劉 波 周德照 韓文文 王 瑞

(1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；2.溫州東泰建設(shè)工程有限公司)

溜井是地下采礦用于存儲、溜放礦石的主要通道，是礦石運輸環(huán)節(jié)中的“咽喉”，在采場礦石運輸中起著重要的作用[1]。溜井能否正常使用， 直接影響著采礦生產(chǎn)任務(wù)的完成。廣東某鐵礦因溜井跨通至副井導(dǎo)致礦山停產(chǎn)半年之久，新疆某銅礦因主溜井垮落導(dǎo)致礦山礦石運輸效率下降30%，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為解決某銅礦溜井穩(wěn)定性問題，提高溜井在其惡劣使用條件下的服務(wù)壽命，確保礦山生產(chǎn)的高效運營和順利進(jìn)行，通過對溜井進(jìn)行三維激光探測，獲得高溜井三維可視化模型[2-3]。根據(jù)溜井三維可視化模型，采用運動學(xué)理論分析礦石在溜井內(nèi)部沖擊及磨損，研究得到溜井損壞位置，并與實測溜井破壞斷面圖進(jìn)行對比分析。在分析高溜井的主要破壞形式的基礎(chǔ)上，提出了溜井治理措施。

1 高溜井三維模型的獲取

1.1 溜井模型現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

該高溜井穿過的巖性主要為大理巖及透輝石矽卡巖，在使用過程中垮落比較嚴(yán)重，影響礦山的出礦效率。對高溜井的探測是采用三維激光掃描(CMS)，通過可 360°旋轉(zhuǎn)探頭發(fā)出的激光測距儀對高溜井破壞部位進(jìn)行點云獲取，得到溜井井壁三維點云模型，并對模型進(jìn)行處理，可得到溜井井壁三維實體模型[4-5]。并根據(jù)測量人員對探頭進(jìn)行定位，可以得到高溜井準(zhǔn)確位置。高溜井探測原理如圖1，溜井定位坐標(biāo)如表1。

圖1 激光掃描原理

表1 高溜井三維定位

1.2 三維實體模型的建立

運用三維激光掃描儀(VS150)對高溜井破壞部位進(jìn)行掃描，得到高溜井點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把測得溜井坐標(biāo)輸入上去，得到溜井在空間位置，并導(dǎo)出".str"文件，對文件采用礦業(yè)軟件SURPAC打開，并進(jìn)行處理、建模，獲取高溜井在三維空間上位置，如圖2所示。根據(jù)溜井設(shè)計圖紙，對溜井模型進(jìn)行設(shè)計，再進(jìn)行布爾運算，得到溜井垮塌部位模型[6-7]。

圖2 溜井實測模型

2 溜井井壁破壞的誘因分析

2.1 井壁主要破壞因素確定

高溜井垮塌原因和影響因素有很多類，在不同工程地質(zhì)條件，高溜井采用不同的工程施工，都會是分析高溜井垮塌的因素，對溜井垮塌的原因各有偏重[6]。如高溜井在施工過程中采用的施工方式、施工的支護(hù)方式、礦山地質(zhì)工程、溜井在放礦過程中礦石的塊度、礦石對溜井壁的沖擊、摩擦等。絕大多數(shù)溜井垮塌是所有因素相互作用、共同影響的結(jié)果。溜井從掘進(jìn)開始對溜井壁進(jìn)行損壞，對溜井壁形成一定深度的松動圈，在對溜井進(jìn)行支護(hù)保護(hù)，在溜井的放礦過程中，井壁受到巖石的沖擊、摩擦，造成溜井破壞，從溜井開挖到坍塌，溜井破壞原因很多，但是對溜井進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，放礦過程中礦石對溜井壁長期、大量的沖刷與碰撞，礦石中重力勢能逐漸增加，勢能在碰撞到井壁時，傳遞到溜井井壁，造成溜井井壁破壞，是溜井破壞的主要原因[7]。

2.2 溜井沖擊破壞誘因分析

通過對垮塌模型進(jìn)行剖切，得到溜井垮塌結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示，從溜井結(jié)構(gòu)中，分析溜井在放礦過程中，礦巖對井壁造成的破壞，因礦石的運動不同，溜井的破壞形式不同，但溜井主要破壞形式為礦巖對井壁的沖擊、碰撞等。沖擊損傷主要為礦巖在卸礦的過程中，巖石對溜井壁的撞擊，井壁的損傷破壞程度取決于礦巖塊沖擊井壁時瞬時動能和沖擊方向與溜井井壁法向夾角的大小，并且和溜井壁的巖石性質(zhì)有關(guān)[8]。溜井中礦石從高處到低處所具有的重力勢能是導(dǎo)致溜井壁破壞的根源，由于溜井在支護(hù)過程中，一般為噴射混凝土支護(hù)，井壁材料混凝土為塑性變形材料，在沖擊過程中，井壁受到礦巖碰撞，礦巖內(nèi)能量導(dǎo)致溜井壁破壞，溜井壁對礦巖具有反作用力，導(dǎo)致礦巖運動方向發(fā)生變化。溜井壁在受到礦巖碰撞時，能量相互傳遞，導(dǎo)致井壁發(fā)生破壞。并且礦巖在沖擊過程中，一部分能量導(dǎo)致溜井塑性變形，造成溜井破壞，另一部分導(dǎo)致溜井壁彈性變形，造成礦巖運動方向發(fā)生變化，而塑性變形造成井壁的沖擊破壞[9-10]。礦巖塊沖擊溜井井壁的動能來自卸載時運輸設(shè)備所賦予的動能和所具備的重力勢能2個方面。如圖4所示，假設(shè)礦巖沖擊井壁獲得的瞬時動能為Ek，礦巖塊沖擊井壁后，被反彈回來，獲得的動能為E′，巖塊沖擊瞬時巖石運動方向與井壁法向夾角為β，建立動能方程：

圖3 實測溜井垮塌結(jié)構(gòu)

圖4 礦石沖擊井壁力學(xué)分析

(1)

式中，Ed為礦巖在井壁法向上損失的動能，動能傳遞到井壁，引起井壁發(fā)生損傷破壞；Es為礦巖沖擊時，沿井壁造成損失的能量，對井壁產(chǎn)生剪應(yīng)力，加劇井壁損傷破壞。 整理(1)式，得到：

(2)

式中，Ed為礦巖在沖擊井壁時，造成井壁法線向的損失，損失的能量引起井壁損傷破壞；Es為礦巖在沖擊井壁時，造成井壁切向上能量損失，致使井壁有剪切力，剪切力加劇井壁破壞。

從(2)式可知，在圖6受力分析中，Ed和Es的值與β角的大小有關(guān)，β的大小反應(yīng)力井壁破壞方式。如表2所示。

表2 溜井壁破壞與β的關(guān)系

2.3 高溜井垮塌部位分析

根據(jù)礦山實測高溜井垮塌部位三維模型，對模型進(jìn)行剖切，得到高溜井垮塌結(jié)構(gòu)圖；礦巖在高溜井下放過程中，對溜井井壁進(jìn)行沖擊、摩擦，根據(jù)溜井摩擦礦巖的運動軌跡和能量分析，可知溜井垮塌的形式主要和礦巖與井壁法向夾角的大小有關(guān)。根據(jù)高溜井的實測模型圖分析，垂直溜井中礦巖塊運動對溜礦段井壁造成的變形破壞包含了沖擊破壞和剪切破壞2 種形式。主要和礦巖瞬時運動方向與井壁法向夾角有關(guān)，當(dāng)夾角小于45°時，井壁破壞形式主要為沖擊損傷破壞，當(dāng)夾角大于45°時，井壁破壞形式主要為剪切破壞。結(jié)合溜井實測結(jié)構(gòu)圖3可知，高溜井在沒破壞時，溜井下中段有一個斜溜槽，溜井內(nèi)礦巖運動方向與井壁法向夾角小于45°，溜井主要為沖擊破壞。破壞后，礦巖在溜井內(nèi)運動方向與溜井壁法向夾角大于45°，溜井主要為礦巖剪切力，引起溜井損壞。

2.4 治理措施

高溜井損壞主要原原因是受礦石的沖擊影響?？梢圆扇∫韵碌拇胧p少溜井的破壞：首先，降低礦石對溜井的沖擊高度，減少礦石的落差高度，從而減少沖擊或不沖擊。如在生產(chǎn)過程中，增大溜井存礦高度，設(shè)置斜溜槽進(jìn)行放礦等措施；第二，對溜井本身進(jìn)行加固處理，錨桿支護(hù)或者鋼板支護(hù)等；第三是溜井設(shè)計時即考慮將易破壞區(qū)域調(diào)整至溜井的范圍之外，比如將溜井設(shè)計在圍巖穩(wěn)定性較好的區(qū)域；第四，在礦石落差較大的情況下， 可將溜井進(jìn)行分段施工，盡可能的降低礦石落差。

3 結(jié) 論

(1)采用三維激光掃描儀對垮塌部位進(jìn)行實測，得到溜井點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行SURPAC處理，得到溜井沖擊垮塌的實體模型。

(2)對溜井實體模型與設(shè)計模型進(jìn)行布爾運算，得到溜井垮塌三維模型，對垮塌模型進(jìn)行剖切，得到溜井垮塌結(jié)構(gòu)圖。對垂直溜井結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行礦巖下落分析，分析溜井垮塌原因主要為礦巖對溜井壁的沖擊，造成溜井垮塌。

(3)根據(jù)溜井結(jié)構(gòu)圖及礦巖沖擊井壁分析，溜井井壁的破壞形式為沖擊破壞和剪切破壞，主要原因是礦巖塊沖擊井壁，這2種破壞方式主要和礦巖運動方向和井壁法向夾角有關(guān)，夾角小于45°時，破壞形式以沖擊損傷破壞為主；大于45°時，則以剪切破壞為主。破壞最嚴(yán)重的位置為下中段斜溜槽口，主要破壞原因為上中段礦巖的沖擊。

(4)高溜井在沒破壞之前主要為礦巖對斜溜槽的沖擊破壞，在慢慢的破壞中，溜井破壞形式由沖擊破壞轉(zhuǎn)為剪切破壞。

(5)針對溜井的主要破壞方式，提出了溜井加固、滿倉放礦、設(shè)置礦堆等措施。