劉 波 周德照 韓文文 王 瑞

(1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；2.溫州東泰建設(shè)工程有限公司)

溜井是地下采礦用于存儲(chǔ)、溜放礦石的主要通道，是礦石運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的“咽喉”，在采場(chǎng)礦石運(yùn)輸中起著重要的作用[1]。溜井能否正常使用， 直接影響著采礦生產(chǎn)任務(wù)的完成。廣東某鐵礦因溜井跨通至副井導(dǎo)致礦山停產(chǎn)半年之久，新疆某銅礦因主溜井垮落導(dǎo)致礦山礦石運(yùn)輸效率下降30%，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為解決某銅礦溜井穩(wěn)定性問(wèn)題，提高溜井在其惡劣使用條件下的服務(wù)壽命，確保礦山生產(chǎn)的高效運(yùn)營(yíng)和順利進(jìn)行，通過(guò)對(duì)溜井進(jìn)行三維激光探測(cè)，獲得高溜井三維可視化模型[2-3]。根據(jù)溜井三維可視化模型，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析礦石在溜井內(nèi)部沖擊及磨損，研究得到溜井損壞位置，并與實(shí)測(cè)溜井破壞斷面圖進(jìn)行對(duì)比分析。在分析高溜井的主要破壞形式的基礎(chǔ)上，提出了溜井治理措施。

1 高溜井三維模型的獲取

1.1 溜井模型現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

該高溜井穿過(guò)的巖性主要為大理巖及透輝石矽卡巖，在使用過(guò)程中垮落比較嚴(yán)重，影響礦山的出礦效率。對(duì)高溜井的探測(cè)是采用三維激光掃描(CMS)，通過(guò)可 360°旋轉(zhuǎn)探頭發(fā)出的激光測(cè)距儀對(duì)高溜井破壞部位進(jìn)行點(diǎn)云獲取，得到溜井井壁三維點(diǎn)云模型，并對(duì)模型進(jìn)行處理，可得到溜井井壁三維實(shí)體模型[4-5]。并根據(jù)測(cè)量人員對(duì)探頭進(jìn)行定位，可以得到高溜井準(zhǔn)確位置。高溜井探測(cè)原理如圖1，溜井定位坐標(biāo)如表1。

圖1 激光掃描原理

表1 高溜井三維定位

1.2 三維實(shí)體模型的建立

運(yùn)用三維激光掃描儀(VS150)對(duì)高溜井破壞部位進(jìn)行掃描，得到高溜井點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把測(cè)得溜井坐標(biāo)輸入上去，得到溜井在空間位置，并導(dǎo)出".str"文件，對(duì)文件采用礦業(yè)軟件SURPAC打開(kāi)，并進(jìn)行處理、建模，獲取高溜井在三維空間上位置，如圖2所示。根據(jù)溜井設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)溜井模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，再進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到溜井垮塌部位模型[6-7]。

圖2 溜井實(shí)測(cè)模型

2 溜井井壁破壞的誘因分析

2.1 井壁主要破壞因素確定

高溜井垮塌原因和影響因素有很多類，在不同工程地質(zhì)條件，高溜井采用不同的工程施工，都會(huì)是分析高溜井垮塌的因素，對(duì)溜井垮塌的原因各有偏重[6]。如高溜井在施工過(guò)程中采用的施工方式、施工的支護(hù)方式、礦山地質(zhì)工程、溜井在放礦過(guò)程中礦石的塊度、礦石對(duì)溜井壁的沖擊、摩擦等。絕大多數(shù)溜井垮塌是所有因素相互作用、共同影響的結(jié)果。溜井從掘進(jìn)開(kāi)始對(duì)溜井壁進(jìn)行損壞，對(duì)溜井壁形成一定深度的松動(dòng)圈，在對(duì)溜井進(jìn)行支護(hù)保護(hù)，在溜井的放礦過(guò)程中，井壁受到巖石的沖擊、摩擦，造成溜井破壞，從溜井開(kāi)挖到坍塌，溜井破壞原因很多，但是對(duì)溜井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，放礦過(guò)程中礦石對(duì)溜井壁長(zhǎng)期、大量的沖刷與碰撞，礦石中重力勢(shì)能逐漸增加，勢(shì)能在碰撞到井壁時(shí)，傳遞到溜井井壁，造成溜井井壁破壞，是溜井破壞的主要原因[7]。

2.2 溜井沖擊破壞誘因分析

通過(guò)對(duì)垮塌模型進(jìn)行剖切，得到溜井垮塌結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示，從溜井結(jié)構(gòu)中，分析溜井在放礦過(guò)程中，礦巖對(duì)井壁造成的破壞，因礦石的運(yùn)動(dòng)不同，溜井的破壞形式不同，但溜井主要破壞形式為礦巖對(duì)井壁的沖擊、碰撞等。沖擊損傷主要為礦巖在卸礦的過(guò)程中，巖石對(duì)溜井壁的撞擊，井壁的損傷破壞程度取決于礦巖塊沖擊井壁時(shí)瞬時(shí)動(dòng)能和沖擊方向與溜井井壁法向夾角的大小，并且和溜井壁的巖石性質(zhì)有關(guān)[8]。溜井中礦石從高處到低處所具有的重力勢(shì)能是導(dǎo)致溜井壁破壞的根源，由于溜井在支護(hù)過(guò)程中，一般為噴射混凝土支護(hù)，井壁材料混凝土為塑性變形材料，在沖擊過(guò)程中，井壁受到礦巖碰撞，礦巖內(nèi)能量導(dǎo)致溜井壁破壞，溜井壁對(duì)礦巖具有反作用力，導(dǎo)致礦巖運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化。溜井壁在受到礦巖碰撞時(shí)，能量相互傳遞，導(dǎo)致井壁發(fā)生破壞。并且礦巖在沖擊過(guò)程中，一部分能量導(dǎo)致溜井塑性變形，造成溜井破壞，另一部分導(dǎo)致溜井壁彈性變形，造成礦巖運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，而塑性變形造成井壁的沖擊破壞[9-10]。礦巖塊沖擊溜井井壁的動(dòng)能來(lái)自卸載時(shí)運(yùn)輸設(shè)備所賦予的動(dòng)能和所具備的重力勢(shì)能2個(gè)方面。如圖4所示，假設(shè)礦巖沖擊井壁獲得的瞬時(shí)動(dòng)能為Ek，礦巖塊沖擊井壁后，被反彈回來(lái)，獲得的動(dòng)能為E′，巖塊沖擊瞬時(shí)巖石運(yùn)動(dòng)方向與井壁法向夾角為β，建立動(dòng)能方程：

圖3 實(shí)測(cè)溜井垮塌結(jié)構(gòu)

圖4 礦石沖擊井壁力學(xué)分析

(1)

式中，Ed為礦巖在井壁法向上損失的動(dòng)能，動(dòng)能傳遞到井壁，引起井壁發(fā)生損傷破壞；Es為礦巖沖擊時(shí)，沿井壁造成損失的能量，對(duì)井壁產(chǎn)生剪應(yīng)力，加劇井壁損傷破壞。 整理(1)式，得到：

(2)

式中，Ed為礦巖在沖擊井壁時(shí)，造成井壁法線向的損失，損失的能量引起井壁損傷破壞；Es為礦巖在沖擊井壁時(shí)，造成井壁切向上能量損失，致使井壁有剪切力，剪切力加劇井壁破壞。

從(2)式可知，在圖6受力分析中，Ed和Es的值與β角的大小有關(guān)，β的大小反應(yīng)力井壁破壞方式。如表2所示。

表2 溜井壁破壞與β的關(guān)系

2.3 高溜井垮塌部位分析

根據(jù)礦山實(shí)測(cè)高溜井垮塌部位三維模型，對(duì)模型進(jìn)行剖切，得到高溜井垮塌結(jié)構(gòu)圖；礦巖在高溜井下放過(guò)程中，對(duì)溜井井壁進(jìn)行沖擊、摩擦，根據(jù)溜井摩擦礦巖的運(yùn)動(dòng)軌跡和能量分析，可知溜井垮塌的形式主要和礦巖與井壁法向夾角的大小有關(guān)。根據(jù)高溜井的實(shí)測(cè)模型圖分析，垂直溜井中礦巖塊運(yùn)動(dòng)對(duì)溜礦段井壁造成的變形破壞包含了沖擊破壞和剪切破壞2 種形式。主要和礦巖瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方向與井壁法向夾角有關(guān)，當(dāng)夾角小于45°時(shí)，井壁破壞形式主要為沖擊損傷破壞，當(dāng)夾角大于45°時(shí)，井壁破壞形式主要為剪切破壞。結(jié)合溜井實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)圖3可知，高溜井在沒(méi)破壞時(shí)，溜井下中段有一個(gè)斜溜槽，溜井內(nèi)礦巖運(yùn)動(dòng)方向與井壁法向夾角小于45°，溜井主要為沖擊破壞。破壞后，礦巖在溜井內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向與溜井壁法向夾角大于45°，溜井主要為礦巖剪切力，引起溜井損壞。

2.4 治理措施

高溜井損壞主要原原因是受礦石的沖擊影響?？梢圆扇∫韵碌拇胧p少溜井的破壞：首先，降低礦石對(duì)溜井的沖擊高度，減少礦石的落差高度，從而減少?zèng)_擊或不沖擊。如在生產(chǎn)過(guò)程中，增大溜井存礦高度，設(shè)置斜溜槽進(jìn)行放礦等措施；第二，對(duì)溜井本身進(jìn)行加固處理，錨桿支護(hù)或者鋼板支護(hù)等；第三是溜井設(shè)計(jì)時(shí)即考慮將易破壞區(qū)域調(diào)整至溜井的范圍之外，比如將溜井設(shè)計(jì)在圍巖穩(wěn)定性較好的區(qū)域；第四，在礦石落差較大的情況下， 可將溜井進(jìn)行分段施工，盡可能的降低礦石落差。

3 結(jié) 論

(1)采用三維激光掃描儀對(duì)垮塌部位進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到溜井點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行SURPAC處理，得到溜井沖擊垮塌的實(shí)體模型。

(2)對(duì)溜井實(shí)體模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到溜井垮塌三維模型，對(duì)垮塌模型進(jìn)行剖切，得到溜井垮塌結(jié)構(gòu)圖。對(duì)垂直溜井結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行礦巖下落分析，分析溜井垮塌原因主要為礦巖對(duì)溜井壁的沖擊，造成溜井垮塌。

(3)根據(jù)溜井結(jié)構(gòu)圖及礦巖沖擊井壁分析，溜井井壁的破壞形式為沖擊破壞和剪切破壞，主要原因是礦巖塊沖擊井壁，這2種破壞方式主要和礦巖運(yùn)動(dòng)方向和井壁法向夾角有關(guān)，夾角小于45°時(shí)，破壞形式以沖擊損傷破壞為主；大于45°時(shí)，則以剪切破壞為主。破壞最嚴(yán)重的位置為下中段斜溜槽口，主要破壞原因?yàn)樯现卸蔚V巖的沖擊。

(4)高溜井在沒(méi)破壞之前主要為礦巖對(duì)斜溜槽的沖擊破壞，在慢慢的破壞中，溜井破壞形式由沖擊破壞轉(zhuǎn)為剪切破壞。

(5)針對(duì)溜井的主要破壞方式，提出了溜井加固、滿倉(cāng)放礦、設(shè)置礦堆等措施。