高深溜井悬拱堵塞相似试验研究

张宝金，杨雷，高英勇，张振江，任海龙

(1.鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司， 辽宁 鞍山市 114044；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院， 北京 100083)

0 引言

溜井是矿山矿石运输的咽喉要道，而高深溜井的稳定运行更是矿山生产的重中之重[1−2]。溜井在频繁的储矿、放矿过程中，内部矿石不断承受冲击载荷以及上覆料头的自重，导致矿石不断夯实压密，增大了散体颗粒间的黏聚力，内摩擦力以及区域性自稳能力。在后续卸矿工作中，储矿仓矿石逐渐丧失与溜井筒内矿石的关联性，井筒料头形成了悬拱结构，这是一种黏结及啮合组合且具备一定自稳性的拱结构[3]，能够将上覆松散岩石自重应力及放矿时的冲击载荷通过拱结构传递至溜井壁[1]，相当于形成了“拱+井壁”的联合承载体，共同负载松散矿石，这对矿山放矿工作的顺利进行增加了难度。

针对溜井井筒堵塞机理，许多专家学者做出了大量研究，发现溜井中矿石的含水率、矿石粒径以及料头高度等是造成矿石结拱的主要因素[4−7]，多因素的耦合作用直接增大了矿石颗粒从松散到统一的转化程度，导致卸矿困难。针对该机理的验证，在现场进行溜井矿石成拱的试验是比较困难的，因此采取室内对其进行相似模拟试验。魏殿恩等[8]利用溜井放矿模拟器对方形溜井在多因素影响下放矿过程进行模拟，验证了包括含水率、矿石颗粒粒径等因素对结拱行为的影响。

本文利用亚克力管构建相似模型，综合含水率、材料级配及料头高度等参量对放矿过程结拱现象进行模拟，归纳出不同参量对矿石结拱行为的影响规律。研究结果对矿山高深溜井堵塞的防治具有一定的指导意义。

1 结拱机理分析

由于上部卸矿对矿石的夯实和井内矿石的自重，眼前山铁矿2#溜井其变径上部的矿石容易形成稳定拱，破碎的矿石铰接成拱后，上部的矿石停止下落，下部矿石继续下落，内部出现空腔。

为了研究溜井成拱规律与机理，对拱进行受力分析，建立的理论模型如图1 所示。假设是由大块矿石咬合形成的拱，矿石面之间作用相互支撑力和摩擦力，散体矿石之间，这两个力和重力及上部矿石的压力平衡，形成稳定的拱结构。拱的左右拱脚分别标记为A、B，AB的高度差为ΔH，拱的最高点C距离A的竖直距离为H，C和A、B的水平距离分别为L1、L2（见图2）。上部矿石堆积高度一般大于两倍直径，由于筒仓效应，拱上方的矿石对拱的压力q为定值。拱脚A、B同时受到向上的摩擦力f和井壁的支撑力FN。理论模型简化后的受力如图2 所示。

图1 结拱理论模型

图2 拱结构受力分析

当岩石颗粒之间相互作用力达到自稳标准且具备一定承载力时，在放矿过程中便自然形成稳定平衡拱结构，即：

由上述公式整理可得：

由式（7）可以看出，拱形为抛物线形。

溜井中上部储料自重经悬拱传递至A、B拱脚处。储料在不断被夯实压密过程中，逐渐降低了拱高H，由式（6）可得，随着H的降低，悬拱结构与井壁之间的正应力FN增大，其次压密过程也导致二者之间的有效接触摩擦增加，最终形成“拱+井壁”共同承载体，负载上覆储料。且后续有限的溜井口放矿工作，增大了承压拱上部储料的高度，继而增大了拱的压力q，从式（6）可以看出，进一步增大了二者之间摩擦力f，增加了拱的自稳性，即结拱事件的概率增加。

溜井中的水分不断渗流至悬拱结构过程中，携带小颗粒矿石向下流动，并不断填充至大尺寸矿石之间的缝隙中[8]，增加了拱结构的密实度和整体强度，同时降低矿石自重应力沿拱向井壁传递的分散性。

储料的不同颗粒尺寸占比对矿石成拱效果的影响更为显著[9]，当小颗粒占比较大时，矿石之间的黏结度增加，且小颗粒对缝隙填充作用较强。

2 工程背景

鞍钢矿业公司眼前山铁矿为露天转地下开采的金属矿山，2012 年露天矿山闭坑，2018 年井下开采投产。地下开采设计能力为800×104t/a，采用无底柱分段崩落采矿方法，阶段高度为180 m，分段高度为18 m，进路间距为20 m。

眼前山铁矿设有1#和2#两条主溜井，目前1#主溜井尚未完成安装，由2#主溜井担负矿山露天转地采后主要矿石的转载、临储任务，通过该主溜井的矿石量1 亿吨以上，服务年限30 a，是眼前山铁矿的主要工程之一。2#主溜井全长228 m，采用全断面支护。其中，−321～−331 m 段为锰钢衬板支护，直径为4.0 m；−331～−504 m 为钢纤维混凝土支护，壁厚1 m，直径为4.5 m；−504～552 m 段为锰钢衬板支护，直径为6 m。2#主溜井施工期间，掘进至井深50～63 m 处遇破碎带，破碎带宽1.5～2.0 m，以绿泥角闪片岩、花岗质碎斑岩为主，井壁破碎带区域出现较大裂缝。经研究，确定采用1 m 厚钢纤维混凝土分段支护，并在混凝土中加f＞8 的鹅卵石增加其抗磨性，在井筒适当位置设置反漏斗装置减少对井壁的冲击破坏。为防止支护体脱落，支护段深入稳定岩层5 m 以上，并在支护底部增加壁座。

眼前山铁矿2#主溜井属于高深溜井（井深大于150 m），自2017 年投入生产以来，先后多次发生棚堵、支护混凝土脱落等现象，并且在变径部位有较大空腔爆破效应，存在较大的安全风险。截止至2018 年12 月，共发生棚堵23 次，其中溜井中间棚堵3 次、粉矿堆积棚堵9 次、支护层脱落棚堵11 次。

矿岩非均匀下落对井壁的破坏主要体现在两个方面。一方面，平衡拱垮落的过程中，空腔中的空气被突然压缩，产生剧烈的空腔爆破效应，此过程中产生的高压、噪声和热效应现象均会对溜井井壁产生破坏。另一方面，矿石在下放过程中形成悬拱，悬拱与井壁支护层之间形成相互作用力，并通过拱的形式将上覆矿石传递至溜井壁，对其形成的侧拉力以及径向剪切力在空气冲击等条件的辅助下，不断破坏井壁的稳定性，因此针对结拱事件的分析及模拟具有一定意义。

3 相似试验

3.1 试验设备

试验在自制的溜井放矿试验平台上进行。该平台主要包括亚克力管，溜井支撑架，摄影灯以及摄像装置等。其中，试验选用亚克力管模拟井筒，该材料透明性良好，有利于观察放矿时矿石的运动特征，且其物理性能良好。上管长885 mm，内径为22.5 mm，厚5 mm；下管长235 mm，内径为30 mm，厚5 mm；中间用长20 mm，厚5 mm 的圆台连接。支架主要保证试验过程中亚克力管始终 保持垂直状态。摄像装置采用的是GoPro 相机，在放矿过程进行拍摄，拍摄帧率为120 帧/s。摄影灯为摄像过程提供可靠光源，保证摄影素材的质量。相似试验平台如图3 所示。

图3 溜井放矿试验装置

3.2 试验过程及结果

试验开始前需对不同级配的粒径进行试验，主要分为单一粒径及与眼前矿山一致的粒径级配。然后制备不同级配、不同含水率的储料，本试验主要配制了含水率为0%，1%，2%，3%的矿石（见表1）。

表1 不同级配粒径的比重/%

将不同含水率的各级配矿石分别以半满及全满两种形式装入亚克力管中，装入时应当缓慢，避免漏斗堵塞，装配工作完成后将其静置10～20 min。

在底部对矿石进行均匀放出，放矿过程需以摄影灯辅助摄影相机进行全程摄像。对每种试验条件下的放矿试验重复多次，记录不同试验条件下发生结拱事件的次数，计算矿石发生悬拱事件的概率并进行分析。结拱如图4 所示。

图4 相似模型结拱

3.3 试验结果

由图4 可以看出，在一定条件下，矿石下放过程中会形成一定稳定性的悬拱结构。将测得试验数据进行汇总以备分析，不同含水率的各级配矿石在半满以及全满状态下的结拱概率见表2。

从表2 中可以看出，不同级配下，掺杂不同尺寸颗粒以及大块率较高的松散体因其填充作用和较强的咬合作用，在放出时存在一定概率的结拱事件。其次，在干燥状态下，各级配矿石在下放过程中结拱概率比较低，而附加水分的矿石其结拱率有一定程度的提高。以第5 组级配，即与矿山实际较为一致的矿石级配为例，其结拱率与含水率之间并未表现出明确的正向变化关系。随着含水率的增加，结拱概率表现出先增后减的演化特征（见图5）。

图5 不同含水率的矿石的结拱概率

表2 结拱概率

由图5 可知，在干燥状态下结拱率最低，1%含水率状态下结拱概率最大。这表明水分对矿石的黏结成拱具有一定的促进作用，但随着含水率的增加（含水率超过1%时），概率降低，表明水分对矿石颗粒间的黏聚作用逐渐向润滑作用发展，降低了矿石颗粒间的相互作用力，削弱了颗粒相互间的关联性，导致矿石在下放过程中发生的结拱事件概率降低。

以贮矿全满及半满状态模拟料头的高度对结拱事件的影响，如图6 所示。从图6 中可以看出，全满状态下矿石的结拱概率较高于半满状态，且普含水率时存在一定几率的结拱事件，其余含水状态适于任何含水率状态。在半满状态下，只有在1%基本不结拱。这表明料头的高度对结拱事件具有较强的影响，高度越大，施加于承压拱的重力越大，从前文分析可知，重力的增大对松散矿石具有压密作用，提高了拱的稳定性及承载能力，同时加强了拱与井壁之间的关联性，即增大了有效接触摩擦力。

图6 不同料头高度结拱概率

4 结论

（1）通过极限平衡法分析了高深溜井井内成拱机理，得出了拱的轴线是抛物线。

（2）对试验数据分析可知，随着含水率的增加，结拱事件发生的概率呈现先增后减的演化趋势。并且单一尺寸的颗粒发生结拱的概率较低，当尺寸较大或掺杂不同粒径颗粒时，松散体则出现一定的结拱现象。料头高度对结拱现象同样具有促进作用，在一定范围内，料头高度越大，形成悬拱的概率亦愈大。

（3）利用亚克力管对赋存不同条件下的矿石下放过程进行模拟，其结果与实际情况较为相符，这说明了相似模拟试验具有较强的可行性。