卸礦高度對溜井卸礦沖擊夯實作用效果的影響

馬 馳，路增祥,2，楊宇江,2，任崇閣

(1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，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)

溜井卸礦過程中礦巖對儲料的沖擊夯實作用不僅會造成貯礦段井壁損傷，而且影響儲料的密實度，是引發(fā)儲料堵塞、井壁失穩(wěn)等溜井問題的因素之一[1]。貯礦段內(nèi)儲料是由大量礦巖塊組成的散體體系，瞬時的沖擊荷載經(jīng)散體內(nèi)顆粒的碰撞和擠壓被分散傳遞。形成的應力波在散體顆粒內(nèi)傳播、衰減，最終到達井壁或儲料深處[2]，影響了整個溜井貯礦段系統(tǒng)。為探究沖擊荷載作用下散體的動力學響應及其影響因素，馬宗源等[3]通過顆粒流數(shù)值軟件(PFC2D/3D)模擬并分析了砂礫土地基的強夯過程，研究發(fā)現(xiàn)強夯作用下砂礫土的孔隙率降低，降幅受顆粒間的接觸剛度(k)、散體體系加載和卸載的剛度比(Rh)影響；強夯法的最大影響深度隨k值的增大而減小，與Rh、夯錘重量呈正相關。王嗣強等[4]研究發(fā)現(xiàn)不同顆粒形狀的散體體系下存在一個不同的臨界厚度值Hc，Hc和顆粒床層厚度共同決定著顆粒材料的緩沖率，進而影響著沖擊作用對容器底板的沖擊力峰值。NAZHAT等[5]分析了夯實作用下顆粒(土壤)的變形及應變場的變化特征，研究表明土的變形是土體本身的承載作用和沖擊板連續(xù)的夯實作用共同影響的結果，隨著顆粒密度降低，壓實的作用效果減弱，同時更多的能量轉(zhuǎn)移至土壤更深范圍。此外，排列順序[6]、顆粒形狀[7]、邊界條件[8]等影響著沖擊荷載對散體體系的作用效果。了解影響沖擊夯實作用效果的因素及其影響特征有助于預防和解決溜井由于沖擊夯實作用導致的堵塞、井壁損傷問題。

降低卸礦站與儲料面的結構落差和保持溜井一定的儲料高度是減弱卸礦沖擊夯實作用的有效措施[1]。其根本原理是通過降低卸礦高度的方法減小礦巖與儲料面撞擊時的動量，進而削弱沖擊夯實作用效果。目前相關的研究較少，為探究溜井卸礦過程中卸礦高度對沖擊夯實作用效果的影響，本文在文獻[2]基礎上，提出了用于分析沖擊夯實作用效果的評判標準，采用離散元方法(PFC2D)，建立溜井卸礦數(shù)值模型，模擬卸礦過程中礦巖對儲料的沖擊夯實作用過程，探究沖擊夯實作用下卸礦高度對不同范圍下儲料孔隙率變化量和井壁沖擊力峰值的影響特征。研究結果可為礦山防范溜井卸礦過程中的沖擊夯實作用提供參考與指導。

1 沖擊夯實作用效果的評判方法

卸礦過程中的沖擊夯實作用對溜井系統(tǒng)主要有兩種影響：一是增大了儲料的密實度，提高了溜井儲料堵塞概率；二是沖擊力最終傳遞到溜井井壁，對井壁造成沖擊損傷，影響井壁穩(wěn)定性[1]。前者為對儲料的夯實作用，后者為對井壁的沖擊作用。目前荷載作用下散體體系力學模型仍無定論，無法通過建模、解析等方法分析沖擊夯實作用。為分析這兩種作用效果，應采用以當前研究手段能夠獲得的指標進行表征。

1.1 夯實效果表征方法

卸礦過程中，礦巖散體顆粒(以下稱為沖擊體)下落，并以較高的速度V0沖擊儲料面，儲料顆粒受到外部荷載作用發(fā)生擠壓、碰撞，相對位置發(fā)生變化，密實度隨之改變。為準確分析沖擊夯實作用對儲料密實度的影響效果及影響范圍，參考強夯處理過程中高填地基強夯效果的表征方法[3,7]，采用儲料孔隙率的變化量表征儲料的夯實作用效果，見式1。儲料孔隙率變化量越大說明夯實作用效果越明顯，反之亦然。

Δn=n0-n1

(1)

式中：Δn為沖擊夯實作用后儲料的孔隙率變化量，%；n0為儲料初始孔隙率，%；n1為沖擊夯實作用后恢復平衡狀態(tài)下儲料的孔隙率，%。

1.2 沖擊作用的表征方法

井壁應力是影響溜井貯礦段井壁穩(wěn)定性的主要力源[9]。沖擊夯實作用下貯礦段井壁應力在短暫的時間內(nèi)達到峰值后遞減[10]。不同儲料標高范圍下的應力峰值變化是評價儲料緩沖性能的主要指標之一[11]。因此應該以沖擊夯實作用過程中井壁承受的沖擊力峰值為分析重點。在關于測量倉壁應力方面的實驗中[9,12-13]，大多通過監(jiān)測井壁法向應力的方法直接獲得井壁應力值，但沖擊力存在入射角度問題，沖擊夯實過程中井壁所受沖擊力是井壁側(cè)壓力和沖擊力法向分量的合力。因此，這種方法不適用于分析沖擊夯實作用下的井壁受力問題。為探究更加合理精確的井壁應力測量方法，對井壁應力進行受力分析，以溜井右側(cè)井壁受力為例，如圖1所示。

圖1 沖擊夯實作用下井壁受力分析Fig.1 Mechanical analysis of wall underimpacting ramming

水平方向以右為正方向，鉛垂方向以下為正方向。假設礦巖塊與井壁接觸點為點O，在儲料內(nèi)部應力平衡狀態(tài)下(沖擊夯實作用前)，井壁受礦巖側(cè)壓力N1(正)以及與顆粒間的摩擦力f(方向可能正也可能負)的作用。沖擊夯實作用下沖擊力峰值F1以礦巖與井壁的接觸為傳播路徑作用在井壁上，因為沖擊力由上至下傳遞，可能存在一定的入射角度α，此時可以將沖擊力分解成水平和鉛垂的兩個分量F1x和F1y，則有式(2)。

(2)

式中：F1為沖擊夯實作用下井壁承受的沖擊力峰值，N；F1x、F1y分別為F在x、y上的分量，N；α為沖擊力的入射角度，(°)；Fx、Fy分別為作用在井壁x、y方向上的合力，N；N1為井壁側(cè)壓力，N。

當前實驗過程中，在x方向、y方向上沖擊前后的井壁應力大小是可以測量的。結合式(2)，在已知Fx、Fy、N1情況下，沖擊力峰值可以通過式(3)求得。

(3)

沖擊力峰值值越大說明該范圍內(nèi)井壁受沖擊作用越大，反之亦然。

1.3 基準線

應力波由儲料面開始向儲料內(nèi)部及井壁擴散[14]。由于受顆粒內(nèi)摩擦力阻力、顆粒運動損耗等作用的影響，應力波在傳遞過程中不斷衰減直至消失，沖擊夯實效果隨著應力波傳遞距離的增加而減弱。傳統(tǒng)筒倉井壁應力、孔隙率的測量實驗常以溜井底板為基準線，但溜井標高不能準確表達應力波傳播距離。因此，在沖擊夯實作用的研究中應以儲料面為基準線進行測量和分析。

2 溜井卸礦過程的離散元模型

沖擊荷載作用下散體顆粒的動力響應非常復雜，很難通過解析、建模等方法進行分析。相關研究大多建立在數(shù)值模擬、物理實驗或現(xiàn)場測試等研究方法之上，其中離散元數(shù)值模擬是探究散體顆粒受力特征最常用的研究手段之一[3,6]。此外，礦山實際生產(chǎn)過程中，受卸礦角度、卸礦方式等影響，下卸礦巖的運動具有很強的隨機性，導致同一卸礦高度下同一時刻作用在儲料上的沖擊荷載及其作用位置可能是不同的，進而影響儲料孔隙率和井壁應力峰值的測量結果。因此，本文不考慮卸礦角度、卸礦方式及礦巖質(zhì)量等因素對沖擊夯實作用的影響，待卸礦巖顆粒在儲料正上方生成并自由下落，模擬礦巖沖擊夯實過程。

本文以垂直溜井為實驗對象，根據(jù)溜井工程的應用實例構建數(shù)值模型，模型結構參數(shù)如圖2所示。其中貯礦高度(h)24 m，在距離儲料面Hm(卸礦高度)處生成4 m3的待卸礦巖散體，開始實驗時，待卸礦巖散體自由下落，最終撞擊在下部儲料上。在實驗過程中，以儲料面為基準線，設測量范圍中心與儲料面距離為D，分別測量儲料面以下Dm(D-1≤測量范圍≤D+1)測量范圍內(nèi)的孔隙率及井壁應力。 卸礦站和貯礦段結構落差一般在40 m以上[15]，選取卸礦高度H=25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m，分別模擬指定高度下沖擊夯實作用過程，分析儲料孔隙率及井壁應力變化特征。

圖2 溜井卸礦模型Fig.2 Model of ore dumping process

通過現(xiàn)場調(diào)研及室內(nèi)試驗，確定顆粒間剪切模量為13.6 GPa，泊松比0.23，摩擦系數(shù)為0.5，阻尼系數(shù)為0.3。 墻體法向剛度和切向剛度均為1 GN/m，摩擦系數(shù)為0.4。 儲料內(nèi)礦巖顆粒密度3 400 kg/m3，粒徑級配見表1。

表1 礦巖顆粒級配組成Table 1 Granularity composition of ore and rock

3 卸礦高度對儲料夯實效果的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結果，不同卸礦高度下貯礦段儲料的孔隙率變化量如圖3所示。

圖3 不同卸礦高度下的孔隙率變化量Fig.3 Void ration reduction at differentunloading height

整體上，沖擊夯實作用會導致儲料孔隙率下降，夯實效果與D值(與儲料面距離)和卸礦高度有關。沖擊夯實作用下整體儲料變化量在不同范圍下呈現(xiàn)出兩種變化趨勢。儲料面以下5 m左右范圍內(nèi)的儲料孔隙率變化量較大，夯實效果明顯，主要受卸礦高度和與儲料面的距離(D)影響，隨著D值增加、卸礦高度降低而減小；距離儲料面7 m及以上范圍內(nèi)的儲料孔隙率變化量大多不超過0.002，卸礦高度和D值對其影響不大。

假設把同一卸礦高度下，孔隙率變化量隨D值改變發(fā)生明顯變化的儲料范圍視為該卸礦高度下的夯實范圍，則在當前溜井結構參數(shù)下，卸礦高度在25 m時夯實范圍在儲料面以下1 m以內(nèi)；卸礦高度在30～45 m時夯實范圍在儲料面以下5 m以內(nèi)；卸礦高度50 m時夯實范圍在儲料面以下7 m以內(nèi)。由此可看出降低卸礦高度可以減小卸礦過程中的夯實作用范圍。

對比不同卸礦高度下孔隙率的變化量發(fā)現(xiàn)，同一范圍下卸礦高度越大，孔隙率變化量越大，同時在儲料面以下5 m范圍內(nèi)，這種變化趨勢尤為明顯；而在儲料面以下7～23 m范圍，卸礦高度對該范圍下孔隙率的影響程度越小。總體上，降低卸礦高度可以有效削弱夯實效果，距離儲料面越近，削弱效果越明顯。

在距離儲料面較遠(7～23 m)范圍內(nèi)，隨著D值增加，不同卸礦高度下孔隙率變化量相差不大，其走勢近乎一致。說明在該范圍下卸礦高度不是影響孔隙率變化的唯一因素。分析該范圍內(nèi)初始狀態(tài)的孔隙率發(fā)現(xiàn)，當D分別為7 m、9 m、15m時，沖擊前該范圍內(nèi)儲料孔隙率較低，經(jīng)過沖擊夯實后的孔隙率變化量也較小；而D分別為11 m、13 m時，孔隙率分布及變化情況剛好相反，說明初始狀態(tài)下儲料孔隙率分布特征會影響夯實作用效果。

4 卸礦高度對井壁沖擊效果的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結果，不同卸礦高度下貯礦段井壁承受沖擊力峰值如圖4所示。

圖4 不同卸礦高度下的沖擊力峰值Fig.4 Peak impact stress at differentunloading height

由圖4可知，在當前溜井結構參數(shù)下，貯礦高度為25～50 m時，沖擊夯實作用對儲料面以下0～9 m范圍井壁的沖擊作用效果比較明顯。卸礦過程中溜井儲料面以下3 m或5 m左右范圍內(nèi)井壁承受的沖擊作用要大于儲料面附近1 m范圍內(nèi)的沖擊作用，且隨著卸礦高度的增加，承受沖擊作用最大的井壁范圍有向溜井深處轉(zhuǎn)移的趨勢。整體上，沖擊力峰值隨著測量范圍與儲料面的距離(D)增加而減小。在儲料面下3～11 m范圍內(nèi)減小速度較大；在儲料面下11～23 m范圍內(nèi)減小速度明顯減小。

降低卸礦高度可明顯減弱卸礦對井壁的沖擊效果。尤其對儲料面以下0～9 m范圍內(nèi)井壁的沖擊效果的減弱程度明顯，其余范圍內(nèi)影響程度較小。在當前溜井結構參數(shù)下，貯礦高度為20～50 m時，在儲料面以下0～3 m范圍內(nèi)，沖擊力峰值的變化并沒有明顯的隨著卸礦高度的增加而增大，但除此以外的范圍沖擊力差值較大，說明卸礦高度的增加會導致更多的沖擊能量向儲料深處轉(zhuǎn)移。在儲料面以下3～11 m范圍內(nèi)，沖擊力峰值隨D值增加而降低，卸礦高度越大，下降速度越快。在儲料面以下11～23 m范圍內(nèi)，降低卸礦高度對沖擊力峰值的影響明顯小于前者，沖擊力峰值隨D值增加而降低，其下降速度趨于定值，不隨卸礦高度的改變而變化。

5 降低沖擊夯實作用效果的實際措施

卸礦過程中的沖擊夯實作用是造成貯礦段井壁損傷及溜井懸拱堵塞問題的主要原因之一[1]，礦山可采取以下措施降低或預防沖擊夯實作用。

1) 降低卸礦站與貯礦段儲料面間的高度落差。研究表明，卸礦過程中沖擊夯實作用效果與卸礦高度呈正相關。因此，可以通過降低卸礦高度的方式有效削弱卸礦對儲料、井壁的影響程度。主要有以下兩種方法：一是減小卸礦站的設計高度，下卸礦巖對儲料的沖擊能量主要由礦巖的重力勢能轉(zhuǎn)化而來[16]，降低卸礦站設計高度直接減小了待卸礦巖的重力勢能[17]，從根本上降低沖擊夯實作用效果；二是適當提高儲礦高度，不僅可以降低礦巖的下落距離而且增加的儲料可消耗部分沖擊作用，進一步削弱沖擊夯實作用效果。

2) 減少一次卸礦量。當卸礦高度一定時，礦巖由卸礦站下落到儲料面時的沖擊速度是一定的[18-19]，此時礦巖總質(zhì)量決定了卸礦過程中下卸礦巖對儲料的沖擊荷載大小。礦山生產(chǎn)中，卸礦站應避免在一次卸礦工作中傾倒過多的礦巖物料，可以分批次傾卸物料，減少單次卸礦質(zhì)量，達到降低沖擊夯實作用效果的目的。

3) 卸礦與放礦協(xié)同進行。在礦山生產(chǎn)實際中，卸礦和放礦是動態(tài)進行的[20]，前者的夯實作用造成儲料密實度增大，后者可使礦巖松動下落，降低儲料密實度；二者應相互配合，在確保儲料高度的同時盡量減弱局部儲料的夯實程度，防止懸拱問題的發(fā)生。

4) 采取針對性的防護措施。礦山應對服務年限較長的溜井貯礦段采取必要的支護措施。尤其著重對溜井貯礦段內(nèi)儲料面以下9 m范圍內(nèi)的井壁進行局部支護。常用的支護措施有噴射混凝土、錳鋼板、混凝土與鋼筋或鋼板混合等方式。

此外，控制卸礦時間、控制礦巖塊度等可以減小單位時間內(nèi)夯擊儲料的礦巖質(zhì)量，對預防貯礦段井壁損傷[21]、儲料懸拱問題[22]有著良好的效果。

6 結 論

本文通過PFC2D建立了溜井卸礦模型，以孔隙率變化量、井壁沖擊力峰值作為評判標準，分析了溜井卸礦過程中卸礦高度對儲料夯實效果以及對井壁的沖擊效果的影響特征，得出如下結論。

1) 整體上沖擊夯實作用下儲料孔隙率變化量和井壁沖擊力峰值與卸礦高度呈正相關，與D值(所測量范圍與儲料面的距離)呈負相關。 在一定范圍內(nèi)，卸礦高度影響著二者隨D值改變的變化速度。

2) 降低卸礦高度可以減小卸礦過程中的夯實作用范圍及夯實效果。在貯礦段直徑6 m、貯礦高度24 m條件下，卸礦高度對距離儲料面5 m范圍內(nèi)儲料的夯實效果尤為明顯；其余范圍內(nèi)的影響程度較小，同時初始狀態(tài)下的儲料孔隙率分布特征影響著該范圍下的夯實效果。

3) 在當前條件下，隨著卸礦高度的增加，卸礦對井壁的沖擊效果也越大，尤其在儲料面以下9 m范圍內(nèi)的井壁最大沖擊力增幅明顯。同時卸礦高度的增加會導致更多的沖擊能量向儲料深處轉(zhuǎn)移。

4) 礦山可以通過降低卸礦站與貯礦段儲料面間的高度落差、減少一次卸礦量、井壁支護等方式減弱溜井卸礦時的沖擊夯實作用效果，預防由于卸礦沖擊夯實造成的井壁損傷、溜井懸拱等問題的發(fā)生。