詹森昌(江西銅業(yè)集團有限公司德興銅礦, 江西 德興 334224)

1 前言

礦山開采過程中,溜井放礦有成本低、經(jīng)濟效益好、生產(chǎn)工藝流程簡單、管理方便和節(jié)能環(huán)保等重大優(yōu)點。 由于溜井放礦過程中,存在井壁產(chǎn)生磨損破壞、井筒堵塞跑礦等安全問題;加之礦山技術(shù)進步,設備大型化和可靠性提高,礦石汽車運輸成本下降等原因,露天開采的礦石運輸溜井方案有所減少。西藏巨龍銅業(yè)有限公司的露天礦很適合礦石溜井運輸方案,但溜井放礦存在較大的生產(chǎn)安全風險,最終決定采用礦石運輸汽車方案。

現(xiàn)對溜井放礦存在的問題進行綜合分析。

2 井筒貯礦對井壁應力的影響

2.1 空井時井壁應力

在巖體中開鑿井筒后,井筒附近原巖應力的平衡狀態(tài)受到破壞,巖體中的應力將重新分布[1]。 井筒可看作是一個半無限體中的垂直孔,其某個水平斷面如圖1 所示。 井筒遠處周圍作用有均勻壓力P,而在井筒附近則有應力升高區(qū)。 對于彈性體由理論分析得知,離井筒中心r處的徑向應力σr和切向應力σθ分布如圖2 所示。

圖1 均勻受壓的圓形井筒斷面

圖2 彈性狀態(tài)應力分布

其應力計算公式為

式中,σr為離井筒中心r處的徑向應力;σθ為離井筒中心r處的切向應力;P為井筒遠處的壓力;a為井筒半徑;r為離井筒中心的距離。

在井幫的切向應力最大可達2P,即井幫的應力集中系數(shù)為2,而井幫的徑向應力為零。 這時在井幫由σr和σθ衍生的剪應力值,按不同的剪切方向可根據(jù)莫爾定律來確定,而空井時其最大值為P。

2.2 井筒中礦石對井壁的壓力

1)楊森計算公式[2]

式中,σv為井筒中礦石高度z處的礦石壓力;γ為礦石松散體重;F為井筒斷面積;c為礦石黏結(jié)力;s為井筒周長;KC為礦石側(cè)壓系數(shù);φn為礦石與井壁摩擦角;z為礦石高度;σn為礦石高度z處側(cè)壓力。

式(3)、(4)表示σv、σh與礦石高度和井筒半徑存在函數(shù)關(guān)系。 當?shù)V石黏結(jié)力很小和礦石高度一定時,σh與井筒半徑成正相關(guān)線性關(guān)系。

2)散體拱形計算公式[3]

式中,P為礦石對井壁的壓力;r為井筒半徑;α為礦石與井壁摩擦角,其他同上。

式(5)表示P與井筒半徑成正相關(guān)線性關(guān)系。

3)井筒貯礦時井壁應力

井筒中的礦石對井壁產(chǎn)生的徑向壓力,是隨著溜井放礦過程中,井壁磨損,井筒直徑擴大,貯礦量增加,礦石對井壁的徑向壓力也隨之增大,從而改變了空井時井壁徑向應力為零的狀態(tài)。 但切向最大應力2P是不變的。 由于井壁有了貯礦產(chǎn)生的不斷增大的徑向壓力,井壁的應力也發(fā)生相應變化,這時井壁的剪應力是逐漸變小的,具體如圖3 所示。

圖3 井筒井壁應力圖

圖中,1 代表井筒半徑R1空井時應力圓;2、3 代表溜井放礦井壁磨損擴大后,貯礦條件下井筒半徑為R2、R3時的應力圓。 井壁的徑向壓力是隨著井壁磨損擴大,貯礦量增加而增大。 井壁的切向應力最大為2P,P的大小與其距地表距離有關(guān)。 按各種不同切面方向要求,可根據(jù)莫爾定律或莫爾應力圓計算出σr、σθ和τ應力。

3 礦石在井筒中的移動規(guī)律

溜井放礦時,礦石在井筒中的移動過程,可分為三個部分[4-5],具體如圖4 所示。

圖4 溜井中礦石移動示意圖

A 部分:未貯礦的井筒上部,卸礦的礦石直接沖撞對面井壁后回落到下部礦石表面。

B 部分:井筒貯礦段上部。 在溜井放礦過程中,礦石是等速、平穩(wěn)、緩慢、垂直向下全斷面移動。

C 部分:放礦閘門上部。 受放類橢球影響,礦石除垂直向下移動外,還有橫向移動,最終留下斜面死礦堆。

4 井筒貯礦對井壁磨損與破壞的影響

4.1 井壁磨損類型

1)沖撞磨損

卸礦的礦石直接沖撞對面井壁和反彈回沖撞原邊井壁所發(fā)生的磨損。 它發(fā)生在井口附近,形成“之”字形磨損。

2)滾撞磨損

卸礦的礦石沖撞井壁后,回落到下部礦石表面時,部分塊度較大的礦石,以剩下的能量滾動,再次沖撞井壁發(fā)生的磨損。 其地點是隨下部礦石表面高度而變化。 井空越高,沖撞力越大,磨損越嚴重。

3)降撞磨損

井筒內(nèi)礦石隨著放礦下降過程中,與下部礦石表面接觸瞬間,對井壁沖撞產(chǎn)生的磨損。 礦石在下降移動情況下,當?shù)V石停止重力流動時,如圖5 所示砸到井壁上,使井壁產(chǎn)生磨損[6]。 在該區(qū)域礦石移動并不隨著下部溜口放礦同時移動[7]。 其特點是地點不固定,礦石下落高度小,產(chǎn)生磨損小。

圖5 溜井中礦石沖砸井壁造成井壁磨損示意圖

4)摩擦磨損

井筒中礦石隨下部放礦而同時下降過程中,周邊礦石與井壁發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的井壁磨損。 貯礦段溜井磨損均勻,上下磨損速度非常接近[8]。

4.2 井筒破壞

井筒破壞的發(fā)生,一般是井壁受到磨損后,巖石內(nèi)部應力平衡受到破壞逐步發(fā)展而引起的。

1)沖撞和滾撞磨損引起的破壞

江銅武山銅礦為井下開采,1 號主溜井直徑為3 m,設計標高為-237 ～ -80 m,同時服務四個中段( -80 ～ -200 m)的出礦任務。 礦石由礦車卸礦經(jīng)斜溜槽進入溜井,在生產(chǎn)放礦過程中,發(fā)生的破壞情況是:井筒垮塌標高為-230 ～ -80 m,垮塌高度150 m。 在-120 ～ -80 m 呈之字形垮塌;在-120 ～-168 m 垮塌面積較大,形狀不規(guī)則,在- 168 ～-200 m垮塌最嚴重,斷面不規(guī)則,垮塌井筒斷面最大達420 m2[9]。

1 號主溜井采用空井放礦, -80 m 中段卸礦的礦石沖撞井壁,產(chǎn)生了井筒-80 ～ -120 m 間“之”字形破壞,由-80 m 和-120 m 二個中段的高井空卸礦產(chǎn)生滾撞磨損,加巖石節(jié)理特別發(fā)育等原因,使得-200 ～ -168 m 處發(fā)生非常嚴重的滾撞破壞。

2)降撞磨損引起的破壞

在放礦過程中,降撞的高度一般不大,發(fā)生頻率較低,地點也不固定,產(chǎn)生的磨損較小,對井壁破壞不大。

3)摩擦磨損引起的破壞

摩擦磨損是在貯礦條件下產(chǎn)生的,貯礦段井筒僅受礦石流動磨損,磨損速度較小且均勻,井壁光滑。 井筒貯礦使井壁剪應力減小,井壁一般不會引起破壞。

總之,井筒破壞主要是沖撞和滾撞磨損引起的。井筒貯滿礦可以避免上述磨損的發(fā)生,同時減小井壁剪應力和增加對井壁的支撐力,是減少井筒產(chǎn)生破壞的有效措施。

5 井筒貯礦對井筒堵塞的影響

5.1 設計對井筒直徑要求

溜井放礦過程中,井筒堵塞有2 種類型:大塊咬合拱和粉礦黏結(jié)拱。 為防止其發(fā)生,設計規(guī)范要求井筒直徑為[10]

式中,D1、D2為溜放非黏性和黏性物料的溜井直徑;dmax為溜放物料最大塊度;c為松散物料的黏結(jié)力;γ為物料的松散體重;θ為松散物料內(nèi)摩擦角。

5.2 井筒堵塞

1)大塊咬合拱堵塞

放礦過程中,井筒發(fā)生大塊咬合拱堵塞的原因:井筒施工質(zhì)量問題,如酒鋼鏡鐵山鐵礦黑溝2 號溜井,有五次堵塞發(fā)生在井筒直徑為最小的5 m 凸臺處[11];溜井井壁垮塌大塊巖石進入溜井,極易造成溜井堵塞[12];進入溜井的礦石塊度,大大超過規(guī)定的大塊尺寸,且大塊比例很高等。

2 粉礦黏結(jié)拱堵塞

江銅德興銅礦1 號溜井于1988年10月發(fā)生一次粉礦黏結(jié)拱堵塞。 當時井空較高,礦石中粉礦含量大和水分合適,井筒中礦石受到卸礦的礦石沖撞后,粉礦量增加的同時,粉礦被夯實,黏結(jié)力增大,形成粉礦黏結(jié)拱堵塞井筒。 后經(jīng)井口加水,懸拱自動垮塌。

當時入井礦石塊度0 ～400 mm,礦石松散體重為1.8 t/m3,若內(nèi)摩擦角和礦石黏結(jié)力取38°和0.6 t/m2,按式(7)計算,D2=2.2 m。 而1 號溜井當時已累計放礦量超過4 500 萬t,估計其井筒直徑大于8 m,黏結(jié)力c增大了3.6 倍以上,造成了1 號溜井堵塞,同時也是許多礦山發(fā)生的井筒黏結(jié)拱堵塞的主要原因。

5.3 井筒貯礦與井筒堵塞

井筒貯礦使溜井放礦過程,井筒中礦石與井壁發(fā)生摩擦磨損。 因為貯礦段四周井壁磨損均勻,上、下磨損速度非常接近[8]。 井筒貯礦段上部,在放礦過程中,礦石是整體、平穩(wěn)、緩性、垂直向下移動[5]。因此,井壁光滑、完整;礦石黏結(jié)力c基本穩(wěn)定,大大減少井筒發(fā)生堵塞的概率。

6 現(xiàn)場應用

江銅德興銅礦1 號溜井,井筒直徑為6 m,高180 m,采用雙側(cè)兩個溜口的鏈式閘門放礦。 兩臺20 t 電機車雙機牽引,10 m3礦車,軌距750 mm 窄軌鐵路運輸系統(tǒng)。 后來在井口安裝一臺直徑1.2 m 的旋回破碎機,使入井礦石最大塊度由1 m 經(jīng)破碎后為0.4 m。 采用滿井放礦,基本消除了卸礦對井壁產(chǎn)生的沖撞和滾撞磨損和破壞,只產(chǎn)生放礦時礦石移動與井壁發(fā)生摩擦磨損,因而井壁光滑完整1 號溜井生產(chǎn), 從1975年至1993年, 累計放出6 515.5 萬t,井筒完好。 最高年產(chǎn)860.1 萬t,最高日產(chǎn)超過3 萬t,生產(chǎn)正常。 其中,只發(fā)生過上述1988年粉礦黏結(jié)拱堵塞井筒事故。

1981年12月27日～ 30日,溜井放出礦量1 018.4 萬t時,對溜井井筒進行了一次全面實地考察。 結(jié)論:全溜井井壁光滑、完整,磨損輕微,井壁無浮石,未發(fā)現(xiàn)片幫現(xiàn)象,錳鋼板(閘門口上部井筒周邊)加固結(jié)構(gòu)完好[13]。

7 結(jié)論

(1)滿井放礦降低井壁剪應力和增加礦石的徑向壓力,對井壁起到支撐保護作用,消除沖撞和滾撞磨損,有效地減少井筒破壞。

(2)滿井放礦使井壁光滑完整,礦石黏結(jié)力基本穩(wěn)定,是有效消除大塊咬合拱和粉礦黏結(jié)拱堵塞井筒的有效措施。

(3)當井空較高時,上部卸礦和下部放礦應同時進行,最好是下部先于上部。

(4)礦石粉礦含量和水分不能有效控制,或礦石的粉礦黏性較大時,不宜采用溜井放礦。

滿井放礦是解決溜井放礦過程中存在問題的重要和有效措施,溜井放礦的風險是可控的。