全斷面移動(dòng)區(qū)之間存在垂直全斷面間隔移動(dòng)區(qū);總結(jié)了高深溜井堵塞的主要原因有貯礦高度不合理、貯礦時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和溜井破損嚴(yán)重等;通過(guò)調(diào)查該金銅礦溜井運(yùn)行過(guò)程存在的問(wèn)題，提出了溜井料位監(jiān)測(cè)技術(shù)、井筒加固技術(shù)和溜井放礦自動(dòng)控制技術(shù)等預(yù)防高深溜井堵塞的技術(shù)措施，應(yīng)用效果較好，可為類似礦山提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：高深溜井;堵塞;礦石移動(dòng)規(guī)律;堵塞原因;貯礦高度;貯礦時(shí)間

中圖分類號(hào)：TD521+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2020）05-0031-05doi：10.11792/hj20200506

引 言

溜井系統(tǒng)是井下生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)多階段礦（廢）石高效低成本運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵工程，廣泛應(yīng)用于地下礦山。然而，復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境和惡劣的使用條件，導(dǎo)致溜井頻繁發(fā)生堵塞，尤其是深度超過(guò)100 m的溜井（高深溜井）堵塞，一直是困擾采礦行業(yè)的一大難題[1]。

高深溜井堵塞分為溜口堵塞和井筒堵塞。溜口堵塞頻率高，而井筒堵塞造成的后果嚴(yán)重。隨著振動(dòng)放礦機(jī)性能的不斷改進(jìn)，溜口堵塞問(wèn)題已得到了較好的解決，而井筒堵塞與溜井礦（廢）石性質(zhì)、含水率、粉礦含量、貯礦高度、貯礦時(shí)間、礦巖塊度、溜井直徑和井壁圍巖垮落產(chǎn)生的大塊及溜井管理等方面有關(guān)[2]。雖然很多學(xué)者對(duì)溜井礦石移動(dòng)規(guī)律、溜井堵塞原因進(jìn)行了大量研究，提出了滿井放礦，控制礦石塊度和含水率，溜井結(jié)構(gòu)改造，控制貯礦時(shí)間等諸多技術(shù)措施，但有些技術(shù)措施現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不佳，導(dǎo)致高深溜井堵塞問(wèn)題難以徹底解決[3]。因此，本文以某金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)為工程背景，對(duì)高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入研究，分析高深溜井堵塞原因，并采取相應(yīng)的防堵塞技術(shù)，以解決該金銅礦溜井堵塞問(wèn)題。

1 溜井內(nèi)礦石移動(dòng)規(guī)律

1.1 礦石流動(dòng)區(qū)段劃分

根據(jù)溜井內(nèi)礦石移動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn)可將礦石流動(dòng)劃分為5個(gè)區(qū)（見(jiàn)圖1），各區(qū)的流動(dòng)特點(diǎn)如下：

1）第一區(qū)為自由落體下落區(qū)，為空井溜礦段。

2）第二區(qū)為等速垂直全斷面移動(dòng)區(qū)，也稱暢流區(qū)。在貯礦段的上部，對(duì)于垂直溜井，該段井筒內(nèi)同一水平斷面的礦石以等速垂直下落。如果溜井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)合理，礦石在這一區(qū)內(nèi)正常移動(dòng)，難以形成穩(wěn)定平衡拱。當(dāng)貯礦高度低于松動(dòng)橢球體頂點(diǎn)時(shí)，第二區(qū)消失。

3）第三區(qū)為變速變向全斷面移動(dòng)區(qū)，也稱過(guò)渡區(qū)，為溜井堵塞準(zhǔn)備區(qū)[4]。其位于第二區(qū)以下，礦石開(kāi)始進(jìn)入放礦橢球體，礦石垂直方向的移動(dòng)出現(xiàn)加速度并伴隨水平方向的移動(dòng)而開(kāi)始出現(xiàn)“坑”（凹點(diǎn)），越靠近凹點(diǎn)（即橢球體的軸線，也稱流動(dòng)軸）礦石移動(dòng)速度越快。實(shí)際上第三區(qū)礦石暢流斷面縮小，特別是黏性大的粉礦容易使該區(qū)礦石移動(dòng)斷面減小，當(dāng)?shù)谌齾^(qū)處在排空過(guò)程時(shí)，礦石表面就會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)、滑動(dòng)和陷落的現(xiàn)象，并產(chǎn)生大塊自然分級(jí)。大塊礦石集中在坑底，容易堵塞第四區(qū)[5]。與第二區(qū)相比，其產(chǎn)生移動(dòng)平衡拱的機(jī)率增大，不連續(xù)的周期比第二區(qū)明顯縮短。這些移動(dòng)平衡拱一般不易形成穩(wěn)定平衡拱，導(dǎo)致溜井堵塞，但為第三區(qū)形成穩(wěn)定平衡拱提供了條件。因此，要求溜井貯礦高度不低于凹點(diǎn)，這樣既可以充分利用自然調(diào)向減少堵塞，又可以避免大塊礦石突然集中形成堵井。從凹點(diǎn)起，礦石開(kāi)始松動(dòng)，松散體重減小，當(dāng)全斷面礦石均松動(dòng)時(shí)第三區(qū)結(jié)束。

4）第四區(qū)為變速變向局部斷面移動(dòng)區(qū)，也稱高頻堵塞區(qū)。其位于振動(dòng)放礦機(jī)上口與溜井全斷面的過(guò)渡部分，礦石移動(dòng)的有效斷面由溜井?dāng)嗝嬷饾u縮小到溜井口有效斷面，使形成穩(wěn)定平衡拱所需的剪切應(yīng)力減小。這樣，第三區(qū)的移動(dòng)平衡拱在該區(qū)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定平衡拱的可能性增大，故溜井容易發(fā)生堵塞，是堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)最多的區(qū)段。

5）第五區(qū)為無(wú)流區(qū)，也稱“死礦區(qū)”。其處于礦石移動(dòng)線以下，即松動(dòng)橢球體外，該區(qū)的礦石不移動(dòng)。

1.2 高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律

某金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，井筒上部礦石料位過(guò)高，經(jīng)常發(fā)生滯留現(xiàn)象，下部放礦口放礦過(guò)程中，上部礦石呈間隔性下降，一次性下降高度2～6 m，多則下降10 m以上;間隔時(shí)間為2～10 min，多則間隔20 min以上。井筒初始料位較低時(shí)，礦石呈連續(xù)性下降?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：前面總結(jié)的礦石移動(dòng)規(guī)律適用于溜井井筒料位較低的礦石，對(duì)于高深溜井礦石并不符合該移動(dòng)規(guī)律。因此，亟需對(duì)高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，以解決該金銅礦的礦石溜井堵塞問(wèn)題。

對(duì)該金銅礦-720 m～-870 m中段礦石溜井礦石移動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)查，研究在不同貯礦高度條件下，下部放礦口連續(xù)放礦時(shí)的礦石移動(dòng)規(guī)律。采用雷達(dá)料位計(jì)統(tǒng)計(jì)料位變化，記錄放礦時(shí)間、移動(dòng)次數(shù)和下降時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

該金銅礦-720 m～-870 m中段礦石溜井礦石移動(dòng)情況調(diào)查結(jié)果表明：礦石初始料位71 m以下符合上述總結(jié)的礦石移動(dòng)規(guī)律，礦石初始料位超過(guò)85 m，第二區(qū)礦石呈全斷面間隔移動(dòng)。礦石初始料位越高，間隔時(shí)間越長(zhǎng);隨著礦石料位逐漸降低，間隔時(shí)間逐漸變短，最終呈全斷面連續(xù)移動(dòng)。因此，筆者認(rèn)為，高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律應(yīng)分為6個(gè)區(qū)，在自由落體下落區(qū)和等速垂直全斷面移動(dòng)區(qū)之間存在垂直全斷面間隔移動(dòng)區(qū)。

垂直全斷面間隔移動(dòng)區(qū)礦石移動(dòng)并不隨下部放礦口放礦而同時(shí)移動(dòng)，而是與放礦口放礦有一定的時(shí)間差，同時(shí)礦石移動(dòng)呈數(shù)次下落。溜井礦石移動(dòng)是在下部連續(xù)拉礦或落礦產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)和負(fù)壓及自身重力共同作用下，由于臨時(shí)平衡拱不斷被破壞而形成的。由于該區(qū)域礦石料位過(guò)高，氣流擾動(dòng)和負(fù)壓作用在向上傳遞的過(guò)程中減弱，使得該區(qū)礦石臨時(shí)平衡拱不能連續(xù)處于破壞的過(guò)程，因此呈現(xiàn)出延時(shí)性和間隔性，當(dāng)臨時(shí)平衡拱在氣流擾動(dòng)和負(fù)壓及自身重力的作用下不能被破壞時(shí)，將轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定平衡拱，導(dǎo)致溜井堵塞。

2 高深溜井井筒堵塞原因分析

由高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律分析可知，垂直全斷面間隔移動(dòng)區(qū)和變速變向局部斷面移動(dòng)區(qū)是發(fā)生高頻堵塞的關(guān)鍵區(qū)域。關(guān)鍵區(qū)域堵塞的主要原因?yàn)榕R時(shí)平衡拱轉(zhuǎn)向穩(wěn)定平衡拱。穩(wěn)定平衡拱的形成一方面與礦石本身的性質(zhì)和含水率有關(guān);另一方面是由于高深溜井運(yùn)行過(guò)程為臨時(shí)平衡拱轉(zhuǎn)向穩(wěn)定平衡拱提供了必要的條件。溜井內(nèi)形成大塊礦石，粉礦比例過(guò)高，貯礦時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有效斷面較小，氣流擾動(dòng)和負(fù)壓作用過(guò)小，井壁摩擦力過(guò)大等因素易導(dǎo)致穩(wěn)定平衡拱的形成。其中，溜井內(nèi)大塊礦石與格篩尺寸和溜井破壞垮落礦石有關(guān);粉礦比例過(guò)高與鑿巖爆破和溜井自由落體下落高度有關(guān)，溜井料位高度越低，自由落體下落高度越大，礦石二次細(xì)碎作用越強(qiáng);氣流擾動(dòng)和負(fù)壓作用過(guò)小與溜井料位過(guò)高有關(guān);溜井井壁摩擦力與溜井井壁光滑程度有關(guān)。因此，在礦石大塊尺寸滿足D>5d（D為溜井直徑，d為礦石直徑），流入溜井的水量適當(dāng)，廢渣廢料妥善處理的情況下，溜井貯礦高度、貯礦時(shí)間和溜井破損是引起高深溜井井筒堵塞的主要原因。

1）貯礦高度與溜井堵塞存在內(nèi)在聯(lián)系。貯礦高度越低，礦石下落勢(shì)能越大，對(duì)貯礦段的沖擊也越大，導(dǎo)致礦石二次細(xì)碎越嚴(yán)重，礦石越密實(shí)[6]。二次細(xì)碎導(dǎo)致粉礦比例增大，增加堵塞風(fēng)險(xiǎn);礦石夯實(shí)作用提高了礦石的抗剪強(qiáng)度，同樣增加堵塞風(fēng)險(xiǎn)，特別是在礦石移動(dòng)到變速變向全斷面移動(dòng)區(qū)時(shí)，礦石的松散性不能恢復(fù)時(shí)很容易導(dǎo)致堵塞。貯礦高度過(guò)高，雖然礦石二次細(xì)碎和夯實(shí)作用減弱，但氣流擾動(dòng)和負(fù)壓作用在向上傳遞的過(guò)程中減弱，導(dǎo)致垂直全斷面間隔移動(dòng)區(qū)存在堵塞風(fēng)險(xiǎn)。因此，合理的貯礦高度是預(yù)防溜井堵塞的關(guān)鍵。

2）控制貯礦時(shí)間對(duì)避免溜井堵塞有著重要的作用。受礦石物理性能，如塊度組成、壓實(shí)程度、含水率等的影響，易形成臨時(shí)平衡拱。該拱為粉礦黏結(jié)拱，如果溜井閑置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，受貯存礦石物理機(jī)械性能及井筒裂隙水的影響，臨時(shí)平衡拱極易向穩(wěn)定平衡拱轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致井筒堵塞。

3）溜井破損引起溜井堵塞體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面是溜井破損導(dǎo)致大塊垮落，極易形成大塊咬合拱;另一方面是溜井破損導(dǎo)致井筒內(nèi)部凹凸不平，為懸拱創(chuàng)造了條件。

3 高深溜井堵塞預(yù)防措施

以該金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)為例，通過(guò)分析該金銅礦深部溜井放礦存在的問(wèn)題，提出高深溜井預(yù)防堵塞的技術(shù)難點(diǎn)和解決方案[7]。

3.1 深部溜井放礦系統(tǒng)

該金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)由-570 m中段至-720 m中段礦石溜井和廢石溜井、-720 m中段至-870 m中段礦石溜井和廢石溜井及-870 m中段至-1 000 m中段礦石溜井和廢石溜井構(gòu)成，-720 m中段、-870 m中段和-1 000 m中段礦石溜井和廢石溜井底部均設(shè)有振動(dòng)放礦機(jī)進(jìn)行礦（廢）石轉(zhuǎn)載和放出，各中段礦石和廢石分別從礦石卸載口和廢石卸載口倒入相對(duì)應(yīng)的溜井內(nèi)。-1 000 m中段皮帶道中設(shè)振動(dòng)放礦硐室，礦石、廢石經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送至計(jì)量箕斗。該金銅礦深部溜井放礦系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

3.2 深部溜井放礦調(diào)查

深部溜井放礦系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，多次出現(xiàn)井筒堵塞現(xiàn)象，特別是2015年-720 m～-870 m中段礦石溜井發(fā)生堵塞，疏通時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月，深部采礦作業(yè)受到極大的影響，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)千萬(wàn)元。根據(jù)高深溜井堵塞主要原因分析，調(diào)查了深部溜井放礦系統(tǒng)存在的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）礦（廢）石含泥量較高，含有易板結(jié)成分，同時(shí)礦（廢）石在重力作用下受高位沖擊和二次細(xì)碎影響，導(dǎo)致粉礦比例增大，引起礦（廢）石板結(jié)。調(diào)查結(jié)果（見(jiàn)表2）表明：礦石經(jīng)三段溜井放礦沖擊后，礦石平均塊度由10.21 mm破碎至5.02 mm，粉礦比例由21.55 %升高至38.15 %;沖擊勢(shì)能越大，礦石越破碎，粉礦比例越高。

2）依靠經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)估算料位，料位經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低現(xiàn)象，多次進(jìn)行高深溜井料位監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，由于監(jiān)測(cè)設(shè)備性能問(wèn)題導(dǎo)致料位計(jì)監(jiān)測(cè)貯礦高度失敗。

3）兩班放礦作業(yè)，-570 m～-720 m中段溜井和-720 m～-870 m中段溜井每班放礦采用一次放礦形式，導(dǎo)致放礦間隔長(zhǎng)，為形成穩(wěn)定的黏結(jié)平衡拱創(chuàng)造了條件。

4）采用C-ALS三維激光掃描儀探測(cè)溜井破損情況，溜井內(nèi)部均出現(xiàn)不同程度的破壞，以-720 m～-870 m中段礦石溜井為例[8]（見(jiàn)圖3），平均斷面直徑5.5 m，與設(shè)計(jì)斷面直徑2.6 m相比，斷面面積增加了3.5倍。其中，最大斷面面積達(dá)到47.1 m2（-795 m標(biāo)高），斷面面積增加了7.9倍。

3.3 預(yù)防堵塞技術(shù)措施

高深溜井預(yù)防堵塞需要加強(qiáng)溜井管理，確保料位高度合理、貯礦時(shí)間合理、溜井井壁光滑且不發(fā)生垮落，對(duì)于該金銅礦正在使用的深部溜井放礦系統(tǒng)，采用的預(yù)防措施有以下幾項(xiàng)：

1）通過(guò)對(duì)溜井合理料位高度研究，確定了溜井低位值40 m，高位值70 m，因此對(duì)于150 m溜井，空高值應(yīng)保持在80～110 m。調(diào)研并試驗(yàn)了多款料位計(jì)，采用人工皮尺測(cè)量與料位計(jì)示數(shù)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)（復(fù)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3），最終選擇FMR67型雷達(dá)物位計(jì)和KJC-901型雷達(dá)物位計(jì)進(jìn)行料位監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了極端條件下高深溜井料位的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

2）采用C-ALS三維激光掃描儀進(jìn)行溜井三維探測(cè)，建立健全了溜井檔案，采用定期探測(cè)的方式掌握井壁破壞情況并預(yù)測(cè)破壞趨勢(shì);對(duì)于破壞嚴(yán)重的-870 m～-1 000 m中段礦石溜井中下部和-720 m～-870 m中段廢石溜井采用了錳鋼板+混凝土的方案進(jìn)行了加固。

3）采用西門子S7-300PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)施了溜井放礦自動(dòng)控制系統(tǒng)。溜井放礦自動(dòng)控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表、PLC控制柜、網(wǎng)絡(luò)通訊部分、上位機(jī)監(jiān)控與操作部分、軟件編程等。系統(tǒng)控制部分由地面操作員站、井下操作員站和井下PLC控制柜組成。系統(tǒng)通過(guò)PLC控制柜將各種數(shù)據(jù)信息傳送到生產(chǎn)調(diào)度中心和-1 000 m控制室，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)-570 m、-720 m和-870 m中段礦石溜井與廢石溜井料位和預(yù)警功能[9]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)-720 m、-870 m和-1 000 m中段礦石溜井和廢石溜井振動(dòng)放礦機(jī)周邊環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)放礦機(jī)設(shè)備運(yùn)行工況，振動(dòng)放礦機(jī)和監(jiān)測(cè)設(shè)備遠(yuǎn)程和本地啟動(dòng)、停止功能;同時(shí)，采用先進(jìn)的過(guò)程控制軟件實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)程單動(dòng)控制放礦”“遠(yuǎn)程時(shí)間控制放礦”“遠(yuǎn)程松動(dòng)放礦”和“遠(yuǎn)程料位控制放礦”4種控制放礦模式和參數(shù)設(shè)定，并采用計(jì)算機(jī)圖形界面結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作，最大程度簡(jiǎn)化操作與狀態(tài)顯示（見(jiàn)圖4）。該金銅礦自采用溜井放礦自動(dòng)控制系統(tǒng)以來(lái)，未發(fā)生井筒堵塞現(xiàn)象，有效地降低了溜井堵塞次數(shù)，取得了良好的效果。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)對(duì)該金銅礦高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，高深溜井礦石移動(dòng)在自由落體下落區(qū)和等速垂直全斷面移動(dòng)區(qū)之間存在垂直全斷面間隔移動(dòng)區(qū)。

2）高深溜井堵塞的主要原因有貯礦高度不合理、貯礦時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和溜井破損嚴(yán)重等。

3）預(yù)防高深溜井堵塞應(yīng)認(rèn)真分析溜井堵塞的具體原因，定期進(jìn)行溜井探測(cè)，建立健全溜井檔案，掌握溜井井筒破壞程度，預(yù)測(cè)井筒破壞趨勢(shì)并進(jìn)行加固，同時(shí)應(yīng)根據(jù)高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律確定合理的料位高度，監(jiān)測(cè)和控制料位高度，減少溜井貯礦時(shí)間，經(jīng)常對(duì)溜井礦石進(jìn)行松動(dòng)。

4）該金銅礦采用的溜井料位監(jiān)測(cè)技術(shù)、井筒加固技術(shù)和溜井放礦自動(dòng)控制技術(shù)是一種預(yù)防溜井堵塞的成功案例，可為類似礦山提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的借鑒。

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Abstract：The frequent blockage in very deep ore passes seriously affects safe and efficient operation of underground mines.Based on the blockage in the very deep ore passes，the paper takes a very deep ore pass of a gold copper mine as the research subject，analyzes the movement rules of the ore in the ore pass，and finds that there is a vertical full-face interval movement zone between free falling zone and constant speed vertical full-face movement zone.The factors leading to blockage are summarized as follows：ore storage height is not proper，ore storage time is too long and the ore pass is damaged badly and so on.Through investigation of the problems in the ore pass operation in the gold copper mine，the blockage prevention measures for very deep ore pass are put forward，including ore pass feed level monitoring technique，ore pass reinforcement technique，ore pass ore drawing automatic control technique and so on.The application effect of techniques is good.The research can be used as reference by similar mines.

Keywords：very deep ore pass;blockage;ore movement rule;blockage cause;ore storage height;ore storage time