大垮塌原礦倉全景掃描及沖擊破壞機(jī)制分析

原 野，于世波，張 馳，鄭志杰

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

0 引 言

在礦山的井下工程中，原礦倉一般位于多個(gè)永久工程的中心部位，且是礦山提升運(yùn)輸?shù)难屎聿课弧Ｗ鳛榈V山重點(diǎn)工程，肩負(fù)全礦運(yùn)輸生產(chǎn)的重任，重要性不言而喻[1-8]。為了消除潛在的危險(xiǎn)因素，最大程度減少對(duì)礦山正常生產(chǎn)造成的影響[9-12]，分析原礦倉的破壞機(jī)制，以此為依據(jù)來研究安全、穩(wěn)妥、快速的修復(fù)方案，恢復(fù)原礦倉的正常使用功能，對(duì)保證礦山安全生產(chǎn)具有極為重要的意義。

本文對(duì)原礦倉受礦石沖擊損傷的機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)合定位、提升等技術(shù)，運(yùn)用BLSS-PE礦用三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)原礦倉垮塌三維信息的準(zhǔn)確獲取及可視化，分析影響原礦倉受沖擊損傷的主要因素，并構(gòu)建了原礦倉的沖擊損傷理論模型，在分析計(jì)算后得到原礦倉受礦石沖擊的區(qū)域。

1 工程概況

某大型金礦設(shè)1個(gè)廢石礦倉，2個(gè)礦石礦倉(即原礦倉)。礦石經(jīng)-600 m卸載站卸入原礦倉，破碎后由成品礦倉經(jīng)-720 m皮帶道進(jìn)入混合井，箕斗提升至地表。1號(hào)原礦倉深-600～-675 m，共計(jì)75 m深，直徑6 m，自投入使用以來，長期受下落礦石沖擊造成放礦兩側(cè)的井壁刷大，部分井壁塌落，并出現(xiàn)大塊冒落至原礦倉底部，導(dǎo)致1號(hào)原礦倉無法正常使用。

2 原礦倉形態(tài)掃描及分析

2.1 BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)介紹

BLSS-PE礦用三維激光掃描儀是專門針對(duì)我國礦山應(yīng)用條件和需求而研制，憑借小型化掃描主機(jī)、無線傳輸系統(tǒng)、高防護(hù)系統(tǒng)、自適應(yīng)空間分辨率優(yōu)化技術(shù)、盲區(qū)識(shí)別技術(shù)、多站拼接技術(shù)、專業(yè)化三維設(shè)計(jì)軟件以及與采礦工藝關(guān)聯(lián)的軟件模塊，可為礦山提供快速、高精度的非接觸式三維空間快速測量解決方案，在精細(xì)化采礦設(shè)計(jì)、測量區(qū)域充填設(shè)計(jì)、爆破效果評(píng)價(jià)、出礦量評(píng)估復(fù)核、井巷工程驗(yàn)收、礦山三維高精度建模等應(yīng)用中具有突出優(yōu)勢。

2.2 輔助掃描裝置設(shè)計(jì)與安裝

由于原礦倉深度較大，現(xiàn)場操作難度很大，鑒于實(shí)際情況，研發(fā)適用于垂直原礦倉的定位提升裝置[13-16]，并加工了簡易的滾筒提升裝置，該提升裝置兩端通過兩根鋼絲繩下端固定配重結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)繩，另外再在卷筒上纏繞一根鋼絲繩吊裝一個(gè)鐵箱，鐵箱下端固定設(shè)備，上端放置設(shè)備電源，然后通過提升裝置將鐵箱按照要求下放至指定位置配合完成相應(yīng)的測量工作。

2.3 原礦倉掃描結(jié)果

鑒于原礦倉特殊的工程環(huán)境，現(xiàn)場掃描工作按照原礦倉高程分段進(jìn)行，其中上部分全景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；第二次掃描下放高度為12.4 m，距起始下放位置13.7 m，主要獲取礦倉喇叭口以下至礦倉底部的全景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；第三次掃描是在對(duì)第二次掃描結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場分析的基礎(chǔ)之上所開展，由于礦倉內(nèi)部情況不明，難免產(chǎn)生遮擋從而無法獲得完整數(shù)據(jù)，另外由于輔助測量裝置采用穩(wěn)繩結(jié)構(gòu)對(duì)測量設(shè)備進(jìn)行固定，不可避免在測量過程中產(chǎn)生晃動(dòng)，因此，為了獲得更為準(zhǔn)確和全面的測量結(jié)果，現(xiàn)場進(jìn)一步將掃描設(shè)備下放至距離起始下放位置17.8 m處進(jìn)行第三次測量。根據(jù)原礦倉掃描結(jié)果復(fù)合圖，建立對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體模型與原礦倉設(shè)計(jì)模型(圖1右側(cè)圖中下部柱體)對(duì)比如圖1所示。

圖1 掃描三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原礦倉實(shí)體模型對(duì)比圖Fig.1 Contrast diagram of scanning 3D point cloud data and ore bin model

2.4 原礦倉垮塌結(jié)果分析

由于原礦倉受礦石沖擊后存在明顯變形，為直觀反映原礦倉受礦石沖擊后的現(xiàn)狀和變化趨勢，將按掃描結(jié)果建立的實(shí)測模型按5 m間隔生成橫剖面，將橫剖面與原礦倉設(shè)計(jì)邊界進(jìn)行復(fù)合對(duì)比，見圖2(小圓為原礦倉設(shè)計(jì)邊界，大輪廓線為實(shí)測模型邊界)。

表1 原礦倉橫剖面面積和最大斷面尺寸(-616～-648 m)Table 1 Ore bin section area and maximum section size(-616 m to -648 m)

圖2 原礦倉實(shí)測橫剖面與設(shè)計(jì)邊界對(duì)比圖(單位:m)Fig.2 Comparison diagram of measured section and design boundary of ore bin(Unit: m)

為近一步分析原礦倉受礦石沖擊的情況，利用實(shí)測模型，以垂直高度2 m為間隔，獲得橫剖面面積和橫剖面最大斷面尺寸(表1)，圖2為原礦倉橫剖面面積和最大斷面尺寸變化趨勢分析圖。

通過驗(yàn)證分析看出以下特征：①由圖3可知，在原礦倉受沖擊一側(cè)，存在明顯的垮塌現(xiàn)象，在-630 m標(biāo)高剖面面積達(dá)到124.51 m2，實(shí)測垮塌邊界距離設(shè)計(jì)邊界最大達(dá)到9.30 m，橫斷面尺寸達(dá)到最大的17.67 m。偏離中心線的最大距離在6 m以上，最大垮塌寬度達(dá)到原礦倉直徑的3.2倍；②原礦倉其縱向垮塌從-612 m一直延伸至-649 m水平，垮塌高度37 m。由圖3可知，原礦倉各橫斷面最大斷面尺寸在標(biāo)高-612～-630 m內(nèi)急劇增加并趨于平衡，在標(biāo)高-630～-648 m呈減小趨勢。

圖3 實(shí)測模型剖面分析Fig.3 Analysis of measured model section

3 原礦倉沖擊破壞機(jī)制分析

3.1 礦石沖擊過程推導(dǎo)

沖擊破壞是原礦倉的主要破壞形式，基于物理運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，對(duì)原礦倉井壁的沖擊破壞采用卻是角度進(jìn)行分析。原礦倉的溜槽是鋼結(jié)構(gòu)，具有減震的作用，同時(shí)進(jìn)行原礦倉的礦石一般密度較大。因此假設(shè)礦石從底卸式礦車傾倒時(shí)發(fā)生的是完全非彈性碰撞，速度變?yōu)?。在重力和摩擦力的影響下，礦石做勻加速運(yùn)動(dòng)。

礦石從溜槽口下落后做拋物運(yùn)動(dòng)，其水平速度和垂直速度分別見式(1)和式(2)。

v1=v×cosα(1)

v2=v×sinα(2)

式中：v為礦石從溜槽口下落后的速度，m/s；v1為礦石下落的水平速度，m/s；v2為礦石下落的垂直速度，m/s；α為溜槽的水平夾角。

礦石從溜槽口下落到與原礦倉井壁發(fā)生沖擊時(shí)，所需要的時(shí)間計(jì)算見式(3)。

(3)

式中：d為原礦倉的直徑，m；t是時(shí)間，s。

礦石與原礦倉井壁發(fā)生沖擊的位置與礦石溜槽口的下落點(diǎn)之間的垂直距離L計(jì)算，見式(4)。

(4)

式中,L為礦石與原礦倉井壁發(fā)生沖擊的位置與礦石溜槽口的下落點(diǎn)之間的垂直距離，m。

如圖4所示，假設(shè)礦石的下落點(diǎn)在AB兩點(diǎn)之間，礦石在斜面上受重力和摩擦力作用做勻加速運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可以計(jì)算出速度v，見式(5)。

(5)

式中：g為重力加速度，m/s2；μ為摩擦系數(shù)；v為礦石的初始水平速度，m/s；l為礦石在溜槽上的運(yùn)動(dòng)距離，m。

圖4 礦石運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析示意圖Fig.4 Diagram of ore movement rule analysis

礦石對(duì)原礦倉井壁的沖擊點(diǎn)的垂直距離H，計(jì)算公式見式(6)。

(6)

由式(6)可得到H與礦石初始速度v之間的關(guān)系。

礦石重車在下放礦石過程中，現(xiàn)場實(shí)際是以下不同水平速度3 m/s、1.5 m/s、1 m/s、0.5 m/s下放，礦石在溜槽上的滾動(dòng)距離為10 m至14 m，按正交計(jì)算出礦石脫離卸礦站底部的初始水平速度，進(jìn)而分析礦石與原礦倉井壁的沖擊范圍，具體情況見表2和表3。

從表3和圖4可以得出，原礦倉受沖擊的標(biāo)高為-620.35～-622.14 m，因初始水平速度和礦石在溜槽內(nèi)的滾動(dòng)距離不同，礦石從溜槽口下落后時(shí)的速度不同，所以沖擊原礦倉井壁的位置也不同；在原礦倉受沖擊的區(qū)間內(nèi)，隨著礦石初始水平速度和滾動(dòng)距離的增大，沖擊位置也在提高。

表2 礦石沖擊計(jì)算參數(shù)Table 2 Colculation parameter of ore impact

表3 礦石沖擊分布表Table 3 Distribution of ore impact

3.2 礦石與井壁碰撞計(jì)算分析

計(jì)算結(jié)果顯示，原礦倉愛沖擊的標(biāo)高為-620.35～-622.14 m，在沖擊范圍內(nèi)，碰撞頻數(shù)和碰撞累計(jì)能力呈正相關(guān)關(guān)系，二者均可表示原礦倉內(nèi)壁操作狀況。因此,在-600～-620.35 m范圍內(nèi)井壁不受礦石的直接碰撞，只有-622.14 m以下受到直接碰撞?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)理論推導(dǎo)出觸底反彈后的碰撞高度[4]，計(jì)算公式見式(7)。

(7)

式中：hc為觸底反彈碰撞高度，m；vcn為碰撞后的法向速度，m/s；tc為觸底反彈后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

由式(7)計(jì)算出各個(gè)高度下的碰撞頻次與碰撞能量。

碰撞頻數(shù)分布見圖5。碰撞能量分布見圖6。

綜合來看，從原礦倉完整狀態(tài)到出現(xiàn)垮塌。主控力學(xué)機(jī)制為礦石的觸底反彈作用、放礦過程中礦堆的磨蝕作用。其中，在-600～-620.35 m范圍內(nèi)，原礦倉井壁實(shí)際垮塌形狀為倒漏斗，其主控作用為礦石的觸底反彈沖擊作用。在-622.14 m以下原礦倉井壁實(shí)際垮塌形狀為漏斗形狀，其主控作用為放礦過程中礦石對(duì)井壁的磨蝕作用。在這二者的共同作用下導(dǎo)致原礦倉呈現(xiàn)出當(dāng)前的形態(tài)。

圖5 碰撞頻數(shù)分布圖Fig.5 Collision frequency distribution diagram

圖6 碰撞能量分布圖Fig.6 Collision energy distribution

圖7 三維掃描與理論分析形態(tài)比對(duì)Fig.7 3D scanning and theoretical analysis of morphological comparison

在-620.35～-622.14 m范圍內(nèi)受礦石循環(huán)沖擊作用和觸底反彈碰撞，導(dǎo)致-620.35 m以上出現(xiàn)垮塌；加上放礦過程的磨蝕，又進(jìn)一步將井壁刷大，最終形成漏斗形狀。

根據(jù)上述分析，將理論分析的垮塌范圍與三維掃描結(jié)果進(jìn)行疊加(圖7)。結(jié)果顯示，二者基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了原礦倉沖擊破壞機(jī)制。

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)原礦倉所開展的三維激光掃描工作可以確定，1號(hào)礦倉目前垮塌問題嚴(yán)重，其縱向垮塌從-612 m水平一直延伸至-649 m水平，垮塌高度37 m，可為礦山原礦倉的安全生產(chǎn)及管理提供安全有效的檢測手段。

2) 通過原礦倉沖擊破壞機(jī)制分析得到受礦石沖擊一側(cè)在標(biāo)高為-620.35～-622.14 m區(qū)間受到?jīng)_擊破壞最為嚴(yán)重，呈現(xiàn)出礦石初始水平速度和滾動(dòng)距離的增大而沖擊位置升高的規(guī)律，并在受礦石沖擊形成一定范圍的塑性區(qū)，說明礦石沖擊破壞了原礦倉這一區(qū)間的穩(wěn)定性。

3) 三維掃描獲得的原礦倉垮塌模型與沖擊破壞機(jī)制分析得到原礦倉破壞區(qū)域的結(jié)果相吻合。