地下金属矿山溜井堵塞原因分析及优化措施

甫尔卡特，徐 涛

（富蕴蒙库铁矿有限责任公司，新疆富蕴 836100）

前言

蒙库铁矿采矿厂位于新疆维吾尔自治区富蕴县北西直距70 km 处，矿区至富蕴县城96 km，距乌鲁木齐市八钢矿业有限公司592 km。初始设计生产能力为150 万t/年，目前矿井290 万t/年技改项目安全设施设计批复完成，正在进行系统建设。矿井采用竖井-平硐-斜坡道联合开拓，无底柱分段崩落法开采，目前东挂帮采区溜井在用7 条，溜井井筒断面尺寸为直径3 m，其中kj2、kj4（有格筛）、kj5、kj9（有格筛）、kj10（有格筛）的存矿高度为34 m，kj3、kj11（使用时间较少）的存矿高度为51 m，938 m 以上挂帮矿体开采采出矿石通过各水平的溜井下放到938m 水平，然后通过938 m 各溜井运到主溜井，通过主溜井下放到884 m 水平，最后在884 m 水平由20 t 电机车牵引11 m3侧卸式矿车直接运到选矿厂，因此，当溜井口没有格筛且存矿高度较低时，堵塞现象较严重，根据蒙库铁矿采矿厂的溜井异常记录可知，kj2、kj3、kj5、kj9、kj10 的堵塞较为频繁，其中kj3、kj5 的堵塞次数最多，平均每月发生2.44 次堵塞现象。详细数据如表1 所示。

表1 2022 年溜井堵塞发生次数

溜井，往往被看作是矿山的咽喉。若溜井发生了堵塞，如同是矿山工作中遇到的“喉癌”。矿井一旦发生堵塞现象，不光严重影响生产工作，处理起来也往往伴随着相当大的风险，因此，对溜井堵塞问题的及时治理与预防，是地下矿山开采工程亟待解决的问题，也是提高矿山经济效益的重大举措。

1 溜井堵塞原因分析

溜井堵塞是指当溜井底部进行放矿活动时，溜井内部矿石由于各种原因导致流动停止的现象，常以悬拱的形式呈现，如图1 所示。堵塞发生的位置经常是井筒内部及外部出矿溜口。

图1 悬拱现象图

张泽裕等［1］通过对会泽某矿山的高深溜井发生堵塞现象进行研究后，认为溜井的断面过小及溜井内矿石废石贮存时间、高度不合理是导致溜井发生堵塞的主要原因。曹朋［2］等经过研究认为，矿岩的结块性、粉矿含量、含水率、矿岩对溜井的冲击夯实作用及爆破参数是导致溜井堵塞的重要原因。结合蒙库铁矿的实际情况及上述分析，可以将溜井堵塞的原因概括为以下四个因素，分别是溜井的设计因素、溜井的施工因素、入井物料的管理因素及溜放管理因素。

1.1 溜井设计因素

（1）断面尺寸设计不合格。溜井的断面尺寸设计，需要结合矿山实际情况，具体参照指标为矿山的性质、矿山的生产规模及采出矿石的块度大小等。当溜井断面过小或角度设计不符合要求时，采出的矿岩无法在溜井内顺畅流动，从而导致溜井发生频繁的堵塞现象，影响生产计划的顺利进行。蒙库铁矿东挂帮的矿石溜井断面直径为3.0 m，设计倾角为90°。

（2）爆破参数设计不合格。结合蒙库铁矿矿体的赋存条件及产状特点，采用的采矿方法是无底注分段崩落法，该方法因其安全、机械化程度高、工艺简单且安全的特点，成为目前国内外大中型坑内矿应用最广泛的一种采矿方法。因此，中深孔的设计成为最主要的步骤，直接影响到崩落下来的矿石的质量和各项参数，当中深孔的孔网参数设计不合理时，比如孔底距过大，将会影响到爆破效果，导致爆破效果较差，最终的矿石块度过大且不够均匀，若不进行二次处理，在出矿过程中矿石在溜井内形成悬顶和立槽堵塞等问题从而造成异常，影响正常出矿。

（3）位置选择设计不合格。在选择溜井布置位置前需要做好充分的地质勘查工作，避免溜井位置选择在断层、破碎带或不稳固岩体中，因为随着矿岩对溜井的不断冲击，会导致破碎带或断层的岩体不断脱落并且随着产出的矿岩一同进入溜井从而造成堵塞现象，与此同时，当发生堵塞现象后使用爆破技术进行疏通时也会对井壁造成二次破坏，随着时间的推移，使溜井逐渐变成上大下小的“葫芦型”构造，大大加深了溜井堵塞现象的发生概率。

1.2 溜井施工因素

（1）施工管理不够严格。施工人员在进行施工过程中，未按要求进行施工，发生超挖欠挖等现象，造成溜井的“葫芦型”构造现象；施工审核人员未能严格把关，并未对施工质量定期进行审核，使得溜井井壁不平整或倾斜严重，溜井存在拐弯处或发生倾斜；施工之后的构筑材料未能及时清除干净随意倒入井筒中。以上现象均会导致溜井发生堵塞的概率大大提升。

（2）加固措施不够规范。对溜井井壁的加固及支护也是施工过程中非常重要的环节，常用的支护方式有锚喷支护、混凝土支护、锚杆支护等。若混凝土质量过差，锚杆不能按照设计要求打入，随着时间的推移，井壁的混凝土将会发生大面积脱落的现象且当进行爆破疏通堵塞方案时，井壁也将更容易发生破坏，这些均会导致溜井发生堵塞现象。

1.3 入井物料管理因素

（1）含泥粉砂矿的混入。理论上，经过爆破之后的矿石一般是松散的，不存在粘结性，只要块度合格便不会发生堵塞现象，若矿岩中存在较多的粉矿部分或含硫矿岩，二者在遇水的情况下非常容易胶结，从而导致溜井堵塞［3］。虽然蒙库铁矿矿体顶板及底板围岩均以各类变粒岩为主，其次为片麻岩和大理岩。变粒岩、角闪变粒岩主要呈块状、碎裂状结构，空间展布稳定，岩体较完整，属于坚硬岩石，但是由于上部留有覆盖层，受长时间的风化及无底柱分段崩落法的影响，在往下流动的过程中互相挤压冲击，导致粒度会变小，同时切割天井爆破的爆堆粒度很小，因此，矿石进入溜井的过程中将伴随着大量粉砂矿。与此同时，在地下开采过程中，不可避免的会产生大量水分，如凿岩过程中凿岩机用水、掌子面渗水、地表的渗水，这些水分流入溜井后将会带着泥沙与粉砂矿进行融合，这势必会导致矿石的粘合力及与溜井井壁的摩擦力加大。随着落入溜井的矿石量的增加，极容易在溜井中形成粘性拱从而发生溜井堵塞现象。隆向阳［4］等学者对此进行了相关研究，研究认为当松散矿石含泥量达14%时会开始自行结块，而当含泥量达25%时，粘结性将会显著增大。刘艳章等［5］采用相似试验与数值模拟相结合的方法研究了金山店铁矿粉矿含量与含水率的变化对溜井放矿的影响，其结果表明：当矿石含水率为1%～3%、粉矿含量为11%～17%时，主溜井堵塞故障明显减少。

（2）入井物料尺寸不合格。当爆破设计的参数选择不合理，特别是对中深孔凿岩选择的参数不够合理或未对入井矿石进行分级筛选，此时会有一定量的大块矿石进入溜井，随着这些大块矿石的不断分级和聚集，便会在井内形成咬合拱，从而导致溜井的堵塞。蒙库铁矿为避免大块矿石影响，采用的方法是将大块矿石通过破碎台车进行第一步的处理，同时在溜井上部安装格筛（650*650）mm，再一次预防大块进入溜井。

（3）施工杂物的混入。在出矿过程中，若相关负责人员未能及时地将混在矿渣中的废旧工字钢、施工用到的锚杆网片及废旧钢筋等杂物清理出去，这些杂物很容易卡在溜井内从而导致堵塞现象发生。

1.4 溜放管理因素

（1）贮矿高度不能严格管控。若溜井内贮存的矿量过少、空距高度太大，随着不断落矿会导致底部矿石的密实度逐渐增加，提高了溜井的堵塞概率，若放矿过多导致溜井内的贮矿高度过低，那么从溜井顶部落下的矿石势能就会更大，这就导致每次下落的矿石冲击力更大，夯实程度越高，矿石趋于密实，极易发生堵塞现象。

（2）贮矿时间不能严格管控。溜井内的矿石长时间未进行放矿松动，此时，井内的含粉矿、含硫矿等粘结性较强的矿石逐渐增多，与此同时，矿石之间的密实度也逐渐增加，和井壁之间的摩擦力也越来越大，最终导致堵塞现象的发生。

（3）溜井不能及时清理。溜井在施工完毕后相关人员未能及时将内部的施工工具进行清理，或未按时对溜井进行生产检修工作，导致溜井内的杂物与废矿石不断聚集无法下落，从而导致溜井的堵塞。

2 溜井堵塞疏通措施分析

2.1 竹竿捅堵塞处或接杆提药爆破法

当堵塞现象发生在溜口上部且不够稳定时，可以用竹竿或撬棍类物体直接对堵塞关键部位进行疏通。当竹竿类物体无法疏通时，工程上主要采取两种方法：首先是直接将药包绑在竹竿上伸至堵塞部位进行爆破；当仅靠竹竿无法达到堵塞部位时便需要通过对多根接杆进行焊接并对接至接拱处，在最先举起的接杆顶部安装滑轮，并将钢丝绳通过滑轮接上炸药，此时便可以利用滑轮将炸药提升至溜井堵塞部位进行引爆，使堵塞处失稳塌落。该方法操作方便，但人员必须进入溜井内操作，危险性较高。

2.2 座炮法

当竹竿绑炸药包或将多根接杆进行焊接后仍离堵塞部位有一定距离且从溜井下端处理没有足够的安全保障时，可从堵塞的上部系安全带或安全绳下落到堵塞物上面，放置药包和起爆药包，并在撤离现场后进行引爆，从而达到疏通堵塞的目的。此法根据溜井堵塞厚度和堵塞物性质及稳定情况，又可分为挖坑埋炸药座炮法或打管装药座炮法两种方式，多适用于矿岩堵塞厚度不大于4 m 的情况。

2.3 溜井灌水软化法

该方法较多应用于矿岩之间粘结性太强从而导致溜井堵塞的事故中，通过高压水枪或水管等设备从放矿口向上冲洗或直接将水从溜井内冲洒至矿岩堆的表面，这些粘结在一起的矿岩长时间在水内浸泡后发生软化现象，粘着力逐渐下降，结块状态被破坏后使得悬拱现象消失从而达到疏通溜井堵塞的目的。该方法操作简单，但存在疏通时间无法确定，而且该方法无对应的规范和标准，因此无法严格控制好水量容易导致跑矿事故发生。建议通过多次实验得到水量与堵塞矿岩量的对应关系区间。

2.4 矿用火箭弹爆破法

当溜井堵塞后使用上述方法均无法处理，特别是当出现多段平衡拱堵塞现象的高位堵塞时，可以考虑使用矿用火箭弹爆破法进行堵塞处理。矿用火箭炮发射的原理是在溜井井底放置矿用火箭弹，将其对准堵塞部位并携带约3～10 kg 的炸药，利用发射筒内爆炸物爆炸产生的强大气流作用，把火箭弹送到预定的目标，由引爆装置自动引爆，从而达到处理堵塞的目的。用此法要求有空阔垂直的空间，使发射火箭弹时不受阻挡，如有弯度或狭窄的空间此法不能奏效，缺点是成本较高且不易精确到达堵塞部位。

2.5 深孔孔底装药爆破法

该方法有钻上向深孔、下向深孔及水平孔爆破三种方法，该法有三种炮孔排列方式，第一种是在堵塞井上部巷道沿井一侧钻下向深孔，随后在孔底装药爆破，具体操作方式如图2（a）所示；第二种是由堵塞井下部平巷通过钻机沿井打上向深孔，之后在孔底装药进行爆破，具体操作方式如图2（b）所示；第三种则较为简便，直接在堵塞井侧措施巷道向堵塞井方向打水平孔或斜孔，孔底装药爆破。该方法的优点在于可进行多次操作直至堵塞部位被疏通。

图2 深孔孔底装药爆破法

3 溜井堵塞预防措施

溜井堵塞现象是矿山生产中非常常见的故障，几乎每日都会遇到。受蒙库铁矿矿石的物理力学性质、无底柱分段崩落法的采矿方法及溜井结构的客观影响，938 m 水平阶段的矿石溜井建造投产后发生堵塞故障现象很难避免。由上述内容可知，每种溜井的堵塞现象都有相对应的治理办法，但每种方法都有一定的复杂性与危险性。为了防患于未然，应当从根本上解决堵塞问题及时预防，尽量避免溜井堵塞事件的发生，在实际工程中，主要采用以下措施进行预防。

3.1 确保溜井设计质量

（1）在设计溜井的断面尺寸时，需要结合矿山实际情况，具体参照指标为矿山的性质、矿山的生产规模及采出矿石的块度大小等，合理设计溜井的断面尺寸是保证溜井正常出矿的关键。在确定溜井位置时，要尽可能的选择稳固的矿岩。

（2）合理设计中深孔爆破参数，避免爆破后出现大块矿石从而影响溜井出矿。

（3）在进行溜井设计时，尽量避免有其他巷道与溜井的井筒相连，防止破坏负压放矿，尽量设计为垂直溜井以减少矿石在溜井井筒中移动阻力，增加溜井的垂直压力，从而降低堵塞频率。

3.2 确保溜井施工质量

在溜井的施工建设过程中，相关的管理及审核人员应当经常深入现场，严格把关防止超挖、欠挖现象的发生，对施工质量定期进行审核，避免溜井井壁不平整或溜井发生倾斜现象。溜井施工完毕之后及时对施工所用建筑材料进行检查和清除，防止其被随意倒入井中。此外，为了保证爆破效果，避免出现太多大块矿岩，要特别注意炮孔的施工质量，炮孔的深度和角度都应严格按设计要求施工以求达到最佳爆破标准。

对此，以蒙库铁矿矿区为例，应当坚持每日开展早调会及工程例会，将当日任务及时下达，随时汇报施工过程中所发现的问题并及时解决，对溜井的孔网参数严格审核，同时专业人员深入现场及时跟踪，把控好炮孔质量和装药质量，防患于未然。

3.3 严格控制入井物料

对于因爆破参数不合理导致的大块矿岩必须要进行二次破碎，并在溜井口设工字钢格筛，严控大块矿岩入井，蒙库铁矿溜井口工字钢格筛设计如图3所示，实际应用情况如图4 所示。

图3 蒙库铁矿溜井口工字钢格筛设计图

图4 蒙库铁矿工字钢格筛的应用

出矿过程中严禁将废旧工字钢、木板、枕木、锚杆等杂物倒入溜井及时对出矿掌子面的废旧工字钢、木板、枕木、锚杆等杂物进行清理回收。对于含泥粉砂矿的混入问题可以先将此类矿岩贮存在废弃巷道内并与干块进行合理的配矿后再倒入溜井，严禁将某一级易胶结矿岩集中倒入溜井内。容易混入溜井的水源如凿岩过程中凿岩机用水、掌子面渗水、地表的渗水等需要严格控制，渗水情况需要得到有效的治理。

3.4 加强溜井的溜放管理

（1）严格控制贮矿高度，对于高位溜井，贮矿高度应当设置在总高度的80%，保证其每次下落的矿石的冲击力在一个合理的区间，降低矿石的夯实程度，令矿石保持松散状态。还能有效保护溜井的底部结构。

（2）控制好矿石在溜井内的贮矿时间与矿石的卸放比例。当溜井内混入了充填料浆、喷浆回弹料、含粉含硫夹杂泥沙等粘结性较高并且容易在溜井内结拱的物料时，在溜井内的存放时间不宜过长，对于上述情况，原则上应当每天都开启振动放矿机令井内矿石保持松动，适当放矿，放矿的同时也要控制并记录好放矿与卸矿比例，不要轻易将溜井内矿石卸空或贮满。溜井的生产应当遵循“计划到矿，均衡输出”原则。

3.5 加强溜井管理制度

（1）建立健全溜井管理规章制度和经济责任制，落实有关人员的岗位职责，加强监督检查，对违反规定的人员及时进行制止与考核。

（2）当发生溜井堵塞现象后，应当及时组织有关人员进行事故分析，找出堵塞原因并第一时间进行治理，生产技术部门和安环部门对堵塞原因及时进行备案，吸取教训并总结经验，对故障原因、处置对策、预防措施进行及时总结并下发给各部门员工进行学习，令员工了解溜井堵塞的危害性，防止同类事故再次发生从而影响生产效率。

（3）加强对有关人员的宣传教育和培训工作，多与国内其他优秀矿山单位进行交流和学习，积极了解国内外溜井生产的经验以期对本矿山溜井生产起到指导作用。

4 结束语

矿山溜井能够保持畅通是保证矿山生产量的前提，蒙库铁矿在多年的开采生产实践中经历了多次矿石溜井从堵塞到疏通的循环，结合各种实践表明，通过对溜井设计、施工、入井物料及溜放管理四个导致溜井堵塞的方面进行分析及时采取有针对性地处理和预防措施、加强现场的监管力度并对员工进行相关方面的培训，对于类似矿山关于溜井堵塞问题地治理具有一定的借鉴意义。