1、主溜井磨损成因分析、预防与处理彭小刚武山铜矿副总工程师、采矿高级工程师【摘要】:主溜井放矿是许多地下矿山主要运输系统,放矿过程中矿石的冲击、挤压和摩擦对井壁的磨损破坏成因因地质构造不同而不同,预防和减少破坏程度是设计单位和使用单位要考虑的问题,对已经产生磨损破坏的溜井怎样治理也是一个大的问题,本文主要对主溜井磨损成因、预防及磨损后的处理阐述自己的观点。【关键词】:溜井、散体、卸矿、冲击磨损、椭球体、贮矿段1、 引言主溜井放矿是许多地下矿山主要运输系统,矿石在井筒中运动是以一种散体形式在自重作用向下流动,按放矿理论在满井筒矿体流动是椭球体运动(如图 1) ,空井状态下是无规则的自由落体近似椭球体
2、运动,矿石是介于固体和液体间的一种散体状态,不论卸放矿何种方式对井壁都会产生一个水平力,当这个力超过井壁构成的介质强度时就对井壁产生破坏。由于各矿山工程地质条件和井壁介质不同产生的破坏程度也不同,对矿山的安全生产产生很大的影响。2、 矿石下落过程中对井壁作用的受力分析2.1 垂直落矿下矿石对井壁的受力情况静止状态下,散体力学性质介于固体和液体之间,如散体在容器中和液体一样,有向容器四周施加水平压力的性质,但水平压力的大小又和液体不同,不是等于同高的垂直压力,而是要乘上一个小于 1 的侧压系数 Kc ,即: PsKcPz式中 Ps- 散体水平压力Pz- 垂直压力Kc- 侧压系数 (01 之间)如
3、果是在卸矿状态下,矿石近似自由落体运动,向下的压力要比自重大的多,Pz1/2MV 2 式中 M- 岩体质量,V- 下落点速度,但由于这个冲击力主要是向下的,对直接受冲击的对向影响较大,由于是散体,各个体之间大小质量不同,下落也是近似椭球体运动,相互间有作用力和反作用力,内部受力是个平衡拱状(如图 2) ,拱承受载荷传给拱脚力 F,这个力分解成垂直分力 N 和水平分力 P,P 就是井壁所受的直接冲击力,如果超过井壁介质的抗压抗剪强度就产生破坏,拱脚力 F 随着井筒的直径增大而减少最后趋于一个稳定值。但垂直落矿时矿石对井壁的力是 Ps 与 P 的线性迭加。对井壁介质产生挤压和剪切作用。2.2 分支
4、溜井落矿受力情况分支溜井卸矿从立体上看与主溜井有一定的夹角,矿石的分支斜槽运动,由于重力作用有一个向前的冲击力,对分支溜井卸口对面的井筒会直接冲击然后按垂直自溜成椭球下落,井壁受力情况是在卸矿斜槽对立的井壁受到冲击力更大,再往下受力情况和垂直落矿相似。2.3 贮矿段放矿情况下井壁受力分析正常生产情况下,在主溜井下部要有一定的存矿高度,这段存矿的溜井叫贮矿段,在放矿时候,矿石按比较标准的椭球体运动,矿石对井壁的水平压力就等于 Ps,但由于矿石和井壁接触紧密,散体是非光滑体,矿石在下落过程中也会对井壁还会产生磨损。3、 井壁介质磨损原因分析通常情况下,井壁受到外力作用时产生塑性变形,当其屈服强度小
5、于外部载荷时就产生破坏,这与井壁介质(岩石本身或衬砌层)性质(岩体的强度、稳定性、构造、节理发育情况及衬砌层的材质强度、厚度) 、井径大小、溜井结构有较大关系。3.1 工程岩体条件与磨损关系矿岩的软弱面及断层破碎带节理等结构面的影响是溜井破坏的主要原因之一,井巷工程中主溜井属于开拓工程,要求设计在开采范围之外的稳固的围岩中,但由于各矿山工程地质条件不同,地质构造和节理发育等原因,在放矿过程中井壁介质在受到矿岩冲击情况下,所承受的载荷超过其屈服强度就产生破坏,特别是一些节理发育和有构造面的井壁, (如:新城金矿矿石溜井垮冒,节理发育且有一条较大的断层破碎带斜截溜井) ;井壁破坏主要沿其结构面成滑
6、落体坍塌(如图 3) 。3.2 围岩岩性对溜井稳定性的影响对围岩成块状坚固密实(如原生的火沉岩)时在矿石冲击下,井壁只产生少许磨损不致破坏,但对于一些节理裂隙发育,在其软弱结构面内不均匀夹杂着蚀变岩石时,这些结构面也会把坚固的岩石分割的支离破碎,当有冲击载荷时,易由局部塌落发展成大规模塌方,造成“多米诺骨牌”式连锁反应。井筒围岩的夹层表现出可塑、膨胀和流变等软岩的变形特征,对溜井的稳定性产生不得影响;但对不很稳固的岩体或中的溜井都会采取加固措施,即对井壁增加高于岩体强度的衬砌层,一般情况下都采用砼浇注,矿仓部分衬砌耐磨钢板,按安全生产的要求,在主溜井下部设贮矿段,防冲击压力对矿仓产生破坏。因此
7、,矿石下落冲击对贮矿段以上井壁破坏严重,先磨损作为衬砌层的砼或冲击破坏一些弱结构面这与衬砌层的强度和厚度也有关系。3.3 主溜井结构和卸矿方式的影响根据受力情况,垂直落矿的溜井与落矿高度有关,落差大的溜井井壁受冲击力大易发生破坏;分支溜井落矿,由于与主溜井斜交落矿,从相交点到下部 10 至 15 米内井壁受冲击力最大;井径大小也对井筒磨损产生影响,井径偏小的溜井除了易发生堵塞外也特别易发生磨损破坏,一般主溜井直径 35 米。3.4 衬砌层强度与厚度与磨损关系由于围岩不稳固或有结构面,主溜井采用砼加固或配筋加固,在矿仓部位或一些直接受冲击部位还加耐磨衬板(锰钢板或高强度塑胶板) ,当加固厚度和强
8、度不能满足要求或局部弱面产生破坏就对整体会产生影响。3.5 爆破震动对主溜井的影响主溜井在使用过程中由于管理等原因造成大块卡斗或由于设计井径小、矿石含泥造成结拱现象需要进行爆破处理,爆破冲击波和振动对主溜井井壁产生塑性变形,造成井壁破坏并出现大块冒落,最后形成恶性循环。4、 主溜井磨损预防4.1 选择合理的主溜井落矿方案单段多水平落矿是大多数地下矿山主溜井所选择的方案,生产能力大,能多中段落矿,服务时间长,主要磨损点在井口和分支溜井落矿对面的井壁,贮矿段要求存矿量大,配矿困难。井筒磨损还井深、井径、矿石大块率有关系。一般情况下,井筒深度不超过 300 米,深井筒落矿要求贮矿段过三分之一,井筒越
9、深,冲击力越大;井筒有方形和圆形两中,从受力情况考虑,圆形断面的井筒从抗剪和抗压都较好,但施工比方形要困难;井筒断面大小与放矿块度也有关系,从生产需要,尽量减少大块率,减少二次破碎量,大块太大和多对溜井放矿影响大,易卡斗,对井壁冲击力也大。因此,合理选择溜井断面也是设计的关键,一般溜井断面直径为 24 米(井筒深选最大值) 。多水平落矿,分支溜井与主溜井纵向交角 与矿石自然安息角 有关,如果能满足正常落矿情况下 角选择大值,因为这时矿石散体对井壁的剪切力相对小,分支溜井垂直落差也小,冲击势能也小。剪切力大对一些纵向节理发育的岩体破坏性相对强。4.2 加固衬砌层的作用对不稳固的岩石中成井,要对溜
10、井进行加固处理,通常情况下只是普通砼加固或配筋加固,只是加固厚度不同,这对于井筒不深时作用较大,对于深井,简单的砼加固很容易磨损,马上见原围岩,因此,改变围岩的应力状况,增强围岩自身的稳定性和强度是深井筒预防磨损的关键手段。通常手段是采用加压注浆全线锚固技术,这种技术对一些节理发育的围岩作用更好,当然注浆孔中配有相应的钢筋。有的矿山采用钢结构的衬砌层,主要用一种耐磨锰钢板,大多数矿山是用在矿仓内。现在一种新型材料橡胶衬板也开始用在主溜井加固中。主要由于钢衬或耐磨橡胶衬成本较高,全井筒使用投入大。4.3 生产管理与预防井筒磨损加强生产管理对预防井筒磨损起很大作用, (1)要确保井筒内有一定的贮矿
11、高度,减少冲击势能;(2)严格控制大块和下主溜井,大块矿石冲击势能大,对井壁产生的破坏力大;(3)防止泥矿粉矿集中下溜井;(4)严禁大药量处理主溜井结拱和大块卡斗。5、 主溜井磨损处理主溜井在使用过程中产生一定磨损是正常现象,如果不影响放矿安全,磨损增大井筒断面,也就增大了溜井的贮矿容积,对放矿管理有好处。但对于磨损产生垮塌就影响安全生产,一是产生的大块废石堵塞主溜井,爆破处理形成恶性循环,最后威协卸矿硐室安全。出现大范围垮塌时要及时处理。5.1 喷锚网加砼整体支护常规的处理主溜井是二次混凝土浇灌支护,但要对已经造成垮塌的井壁进松石处理,并采取临时喷锚网支护以确保整体浇灌混凝土时作业安全,此种
12、方案简单,但浇灌混凝土量大。要求全部用混凝土浇灌(如武山铜矿二期 1#主溜井处理) 。如果不全用混凝土,只浇灌一定厚度的混凝土,再在壁后回填,一旦二次破坏一个点,整个加固都不起作用(如丰山铜矿负 150 米负 320 米主溜井) 。5.2 高压注浆锚杆支护处理对于一些溜井围岩节理发育的岩石使用前或磨损后可以采用高压注浆锚杆支护处理,沙浆强度为 C30 以上,用25mm 以上的螺纹钢作锚杆,长度为结构面厚度 23 倍,一般取 1.8m2.5m,注浆锚杆网度为 1 米1 米。处理前要先从上到下分段处理松石并素喷约50mm 厚混凝土。5.3 钢结构衬砌处理刚性加固是通过增加井壁防御矿石流的冲击和磨损
13、的能力,通常情况下是直接浇灌混凝土或钢筋混凝土,但对高位井筒落矿冲击力大时也易产生磨损,一般与钢结构相结合,用钢结构做衬砌处理,衬砌材料主要有钢轨、普通钢板、锰钢板、高锰钢板。各种材质使用寿命不一样。如下表表 1 各种加固材料在不同条件下的使用寿命材料规格或型号 磨损寿命指标(mm/万吨) 溜放矿块度(mm) 溜放的矿岩坚固性系数(f) 加固部位钢轨(38Kg/m) 0.059 3501216 贮矿段钢轨(38Kg/m) 2 3001016 非贮矿段锰钢板厚度(40100mm) 0.02 10001216 贮矿段高锰钢板 0.010.05 贮矿段5.4 托斗法锚注加固处理本处理方法只对影响安全
14、生产产生影响部位进行局部加固的一种方式,其它磨损采用高压注浆锚杆支护,如:程潮铁矿主溜井磨损处理。由于主溜井垮塌严重,影响到卸矿硐室的安全,重新选择井位不可能,整体支护处理工程量大,工期长,且从根本上解决不了问题,由于北京科技大学和矿方合作探讨出一种局部整体支护方案,在溜矿井卸矿部位用托斗法形成卸矿结构。为最大减少工程量,以理论上计算为依据,只在卸矿硐室段构筑井筒,井筒上方完全敞开,以平台为基础,向上外倾 60沿塌落井壁浇注混凝土,形成以井筒为漏口的漏斗状结构且悬在半空,成不稳定状态,为此专门在其下部设计支托结构,采用高压注浆预应力锚杆作支撑梁。如图 3.本方法力学承载计算要求高,施工工期短。
15、除了钢结构衬砌外,现在一些矿山还推广一种橡胶衬板处理磨损的方法,这种材料耐磨,抗冲击,轻便,但成本相对较高。6、 结束语主溜井磨损是金属矿山的一个通病,大范围垮塌的矿山比较多,如武山铜矿二期 1#溜井垮塌量达 15000m3,最大跨度达 26 米,与回风天井垮通,2#溜垮塌量也达 4500m3,最后整体锚网喷并浇灌混凝土处理。湖北程潮铁矿矿石溜井垮塌后井筒断面达 100m2,垮塌5500m3;山东新城金矿溜井设计断面3m,垮塌后达 19.6m,与相距16.7m 的废石井垮通。丰山铜矿主溜井垮塌后跨度达 15m,最小处也有 9m,垮塌方量达 6000m3;锡矿山南矿溜井由 3.6m 直径垮到9.01m。各矿山工程地质条件不一样,垮塌的原因也不完全相同,溜井磨损处理方法上不是千篇一律的,因此,对溜井磨损处理处理前要认真分析垮塌的原因以便找到合理的处理方法。