高深溜井井筒堵塞機(jī)理分析與治理

呂向東

(酒泉鋼鐵集團(tuán)公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

高深溜井井筒堵塞機(jī)理分析與治理

呂向東

(酒泉鋼鐵集團(tuán)公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

在前人總結(jié)的礦石在溜井中的移動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)經(jīng)常發(fā)生井筒堵塞事故的黑溝礦高深溜井的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)高深溜井在垂直全斷面連續(xù)性礦石移動(dòng)區(qū)之上存在垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)的特性，該特性是由溜井中流動(dòng)礦石散體的搭拱效應(yīng)所產(chǎn)生，井筒中拱的形成和破壞交替進(jìn)行，從而使礦石的放出呈現(xiàn)脈動(dòng)過(guò)程；由此歸納總結(jié)出高深溜井井筒中礦石移動(dòng)存在垂直全斷面階段性移動(dòng)、垂直全斷面連續(xù)性移動(dòng)、變速變向全斷面移動(dòng)和變速變向局部斷面移動(dòng)的規(guī)律；通過(guò)分析揭示了垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)的特性是造成溜井井筒堵塞、片幫、磨損、礦石分級(jí)混合等現(xiàn)象出現(xiàn)的重要原因；同時(shí)，對(duì)于在用的高深溜井提出井筒黏結(jié)拱堵塞處理技術(shù)，針對(duì)設(shè)計(jì)與新建的溜井提出井筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的建議以預(yù)防堵塞；為破解高深溜井井筒出現(xiàn)的故障開(kāi)拓了思路，對(duì)同類(lèi)型溜井的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義。

高深溜井 井筒堵塞 散體材料 移動(dòng)規(guī)律

酒鋼黑溝鐵礦屬山坡露天礦，礦山采用平硐—溜井方式開(kāi)拓，開(kāi)采境界處于海拔3 980～3 466 m，設(shè)計(jì)年產(chǎn)原礦450萬(wàn)t。3條礦石溜井均為單段垂直式溜井，投產(chǎn)時(shí)主溜井、1#、2#采區(qū)溜井井深分別達(dá)561、362和529 m，溜井直徑分別為5、5.5和5.5 m，采區(qū)溜井拉出的礦石經(jīng)粗破碎后裝進(jìn)主溜井。其中，主溜井和2#采區(qū)溜井屬于國(guó)內(nèi)冶金礦山少有的幾條高深溜井之一。

2#溜井是二期采場(chǎng)的唯一礦石輸出通道，該溜井在輸出礦105萬(wàn)t后于2007年9月開(kāi)始發(fā)生井筒堵塞，堵塞前深度達(dá)493 m，經(jīng)氫氣球探測(cè)等方法觀測(cè)8次，堵塞在井筒內(nèi)標(biāo)高3 650～3 700 m處，至今該井筒發(fā)生堵塞多次。主溜井在輸出礦1 800萬(wàn)t后于2013年5月6日—5月31日，在井筒內(nèi)標(biāo)高3 220 m處發(fā)生堵塞25 d，溜井堵塞迫使黑溝礦區(qū)停產(chǎn)。

高深溜井在生產(chǎn)過(guò)程中存在很多不可控因素，難免發(fā)生堵塞，因此大部分溜井在設(shè)計(jì)時(shí)都有專門(mén)的監(jiān)測(cè)巷，黑溝礦區(qū)除主溜井(設(shè)有3條監(jiān)測(cè)巷)外，1#、2#溜井在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有布置監(jiān)測(cè)巷，導(dǎo)致一旦發(fā)生溜井井筒堵塞處理非常困難。礦山管理技術(shù)人員經(jīng)過(guò)不斷探索獨(dú)自完成了主溜井和2#采區(qū)溜井井筒堵塞的多次疏通工作，在高深溜井的生產(chǎn)管理和井筒堵塞處理方面積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于高深溜井的安全使用，國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)可循。大多文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)礦石在溜井中移動(dòng)規(guī)律的分析研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的溜井堵塞事故原因分析，總結(jié)出溜井井筒堵塞通常呈2種形式：一是大塊咬合拱，二是粉礦黏結(jié)拱。大塊咬合拱形成機(jī)理簡(jiǎn)單，對(duì)于粉礦黏結(jié)拱通常將堵塞因素劃分為內(nèi)因和外因2個(gè)方面，內(nèi)因主要是指礦石的物理機(jī)械性能，如塊度組成、壓實(shí)程度、含水量等，外因主要是指溜井底部結(jié)構(gòu)形式與尺寸、卸礦方式、貯礦時(shí)間等[1]。

對(duì)正常生產(chǎn)中的溜井，通常認(rèn)為有以下幾種可能造成井筒堵塞[1]：

(1)井壁發(fā)生較大的片幫或裝入的礦巖大塊聚集形成大塊咬合拱。

(2)溜井中流動(dòng)的礦巖粉礦聚集形成的黏結(jié)拱。

(3)將木料、鐵軌、鋼鐵件、充填料等雜物倒入溜井，如果雜物過(guò)多或過(guò)長(zhǎng)，就容易造成溜井堵塞。

(4)上述情形共同作用形成的穩(wěn)定平衡拱。

鑒于黑溝礦主溜井和2#溜井建設(shè)時(shí)，屬于國(guó)內(nèi)冶金礦山位列前2位的高深溜井，在建設(shè)初期就委托相關(guān)科研單位對(duì)高深溜井的安全使用進(jìn)行了專題研究論證，對(duì)溜井井深、井位選擇、直徑確定、底部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全使用提出系統(tǒng)的建議；施工期間建設(shè)單位加強(qiáng)對(duì)溜井施工的管理與監(jiān)督，基本確保了溜井施工質(zhì)量；礦山投產(chǎn)前生產(chǎn)單位為加強(qiáng)高深溜井的使用與管理，確保溜井在生產(chǎn)使用過(guò)程中的安全與順行，依據(jù)行業(yè)安全規(guī)程、黑溝高深溜井專題研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外溜井使用管理的研究文獻(xiàn)和酒鋼礦山溜井管理經(jīng)驗(yàn)，制訂了《高深溜井使用管理制度》并逐年完善，對(duì)高深溜井的使用管理從入井大塊的控制、溜井空高的控制、塊粉礦的搭配入井、廢鋼鐵及雜物入井控制、井口阻水、溜井降段設(shè)計(jì)、爆破振動(dòng)控制、放礦溜口死礦清理、下口大塊處理、均衡輸出等方面制訂了明確的管理使用辦法，溜井日常的安全運(yùn)行管理按照制度規(guī)定執(zhí)行。

在溜井多次堵塞疏通后通過(guò)溜井拉礦觀察，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)大塊集中出現(xiàn)和井壁發(fā)生較大的片幫，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)金屬件和其他影響礦石流動(dòng)的雜物，基本可以排除大塊咬合拱堵塞和金屬網(wǎng)與錨桿等雜物將礦石兜住導(dǎo)致堵塞的情況，在溜井正常生產(chǎn)期間基本做到了控制礦石水分2%以下且均衡生產(chǎn)，符合保證高深溜井的安全使用專題試驗(yàn)研究要求。根據(jù)研究結(jié)論，當(dāng)黑溝溜井中礦石粉礦含量達(dá)到一定比例，含水量達(dá)到3%～7%，該條件下壓實(shí)系數(shù)大，礦石易結(jié)塊成拱。

2條溜井發(fā)生多次堵塞，而且堵塞部位大致都在井筒中上部位，堵塞形式可以斷定均為粉礦黏結(jié)拱，堵塞原因較為復(fù)雜。由于不能將堵塞原因分析透徹，制定的預(yù)防措施也不能做到對(duì)癥下藥，從而出現(xiàn)反復(fù)堵塞的現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)黑溝礦3條溜井礦石移動(dòng)規(guī)律的觀察分析，筆者認(rèn)為高深溜井井筒粉礦黏結(jié)拱的形成除與上述因素有關(guān)外，還與井筒深度和溜井中礦石移動(dòng)規(guī)律有很大關(guān)系。

1 礦石在溜井中的移動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)綜述

按業(yè)界通常認(rèn)識(shí)[2]，根據(jù)礦石在溜井中的移動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)可將溜井分為4個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖1)，各區(qū)礦石流動(dòng)特點(diǎn)如下。

圖1 溜井分區(qū)Fig.1 Subarea of slip shaft

(1)第一區(qū)為等速垂直全斷面移動(dòng)區(qū)。該區(qū)的礦石垂直下降而不產(chǎn)生水平移動(dòng)，是典型的全斷面流。如果溜井直徑與溜口尺寸匹配合理，礦石在該段不會(huì)產(chǎn)生堵塞。

(2)第二區(qū)為變速變向全斷面移動(dòng)區(qū)。由于使用旁側(cè)溜口，這樣使遠(yuǎn)離溜口一側(cè)的礦石產(chǎn)生較大的水平移動(dòng)。在垂向上靠近流動(dòng)軸線的礦石移動(dòng)速度較快，遠(yuǎn)離軸線的礦石移動(dòng)速度較慢。在松動(dòng)體內(nèi)形成移動(dòng)的平衡拱，當(dāng)拱的尺寸大于或等于礦石移動(dòng)的有效斷面時(shí)，容易形成穩(wěn)定的平衡拱。由于該區(qū)內(nèi)的礦石呈全斷面移動(dòng)，有效斷面沒(méi)有縮小，故在此區(qū)內(nèi)一般不產(chǎn)生穩(wěn)定的平衡拱，即不發(fā)生溜井堵塞事故。

(3)第三區(qū)為變速變向局部斷面移動(dòng)區(qū)。由于溜口偏于溜井一側(cè)，致使另一側(cè)易形成一個(gè)粉礦堆積體(即第四區(qū))。堆積體的存在，會(huì)使礦石通過(guò)溜口附近的有效斷面逐漸縮小，礦流阻力增大，愈接近溜口該現(xiàn)象愈明顯，也愈容易導(dǎo)致咬合拱或黏結(jié)拱的產(chǎn)生。當(dāng)條件成熟時(shí)，移動(dòng)的平衡拱便會(huì)形成穩(wěn)定的平衡拱，導(dǎo)致溜井堵塞。

(4)第四區(qū)處在流動(dòng)線以下，該區(qū)礦石處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以又稱為死礦區(qū)。

2 高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律

自投產(chǎn)以來(lái)，黑溝礦3條溜井經(jīng)常發(fā)生井筒上部滯留現(xiàn)象，一次下落20～30 m，多則下落50～60 m，且主溜井和2#溜井井筒發(fā)生堵塞多次。發(fā)現(xiàn)如上前人總結(jié)的礦石在溜井中的移動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)不能很好地解釋黑溝礦溜井使用過(guò)程中發(fā)生的一些現(xiàn)象，需提出對(duì)礦石在高深溜井溜井中的移動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)的再認(rèn)識(shí)。

2.1 礦石移動(dòng)的觀察

近年來(lái)，對(duì)黑溝礦溜井的運(yùn)行進(jìn)行觀察，記錄了上千數(shù)據(jù)。正常生產(chǎn)時(shí)，記錄數(shù)據(jù)包括溜井上口裝礦量與時(shí)間、溜井下口拉礦量與時(shí)間、拉礦時(shí)井筒內(nèi)礦面高度、溜井上口裝礦品位及下口出礦品位等內(nèi)容；井筒堵塞時(shí)，使用自己總結(jié)的高深溜井井筒堵塞觀測(cè)監(jiān)聽(tīng)方法(專利號(hào)201210527031.3)，搜集在監(jiān)測(cè)巷采集的溜井下部拉礦和爆破過(guò)程中井內(nèi)礦流聲響、空腔回聲、鉆孔的氣流變化和氣流聲響等數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行多次反復(fù)分析，診斷推測(cè)井筒堵塞位置、堵塞形式和空腔高度。

選取2008年9月7日黑溝2#溜井放礦井筒中礦石移動(dòng)情況記錄數(shù)據(jù)供參考(見(jiàn)表1)。該狀態(tài)屬非正常生產(chǎn)組織狀況，黑溝溜井正常生產(chǎn)組織非貯礦段控制在30 m以內(nèi)。

通過(guò)音頻和視頻等手段觀察，主溜井拉礦時(shí)各監(jiān)測(cè)巷氣流變化不盡相同，下部監(jiān)測(cè)巷氣流強(qiáng)度較弱，上部表現(xiàn)較強(qiáng)。溜井下礦過(guò)程呈現(xiàn)“喘氣”現(xiàn)象，下部“喘氣”頻率快，持續(xù)時(shí)間短，上部頻率慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)音頻觀察分析，井筒內(nèi)存在空腔，上部空腔長(zhǎng)度明顯大于下部；個(gè)別塊度大的礦石對(duì)下部礦面沖擊聲明顯，且先于整體礦石下落；溜井下口連續(xù)出礦，整個(gè)井筒有數(shù)次落礦現(xiàn)象。觀察結(jié)果表明，越到溜井的上部，礦石移動(dòng)的平均周期越長(zhǎng)。也就是說(shuō)，越到溜井的上部，一次下落的礦量越多，一次移動(dòng)礦石下降的平均距離變長(zhǎng)。

表1 黑溝2#溜井放礦井筒中礦石移動(dòng)情況(2008-09-07)Table 1 The movement of ore in No.2 shaft of Heigou Mine (September 7，2008)

通過(guò)對(duì)酒鋼3座礦山(黑溝、西溝、樺樹(shù)溝)20多條溜井礦石移動(dòng)現(xiàn)象的觀察分析對(duì)比，認(rèn)為過(guò)去業(yè)界對(duì)溜井中礦石移動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)是基于短溜井的(通常深度小于100 m)，并且生產(chǎn)運(yùn)行正常的幾十米深的短溜井的移動(dòng)規(guī)律與前人的總結(jié)較為吻合。對(duì)黑溝3條溜井、西溝礦4條采區(qū)溜井和樺樹(shù)溝礦主溜井礦石移動(dòng)規(guī)律的觀察分析，與前人總結(jié)的移動(dòng)規(guī)律存在差異。

依據(jù)觀察分析，對(duì)井筒斷面上下一致的高深溜井(通常深度大于150 m，井筒斷面刷大的溜井同樣適用)來(lái)說(shuō)，認(rèn)同前人總結(jié)的第二～第四區(qū)移動(dòng)規(guī)律，隨溜井深度的變化，第一區(qū)的礦石移動(dòng)的規(guī)律與特點(diǎn)歸納如下。

(1) 第一區(qū)上部為垂直全斷面階段性移動(dòng)區(qū)。在該區(qū)域受礦石物理性能，如塊度組成、壓實(shí)程度、含水量等的影響，易形成臨時(shí)平衡拱，該拱為粉礦黏結(jié)拱。該懸拱通過(guò)下部連續(xù)拉礦或落礦產(chǎn)生的氣流撓動(dòng)和負(fù)壓的作用或承受不住來(lái)自上部的載荷時(shí)崩落；在該區(qū)域形成的臨時(shí)平衡拱有無(wú)數(shù)個(gè)，井內(nèi)一定高度范圍內(nèi)反復(fù)形成懸拱并向上發(fā)展，在溜井放礦過(guò)程中始終處于破壞再形成的過(guò)程；在該區(qū)域礦石移動(dòng)并不是隨著下部溜口放礦而同時(shí)移動(dòng)，它與下部溜口放礦有一時(shí)間差，且該時(shí)間差隨井筒向上的延伸而加大，礦石下落呈一次或數(shù)次下落過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，呈全斷面階段性移動(dòng)特征。如溜井閑置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，受貯存礦石物理機(jī)械性能及井筒裂隙水的影響，臨時(shí)平衡拱極易向穩(wěn)定的平衡拱轉(zhuǎn)變，從而形成井筒堵塞。

(2)第一區(qū)下部為垂直全斷面連續(xù)性移動(dòng)區(qū)。在該區(qū)域礦石移動(dòng)隨著下部溜口放礦而同時(shí)移動(dòng)，呈全斷面連續(xù)性移動(dòng)特征，礦石在該段不易產(chǎn)生堵塞。

2.2 第一區(qū)礦石移動(dòng)規(guī)律的機(jī)理

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)和散體的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了較為深入的研究，已有許多研究成果。散體材料結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)之一就是搭拱效應(yīng)，在散體材料結(jié)構(gòu)中，力的分布具有高度的各向異性，當(dāng)材料顆粒與其側(cè)向臨近顆粒的相互作用間存在的摩擦與擠壓使得顆粒位置形式合適時(shí)，它們就排列成了力鏈和拱結(jié)構(gòu)，形成拱結(jié)構(gòu)是顆粒系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)的隨機(jī)現(xiàn)象，拱是一種相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這些拱結(jié)構(gòu)支撐著堆積在其上顆粒的重力和外荷載力。當(dāng)拱結(jié)構(gòu)不能支撐上面的重量和外荷載力時(shí)，就會(huì)很快崩塌，內(nèi)部開(kāi)始自組織運(yùn)動(dòng)，重組新的拱結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)出沉降。散體材料結(jié)構(gòu)不同于連續(xù)介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)，其沉降變形是在一次次的坍塌過(guò)程中完成的，自組織的過(guò)程是舊拱結(jié)構(gòu)崩塌與新拱結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程，拱結(jié)構(gòu)會(huì)不斷的消亡后再產(chǎn)生，且始終存在自組織現(xiàn)象，直到散體材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒(méi)有任何一點(diǎn)可移動(dòng)空間為止。拱結(jié)構(gòu)的抗衡力與材料的密度有直接的關(guān)系，通常越密實(shí)，剪阻力越大，承載力越高。拱結(jié)構(gòu)的形成與坍塌過(guò)程都是隨機(jī)過(guò)程[1]。

溜井中礦巖散體的流動(dòng)遵循以上規(guī)律，對(duì)于單個(gè)礦巖顆粒，其本身具有不可壓縮和變形的固體性質(zhì)，其運(yùn)動(dòng)具有很大的隨機(jī)性；對(duì)于整個(gè)礦巖散體來(lái)說(shuō)，礦巖散體又具有流動(dòng)性，但整體移動(dòng)又表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。井筒中拱的形成和破壞交替進(jìn)行，拱形成時(shí)礦巖流動(dòng)瞬間停止，拱破壞后礦巖繼續(xù)流動(dòng)，礦石的放出呈現(xiàn)脈動(dòng)過(guò)程。井筒中的平衡拱承擔(dān)著來(lái)自上部礦巖的重力、井壁摩擦力和下部放礦時(shí)的抽力(在密閉或近乎密閉的井筒中，放礦時(shí)平衡拱下部呈負(fù)壓狀態(tài))。拱崩塌，上部礦巖移動(dòng)區(qū)下降時(shí)，受到與井壁的摩擦阻力和空氣阻力等，就是由于這樣的反復(fù)，礦石才從連續(xù)流動(dòng)變?yōu)殡A段性流動(dòng)。呈現(xiàn)該現(xiàn)象的區(qū)域稱為垂直全斷面階段性移動(dòng)區(qū)。在垂直全斷面階段性移動(dòng)區(qū)之下一段區(qū)域(第一區(qū)下部)，在放礦過(guò)程中，礦巖散體同樣出現(xiàn)搭拱現(xiàn)象，通常拱的形成和破壞交替時(shí)間短，對(duì)移動(dòng)區(qū)的整體礦巖來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)出整體移動(dòng)的特點(diǎn)，將該區(qū)域稱之為垂直全斷面連續(xù)性移動(dòng)區(qū)。

2.3 礦石移動(dòng)規(guī)律與井筒堵塞等故障的關(guān)系

礦石在高深溜井中的移動(dòng)規(guī)律對(duì)溜井井筒產(chǎn)生堵塞、磨損、片幫和跑礦產(chǎn)生較大影響。

(1)產(chǎn)生堵塞。對(duì)于高深溜井，第一區(qū)上部高度的增大，井筒中平衡拱的形成幾率和數(shù)量也隨之增加。在該區(qū)域落礦周期逐漸加大，臨時(shí)平衡拱下方會(huì)出現(xiàn)空腔，由于空腔的出現(xiàn)，下部放礦時(shí)的抽力減弱，對(duì)拱的破壞力也相應(yīng)減弱。同樣由于空腔的出現(xiàn)，空腔上部的平衡拱崩塌時(shí)，空腔區(qū)呈正壓狀態(tài)，礦巖下落并非自由落體，此時(shí)散體材料顆粒的移動(dòng)受到阻力的影響，與顆粒的質(zhì)量大小成反比，從而礦巖散體出現(xiàn)顆粒分級(jí)現(xiàn)象，空腔高度越大，分級(jí)現(xiàn)象越明顯；有時(shí)會(huì)出現(xiàn)塊礦集中、粉礦集中的現(xiàn)象。若此時(shí)具備前述的內(nèi)因或和外因條件，臨時(shí)平衡拱極易向穩(wěn)定的平衡拱轉(zhuǎn)變，從而形成井筒堵塞。

(2)產(chǎn)生片幫、加大井壁磨損。由于空腔的出現(xiàn)，在空腔下部放礦和上部落礦的過(guò)程中，空腔區(qū)周?chē)诔惺苤鴣?lái)自于負(fù)壓和正壓的交替作用，使結(jié)構(gòu)性差的井壁巖石產(chǎn)生破壞，加大井壁磨損；在與其他原因的共同作用下，會(huì)造成溜井井壁片幫的出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在井筒內(nèi)形成大塊咬合拱，從而形成溜井堵塞。筆者曾經(jīng)對(duì)西溝礦1#溜井進(jìn)行過(guò)井筒觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)貯礦倉(cāng)上部50 m范圍內(nèi)，直徑未發(fā)生大的變化、井壁光滑，說(shuō)明垂直全斷面連續(xù)性移動(dòng)區(qū)各處磨損均勻且輕微。

(3)產(chǎn)生跑礦。發(fā)生井筒堵塞時(shí)，溜井下部應(yīng)停止拉礦或謹(jǐn)慎限量拉礦。如將下部拉空，將造成溜井跑礦事故。生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)做好溜井出入礦量、溜井滯留時(shí)間、滯留塌落高度等記錄，認(rèn)真核對(duì)分析數(shù)據(jù)，確認(rèn)空腔位置，及時(shí)組織溜井下部連續(xù)拉礦，依靠拉礦在空腔產(chǎn)生的負(fù)壓和氣流擾動(dòng)破壞懸拱，預(yù)防堵塞；拉礦前，計(jì)算好拉礦量，以免將溜井下部拉空，懸拱崩塌后產(chǎn)生跑礦，造成嚴(yán)重后果。

3 黑溝高深溜井堵塞原因的再分析

運(yùn)用高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律，可以很好地解釋黑溝溜井頻繁出現(xiàn)的井筒滯留和堵塞現(xiàn)象以及磨損情況。

礦石在井筒中滯留一段時(shí)間，之后自行下落，是井筒中空腔上部懸拱崩塌的表現(xiàn)。

由于階段流形成的礦流和高速氣流對(duì)井壁的沖刷以及觸底振動(dòng)沖擊，加劇了井壁的磨損。受溜井圍巖巖性差異的影響，階段流對(duì)井壁造成的磨損是不一致的，在磨損過(guò)程中會(huì)在井內(nèi)形成凹槽或凸臺(tái)，為懸拱形成創(chuàng)造了條件。

圖2是根據(jù)2009年2#溜井維修時(shí)井筒實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的溜井中上部3D圖，可以說(shuō)明階段流對(duì)井筒的磨損程度。圖3是黑溝2#溜井?dāng)z像觀測(cè)看到的井壁情況。

井筒一定高度范圍內(nèi)磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致局部井筒直徑變化較大，井筒呈漏斗狀，在該部位礦石呈管束狀流動(dòng)；若此處堆積的是階段流作用下的粉礦集中層，由于上部礦石階段流沖擊，礦石在下落過(guò)程中同時(shí)受到軸向沖擊和徑向壓縮，使礦石壓實(shí)程度達(dá)到了形成懸拱的條件。

圖2 黑溝2#溜井上部實(shí)測(cè)3D圖Fig.2 Upper measured 3D diagram of Heigou No.2 chute

圖3 黑溝2#溜井磨損觀測(cè)照片F(xiàn)ig.3 Wear observation pictures of Heigou No.2 chute

以2013年5月主溜井的堵塞處理為例進(jìn)行分析。通過(guò)清理3 250 m水平監(jiān)測(cè)巷粉塵堆積物，在井筒內(nèi)發(fā)現(xiàn)一黏結(jié)拱，黏結(jié)拱致密，可以推測(cè)是在強(qiáng)烈沖擊作用下壓實(shí)形成，說(shuō)明主溜井確實(shí)存在階段流沖擊作用下形成黏結(jié)拱的情況。通過(guò)鉆孔與溜井貫通位置數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了主溜井井壁磨損程度以及溜井懸拱位置確實(shí)存在漏斗狀結(jié)構(gòu)。

本次堵塞處理最后采用注水法實(shí)現(xiàn)了懸拱最終垮塌，說(shuō)明堵塞是由粉礦黏結(jié)拱造成。堵塞疏通后恢復(fù)溜井生產(chǎn)，連續(xù)對(duì)井內(nèi)拉出礦石進(jìn)行了含水量測(cè)定，從連續(xù)7 d的數(shù)據(jù)看，未發(fā)現(xiàn)水分超過(guò)3%的情況。溜井在注水7 t的情況下，拉出的礦石水分含量低，說(shuō)明階段流使礦石分級(jí)混合的作用不可低估。

懸拱崩塌后，礦面下落120多m，從井口拋出的礦石最遠(yuǎn)處達(dá)40多m，井口周?chē)? m范圍內(nèi)堆積了10～20 cm厚的粉礦，這足以說(shuō)明氣流作用的劇烈。

4 井筒堵塞治理

溜井井筒堵塞通常有大塊咬合拱和粉礦黏結(jié)拱2種形式。避免大塊咬合拱的產(chǎn)生，主要靠加強(qiáng)生產(chǎn)管理[3]，在此不予贅述。對(duì)于粉礦黏結(jié)拱的產(chǎn)生。不僅要加強(qiáng)生產(chǎn)管理，更多的原因是如前所述的礦石移動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生的；如何處理和避免溜井井筒堵塞，針對(duì)在用和設(shè)計(jì)與新建的溜井提出如下措施。

4.1 高深溜井井筒黏結(jié)拱堵塞處理技術(shù)[4]

對(duì)于正在生產(chǎn)使用的高深溜井，利用溜井檢查巷，實(shí)施下列技術(shù)可有效處理高深溜井井筒黏結(jié)拱堵塞。

(1)氫氣球懸掛藥包爆破處理技術(shù)。運(yùn)用氫氣球浮力，將炸藥及起爆系統(tǒng)吊至堵塞懸拱處，引爆炸藥，利用爆炸沖擊波破壞堵塞懸拱。

(2)大藥量爆破沖擊波破拱處理技術(shù)。引爆在一定部位井筒中心放置的炸藥，依靠井筒傳遞爆炸沖擊波使懸拱發(fā)生破壞。

(3)連續(xù)拉礦與井筒內(nèi)懸吊藥包炮振處理技術(shù)。發(fā)現(xiàn)溜井出現(xiàn)滯留現(xiàn)象，即礦流產(chǎn)生的臨時(shí)平衡拱向穩(wěn)定平衡拱過(guò)渡期間，必須及時(shí)不間斷地拉礦，依靠井內(nèi)壓差變化達(dá)到破壞懸拱的目的；該措施無(wú)效時(shí)，利用檢查巷向井筒內(nèi)懸吊炸藥20～30 kg實(shí)施爆破，爆破后溜井連續(xù)性拉礦，以達(dá)到溜井疏通的目的。

4.2 對(duì)設(shè)計(jì)與新建溜井的建議

對(duì)于設(shè)計(jì)與新建的溜井，應(yīng)盡量避免使用高深溜井，可采用倒運(yùn)式溜井[5]，減少垂直全斷面階段性移動(dòng)區(qū)高度，以避免產(chǎn)生粉礦黏結(jié)拱造成井筒堵塞。

由于高深溜井具有運(yùn)輸成本低、生產(chǎn)組織環(huán)節(jié)少等無(wú)可比擬的優(yōu)越性，當(dāng)溜井圍巖工程地質(zhì)條件好，溜井設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)可考慮使用高深溜井，設(shè)置監(jiān)察巷，在低于監(jiān)察巷底板的井筒處，采取特殊措施加固井壁(如在一定部位設(shè)置鋼圈)，然后封堵監(jiān)察巷(留觀察孔)，堵塞時(shí)利用觀察孔輸送炸藥，使用大藥量爆破沖擊波破拱技術(shù)處理堵塞，同時(shí)可有效避免爆破對(duì)井筒圍巖的損傷。

5 結(jié) 論

(1)高深溜井存在垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)的特性，高深溜井礦石移動(dòng)規(guī)律是造成溜井井筒堵塞、片幫等故障出現(xiàn)的重要原因。

(2)溜井堵塞次數(shù)、堵塞頻率和堵塞部位與溜井深度有關(guān)。

(3)貯礦條件下，溜井在垂直全斷面連續(xù)性移動(dòng)區(qū)各處磨損均勻且輕微，在垂直全斷面階段性移動(dòng)區(qū)處磨損與溜井深度有關(guān)。

(4)溜井跑礦事故與溜井深度有關(guān)。

(5)高深溜井具有礦石分級(jí)混合特性。

(6)高深溜井國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，且由于溜井結(jié)構(gòu)不同，各條溜井及礦石在溜井中的移動(dòng)規(guī)律既有其共性又有其個(gè)性，高深溜井存在垂直全斷面階段性礦石移動(dòng)的特性，為破解高深溜井井筒出現(xiàn)的故障(含堵塞、片幫、跑礦等)開(kāi)拓了思路，分析研究高深溜井礦石流動(dòng)規(guī)律及機(jī)理有助于預(yù)防、解決溜井出現(xiàn)的故障問(wèn)題。學(xué)習(xí)和總結(jié)借鑒國(guó)內(nèi)外深溜井的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，可以有效指導(dǎo)溜井的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理。

[1] 呂向東.高深溜井結(jié)構(gòu)優(yōu)化與應(yīng)用技術(shù)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012. Lu Xiangdong.High-deep Chute Construction Optimize and Application Technique Research[D].Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology,2012.

[2] 郭寶昆，張福珍.礦石在溜井各區(qū)內(nèi)的移動(dòng)特點(diǎn)及其分析[J].黃金，1985(3):20-25. Guo Baokun，Zhang Fuzhen.Characteristics and analysis of the movement of the ore in the area of the shaft[J].Gold，1985(3):20-25.

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[5] 張?jiān)鲑F，王建中.倒運(yùn)式溜井在礦山主溜井系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國(guó)礦山工程，2008(6)：31-32. Zhang Zengui,Wang Jianzhong.Application of transferring chute in the mine main chute system[J].China Mine Engineering,2008(6):31-32.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Mechanism Analysis and Control of Deep Shafts Wellbore Plugging

Lu Xiangdong

(JiuquanIronandSteelGroupCo.，Jiayuguan735100，China)

Based on ores movement regularity and characteristics of the mine shafts from the previous，through the observation of deep shafts in Heigou mine where wellbore plugging accident often occur，the deep shafts existence characteristics of vertical full section phase ores moving is found on top of the vertical full section continuous ore moving zone.This feature is generated by the arches effect of the ores flow in the shaft，and the formation and destruction of the arches in the wellbore are carried out alternately，so that the ores discharge shows like the pulse; It is concluded that the deep shafts ores movement rules include the phase movement of the vertical full section，the continuous movement of the vertical full section，the variable speed and direction movement of the vertical full section and the variable speed and direction movement of the vertical part section；The characteristics of phase and vertical full section ores movement is the important reason for wellbore plug，wall caving，wear and ore mixing and grading by analysis.At the same time，the processing technology of the plugging wellbore is put forward for the present deep shafts，F(xiàn)or the design and construction of the new shafts，the design form of wellbore structure to prevent blockage is put forward；It opens up the new idea for trouble clearing appearing in deep shaft，and this idea is an important guiding significance on the design and practice of production of the same type of deep shafts.

Deep shaft，Wellbore plugging，Granular material，Movement regularity

2015-08-23

呂向東(1969—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。

TD262.1+1

A

1001-1250(2015)-11-158-06