露天矿山溜井磨损与放矿量的计算式

詹森昌（江西铜业集团公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

露天矿山溜井磨损与放矿量的计算式

詹森昌
（江西铜业集团公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

在德兴铜矿矿山开采过程中，早期采用矿石经旋回破碎后，通过溜井放矿，经电机车运往选矿厂。以德兴铜矿1号溜井为例，分析了溜井放矿井筒磨损规律，在贮满矿石的井筒放矿时，矿石对井壁的磨损是轻微、均匀、缓慢的，提出井筒摩擦损失的计算式，且摩擦当量与磨损速度成反比关系。通过对溜井线磨损速度及总放矿量、总磨损速度进行计算和预测，可为矿山规划、设计和生产计划提供依据。

露天矿；井筒磨损；移动规律；计算式；通过矿量

1 引言

德兴铜矿是一座大型现代化的世界级的露天铜矿山,日处理矿石量达13万t,年采剥总量1.3亿t。矿体产于花岗闪长斑岩与千枚岩接触带，矿石主要是含铜斑岩和含铜千枚岩。矿岩中等稳固，节理发育，矿石硬度系数f=5～7,硅化较强处，硬度稍大。

露采初期，处于山坡露天矿时，采用平硐—溜井运输系统，1号溜矿井在采区中部，穿过岩层为含铜千枚岩和含铜斑岩，井深为180m。设计井筒直径为5.7m，实际施工为6m，下部21m高度井筒直径为7.5m，除井筒底部井壁（5m高），用锰钢板加固外，全部无支护，采用双边重力放矿。1号溜矿井累计放出矿石量为6515.5万t，最高年份放矿量为860万t，最高日放矿量超过3万t。

在溜井放矿过程中，井壁的磨损破坏是影响矿山生产至关重要的问题。为了更好地掌握实际资料，分析原因、找出规律，指导设计和生产,对溜井进行了全面考察和实测。考察证实全溜井的井壁光滑、完整，磨损轻微，全溜井的井筒直径平均磨损扩大1.31m，井壁上无浮石，未发现有片帮现象，锰钢板加固（底部）完好［1］。本文利用上述考察资料、对溜井井壁进行磨损分析。

2 矿石在溜井中的移动规律

根据矿石在溜井中的移动过程，一般认为,可分为三个部分［2］，如图1所示。

（1）非贮矿段（图1中A）：井筒上部，未贮存矿石。矿石在卸矿时的初速度和重力加速度的共同作用下，冲击井壁后落到下部矿石表面。

图1 溜井中矿石移动示意图

（2）贮矿段上部（图1中B）：在溜井放矿过程中，井筒内的矿石是整体、平稳、缓慢、垂直向下移动。

（3）贮矿段下部（图1中C）：靠近放矿漏斗，受放矿类椭球体的影响，矿石除了垂直向下移动外，还有横向移动。尤其是到了流动线和“死矿堆”（图1中3、4）范围内，由于流动面积减小，易形成矿石结拱堵塞和“卡斗”。

3 溜井井壁磨损分析

3.1 非贮矿段

由于井壁受到卸矿时的矿石强烈冲击，留有冲击点、冲击沟（图1中6所示），使井壁受到冲击磨损。

3.2 贮矿段上部

由于矿石是分段整体、平稳、缓慢、垂直向下移动，其反映出井壁光滑、完整［2］；贮矿条件下溜各处磨损是均匀的，与深度无关［3］；矿石对井壁的磨损轻微，溜井周边面磨损是均匀的［3］；贮矿段溜井磨损均匀，上下磨损速度非常接近。

根据上述磨损特点，总结井壁的磨擦损失规律：不同直径的溜矿井在放矿磨损过程中，以1m高度的矿石与全井壁发生磨擦（放矿）1次，井壁摩擦损失是很微小，井壁四周的磨损量相同，且井筒上下部位是相近的。也就是说，由于摩擦（放矿）引起的溜井直径扩大（摩擦损失）0.1m时，相对处于不同直径时的井筒，其摩擦次数是相同的；但每次所用（通过溜井放出）的矿石数量是不同的，它与其不同直径的井筒的断面积成正比［4］。

如上所述，在分析井壁因放矿而产生的摩擦损失量，即井壁的磨损扩大与放矿量之间的关系，只要求出磨擦次数这个关键数据，结合当时的井筒断面积，就能找到它们之间的关系表达式。

现以德兴铜矿1号溜矿井为例，当井筒直径从6m，放出1018.4万t矿石后，井筒直径平均扩大1.31m，进行如下放矿磨损分析：

（1）计算井壁磨损的井筒平均断面积（表1）：

表1 井筒断面积、放矿量计算表

（2）井筒磨损扩大0.1m的摩擦次数。

先算出井筒直径从6m扩大到7.31m的累计井筒平均断面积（如表1所示），并结合放出矿石量，松散矿石体重和每次摩擦井壁的矿石高度,进而计算出井筒磨损扩大0.1m时的摩擦次数N。

摩擦井壁的次数：

式中N为井筒直径每扩大0.1m需摩擦次数，万次；Q为累计放出矿量，万t；S0为累计井筒平均断面积，m2；γ为松散矿石体重，t/m3；H为摩擦的矿石高度，1m。

井筒直径磨损扩大0.1m时,放出（摩擦井壁）的矿石量：

q=S·H·γ·N （2）

式中S为计算的井筒断面积，m2。

计算得N=1.238万次，即井筒直径每扩大（磨损）0.1m，需要以井筒高度为1m的矿石量摩擦1.238万次。由式（2）可知，式中H·γ·N的乘积是一个常数，以R表示，称其为“摩擦当量”，R=2.228 万t/m2，即式（2）可表示为：

q=R·S （3）

（3）井筒磨损计算式。

溜井在放矿过程中，井壁随之产生磨损扩大。当已知井筒直径每磨损扩大0.1m时的放矿量q，就可以用它来计算井筒直径磨损扩大n个0.1m （ΔD）的总放矿量Q。

演算过程如下：

图2 井筒磨损示意图

根据图2所示，井筒在放矿过程中不断产生磨损，但其累计放矿量Q：

Q=q0+q1+q2+……+qn=R·S0+S1+……+Sn（ 4）把式（4）中的井筒断面积改用直径表示，得：Q=R·π/4 D02+D12+D22+……+Dn2（5）

式中D0为井筒开始使用时的直径，m；D1D2……Dn为放矿磨损过程中不同时期的井筒直径，m；

D1D2……Dn之间的关系为：

上述式（6），是通过n和R来表达放矿量与井筒磨损扩大之间的关系式［5］。也就是说，只要知道井筒初始直径D0和“摩擦当量”R后，就能通过式（6）计算出井筒直径扩大到多少米时，其相应的放出矿石量是多少，但有几点需要说明一下。

第一，上式中的n是代表n个ΔD。由于上式中的第一项是 n+1 D02,并且式中ΔD=0.1m，因此，在具体计算时，如当井筒初始直径D0=6m,通过放矿磨损后，扩大至7.5m，即，n+1=7.5-6.0×10，n=14。

同理，井筒直径受进一步放矿磨损扩大至8.6m时，n=25，以此类推。再用n=14、25分别代入式（6），算出井筒直径从初始D0=6.0m，经放矿磨损扩大至7.5m 、8.6m时，各自放出的矿石量。

第二，“摩擦当量”R的确定。将溜井井筒初始平均直径、放出矿石的量、放矿磨损后的井筒平均直径这三个数据，按表1的格式和后部的计算程序计算求得“R”。对于溜井井筒平均直径，可采用较简易的方法求得，即把井筒贮满矿后，全部放空，根据所放出的矿石量和贮矿高度，计算其平均直径。

第三， 关于式（6）的计算误差。因为溜井放矿井筒所产生的磨损扩大，是连续的、渐进的过程。从理论上讲，适合于积分方式来计算。而本计算式是用多项式推导的，虽然多项式也是一个渐进的过程，两者相比还是有误差的。其误差可从以下几个方面来分析，即，其一，井筒直径的磨损扩大，是以m为单位来进行计算的，而本式ΔD=0.1m，因此计算误差不大；其二，如要减小误差，可把ΔD从本式的0.1m再缩小；其三，多项式与积分方式所计算出的放矿量，两者相比，前者偏小；其四，还有其他影响磨损的因素存在。因此，采用多项式并取ΔD=0.1m来进行井筒磨损的计算，与积分方式相比所产生的误差是可以接受的。

总之，式（6）得出的数据可用于矿山开采（矿床开拓）规划、溜井设计和生产安排，对溜井放矿的井壁磨损有一个理性认识，促进溜井放矿事业发展。

（4）溜井放矿量和磨损速度预测。

根据上述井筒磨损计算式和德兴铜矿生产中有关数据，对井筒直径每磨损扩大1m的放矿量和其线磨损速度及总放矿量、总磨损速度用式（6）进行计算和预测，有关数据如表2。

表2 溜井放矿量和磨损速度预测表

根据上述计算数据和1号溜矿井实际累计放矿量为6515.5万t比较，其对应的井筒直径是11m 时 Φ10～11m的累计放矿量6420万t，两者估计是相近的。

1979年，美国福陆公司对德兴铜矿17.3万t/d规模进行设计时，在概念性设计阶段，提出采用直径10m的溜井放矿方案［6］。为此，在1980年设计联络时，德兴铜矿派出专业技术人员去美国学习和考察溜矿井施工技术。因此，在贮满矿条件下，从福陆公司设计的放矿前Φ10m溜井直径磨损后最终直径达到16～17m是可能的，即，从上述井筒磨损的计算数据看，1号溜矿井直径达到17m时，其放矿量为2.7亿t。

3.3 贮矿段下部

在放矿过程中，矿石按类椭球体形态移动。因此，井壁磨损，比起上部要小，尤其是在流动线（图1中3所示）以下，除溜口正面额墙磨损速度大外，其它三个方向都有“死矿堆”（图1中4所示），井壁基本上不发生磨损［5］。

4 结论

（1）从上述分析可以看出，放矿溜井非贮矿段的井筒磨损，主要是井壁受到卸矿时的矿石长期撞击引起的，产生冲击磨损；贮满矿石的井筒放矿时，矿石对井壁的磨损是轻微、缓慢的，呈一定规律，可以用式（6）进行计算，其数据可作为矿山规划、设计和生产安排的依据。

（2）井筒的井壁磨损速度的大小，与溜井通过的岩层和放出矿石的性质有关。溜井通过的岩层越坚硬，整体性好，摩擦当量越大，磨损速度越小，可通过矿量越多。相反，R减小，磨损速度加大。

（3）矿山生产中，在采场安装矿石破碎机，减小入井矿石块度，不仅对放矿有利，对安全生产有利，对减小整个溜矿井系统的磨损也是有利的。

（4）在一般情况下，从放矿的摩擦损失分析来看，只要在井筒贮满矿时进行生产放矿，同时加强生产管理，一条溜井承担1～2亿t出矿任务是可行的。

［1］魏子昌, 詹森昌, 杨树本, 等. 对德兴铜矿1号溜井矿石移动规律及其磨损的考察[J]. 金属矿山, 1984(8):7-10.

［2］邵必林, 吕向东. 酒钢黑沟矿高深溜井正常使用途径的探讨[J]. 西安建筑科技大学学报, 2002, 34:383-389.

［3］郭宝昆, 张福珍. 矿石在溜井各区内的移动特点及其分析[J]. 黄金, 1985(3):20-25.

［4］李世广. 矿山溜井磨损因素分析及加固措施[J]. 矿业工程, 2012, 1(1):64-65.

［5］侯鹏翔. 采矿设计手册(井巷工程卷）[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1989.

［6］张泽荫. 溜井放矿技术进展[J]. 金属矿山, 1987(6):31-33。

The Formula of Ore Pass Wear and Ore Amount of Open-pit Mine

ZHAN Sen-chang
（Dexing Copper Mine, Jiangxi Copper Corporation, Dexing 334224, Jiangxi, China）

In early mining stage of Dexing Copper Mine, the ore was transported to the concentrator by motor vehicle through the ore pass after gyratory crushing. Taking No.1 ore pass of Dexing copper mine as an example, this paper analyzed the regular wear pattern of the mine well when the ore got through the ore pass. When the ore pass is full of the ore, the wear to the well wall is slight, uniform and slow. Proposing the formula of wellbore friction loss, the friction is inversely proportional to the rate of wear. Through the calculation and forecasting of the wear rate of orepass line, the total amount of ore and the total wear speed, it can provide the basis for mine planning, design and production plan.

open-pit mine；shaft wear；mobile law；formula；throughput of ore

TD521+.1

A

1009-3842（2015）03-0039-04

2015-04-22

詹森昌（1936-），男，江西婺源人，教授级高工，主要从事采矿工程相关研究工作。E-mail: 214533984@qq.com