某礦山高溜井三維可視化模型的井壁破壞特征研究

劉 波 周德照 韓文文 王 瑞

(1.江西理工大學應用科學學院；2.溫州東泰建設工程有限公司)

溜井是地下采礦用于存儲、溜放礦石的主要通道，是礦石運輸環節中的“咽喉”，在采場礦石運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任務的完成。廣東某鐵礦因溜井跨通至副井導致礦山停產半年之久，新疆某銅礦因主溜井垮落導致礦山礦石運輸效率下降30%，造成了嚴重的經濟損失。為解決某銅礦溜井穩定性問題，提高溜井在其惡劣使用條件下的服務壽命，確保礦山生產的高效運營和順利進行，通過對溜井進行三維激光探測，獲得高溜井三維可視化模型[2-3]。根據溜井三維可視化模型，采用運動學理論分析礦石在溜井內部沖擊及磨損，研究得到溜井損壞位置，并與實測溜井破壞斷面圖進行對比分析。在分析高溜井的主要破壞形式的基礎上，提出了溜井治理措施。

1 高溜井三維模型的獲取

1.1 溜井模型現場數據采集

該高溜井穿過的巖性主要為大理巖及透輝石矽卡巖，在使用過程中垮落比較嚴重，影響礦山的出礦效率。對高溜井的探測是采用三維激光掃描(CMS)，通過可 360°旋轉探頭發出的激光測距儀對高溜井破壞部位進行點云獲取，得到溜井井壁三維點云模型，并對模型進行處理，可得到溜井井壁三維實體模型[4-5]。并根據測量人員對探頭進行定位，可以得到高溜井準確位置。高溜井探測原理如圖1，溜井定位坐標如表1。

圖1 激光掃描原理

表1 高溜井三維定位

1.2 三維實體模型的建立

運用三維激光掃描儀(VS150)對高溜井破壞部位進行掃描，得到高溜井點云數據進行處理，把測得溜井坐標輸入上去，得到溜井在空間位置，并導出".str"文件，對文件采用礦業軟件SURPAC打開，并進行處理、建模，獲取高溜井在三維空間上位置，如圖2所示。根據溜井設計圖紙，對溜井模型進行設計，再進行布爾運算，得到溜井垮塌部位模型[6-7]。

圖2 溜井實測模型

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，在不同工程地質條件，高溜井采用不同的工程施工，都會是分析高溜井垮塌的因素，對溜井垮塌的原因各有偏重[6]。如高溜井在施工過程中采用的施工方式、施工的支護方式、礦山地質工程、溜井在放礦過程中礦石的塊度、礦石對溜井壁的沖擊、摩擦等。絕大多數溜井垮塌是所有因素相互作用、共同影響的結果。溜井從掘進開始對溜井壁進行損壞，對溜井壁形成一定深度的松動圈，在對溜井進行支護保護，在溜井的放礦過程中，井壁受到巖石的沖擊、摩擦，造成溜井破壞，從溜井開挖到坍塌，溜井破壞原因很多，但是對溜井進行現場調查研究發現，放礦過程中礦石對溜井壁長期、大量的沖刷與碰撞，礦石中重力勢能逐漸增加，勢能在碰撞到井壁時，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

通過對垮塌模型進行剖切，得到溜井垮塌結構圖，如圖3所示，從溜井結構中，分析溜井在放礦過程中，礦巖對井壁造成的破壞，因礦石的運動不同，溜井的破壞形式不同，但溜井主要破壞形式為礦巖對井壁的沖擊、碰撞等。沖擊損傷主要為礦巖在卸礦的過程中，巖石對溜井壁的撞擊，井壁的損傷破壞程度取決于礦巖塊沖擊井壁時瞬時動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有關[8]。溜井中礦石從高處到低處所具有的重力勢能是導致溜井壁破壞的根源，由于溜井在支護過程中，一般為噴射混凝土支護，井壁材料混凝土為塑性變形材料，在沖擊過程中，井壁受到礦巖碰撞，礦巖內能量導致溜井壁破壞，溜井壁對礦巖具有反作用力，導致礦巖運動方向發生變化。溜井壁在受到礦巖碰撞時，能量相互傳遞，導致井壁發生破壞。并且礦巖在沖擊過程中，一部分能量導致溜井塑性變形，造成溜井破壞，另一部分導致溜井壁彈性變形，造成礦巖運動方向發生變化，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能來自卸載時運輸設備所賦予的動能和所具備的重力勢能2個方面。如圖4所示，假設礦巖沖擊井壁獲得的瞬時動能為Ek，礦巖塊沖擊井壁后，被反彈回來，獲得的動能為E′，巖塊沖擊瞬時巖石運動方向與井壁法向夾角為β，建立動能方程：

圖3 實測溜井垮塌結構

圖4 礦石沖擊井壁力學分析

(1)

式中，Ed為礦巖在井壁法向上損失的動能，動能傳遞到井壁，引起井壁發生損傷破壞；Es為礦巖沖擊時，沿井壁造成損失的能量，對井壁產生剪應力，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，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，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，β的大小反應力井壁破壞方式。如表2所示。

表2 溜井壁破壞與β的關系

2.3 高溜井垮塌部位分析

根據礦山實測高溜井垮塌部位三維模型，對模型進行剖切，得到高溜井垮塌結構圖；礦巖在高溜井下放過程中，對溜井井壁進行沖擊、摩擦，根據溜井摩擦礦巖的運動軌跡和能量分析，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。根據高溜井的實測模型圖分析，垂直溜井中礦巖塊運動對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。主要和礦巖瞬時運動方向與井壁法向夾角有關，當夾角小于45°時，井壁破壞形式主要為沖擊損傷破壞，當夾角大于45°時，井壁破壞形式主要為剪切破壞。結合溜井實測結構圖3可知，高溜井在沒破壞時，溜井下中段有一個斜溜槽，溜井內礦巖運動方向與井壁法向夾角小于45°，溜井主要為沖擊破壞。破壞后，礦巖在溜井內運動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。可以采取以下的措施減少溜井的破壞：首先，降低礦石對溜井的沖擊高度，減少礦石的落差高度，從而減少沖擊或不沖擊。如在生產過程中，增大溜井存礦高度，設置斜溜槽進行放礦等措施；第二，對溜井本身進行加固處理，錨桿支護或者鋼板支護等；第三是溜井設計時即考慮將易破壞區域調整至溜井的范圍之外，比如將溜井設計在圍巖穩定性較好的區域；第四，在礦石落差較大的情況下， 可將溜井進行分段施工，盡可能的降低礦石落差。

3 結 論

(1)采用三維激光掃描儀對垮塌部位進行實測，得到溜井點云數據，并對點云數據進行SURPAC處理，得到溜井沖擊垮塌的實體模型。

(2)對溜井實體模型與設計模型進行布爾運算，得到溜井垮塌三維模型，對垮塌模型進行剖切，得到溜井垮塌結構圖。對垂直溜井結構圖進行礦巖下落分析，分析溜井垮塌原因主要為礦巖對溜井壁的沖擊，造成溜井垮塌。

(3)根據溜井結構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動方向和井壁法向夾角有關，夾角小于45°時，破壞形式以沖擊損傷破壞為主；大于45°時，則以剪切破壞為主。破壞最嚴重的位置為下中段斜溜槽口，主要破壞原因為上中段礦巖的沖擊。

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

(5)針對溜井的主要破壞方式，提出了溜井加固、滿倉放礦、設置礦堆等措施。