會澤某礦山高深直溜井技術研究與應用

陳華國，張澤裕

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 昆明 650224）

會澤某礦山建礦至今，先后采用了粗粒級水砂充填采礦法及膏體充填采礦法，采出的礦石通過溜井搬運到礦石轉運中段，再經提升運輸系統運至地表，經過多年的實踐證明，溜井系統在礦山應用效果良好，但隨著開采深度的增加，人工鑿井作業環境差、施工效率低、安全風險高、溜井堵塞等問題變得突出[1]，為解決上述問題，會澤礦山于2016年啟動高深直溜井技術的研究，引進反井鉆機施工裝備和工藝，并成功應用于礦山，提升了溜井施工效率，控制了安全風險，提高了礦、廢石運輸效率[2]。

1 高深直溜井技術的可行性分析

國內一些建設、設計單位及行業專家學者們早已對溜井放礦技術進行了深入研究，得到如下成果：

（1）溜井底部壓力與溜井存礦高度無關。在存礦條件下，當存礦高度達到一定位置（一般存礦高度大于3倍溜井直徑）時，溜井井筒底部壓力和側壓力為一常數，與存礦高度無關。

經查詢資料可知，目前世界上最深的溜井達866m，本文列舉了部分礦山深溜井參數，詳見表1。

（2）在溜井斷面合理的情況下，溜井的堵塞次數、堵塞頻率和堵塞部位與溜井深度無關[3]。在存礦條件下，當溜井結構設計合理，施工質量好，溜井堵塞一般只發生在井底存礦段。

表1 部分礦山深溜井參數

（3）存礦條件下，存礦段溜井各處磨損是均勻的，與溜井深度無關。溜井井壁在存礦條件下磨損輕微、磨損速度低、磨損均勻；在非存礦條件下，溜井各處磨損是不均勻的，井壁受礦、廢石沖擊形成沖擊坑，逐步演變成沖擊溝，進而造成片幫和塌方，嚴重時造成溜井報廢[4]。

2 會澤某礦山溜井設計關鍵參數確定

2.1 礦山礦巖力學性質概況

會澤某礦山礦石種類主要為方鉛礦、閃鋅礦和黃鐵礦，礦石平均體重為4.15t/m3，圍巖體重平均為2.724.15t/m3，松散系數為1.60，抗壓強度：礦石80Mpa～100Mpa，巖石60Mpa～80Mpa，礦石自然安息角為38°～39°。部分礦石中硫成分含量高，具有較強粘結性[5]。礦山通過實驗獲得了深部巖石主要物理力學參數，其結果如表2所示。

2.2 會澤某礦山溜井堵塞成因分析

美國伊利諾斯州阿貢國立實驗室研究認為：一般情況下，有兩種情況會擾亂溜井內礦、廢石有序的輸送狀態，造成溜井卡礦的后果，即：

（1）由連鎖拱引起堵塞；

（2）由內聚力拱引起堵塞。

表2 礦山深部部分巖石主要物理力學參數表

2.2.1 連鎖拱的成因分析及預防措施

連鎖拱架是在溜井井筒里由于相對較大的碎塊形成穩定的排列，變為楔狀結構，形成阻塞的后果。形成這種拱架的概率取決于搬運物料的大塊率、相對于溜井和放礦口尺寸的礦巖塊徑、碎塊的形狀以及流動碎塊在溜井斷面的流速分布。

目前關于形成連鎖拱架的概率統計尚沒有很好的方法，一般都采用經驗標準來衡量。經驗標準是以溜井直徑與塊石直徑的比值（D/d）為原則。很多礦山采用比值（D/d）的方法統計了連鎖拱架的概率，并總結了設計經驗資料，如表3所示。

表3 連鎖拱架結構概率統計表

說明：D-溜井直徑；d-碎塊尺寸。

經過多個礦山的實踐經驗表明，D/d＞5～6時，一般足以確保礦巖流動暢通。

2.2.2 內聚力拱的成因分析及預防措施

內聚力拱是由于所搬運物料含水，細顆粒相互粘附，呈現出內聚力，如果濕度增大，內聚阻力會增加，當增加到一定程度后，內聚阻力大于重力，形成一個穩定的拱架，從而引起溜井阻塞，與連鎖拱比較起來，這種拱架叫做內聚力拱。

目前關于預防形成內聚力拱幾率主要由式1確定：

式1：D＞4C（1+sinφ）/9.81r

適中D---溜井直徑，m；

C---礦、廢石顆粒間內聚力，Mpa；

r---礦、廢石的密度，t/m3；

φ---礦、廢石內摩擦角，度。

與連鎖拱一樣，矩形斷面溜井的特征尺寸D是其較小的尺寸。

2.3 會澤某礦山溜井設計關鍵參數確定

2.3.1 溜井斷面形狀的確定

國內外溜井常用斷面主要有圓形、方形、矩形三種形式。普遍認為溜井斷面以圓形為最佳。會澤某礦山在早期開采時溜井斷面均為矩形，其斷面尺寸主要有2.2m＊2.4m、2m＊2.2m、2m＊2.4m。隨著資源逐步往深部延伸，地質條件復雜、地壓增高，同時存在施工安全風險高、效率低等問題，鑒于這些問題，本次溜井設計為圓形斷面，主要有以下幾方面優點：

（1）圓形溜井受力最佳，其徑向壓力各處均勻，礦、廢石對溜井磨損比較均勻。其次在深部高地應力環境下，圓形溜井不易造成應力集中，從而降低巖爆發生幾率，緩解溜井片幫事故；

（2）在同樣斷面尺寸條件下，圓形溜井斷面利用率最高；

（3）圓形溜井方便施工，可采用反井鉆機施工，提高施工效率，降低安全風險。

2.3.2 溜井直徑的確定

本文對會澤某礦山的礦石、廢石性質及溜井使用情況進行了大量統計，結果顯示：

（1）采出礦石呈塊狀，尺寸一般為300mm～400mm；

（2）原有溜井堵塞多發生于溜井底部及礦倉內，井筒中少有發生堵塞事件；由此可見，表2中提出的經驗值在會澤某礦山同樣具有很好的適用性，因此，本次圓形溜井斷面直徑設計為2m。

2.3.3 溜井底部礦倉尺寸及溜井高度的確定

通過對礦山現有溜井使用情況的統計分析，認為溜井底部礦倉堵塞主要由于礦、廢石含水，且部分礦石中硫成分含量高，礦石具有較強粘結性，在礦倉內形成內聚力拱造成溜井底部堵塞。同時結合多年的溜井施工經驗考慮，本次溜井底部礦倉斷面設計為方形，其尺寸依據表2中礦、巖相關物理力學參數及式1計算，得出溜井尺寸為4＊4m。

圖1 會澤礦山高深直溜井工藝流程圖

關于溜井深度的問題，國內行業里也形成了相關成果，多數專家、學者認為在存礦條件下，當存礦高度達到一定位置（一般存礦高度大于3倍溜井直徑）時，溜井井筒底部壓力和側壓力為一常數，與存礦高度無關。此外，結合會澤某礦山的地質條件及開拓運輸系統等因素考慮，本次底部存礦段溜井高度設計為12m，上部非存礦段溜井高度設計為168m，同時考慮礦山生產實際，本次溜井設計在井口還創新應用了移動式皮帶機，其工藝流程如圖1所示。

3 會澤某礦山高深直溜井案例分析

圖2 會澤礦山高深直溜井生產過程堵塞情況示意圖

會澤某礦山高深直溜井采用反井鉆機施工直徑2m、長度180m的溜井，底部12m礦倉則采用人工刷擴，施工過程中考慮安全風險防控、工期要求等因素將4＊4m斷面調整為3＊3m斷面。在后期生產過程中，先后發生2次溜井堵塞事故，其中處理時間最長的一次用時2個月，堵塞部位發生在底部及底部向上10m～20m范圍內，如圖2所示。

經過分析，認為造成上述堵塞情況的原因大致有以下兩方面：

（1）底部溜井在施工時將斷面調小，加大了內聚力拱形成的幾率，致使溜井堵塞；

（2）溜井生產管理水平較低，溜井內礦、廢石儲存水平應盡量長期控制在底部存礦段范圍，即便超過該段范圍也應將時間盡量縮短。

4 結語

會澤某礦山高深直溜井技術具有良好的可行性，能很好的解決由于深部開采所處的特殊環境帶來的溜井施工安全風險防控、施工效率提升等問題，其設計有充分的理論依據及實踐經驗作為支撐，此外，需指出的是應確保按合理的設計參數實施并著力提高后期生產管理水平。

[1]郭金峰.我國地下礦山采礦方法的技術現狀及發展趨勢[A].第四屆全國礦山采選技術進展報告會論文集[C],2001年.

[2]張榮金.溜井堵塞處理與放礦管理[T].第六屆全國采礦學術會議論文集,1999年.

[3]D.F.HAMBLEY.地下礦山放礦溜井系統的設計[M].有色金屬科學與工程,2013年.

[4]呂向東.高深直溜井結構優化與應用[D].西安建筑科技大學,2002年.

[5]劉秀禮.淺述溜井堵塞原因、處理辦法和預防措施[M].四川冶金,1997年.