卸矿高度对溜井卸矿冲击夯实作用效果的影响

马 驰，路增祥,2，杨宇江,2，任崇阁

(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)

溜井卸矿过程中矿岩对储料的冲击夯实作用不仅会造成贮矿段井壁损伤，而且影响储料的密实度，是引发储料堵塞、井壁失稳等溜井问题的因素之一[1]。贮矿段内储料是由大量矿岩块组成的散体体系，瞬时的冲击荷载经散体内颗粒的碰撞和挤压被分散传递。形成的应力波在散体颗粒内传播、衰减，最终到达井壁或储料深处[2]，影响了整个溜井贮矿段系统。为探究冲击荷载作用下散体的动力学响应及其影响因素，马宗源等[3]通过颗粒流数值软件(PFC2D/3D)模拟并分析了砂砾土地基的强夯过程，研究发现强夯作用下砂砾土的孔隙率降低，降幅受颗粒间的接触刚度(k)、散体体系加载和卸载的刚度比(Rh)影响；强夯法的最大影响深度随k值的增大而减小，与Rh、夯锤重量呈正相关。王嗣强等[4]研究发现不同颗粒形状的散体体系下存在一个不同的临界厚度值Hc，Hc和颗粒床层厚度共同决定着颗粒材料的缓冲率，进而影响着冲击作用对容器底板的冲击力峰值。NAZHAT等[5]分析了夯实作用下颗粒(土壤)的变形及应变场的变化特征，研究表明土的变形是土体本身的承载作用和冲击板连续的夯实作用共同影响的结果，随着颗粒密度降低，压实的作用效果减弱，同时更多的能量转移至土壤更深范围。此外，排列顺序[6]、颗粒形状[7]、边界条件[8]等影响着冲击荷载对散体体系的作用效果。了解影响冲击夯实作用效果的因素及其影响特征有助于预防和解决溜井由于冲击夯实作用导致的堵塞、井壁损伤问题。

降低卸矿站与储料面的结构落差和保持溜井一定的储料高度是减弱卸矿冲击夯实作用的有效措施[1]。其根本原理是通过降低卸矿高度的方法减小矿岩与储料面撞击时的动量，进而削弱冲击夯实作用效果。目前相关的研究较少，为探究溜井卸矿过程中卸矿高度对冲击夯实作用效果的影响，本文在文献[2]基础上，提出了用于分析冲击夯实作用效果的评判标准，采用离散元方法(PFC2D)，建立溜井卸矿数值模型，模拟卸矿过程中矿岩对储料的冲击夯实作用过程，探究冲击夯实作用下卸矿高度对不同范围下储料孔隙率变化量和井壁冲击力峰值的影响特征。研究结果可为矿山防范溜井卸矿过程中的冲击夯实作用提供参考与指导。

1 冲击夯实作用效果的评判方法

卸矿过程中的冲击夯实作用对溜井系统主要有两种影响：一是增大了储料的密实度，提高了溜井储料堵塞概率；二是冲击力最终传递到溜井井壁，对井壁造成冲击损伤，影响井壁稳定性[1]。前者为对储料的夯实作用，后者为对井壁的冲击作用。目前荷载作用下散体体系力学模型仍无定论，无法通过建模、解析等方法分析冲击夯实作用。为分析这两种作用效果，应采用以当前研究手段能够获得的指标进行表征。

1.1 夯实效果表征方法

卸矿过程中，矿岩散体颗粒(以下称为冲击体)下落，并以较高的速度V0冲击储料面，储料颗粒受到外部荷载作用发生挤压、碰撞，相对位置发生变化，密实度随之改变。为准确分析冲击夯实作用对储料密实度的影响效果及影响范围，参考强夯处理过程中高填地基强夯效果的表征方法[3,7]，采用储料孔隙率的变化量表征储料的夯实作用效果，见式1。储料孔隙率变化量越大说明夯实作用效果越明显，反之亦然。

Δn=n0-n1

(1)

式中：Δn为冲击夯实作用后储料的孔隙率变化量，%；n0为储料初始孔隙率，%；n1为冲击夯实作用后恢复平衡状态下储料的孔隙率，%。

1.2 冲击作用的表征方法

井壁应力是影响溜井贮矿段井壁稳定性的主要力源[9]。冲击夯实作用下贮矿段井壁应力在短暂的时间内达到峰值后递减[10]。不同储料标高范围下的应力峰值变化是评价储料缓冲性能的主要指标之一[11]。因此应该以冲击夯实作用过程中井壁承受的冲击力峰值为分析重点。在关于测量仓壁应力方面的实验中[9,12-13]，大多通过监测井壁法向应力的方法直接获得井壁应力值，但冲击力存在入射角度问题，冲击夯实过程中井壁所受冲击力是井壁侧压力和冲击力法向分量的合力。因此，这种方法不适用于分析冲击夯实作用下的井壁受力问题。为探究更加合理精确的井壁应力测量方法，对井壁应力进行受力分析，以溜井右侧井壁受力为例，如图1所示。

图1 冲击夯实作用下井壁受力分析Fig.1 Mechanical analysis of wall underimpacting ramming

水平方向以右为正方向，铅垂方向以下为正方向。假设矿岩块与井壁接触点为点O，在储料内部应力平衡状态下(冲击夯实作用前)，井壁受矿岩侧压力N1(正)以及与颗粒间的摩擦力f(方向可能正也可能负)的作用。冲击夯实作用下冲击力峰值F1以矿岩与井壁的接触为传播路径作用在井壁上，因为冲击力由上至下传递，可能存在一定的入射角度α，此时可以将冲击力分解成水平和铅垂的两个分量F1x和F1y，则有式(2)。

(2)

式中：F1为冲击夯实作用下井壁承受的冲击力峰值，N；F1x、F1y分别为F在x、y上的分量，N；α为冲击力的入射角度，(°)；Fx、Fy分别为作用在井壁x、y方向上的合力，N；N1为井壁侧压力，N。

当前实验过程中，在x方向、y方向上冲击前后的井壁应力大小是可以测量的。结合式(2)，在已知Fx、Fy、N1情况下，冲击力峰值可以通过式(3)求得。

(3)

冲击力峰值值越大说明该范围内井壁受冲击作用越大，反之亦然。

1.3 基准线

应力波由储料面开始向储料内部及井壁扩散[14]。由于受颗粒内摩擦力阻力、颗粒运动损耗等作用的影响，应力波在传递过程中不断衰减直至消失，冲击夯实效果随着应力波传递距离的增加而减弱。传统筒仓井壁应力、孔隙率的测量实验常以溜井底板为基准线，但溜井标高不能准确表达应力波传播距离。因此，在冲击夯实作用的研究中应以储料面为基准线进行测量和分析。

2 溜井卸矿过程的离散元模型

冲击荷载作用下散体颗粒的动力响应非常复杂，很难通过解析、建模等方法进行分析。相关研究大多建立在数值模拟、物理实验或现场测试等研究方法之上，其中离散元数值模拟是探究散体颗粒受力特征最常用的研究手段之一[3,6]。此外，矿山实际生产过程中，受卸矿角度、卸矿方式等影响，下卸矿岩的运动具有很强的随机性，导致同一卸矿高度下同一时刻作用在储料上的冲击荷载及其作用位置可能是不同的，进而影响储料孔隙率和井壁应力峰值的测量结果。因此，本文不考虑卸矿角度、卸矿方式及矿岩质量等因素对冲击夯实作用的影响，待卸矿岩颗粒在储料正上方生成并自由下落，模拟矿岩冲击夯实过程。

本文以垂直溜井为实验对象，根据溜井工程的应用实例构建数值模型，模型结构参数如图2所示。其中贮矿高度(h)24 m，在距离储料面Hm(卸矿高度)处生成4 m3的待卸矿岩散体，开始实验时，待卸矿岩散体自由下落，最终撞击在下部储料上。在实验过程中，以储料面为基准线，设测量范围中心与储料面距离为D，分别测量储料面以下Dm(D-1≤测量范围≤D+1)测量范围内的孔隙率及井壁应力。 卸矿站和贮矿段结构落差一般在40 m以上[15]，选取卸矿高度H=25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m，分别模拟指定高度下冲击夯实作用过程，分析储料孔隙率及井壁应力变化特征。

图2 溜井卸矿模型Fig.2 Model of ore dumping process

通过现场调研及室内试验，确定颗粒间剪切模量为13.6 GPa，泊松比0.23，摩擦系数为0.5，阻尼系数为0.3。 墙体法向刚度和切向刚度均为1 GN/m，摩擦系数为0.4。 储料内矿岩颗粒密度3 400 kg/m3，粒径级配见表1。

表1 矿岩颗粒级配组成Table 1 Granularity composition of ore and rock

3 卸矿高度对储料夯实效果的影响

根据数值模拟结果，不同卸矿高度下贮矿段储料的孔隙率变化量如图3所示。

图3 不同卸矿高度下的孔隙率变化量Fig.3 Void ration reduction at differentunloading height

整体上，冲击夯实作用会导致储料孔隙率下降，夯实效果与D值(与储料面距离)和卸矿高度有关。冲击夯实作用下整体储料变化量在不同范围下呈现出两种变化趋势。储料面以下5 m左右范围内的储料孔隙率变化量较大，夯实效果明显，主要受卸矿高度和与储料面的距离(D)影响，随着D值增加、卸矿高度降低而减小；距离储料面7 m及以上范围内的储料孔隙率变化量大多不超过0.002，卸矿高度和D值对其影响不大。

假设把同一卸矿高度下，孔隙率变化量随D值改变发生明显变化的储料范围视为该卸矿高度下的夯实范围，则在当前溜井结构参数下，卸矿高度在25 m时夯实范围在储料面以下1 m以内；卸矿高度在30～45 m时夯实范围在储料面以下5 m以内；卸矿高度50 m时夯实范围在储料面以下7 m以内。由此可看出降低卸矿高度可以减小卸矿过程中的夯实作用范围。

对比不同卸矿高度下孔隙率的变化量发现，同一范围下卸矿高度越大，孔隙率变化量越大，同时在储料面以下5 m范围内，这种变化趋势尤为明显；而在储料面以下7～23 m范围，卸矿高度对该范围下孔隙率的影响程度越小。总体上，降低卸矿高度可以有效削弱夯实效果，距离储料面越近，削弱效果越明显。

在距离储料面较远(7～23 m)范围内，随着D值增加，不同卸矿高度下孔隙率变化量相差不大，其走势近乎一致。说明在该范围下卸矿高度不是影响孔隙率变化的唯一因素。分析该范围内初始状态的孔隙率发现，当D分别为7 m、9 m、15m时，冲击前该范围内储料孔隙率较低，经过冲击夯实后的孔隙率变化量也较小；而D分别为11 m、13 m时，孔隙率分布及变化情况刚好相反，说明初始状态下储料孔隙率分布特征会影响夯实作用效果。

4 卸矿高度对井壁冲击效果的影响

根据数值模拟结果，不同卸矿高度下贮矿段井壁承受冲击力峰值如图4所示。

图4 不同卸矿高度下的冲击力峰值Fig.4 Peak impact stress at differentunloading height

由图4可知，在当前溜井结构参数下，贮矿高度为25～50 m时，冲击夯实作用对储料面以下0～9 m范围井壁的冲击作用效果比较明显。卸矿过程中溜井储料面以下3 m或5 m左右范围内井壁承受的冲击作用要大于储料面附近1 m范围内的冲击作用，且随着卸矿高度的增加，承受冲击作用最大的井壁范围有向溜井深处转移的趋势。整体上，冲击力峰值随着测量范围与储料面的距离(D)增加而减小。在储料面下3～11 m范围内减小速度较大；在储料面下11～23 m范围内减小速度明显减小。

降低卸矿高度可明显减弱卸矿对井壁的冲击效果。尤其对储料面以下0～9 m范围内井壁的冲击效果的减弱程度明显，其余范围内影响程度较小。在当前溜井结构参数下，贮矿高度为20～50 m时，在储料面以下0～3 m范围内，冲击力峰值的变化并没有明显的随着卸矿高度的增加而增大，但除此以外的范围冲击力差值较大，说明卸矿高度的增加会导致更多的冲击能量向储料深处转移。在储料面以下3～11 m范围内，冲击力峰值随D值增加而降低，卸矿高度越大，下降速度越快。在储料面以下11～23 m范围内，降低卸矿高度对冲击力峰值的影响明显小于前者，冲击力峰值随D值增加而降低，其下降速度趋于定值，不随卸矿高度的改变而变化。

5 降低冲击夯实作用效果的实际措施

卸矿过程中的冲击夯实作用是造成贮矿段井壁损伤及溜井悬拱堵塞问题的主要原因之一[1]，矿山可采取以下措施降低或预防冲击夯实作用。

1) 降低卸矿站与贮矿段储料面间的高度落差。研究表明，卸矿过程中冲击夯实作用效果与卸矿高度呈正相关。因此，可以通过降低卸矿高度的方式有效削弱卸矿对储料、井壁的影响程度。主要有以下两种方法：一是减小卸矿站的设计高度，下卸矿岩对储料的冲击能量主要由矿岩的重力势能转化而来[16]，降低卸矿站设计高度直接减小了待卸矿岩的重力势能[17]，从根本上降低冲击夯实作用效果；二是适当提高储矿高度，不仅可以降低矿岩的下落距离而且增加的储料可消耗部分冲击作用，进一步削弱冲击夯实作用效果。

2) 减少一次卸矿量。当卸矿高度一定时，矿岩由卸矿站下落到储料面时的冲击速度是一定的[18-19]，此时矿岩总质量决定了卸矿过程中下卸矿岩对储料的冲击荷载大小。矿山生产中，卸矿站应避免在一次卸矿工作中倾倒过多的矿岩物料，可以分批次倾卸物料，减少单次卸矿质量，达到降低冲击夯实作用效果的目的。

3) 卸矿与放矿协同进行。在矿山生产实际中，卸矿和放矿是动态进行的[20]，前者的夯实作用造成储料密实度增大，后者可使矿岩松动下落，降低储料密实度；二者应相互配合，在确保储料高度的同时尽量减弱局部储料的夯实程度，防止悬拱问题的发生。

4) 采取针对性的防护措施。矿山应对服务年限较长的溜井贮矿段采取必要的支护措施。尤其着重对溜井贮矿段内储料面以下9 m范围内的井壁进行局部支护。常用的支护措施有喷射混凝土、锰钢板、混凝土与钢筋或钢板混合等方式。

此外，控制卸矿时间、控制矿岩块度等可以减小单位时间内夯击储料的矿岩质量，对预防贮矿段井壁损伤[21]、储料悬拱问题[22]有着良好的效果。

6 结 论

本文通过PFC2D建立了溜井卸矿模型，以孔隙率变化量、井壁冲击力峰值作为评判标准，分析了溜井卸矿过程中卸矿高度对储料夯实效果以及对井壁的冲击效果的影响特征，得出如下结论。

1) 整体上冲击夯实作用下储料孔隙率变化量和井壁冲击力峰值与卸矿高度呈正相关，与D值(所测量范围与储料面的距离)呈负相关。 在一定范围内，卸矿高度影响着二者随D值改变的变化速度。

2) 降低卸矿高度可以减小卸矿过程中的夯实作用范围及夯实效果。在贮矿段直径6 m、贮矿高度24 m条件下，卸矿高度对距离储料面5 m范围内储料的夯实效果尤为明显；其余范围内的影响程度较小，同时初始状态下的储料孔隙率分布特征影响着该范围下的夯实效果。

3) 在当前条件下，随着卸矿高度的增加，卸矿对井壁的冲击效果也越大，尤其在储料面以下9 m范围内的井壁最大冲击力增幅明显。同时卸矿高度的增加会导致更多的冲击能量向储料深处转移。

4) 矿山可以通过降低卸矿站与贮矿段储料面间的高度落差、减少一次卸矿量、井壁支护等方式减弱溜井卸矿时的冲击夯实作用效果，预防由于卸矿冲击夯实造成的井壁损伤、溜井悬拱等问题的发生。