礦巖初始運動對其沖擊溜井井壁規(guī)律的影響

路增祥 吳曉旭 馬 馳 殷 越

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源綠色開采工程研究中心，遼寧鞍山 114051）

溜井運輸是金屬礦地下開采的常見運輸方式之一，進(jìn)入溜井中的礦巖在其運動過程中與溜井壁發(fā)生碰撞會導(dǎo)致井壁產(chǎn)生損傷破壞［1-4］，嚴(yán)重時導(dǎo)致井壁垮塌冒落，使溜井運輸受阻，影響礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行。為解決這一問題，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如葉海旺等［5］通過建立PFC2D數(shù)值分析模型，研究了平硐溜井系統(tǒng)中礦石與溜井井壁的初始碰撞位置及其沖擊破壞特性；秦宏楠等［6］采用離散元方法，研究了礦石在溜礦段中的運動規(guī)律及其對井壁的沖擊破壞規(guī)律，揭示了礦石在井筒中的沖擊部位、沖擊速度與沖擊動能等之間的關(guān)系；ESMAIELI等［3］采用PFC2D數(shù)值模擬方法，研究了分支溜井卸礦條件下，主溜井井壁受礦巖沖擊時的沖擊速度和能量與分支溜井傾角的關(guān)系；宋衛(wèi)東等［7］基于運動學(xué)分析和相似試驗，研究了礦石在采區(qū)溜井中的運動規(guī)律和沖擊荷載，得到了受沖擊破壞的區(qū)域；任智剛等［8］基于相似性模擬試驗，研究了不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)下某鐵礦3#溜井放礦時的沖擊破壞點分布情況；羅周全等［9］針對某鉛鋅礦4#溜井的沖擊損傷，采用MADIS-FLAC3D數(shù)據(jù)耦合技術(shù)建立了數(shù)值模型，并通過定量計算，得到該溜井受沖擊的標(biāo)高范圍為-265.83～-292.28 m。上述研究成果為解決溜井井壁的穩(wěn)定性問題起到了積極作用。

礦巖在進(jìn)入溜井時具有與溜井軸線不同的運動方向和運動速度，是礦巖塊在溜井中運動時與井壁產(chǎn)生碰撞的主要原因。為從根本上減少礦巖塊在溜井中運動時與井壁發(fā)生碰撞的概率，避免礦巖塊對溜井井壁的沖擊破壞發(fā)生，本研究通過理論分析，并結(jié)合溜井工程實踐，分析礦巖進(jìn)入主溜井時所具有的初始運動方向及其對礦巖在溜井中運動規(guī)律的影響，建立了礦巖初始運動方向與礦巖塊沖擊溜井井壁位置之間的關(guān)系，從防止礦巖塊沖擊溜井井壁的角度，提出了溜井設(shè)計與生產(chǎn)管理的新思路。研究成果能夠為分支溜井與溜井上部卸礦站設(shè)計和溜井的生產(chǎn)管理提供一定的參考。

1 基本假設(shè)與分析模型建立

1.1 基本假設(shè)

由于溜井傾角不同，礦巖在溜井中的運動表現(xiàn)為下落、跳動、滾動、滑動4種方式［1］。礦巖進(jìn)入溜井時，由于卸載動能和重力勢能的共同作用，其運動軌跡呈現(xiàn)出拋物運動軌跡。為分析礦巖在溜井中的運動規(guī)律，本研究提出幾點假設(shè)：①礦巖塊在溜井內(nèi)運動過程中，其運動方向不會因相互之間的碰撞而改變，只有與井壁發(fā)生碰撞時才會改變；②礦巖塊下落過程中的空氣阻力不會對其運動速度產(chǎn)生影響；③礦巖塊不會因其塊體形狀、相互碰撞等原因，而在其運動過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)；④礦巖塊發(fā)生碰撞時，不會產(chǎn)生質(zhì)量的改變，也即發(fā)生相互碰撞時，礦巖塊不會產(chǎn)生破裂。

1.2 分析模型

圖1為金屬礦床多階段開采時常見的主溜井結(jié)構(gòu)。主溜井?dāng)嗝嫘螤顬閳A形，直徑為D，分支溜井的底板與主溜井井壁相交于O點，分支溜井與主溜井的中心線夾角為90°-α。當(dāng)?shù)V巖離開分支溜井進(jìn)入主溜井時，按一定的運動軌跡迅速下落，其下落的能量來源于礦巖塊在分支溜井中積累的運動動能和進(jìn)入溜井時刻具有的重力勢能。根據(jù)已有的研究成果［6-7，10］，礦巖塊在溜井中下落時，經(jīng)過2～3次與溜井壁碰撞，最后落入井底。

2 礦巖塊在溜井中的運動軌跡

2.1 運動學(xué)分析

對于圖1所示溜井結(jié)構(gòu)，以O(shè)點為原點，建立了礦巖塊的運動學(xué)分析模型，如圖2所示。

當(dāng)?shù)V巖塊離開分支溜井與主溜井的交點O時，所具有的初始速度為v0，其方向與水平方向的夾角為α，則v0在水平方向和垂直方向的分量vx和vy的計算公式為［9，11］

在圖2所示的坐標(biāo)系下，根據(jù)溜井中礦巖的運動特征，礦巖塊與溜井井壁發(fā)生第1次碰撞前的任一時刻t1礦巖塊所具有的運動速度為

式中，g為重力加速度，m/s2。

此刻，礦巖塊離開O點距離的參數(shù)方程為

從式（3）可以得出，礦巖塊在與溜井井壁發(fā)生第1次碰撞前的位移特征服從式（4）所示的軌跡方程。

2.2 礦巖塊與井壁碰撞的條件與位置

在任意時刻t1，礦巖塊在溜井中水平方向的運動距離為

對于任意直徑的溜井，其直徑D與礦巖塊的水平位移量x存在的關(guān)系為

即有：

式中，x的值域為 0～D，而且只有當(dāng) x滿足 0＜v0?cosα?t1＜D時，礦巖塊在溜井中運動才不會與井壁產(chǎn)生碰撞。

根據(jù)這一條件，并結(jié)合軌跡方程（式4）可以得出礦巖塊第1次與溜井井壁發(fā)生碰撞時的最大深度h1為

根據(jù)能量守恒定律，可求得礦巖塊第1次沖擊溜井井壁時的瞬時速度v1為

式中，h1為O點至A點的垂直距離，m。

2.3 礦巖初始運動速度影響因素

分析式（2）和式（3）可知，決定礦巖塊水平位移量x的參數(shù)為vx和t1兩個變量，其中vx取決于礦巖塊的初始速度v0和α角大小。

理論上講，α∈(0°,90°)，因而cosα的值域為1～0。對于圖1所示的溜井結(jié)構(gòu)，隨著α取值的增大，cosα值越小，也即vx值也越小。當(dāng)v0和t1保持不變時，增大α，可以降低vx，因而能夠減小水平位移量x。

從礦巖進(jìn)入溜井時具有的運動能量角度分析，不考慮礦巖在分支溜井中的運動阻力和運輸設(shè)備卸礦時賦予的動能時，根據(jù)能量守恒原理，可得：

式中，m為礦巖塊的質(zhì)量，kg。

由式（10）可得：

3 礦巖初始運動對其沖擊井壁規(guī)律的影響

礦巖對溜井井壁的碰撞是井壁產(chǎn)生損傷破壞的根本原因［12］，式（8）給出了礦巖塊第1次與溜井井壁發(fā)生碰撞的位置。從式（8）可以看出，碰撞點的位置與溜井直徑D、礦巖進(jìn)入溜井時的初速度v0及其方向以及方向角α大小有關(guān)。

3.1 初始速度對碰撞點位置的影響

對于特定直徑的溜井，當(dāng)D=5m時，為研究碰撞點位置隨v0和α變化的規(guī)律，根據(jù)溜井設(shè)計時α的可能取值范圍，按每2.5°的增量計算了不同v0條件下的h1值，結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，碰撞點的位置與礦巖塊進(jìn)入溜井時的初始速度的平方呈反比關(guān)系。具體來說：①同一初始速度v0條件下，隨著α角增大，碰撞位置距礦巖塊進(jìn)入溜井的距離h1不斷加大；反之，這一距離減小。②不同初始速度v0條件下，當(dāng)α角不變時，初始速度v0越大，碰撞位置距礦巖塊進(jìn)入溜井的距離h1越小；反之，這一距離越大。

3.2 溜井直徑對碰撞點位置的影響

當(dāng)?shù)V巖塊進(jìn)入溜井的初速度v0=1m/s時，通過式（8）計算得到了不同溜井直徑條件下，碰撞點位置h1與礦巖塊初始運動方向α的關(guān)系曲線，如圖4所示。

分析圖4可知：①同一溜井直徑條件下，隨著α角增大，碰撞位置與礦巖塊進(jìn)入溜井的距離h1不斷加大；反之，這一距離減小。②不同溜井直徑條件下，當(dāng)α角不變時，隨著溜井直徑增加，碰撞位置與礦巖塊進(jìn)入溜井的距離h1不斷加大；反之，這一距離減小。

4 減小碰撞概率的措施

減小礦巖塊與溜井井壁發(fā)生碰撞的概率，是減輕溜井井壁受到?jīng)_擊破壞的重要途徑。根據(jù)礦巖塊與井壁發(fā)生碰撞的運動學(xué)原理以及上述研究結(jié)果，在溜井設(shè)計與建設(shè)時，可以采取的措施有：①增大礦巖塊進(jìn)入溜井時初始運動方向與水平面的夾角；②減小礦巖塊進(jìn)入溜井時的初始速度；③增大溜井直徑。

5 溜井設(shè)計與管理的新思路

（1）改變礦巖塊進(jìn)入溜井時的運動特征。確保溜井結(jié)構(gòu)的合理性［13-14］，有利于減小礦巖塊進(jìn)入溜井后對井壁的沖擊。對于圖1所示的溜井結(jié)構(gòu)，B、h0和α都是由設(shè)計給定的，主要是根據(jù)工程位置的巖體穩(wěn)固程度，確定合適的卸礦站中心線與溜井的距離B，以保證工程系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，根據(jù)上述研究成果，溜井設(shè)計時可通過改變溜井結(jié)構(gòu)，改變礦巖塊的運動軌跡，避免礦巖下落時對溜井井壁造成沖擊。

（2）減小礦巖塊進(jìn)入溜井時的速度。高速運動的物體具有較高的沖擊動能。當(dāng)?shù)V巖塊以較高的速度進(jìn)入溜井時，一旦與溜井壁產(chǎn)生碰撞，則會對井壁產(chǎn)生較強的損傷破壞作用。因此，降低礦巖塊進(jìn)入溜井時的速度，能夠顯著改善礦巖塊在溜井中的運動狀態(tài)，減小其與溜井壁產(chǎn)生碰撞的概率。

（3）降低溜礦段的空井高度。溜井放礦實踐中，不能滿井放礦，是造成溜井井壁受沖擊破壞的原因之一［15］。根據(jù)溜井的使用特點，確定合理的空井高度，有利于發(fā)揮溜井的使用功能，同時也能有效防止井壁受到礦石運動的沖擊。根據(jù)式（8）計算得到的礦巖塊第1次碰撞井壁前的下落高度h1。溜井放礦管理中，控制溜礦段的空井高度H不超過h1，可有效降低礦巖塊與溜井井壁碰撞的概率。因此，可得到空井高度的計算公式為

溜井生產(chǎn)管理過程中，嚴(yán)格控制溜井底部的放礦速度，建立溜井中料位與底部放礦的聯(lián)鎖控制機制，確保空井高度H不超過式（12）的計算結(jié)果，能夠有效避免溜井上部卸礦時，礦巖塊對溜井井壁的沖擊，對溜井井壁受沖擊破壞起到預(yù)防作用。

6 結(jié)論

（1）礦巖進(jìn)入溜井時的初始運動方向?qū)τ诘V巖塊沖擊井壁的位置影響較大，選擇合適的分支溜井傾角、改變溜井上部卸礦站底部結(jié)構(gòu)，能夠有效改變礦巖進(jìn)入主溜井的初始運動方向，進(jìn)而影響到礦巖塊沖擊溜井井壁的位置，減小其沖擊井壁的概率，有利于減輕對井壁的沖擊損傷程度。

（2）通過運動學(xué)分析，建立了礦巖塊在溜井中運動的軌跡方程，確定了礦巖塊運動過程中與溜井井壁發(fā)生碰撞的條件，推導(dǎo)出了礦巖塊第1次與溜井井壁發(fā)生碰撞時的碰撞位置計算公式。

（3）礦巖塊與溜井井壁碰撞位置的影響因素主要有溜井直徑D、礦巖塊進(jìn)入溜井時的初始速度v0及其方向角α。當(dāng)D和v0保持不變時，隨著α增大，碰撞位置h1越大，反之，h1越小；當(dāng)D和α保持不變時，隨著v0增大，碰撞位置h1越小，反之，h1越大；當(dāng)v0和α保持不變時，隨著D增大，碰撞位置h1越大，反之，h1越小。

（4）溜井工程設(shè)計時，適當(dāng)增加溜井直徑，選擇合適的溜井結(jié)構(gòu)，降低礦巖塊進(jìn)入溜井時的速度，能夠降低礦巖塊與溜井井壁的碰撞概率，有利于減輕溜井受沖擊破壞的程度。