溜井运输中悬拱产生的机理及解决对策

路增祥，张治强，张国建

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2. 辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心，辽宁 鞍山 114051)

溜井运输中悬拱产生的机理及解决对策

路增祥1,2，张治强1,2，张国建1,2

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2. 辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心，辽宁 鞍山 114051)

针对地下矿山溜井运输中悬拱导致溜井堵塞的问题，分析了悬拱现象产生的机理，认为矿岩颗粒之间的内摩擦力和细颗粒的黏结阻力的大小是溜井产生悬拱根本原因。溜井中矿岩的最大块度尺寸与溜井直径的匹配关系、黏结性粉矿含量、含水率的高低以及溜井直径的大小对悬拱的产生影响重大，矿岩下落时对溜井中物料的夯实和物料的重力压实作用增强了粗细颗粒之间的咬合力、内摩擦力和黏结力。从设计与使用管理两个方面提出了防止溜井悬拱产生的一系列措施，并给出了常见的溜井疏通方法。

地下矿山；溜井运输；悬拱现象；机理

溜井系统是金属矿床地下开采的咽喉工程之一，也是实现矿、废石低成本运输的关键工程。主竖井旁侧溜井(主溜井)和采区溜井是金属矿山生产中应用非常广泛的两大系统溜井系统，它们或是单独使用，或是联合使用，在实现矿、废石的低成本下向运输和灵活组织矿山生产方面起到了非常重要的作用。但生产实际中，由于各种因素的影响或相互作用，矿、废石在溜井内下降的过程中会形成稳定的平衡拱，造成物料流动中止，导致溜井堵塞成为影响溜井系统应用比较突出的问题[1-2]，溜井堵塞后的疏通方案研究也成为矿业科技工作者重点研究的内容[3-7]。

溜井的堵塞主要表现为井筒的堵塞和下部结构的堵塞。其中以井筒堵塞最为严重，溜口堵塞最为频繁[8]。溜井堵塞后不仅影响矿山的正常生产，其疏通工作也费时费力，且安全风险极大。因此，分析溜井堵塞的机理，研究有效的溜井堵塞的预防机制，是避免上述问题发生的关键所在。溜井运输的生产实践表明，悬拱是导致溜井运输系统发生堵塞的主要形式，本文拟就悬拱现象产生的机理和预防悬拱现象产生的对策进行深入研究，以期对地下矿山溜井系统的正常运行有所帮助，对矿山生产的稳定持续进行意义重大。

1 悬拱形式及其产生的机理

1.1 悬拱形式

如图1所示，溜井运输实践中产生的悬拱现象主要有咬合拱和黏结拱2种形式。

图1 悬拱的形式

1.1.1 咬合拱

咬合拱是溜井内较大尺寸的矿岩块，由于与溜井壁以及矿岩块之间的相互咬合形成稳定排列、楔紧在溜井断面形状突变处的情形，如图1(a)所示。

咬合拱形成的概率取决于矿岩中大块所占的比例、矿岩块度相对于溜井及其出口的尺寸大小、块矿的形状以及溜井中矿岩流的速度分布情况。咬合拱的形成也与溜井井壁的平整度有关，井壁光滑时，形成咬合拱的可能性较差；井壁凹凸不平时，形成咬合拱的几率较大。

1.1.2 黏结拱

黏结拱是黏结性矿岩中粉矿的胶结作用所导致的矿岩颗粒之间、矿岩与溜井井壁之间相互黏结，在溜井井筒中所形成的平衡拱如，如图1(b)所示。

黏结拱形成的可能性与矿岩的物理力学性质和矿岩在溜井中的流动状态有关。矿岩的粒度分布特征、粉矿含量、矿岩的黏结性、黏结性密度和内摩擦角等，均是与物料流动特性密切相关的物理力学性质，对黏结拱的形成影响较大。而矿岩含水率的高低以及溜井直径的大小则在一定范围内影响着黏结拱的形成。

1.2 悬拱产生的机理

溜井系统产生悬拱现象的机理主要有以下方面。

1.2.1 矿岩的流动特性

溜井运输中，矿岩流动特性对悬拱现象产生的概率影响较大。矿岩在重力作用下在溜井中向下运动时，运动阻力主要来源于矿岩颗粒之间的内摩擦力和细颗粒的黏结阻力，对于细颗粒含量较多的粘性矿物而言，其黏结阻力更加突出，也更容易形成悬拱。

当粘性矿物或粉矿含量高的矿岩内含有水分、且随着含水率的增加，矿岩颗粒黏结阻力增大，倘细颗粒具有足够的强度，则会在溜井内形成稳固的黏结拱，但此拱是否形成取决于井筒的直径和矿岩中的含水率是否超过某一限值。

如果溜井的直径超过一定尺寸，矿岩颗粒黏结阻力不能抵御其重量时，也无法形成黏结拱。

矿岩中的含水率超过一定限度时，水起到了润滑作用而使黏结阻力消失，矿岩无法在溜井中形成黏结拱，但却易形成泥石流，对溜井下部设施产生更强的破坏作用。

1.2.2 矿岩的最大块度与溜井直径的匹配关系

卸入溜井矿石的最大块度与溜井直径、放矿口尺寸的匹配关系、大块所占比例、不同尺寸的矿岩流动速度和溜井井壁的不平整度，以及它们之间的相互影响，均可能造成物料悬拱。这种情况下产生的悬拱多为大块咬合拱。

1.2.3 溜井上部卸矿对溜井内物料的冲击夯实

宋卫东等[9]的研究表明，溜井上部卸矿后，矿石在溜井中的运动呈显出经过2～3次对井壁的冲击后，会垂直落入溜井之中。

当矿石不再冲击溜井井壁，在重力作用下向下运动并达到溜井中的物料面时，会对物料产生冲击夯实，矿石对溜井中物料的冲击能E可用式(1)或式(2)确定。

E=Ek+Ep

(1)

式中：Ek为矿块下落过程中最后一次冲击溜井井壁后的瞬时动能的垂直向分量；Ep为最后一次冲击点距溜井中物料面处矿块所具有的势能。

根据运动力学的相关知识，式(1)可表达为式(2)。

(2)

式中：m为下落矿块的质量；g为重力加速度；h为矿块下落过程中最后一次冲击溜井井壁时的冲击点距溜井中物料面的高度；v为最后一次冲击溜井井壁后矿石运动的瞬时速度的垂直向分量。

溜井中矿岩下落时，冲击物料面的能量越大，物料被夯实的程度就越大。从式(2)可以看出：当矿岩块最后一次冲击溜井井壁后垂直下落时，由于其下落高度一定，冲击物料面的能量大小与矿岩块的质量和最后一次冲击溜井井壁后矿石运动的瞬时速度的垂直向分量的大小密切相关。

溜井中物料被夯实的力学机制在于改变了矿岩的流动特性，尤其是矿岩密度的改变，增强了粗细颗粒之间的咬合力、内摩擦力和黏结力。

1.2.4 溜井内上部储料对底部物料的重力压实作用

溜井放矿的主要原理是利用了物体的重力特性。但是，当溜井底部放矿停止后，重力的作用却使得溜井内的上部储料对底部物料产生了压实，降低了其流动性。溜井中的重力压实特征表现为当矿岩的容重不变时，作用力的大小随溜井中储料高度和溜井倾角的变化而变化。

当溜井为垂直溜井时，其大小计算见式(3)。

P=γ·Δh

(3)

式中：γ为溜井中储料的容重；Δh为溜井中某一平面上覆矿岩的高度。

这种重力压实作用具有持续性的特征，溜井底部停止放矿的时间越长，物料被压实的现象越明显，产生悬拱现象的可能性增加。如，望儿山金矿深部开采系统建设过程中，由于施工顺序安排和分项工程施工工期的调整，上部溜井刷大所产生的废石滞留在主溜井下部矿仓中长达5个月时间，最终导致底部矿仓产生了悬拱现象。

上述4个方面可归纳为设计、施工和溜井使用与管理方面的原因。

2 悬拱对溜井运输的影响

溜井运输生产过程中，一旦发生悬拱现象，溜井不能实现正常放矿，将对矿山生产带来影响，而且这种影响的时间长短是无法估计的。如2009年12月21日发生的镜铁山矿黑沟2#溜井堵塞事故，先后6次爆破，累计消耗炸药2 470 kg，直到2010年1月14日疏通成功，历时长达25 d[10]。攀钢新白马铁矿1#溜井于2008年7月6日发生的大块咬合拱高位堵塞，采用氢气球高空探测和携药爆破，加上溜井中地下水的润滑作用，历经1年多的时间，于2009年3月28日得以疏通[3]。这些溜井运输事故均给矿山生产造成了很大影响。除此之外，还存在以下两方面的问题。

1)悬拱发生后溜井的疏通非常麻烦，安全风险也极大。主要表现在悬拱发生的位置离放矿口距离的远近方面。悬拱位置距放矿口越远，疏通处理就越费事，安全风险也越大，耗时也越长。

2)爆破疏通方法是处理溜井悬拱的常用方法。但此法对破坏咬合拱可行，而对处理黏结拱则收效甚微，同时，爆破疏通也会对溜井井壁造成很大的破坏，爆破产生的动应力会引起群井连动破坏效应，加速邻近井筒破坏[11]。

3 溜井悬拱现象的解决对策

合理的溜井系统设计和有效的溜井使用管理是解决溜井悬拱问题、确保溜井运输生产正常进行的关键。根据悬拱现象产生的机理，应在溜井设计和使用管理的过程中采取相应的防范措施。

3.1 溜井系统设计

3.1.1 溜井断面设计

3.1.1.1 溜井的断面形式

矿床地下开采的溜井系统可分为主溜井系统和采区溜井系统。一般情况下，考虑到溜井系统服务寿命的长短，主溜井及其下部矿仓的断面多采用圆形断面，而采区溜井多采用矩形断面。

3.1.1.2 溜井的断面尺寸

溜井运输实践表明，溜井产生悬拱现象除与矿岩的流动特性密切相关外，溜井的断面尺寸对其形成也产生着重要的影响。

1)一般情况下，对矩形断面溜井，为防止咬合拱的形成，溜井最小边的宽度D可按式(4)确定。为防止黏结拱的形成，溜井最小边的宽度可按式(5)确定。

D=(3～5)d

(4)

式中：d为溜井下放矿块的最大尺寸，m。

(5)

式中：k为细颗粒黏结性；ρ为细颗粒密度；r为溜井断面的长宽比；φ为细颗粒的内摩擦角。

2)当溜井为圆形断面时，由式(4)和式(5)确定溜井尺寸即溜井直径。此时，式(5)可简化为式(6)。

(6)

为防止悬拱的形成，溜井的最小断面尺寸应大于式(4)和式(5)计算结果的最小值。

如望儿山金矿在其深部资源开采工程中，采用上向分层尾矿胶结充填采矿方法采矿，其中1、3号两个高段溜井(-350.00～-455.00 m)的设计直径为2.50 m[12]，采场溜井直径分为1 000 mm和1 200 mm两种，出矿时严格控制矿石块度不超过300 mm。

毛公铁矿根据其地下采矿方法和井下破碎设备的特点，确定溜井下放矿石的最大矿块尺寸d≤0.8 m，按式(4)计算结果，该矿溜井的净直径应为2.4～4.0 m，但考虑到对溜井储矿能力的需求，最终确定溜井的净直径为4.5 m[13]。

3.1.2 溜井结构设计

溜井的结构设计主要体现在溜井的倾角方面。要重点考虑不同溜井倾角下的矿岩流动特性及其形成悬拱可能性。

对垂直溜井中的黏结性矿石而言，从定性的角度，随着粉矿量、矿石中含水率(在一定范围内)的增加和矿石滞留在溜井中的时间的延长，其形成粘性拱的概率趋于增大趋势；对非粘性矿石，当粉矿含量一定和矿石中水分含量一定时，其形成黏结拱的条件取决于矿石下落过程中对于溜井中已有物料冲击力的大小和矿石滞留在溜井中的时间长短。

而对于倾斜溜井，随着溜井倾角变缓，矿岩的流动性变差，尤其是矿岩中含水率一定时，粉矿含量越大，矿岩的流动性越不好。从理论上讲，能够使矿岩在重力作用下产生流动的最小角度是大于矿岩的自然安息角。但由于矿岩在溜井中流动时，受摩擦力和黏结力等因素的影响，建议溜井的倾角不应小于55°。如望儿山金矿采区溜井采用2 200 mm×2 000 mm的矩形断面，溜井倾角为72°，在使用过程中，基本没有发生过悬拱现象。

因此，对于溜井倾角的设计要认真研究矿岩在一定含水率下的黏结特性和摩擦特性，并结合断面尺寸确定，选取合理的溜井倾角。

3.2 溜井使用管理

溜井运输生产过程中，由于不当的使用，如溜井上口不按设计要求安装格筛、不按规定进行放矿等，都会造成溜井悬拱现象的产生。

加强溜井的使用管理是预防溜井悬拱问题的重要的手段，制定合理的解决方案，是产生悬拱导致溜井堵塞后必须采取的对策。

3.2.1 溜井使用管理

根据笔者的多年生产管理经验，溜井使用过程中，要预防溜井悬拱问题的产生，应注意加强以下方面的工作。

1)溜井上口必须按允许的块度尺寸安装格筛，严格控制进入溜井的矿岩的最大尺寸。

2)保持溜井一定的储料高度，尽量降低矿岩块的下落高度，避免矿岩块下落时对溜井井壁的冲击破坏和对井中物料的冲击夯实。

3)正常生产过程中，溜井上部卸矿的同时，溜井底部必须进行放矿，并注意控制上部卸矿与底部放矿的速度，尽量保持使其相接近，即保持合理的空井高度。这样，既能保证上部卸矿的正常进行，又能避免对井中物料的冲击夯实。

4)除非进行溜井检查，否则，禁止放空溜井。特殊情况下出现空溜井卸矿时，当井中物料高度上升到5 m左右时，溜井底部开始缓慢放矿，使溜井中的物料面缓慢上升到合理的高度。以提高溜井中物料的松散度和可流动性。

5)粉矿含量较大的矿山，在溜井暂时停用前，要尽量减少向溜井中倒入过多的粉矿，尤其是倒入含水率较大的粉矿。

6)矿岩黏结性强的矿山，需测定矿岩进入溜井后开始黏结的时间，确定出溜井暂时停用期间溜井底部放矿的间歇时间，以防止矿岩在溜井中形成黏结拱。

7)溜井底部放矿过程中，一旦没有矿石放出，需立即停止上口卸矿，查找原因，确认溜井是否产生悬拱现象。

如望儿山金矿在出矿管理中，为预防大块进入溜井系统产生悬拱现象，除采场溜井上口设有300 mm×300 mm的格筛外，在其主溜井上口也设有350 mm×350 mm的格筛；在其1、3号两个高段溜井(-350.00～-455.00 m)放矿中，通过上口卸矿和下口放矿的密切配合，严格控制溜井的空井高度保持在10～15 m之间，有效改善了溜井中物料的松散度和流动性，避免了矿岩块下落时对溜井井壁的冲击破坏和对井中物料的冲击夯实。

3.2.2 悬拱问题处理

为确保溜井(尤其是高深溜井)堵塞后能够得到及时疏通，恢复其运输功能，在溜井疏通实践中形成了许多行之有效的处理方法[3,7,14-16]，以应对溜井不同部位的各种堵塞形式。表1列出了常用的溜井疏通方法及其应用特点。

溜井运输过程中，一旦发生悬拱问题，可根据悬拱现象的具体情况，选用合适的方法进行疏通处理。

4 结 论

本文通过对溜井运输生产中产生悬拱问题的机理和如何防范悬拱现象发生的对策研究，得出以下结论。

1)溜井悬拱产生的可能性与溜井中矿岩的流动特性密切相关，矿岩颗粒之间的内摩擦力和细颗粒的黏结阻力的大小，是导致悬拱现象产生的内因所在。

表1 溜井疏通方法及其应用特点

2)进入溜井的矿岩最大块度尺寸与溜井直径的匹配关系、黏结性粉矿的含量、矿岩含水率的高低以及溜井直径的大小对悬拱的产生提供了基础。

3)矿岩在下落时对溜井中物料的夯实作用和重力压实作用改变了矿岩的流动特性，增强了粗细颗粒之间的咬合力、内摩擦力和黏结力。

4)溜井断面尺寸的确定，应根据产生两种不同形式悬拱的条件，测定相关参数，按照文中给定的方法进行分别计算，并取其中的最小值作为最终的溜井断面；而溜井倾角的确定，需建立在矿岩在一定含水率下的黏结特性和摩擦特性的研究基础上。

5)合理的溜井断面尺寸和严格的溜井使用管理措施是预防溜井悬拱产生的关键。研究结果为采用溜井运输方式的地下矿山的溜井设计与使用管理提供了思路。

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Mechanism of hanging-up phenomena and its solving countermeasures in transportation of ore pass

LU Zengxiang1,2，ZHANG Zhiqiang1,2，ZHANG Guojian1,2
(1. School of Mining Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China; 2. Engineering Research Center of Green Mining of Metal Mineral Resources of Liaoning Province，Anshan 114051，China)

Aiming at the problems of blockage of ore-pass transportation in underground mine caused by hanging-up arch, the mechanism of hanging-up phenomena was analyzed. It is considered that the fundamental cause of a hanging-up arch generated in ore-pass is the size of the internal friction between ore and rock particles and the adhesion resistance of fine particles. The following factors play a very important role on hanging-up arch generating, these are the matching relationship between the maximum block size of ore and rock in the ore-pass and the diameter of the ore pass, the content of cohesive powder minerals, the rate of water content of minerals and the size of the diameter of ore pass. Meanwhile, the interlocking force, internal friction and the cohesive force between the coarse and fine particles is enhanced by the action of impact compaction on the surface of material in the orepass when the ore block is falling down and the gravity compaction of material in the orepass. A series of measures on preventing the hanging-up arch generated in ore-pass are proposed from two aspects of the design and the management of ore-pass. It also gives out the common method on the dredging of orepass.

underground mine; ore-pass transportation; hanging-up phenomena; mechanism

2016-10-10

“十二五”国家科技支撑计划项目资助(编号：2013BAB02B08)

路增祥(1965-)，男，博士，教授，硕士生导师，主要从事金属矿床地下开采方面的教学与研究工作，E-mail：zengxiang_lu@sohu.com。

TD853

A

1004-4051(2017)04-0153-05