金属矿山溜井问题研究现状及方向

金属矿山溜井问题研究现状及方向 路增祥;马驰;曹朋;马强英 【摘 要】溜井在使用过程中频繁发生的堵塞现象和井壁变形破坏问题,已成为影响矿山安全高效生产的重要因素.将溜井问题归纳为溜井堵塞和井壁稳定性两大问题,并系统分析、总结了溜井问题的研究现状及存在问题.溜井堵塞问题表现为其底部放矿过程中井内物料流动中止,井壁稳定性问题主要表现为井壁变形、失稳和跨塌.研究表明:①矿石含水率、粉矿含量、放矿漏斗角、贮矿高度、贮矿时间以及矿岩块度与溜井直径之间的匹配关系,井壁支护结构脱落与井壁围岩垮塌产生的大块,以及溜井使用管理方面存在的问题,是造成溜井堵塞的主要原因;②矿(废)石的粒度分布特征及其物理力学特性,溜井工程围岩的地质结构特征及其应力场特征,溜井结构、井壁支护强度及其相互关系,是溜井井壁产生变形破坏的主要原因;③矿(废)石在溜井中运动与井壁接触并产生力的作用,使得溜井井壁受到冲击、剪切和摩擦损伤,是溜井井壁产生变形破坏的根本原因;④溜井堵塞后的爆破疏通和临近溜井的掘进爆破,加剧了对井壁的人为破坏.在上述分析的基础上,认为今后溜井问题的研究应着力于:①研究溜井堵塞各影响因素之间的关系,建立相关数学模型,探讨溜井结构及其相关尺寸的设计准则,预防溜井堵塞;②揭示溜井中物料的运动规律及其对井壁的力学作用机理,改善溜井结构及其支护方式,从根本上解决溜井稳定性问题;③研发应力释放技术和高应力环境下的工程支护技术,是解决深埋溜井井壁应力致裂破坏问题的主要研究方向;④从溜井的设计、使用与管理角度预防溜井堵塞,研发溜井堵塞的非爆破疏通技术,减轻爆破对井壁的损伤.

【期刊名称】《金属矿山》 【年(卷),期】2019(000)003 【总页数】9页(P1-9) 【关键词】金属矿山;溜井问题;堵塞;井壁稳定性;研究方向 【作 者】路增祥;马驰;曹朋;马强英 【作者单位】辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁鞍山114051;辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁鞍山114051

【正文语种】中 文 【中图分类】TD853

溜井在简化矿山提升运输系统、提高生产效率和降低成本方面发挥了重要作用，在金属矿山地下开采中应用极为广泛，是矿山在多阶段运输中实现矿（废）石高效低成本下向运输的关键工程。溜井系统的可靠使用，是确保矿山安全高效生产的关键［1-2］。但是，复杂的工程地质环境［3］和恶劣的使用条件，导致溜井变形破坏现象频繁发生［4-6］，如西藏甲玛铜多金属矿［7］、山东新城金矿［8］、湖北程潮铁矿［9-10］等十余家矿山都因溜井发生严重变形破坏而导致停产返修；南非Kloof金矿3#溜井［11］、加拿大魁北克省北部Brunswick矿等十余家地下矿山［12-13］都因溜井产生重大变形破坏而进行过返修，一些矿山溜井由于变形破坏严重，导致整个溜井系统报废，给矿山造成了巨大的经济损失。 为解决溜井的稳定性问题，延长溜井的服务年限，大量学者及工程技术人员从溜井工程的地质条件、结构设计、支护材料与加固方式、溜井中矿岩运动、井壁变形破坏机理、溜井修复、溜井堵塞与疏通方法等方面进行了研究，取得了丰硕成果。上述研究对于预防溜井堵塞及堵塞后的疏通处理，提高溜井井壁的稳定性发挥了一定的作用。但在矿山生产实践中，由于溜井工程恶劣的使用环境和特定的工程地质条件的影响，溜井堵塞与井壁变形破坏问题并未得到根本解决，安全事故依然频繁发生，给矿山安全生产造成了很大影响。本研究在系统归纳和总结金属矿山溜井堵塞与疏通、井壁变形破坏与修复两大问题的基础上，对今后的主要研究方向进行探讨，为溜井问题的后续研究提供参考。 1 溜井工程概述 金属矿床地下开采中，根据溜井系统与其他工程的相对位置，可分为主溜井（主竖井旁侧溜井）和采区溜井两大类。从溜井布置方式上，根据溜井与水平面的夹角，可以分为倾斜布置方式和垂直布置方式。以主溜井为例，溜井的2种布置方式如图1和图2所示。

一般情况下，对于采区溜井，溜井系统主要由上部卸矿站、分支溜井、溜井井筒、矿仓及其底部结构构成。对于主溜井，有时还可能包括破碎硐室（图1、图2）。矿床采用多阶段开采方式时，溜井工程的功能主要有：①在不同阶段之间实现矿（废）石低成本下向运输，有利于提高坑内运输效率，降低生产成本；②通过采区溜井，实现矿（废）石在某一阶段的集中运输，达到简化井底车场布置、减少开拓工程量和节省工程投资的目的［14-15］；③主溜井和采区溜井的配合使用，能够简化竖井提升系统和坑内运输系统，提高矿（废）石的运输效率，使得矿山生产组织更加灵活。 2 溜井问题研究现状

根据溜井运行过程中发生的影响溜井正常放矿的各种现象，可归纳为两大溜井问题：①放矿过程中的物料流动中断造成的悬拱现象，即溜井堵塞问题；②各种力的作用下溜井井壁产生的变形破坏现象，即井壁稳定性问题。 2.1 溜井堵塞问题及处理方法 2.1.1 溜井堵塞问题 溜井堵塞表现为其底部放矿过程中井内物料流动中止（图3）。形成堵塞的可能性与矿岩的流动特性、最大块度与溜井直径的匹配关系、上部卸矿对井内物料的冲击夯实、井内储料对底部矿岩的重力压实等因素有关［1］。堵塞部位位于井筒或溜井下部结构处，其中，井筒堵塞造成的后果最为严重，溜口堵塞发生频率最高［16］。陈华国等［17］研究了会泽某矿山高深直溜井的堵塞情况，认为溜井断面尺寸不合理与上部溜矿段较长时间存储矿石是该矿溜井发生堵塞的主要原因；程汉臣等［18］将鸡笼山金矿的溜井堵塞原因归纳为工程设计、施工质量、生产管理等因素，认为该矿溜井堵塞与溜井施工质量、溜井管理不规范、井筒板安装不到位、格筛使用不当、充填泄水、大块堵塞等因素有关。

溜井放矿时，矿石中的粉矿含量与含水率对溜井中矿石的流动性影响较大。刘艳章等［19］采用相似试验与数值模拟相结合的方法研究了金山店铁矿粉矿含量与含水率的变化对溜井放矿的影响，结果表明：当矿石含水率为1%～3%、粉矿含量为11%～17%时，主溜井堵塞故障明显减少；Hadjigeorgiou J等［20］针对加拿大魁北克省地下矿山矿石溜井系统产生的黏结拱和咬合拱现象，采用PFC3D软件建模，研究了溜井几何形状、矿块形状与块度分布对溜井内形成咬合拱的影响，为避免发生溜井的咬合拱堵塞现象具有一定的指导意义；Vo T等［21］将矿石材料与坚硬围岩形成的溜井壁系统概化为满足莫尔-库仑破坏准则以及相应流动规律的塑性—刚性连续体，采用不连续应力场和速度场的方法，对溜井中的悬拱问题进行了分析，认为溜井产生悬拱与矿石的含水率和内聚力密切相关。 当溜井井筒穿越岩层条件复杂、存在构造或破碎带时，或处于深埋“裸井”条件下，应力引起的井壁围岩产生了“应力致裂”现象［2］，易导致井壁在矿石流的冲击下，大块岩石从井壁母岩上脱落并坠入井筒，使溜井发生堵塞，这也是导致溜井井筒迅速扩容（井径增大）非常重要的原因之一。 2.1.2 溜井堵塞问题处理 采取各种有效措施预防溜井堵塞，是保证溜井使用功能得以充分发挥的关键，但由于各种原因发生的溜井堵塞事故难以避免。现阶段，溜井堵塞后主要采用爆破方案进行疏通，但耗时较多，如2009年12月21日镜铁山矿黑沟2#溜井发生了堵塞事故，采用爆破疏通方案进行处理，先后进行了6次爆破，共消耗炸药2 470 kg，历时25 d才疏通成功［22］；2008年7月6日攀钢新白马铁矿1#溜井发生了大块咬合拱高位堵塞事故，采用了氢气球探测和携药爆破方案，在地下水的润滑作用下历时1 a左右才疏通完毕［23］。因此，在溜井放矿实践中，及时疏通溜井，恢复其运输功能，是溜井（尤其是高深溜井）堵塞后亟待解决的问题［23-27］。攀钢兰尖铁矿堪称处理溜井高位堵塞问题采用方案最多的矿山，该矿尖山2#溜井的5次高位堵塞事故中先后采用了溜井附近药室爆破震动、军用火箭弹、矿用火箭弹、氢气球运载聚能弹、爆破加高压水冲和溜井钻孔扩帮等方案，取得了理想成效［28］；Hart R［2］在研究南非Kloof金矿3#竖井开拓范围内岩石溜井问题与堵塞的基础上，研发了处理溜井堵塞的“炮车”。 溜井堵塞后的爆破疏通能够对溜井井壁产生较强的破坏作用，相关技术人员设计了许多非爆破疏通方案，力求减轻爆破作业对溜井井壁的损伤与破坏。刘铁军等［29］通过对部分金属矿山实地考察后认为，避免溜井堵塞的关键在于选择合理的溜井底部结构以及制定合理的放矿制度；肖文涛［30］研究了金山店铁矿采场溜井的堵塞原因，认为控制入井物料、确保溜井结构合理和加强溜井溜放管理是防止溜井堵塞的有效措施；陈日辉等［31］发明了一种结构简单、针对性强、操作方便、安全可靠、效果好、实用性强的溜井堵塞探测处理装置；蔡美峰等［24］发明了一种以压缩空气为动力源的溜矿井堵塞疏通方法及系统；对于高深溜井堵塞后的疏通处理，吕向东［32］研究了黑沟矿高深溜井堵塞机理及其治理问题，认为研究溜井中的矿石流动规律，有助于预防和解决溜井出现的堵塞问题。 现阶段，对于溜井堵塞问题及其处理方法的研究主要聚焦于溜井中物料流动特性、溜井结构设计、矿岩最大块度与溜井直径的匹配关系、溜井施工质量与生产管理等方面。尽管对于溜井堵塞已经涌现出诸多行之有效的疏通方法，但在具体实践中仍然存在一些不足：溜井堵塞的具体原因无法进行有效探测分析，只能依靠现场工程技术人员进行分析推断，因而在疏通处理时难以形成有针对性的、快速有效的方案，更多的是采用对溜井井壁具有严重破坏效应的爆破方法进行疏通。 2.2 溜井井壁稳定性问题 溜井井壁的稳定性问题主要表现为井壁变形、失稳和跨塌（图4、图5）。产生这一问题的根本原因是溜井工程所处的复杂地质条件及其恶劣的使用环境。溜井变形破坏特征主要表现为溜井断面不断扩大、井壁支护结构破坏、井筒围岩片帮与坍塌等［2］。导致溜井产生变形破坏的因素较多，如工程地质条件和岩体物理力学性质［13］、溜井区域的地应力状态［33］、溜井使用环境、运输物料粒度分布特征及其物理力学特性［11］、溜井设计施工与使用管理等［33，34-36］。 2.2.1 溜井井壁失稳机理 目前，对于溜井稳定性问题，国内外的研究方法趋于向多元化发展，常见的方法有现场调研、理论分析、物理模拟试验、数值模拟计算等。但无论采用何种方法，最终目的在于分析溜井井壁失稳机理，以便采取恰当的应对措施。 2.2.1.1 国外研究进展

溜井井壁失稳的诱因为溜井工程围岩地质结构特征、围岩应力场、溜井结构及其相互关系，溜井中物料运动及其对井壁的作用，溜井堵塞后的爆破疏通等。Stacey T