冲击磨损作用下的溜井井壁变形破坏机理

路增祥 马 驰 殷 越

（1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114000；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）

溜井系统是金属矿床地下开采矿山简化提升运输系统、实现矿废石低成本下向运输的重要工程，确保溜井系统在其服务周期内的可靠使用，是实现矿山生产正常和高效运转的关键。但是，受溜井工程所处的复杂地质环境和其恶劣的使用条件影响，世界范围内的溜井变形、失稳和垮塌问题频繁发生［1-7］，轻者需长时间停产返修，严重者井筒报废，给矿山企业带来了巨大经济损失。如我国的程潮铁矿［8-9］、新城金矿［10］、甲玛铜多金属矿［11］等十几家矿山都曾发生过溜井严重变形破坏问题；而国外矿山中，加拿大Brunswick矿［12］的4条溜井中有3条报废。另1条进行返修，加拿大Quebec省北部10家地下矿山［13］的50条溜井中，有8条进行返修、7条报废，南非Kloof金矿［14］的3号溜井也因重大变形破坏而进行返修。因此，溜井井壁变形破坏问题已成为人们高度关注和广泛研究的重要内容。

为解决复杂地质环境条件下的溜井稳定性问题，提高溜井在其恶劣使用条件下的服务寿命，确保矿山生产的高效运营和顺利进行，国内外从溜井的工程地质环境条件、结构设计、支护与加固材料及支护方式、井壁的破坏机理和溜井修复等方面进行了诸多的研究，并取得了许多有益的研究成果，这些成果对提高溜井井壁的稳定性问题起到了良好的促进作用。但是，针对井壁支护与加固的破坏机理方面的研究，多聚焦于支护与加固材料的选择、结构的合理性等方面，具有一定的局限性。混凝土是溜井井壁支护与加固的主要材料之一，冲击与磨损是造成其损伤与破坏的主要原因，本研究拟对冲击磨损作用下井壁混凝土的变形破坏机理进行分析研究，以期对溜井井壁的稳定性研究起到促进作用。

1 溜井支护的混凝土结构及其特征

1.1 常见溜井支护方式

由于溜井工程位置选择存在一定的局限性，溜井穿越地段的工程地质条件复杂多变，且溜井使用过程中井壁反复受到矿岩的冲击与磨损。为提高溜井井壁抵抗矿石流冲击和磨损的能力，有效延长其服务年限，当溜井井筒穿越软弱、节理裂隙发育的不良岩层或破碎带时，对溜井进行适当的支护是非常必要的。

国内外溜井工程实践中，根据支护所用材料不同，常见的溜井支护分为混凝土、钢筋混凝土、钢纤维混凝土、钢轨、普通钢板（或锰钢板）、高锰钢板、橡胶衬板、钢纤维喷射混凝土、长锚索+短锚杆+混凝土等支护形式。根据支护范围的不同，可分为“裸井”（无支护）、局部加固、整体支护3种形式。

1.2 混凝土材料力学特性

各种类型的混凝土是溜井支护与加固的一种常见的主要材料。

混凝土是由水泥、砂、石等组成的非均质复合体，由于原材料性质和组成的较大差异，混凝土的力学特性表现出了复杂、多变和离散的特征。混凝土内部随机分布了大量大小不同的微裂纹和微空洞，这些微裂纹和微空洞在外力的作用下产生损伤演化，引起材料强度和刚度的弱化，直至破坏［15-16］。

混凝土是一种弹塑性体，受力时既产生弹性变形，同时也会产生塑性变形。在不同的应力水平下，混凝土材料的变形表现出以下特征：

（1）较低的应力水平下，混凝土的总变形很小，并以粗骨料的弹性变形为主；

（2）随着应力水平的提高，水泥胶凝体的塑性变形逐渐增加并快速增长；

（3）应力水平接近混凝土极限强度时，混凝土开始产生大量的裂纹，并且裂纹的扩展速度随着应力水平的继续增加而加大，直至混凝土完全破坏。

（4）混凝土中裂纹的产生首先是沿着粗骨料的表面逐渐延伸和增宽，并随着应力水平的增加而扩展、贯通，然后才是沿着细骨料的表面产生和扩展贯通的。

2 溜井中物料运动特征

矿岩在溜井上部卸矿站卸入溜井后，在重力作用下沿溜井中线方向向下运动，最后到达溜井底部或储料面。根据溜井倾斜角度的不同，溜井中的矿岩运动总体上呈现出下落、跳动、滚动、滑动等4种不同方式。溜井中矿岩运动的主要特征表现为：

（1）运输设备卸载时，矿岩赋予了一定的初始运动动能和初始运动方向。矿岩进入溜井后的运动方向为该初始方向与重力方向的矢量和，矿岩与溜井井壁发生碰撞前的运动轨迹近似于一段抛物线。

（2）垂直溜井条件下，矿岩的运动在经过2～3次冲击井壁后，垂直落入溜井之中。矿岩下落过程中，矿岩块具有的重力势能不断转化为动能，运动速度不断增加，当与井壁发生“碰撞”时，其运动动能又转化为造成井壁损伤破坏的冲击能。

（3）倾斜溜井中，矿岩块则很快与溜井底板产生碰撞，以跳动（滚动或滑动）的方式、沿溜井中线方向向溜井底部运动。而垂直溜井系统的分支溜井是倾斜溜井的另一种表现形式，矿岩块的运动方式与倾斜溜井中的完全相同。

（4）矿岩到达溜井储矿段中的物料表面后，随着溜井底部的放矿，矿岩呈现出整体下移的移动方式，而且也会表现出小颗粒移动速度快而大颗粒移动速度慢的自然分级现象。在这一过程中，矿岩在重力的作用下，通过其颗粒间力的相互传递，形成了矿岩颗粒接触面间的法向力和矿岩作用在井壁面上的法向力，最终产生了矿岩颗粒间的相互摩擦以及矿岩与井壁之间的摩擦，造成了井壁的磨损破坏。

3 溜井中物料运动对井壁的损伤破坏机理

根据溜井中矿岩运动特征的不同，溜井井壁产生的损伤破坏类型主要表现为冲击损伤破坏和摩擦损伤破坏2类。

3.1 冲击损伤破坏机理

冲击损伤破坏主要源自于矿岩块在下落过程中对井壁的撞击，井壁的损伤破坏程度取决于矿岩块冲击井壁时瞬时动能和冲击方向与溜井井壁法向夹角的大小，同时也与井壁材料本身的力学特性有关。

溜井中矿岩运动所具有的能量的耗散是导致溜井井壁产生变形破坏的根源。由于井壁混凝土属弹塑体材料，矿岩与溜井井壁发生碰撞时，矿岩块具有的动能作用于溜井井壁上，根据能量守恒定律，其中一部分能量使井壁产生弹性变形，而另一部分则使井壁产生塑性变形。井壁材料弹性变形的结果使矿岩块在井壁材料弹性恢复力的作用下，改变矿岩块的运动方向，并为矿岩块新的运动提供初始动能；而塑性变形的结果则造成了井壁材料的冲击与剪切损伤破坏［17］。

矿岩块冲击溜井井壁的动能来自卸载时运输设备所赋予的动能和所具备的重力势能2个方面。如图1所示，对于特定的混凝土井壁材料，若矿岩块冲击井壁时的瞬时动能为Ek，则矿岩块冲击井壁后，井壁的弹性变形恢复产生的反作用使矿岩块具有的新的瞬时动能为Ek′，假设矿岩块冲击井壁前后的瞬时方向与井壁法向的夹角为β，可建立如下所示动能平衡方程：

式中，Ed为矿岩块冲击井壁时，在井壁法向上损失的动能，该部分能量被井壁材料吸收，引起井壁材料的塑性变形，致使井壁产生破坏；Es为矿岩块冲击井壁时，沿井壁面产生的切向上损失的动能，该部分能量使混凝土受到剪切作用，在混凝土内部产生拉应力，加剧了混凝土材料的破坏。

整理（1）式，得到：

从（2）式可以看出，在图1描述的受力条件下，Ed和Es的值与β角的大小关系密切，反映了井壁材料的破坏类型，如表1。

?

3.2 摩擦损伤破坏机理

摩擦损伤破坏是井壁变形破坏的另一种形式，主要产生在溜井的储矿段以及分支溜井和倾斜溜井的底板，源自于矿岩在溜井中移动时对井壁的磨损。井壁的损伤破坏程度与井壁材料的耐磨特性、矿岩与井壁间的摩擦系数和矿岩移动时对井壁产生的法向作用力相关。

图2中倾斜溜井底板AB上的某一点O处，受到质量为mg的矿岩块的作用，同时也受到其它矿块通过该矿岩块传递来的铅垂方向和水平方向的作用力PV和PL的作用。假定矿岩块与井壁材料间的摩擦系数为μ，且矿岩块移动过程中不产生跳动或滚动，则很容易通过经典力学原理求出导致井壁产生摩擦损伤破坏的力的大小。

沿溜井井壁面产生的摩擦力f：

式中，N为作用在溜井井壁上的正压力。根据图2可以得出：

整理（3）、（4）式，可得：

因此可知，倾斜溜井中，溜井底板所受摩擦力的大小不仅与溜井的倾角、矿岩块和井壁材料间的摩擦系数有关，而且与矿岩块的质量以及其它矿岩块传递到该矿岩块上的力的大小相关。

在垂直溜井的储矿段中，图2中的α=90°，由（5）式可以得到：

由（6）式可知：垂直溜井的储矿段中，沿溜井井壁面产生的摩擦力f的大小只与矿岩块和井壁混凝土材料间的摩擦系数、其它矿块通过该矿岩块传递来的水平方向的作用力PL的大小有关。

4 结论

（1）复杂的工程地质条件和恶劣的使用环境条件是金属矿溜井井壁产生变形破坏的主要原因。

（2）垂直溜井中矿岩块运动对溜矿段井壁造成的变形破坏包含了冲击破坏和剪切破坏2种形式。决定这2种形式主导地位的因素是矿岩块冲击井壁时，其运动方向与井壁法向夹角的大小。夹角小于45°时，破坏形式以冲击破坏为主；大于45°时，则以剪切破坏为主。

（3）磨损破坏主要发生在溜井的储矿段和倾斜溜井与分支溜井的底板。磨损破坏的程度和矿岩与井壁间的摩擦力的大小有关，而摩擦力的大小取决于矿岩块与井壁材料间的摩擦系数的大小和矿岩作用在井壁法向上的力的大小。