金属矿山溜井问题研究现状及方向_路增祥.pdf

金属矿山溜井问题研究现状及方向 路增祥 1， 2 马驰 1 曹朋 1 马强英 1 （1. 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心， 辽宁 鞍山 114051） 摘要溜井在使用过程中频繁发生的堵塞现象和井壁变形破坏问题， 已成为影响矿山安全高效生产的重要 因素。将溜井问题归纳为溜井堵塞和井壁稳定性两大问题， 并系统分析、 总结了溜井问题的研究现状及存在问 题。溜井堵塞问题表现为其底部放矿过程中井内物料流动中止， 井壁稳定性问题主要表现为井壁变形、 失稳和跨 塌。研究表明 ①矿石含水率、 粉矿含量、 放矿漏斗角、 贮矿高度、 贮矿时间以及矿岩块度与溜井直径之间的匹配关 系， 井壁支护结构脱落与井壁围岩垮塌产生的大块， 以及溜井使用管理方面存在的问题， 是造成溜井堵塞的主要原 因； ②矿 （废） 石的粒度分布特征及其物理力学特性， 溜井工程围岩的地质结构特征及其应力场特征， 溜井结构、 井 壁支护强度及其相互关系， 是溜井井壁产生变形破坏的主要原因； ③矿 （废） 石在溜井中运动与井壁接触并产生力 的作用， 使得溜井井壁受到冲击、 剪切和摩擦损伤， 是溜井井壁产生变形破坏的根本原因； ④溜井堵塞后的爆破疏 通和临近溜井的掘进爆破， 加剧了对井壁的人为破坏。在上述分析的基础上， 认为今后溜井问题的研究应着力于 ①研究溜井堵塞各影响因素之间的关系， 建立相关数学模型， 探讨溜井结构及其相关尺寸的设计准则， 预防溜井堵 塞； ②揭示溜井中物料的运动规律及其对井壁的力学作用机理， 改善溜井结构及其支护方式， 从根本上解决溜井稳 定性问题； ③研发应力释放技术和高应力环境下的工程支护技术， 是解决深埋溜井井壁应力致裂破坏问题的主要 研究方向； ④从溜井的设计、 使用与管理角度预防溜井堵塞， 研发溜井堵塞的非爆破疏通技术， 减轻爆破对井壁的 损伤。 关键词金属矿山溜井问题堵塞井壁稳定性研究方向 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -03-001-09 DOI10.19614/ki.jsks.201903001 Study Status and Direction of Orepass Existing Problems in Metal Mine Lu Zengxiang1， 2Ma Chi1Cao Peng1Ma Qiangying12 （1. School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China； 2. Engineering Research Center of Green Mining of Metal Mineral Resources Liaoning Province， Anshan 114051， China） AbstractPhenomenons of orepass blockage phenomenon and sidewall deation and destruction of orepass occurs frequently during the application process of orepass， they are becoming the important influence factors of safe and efficient pro- duction of mines.Existing problems of orepass is summarized as two major problems of blockage and sidewall stability， the study status and existing problems of orepass are analyzed and summarized.The blockage phenomenon of orepass is manifest- ed in the suspension of materials flow during the process of oredrawing at the bottom of orepass.Sidewall stability phenomenon is mainly manifested in deation， instability and collapse of sidewall of orepass.The study results show that①main reasons of orepass blockage can be summarized as the matching relationship among ore moisture content， powder ore content， oredraw- ing funnel angle， height and time of ore storage， ore-rock block size and orepass diameter， large blocks produced by support structure falling off and sidewall surrounding rock collapsing， and the existing problems in operation and management of ore- pass； ②main reasons of sidewall deation and destruction of orepass can be described as particle size distribution and physical and mechanical properties of ores or waste rocks， geological characteristics and stress field features of the surround- ing rock of orepass engineering， orepass structure， and sidewall support strength and their mutual relationship； ③the funda- 收稿日期2019-01-05 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51774176） 。 作者简介路增祥 （1965） ， 男， 执行院长， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 513 期 2019 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 513 March 2019 专题综述 1 ChaoXing 金属矿山2019年第3期总第513期 mental reason of deation and destruction caused by the impact， shear and friction damage of orepass sidewall， which caused by the force action produced by the movement of ores or waste rocks in orepass and the contact of ores or waste rocks with orepass sidewall； ④human destruction of orepass sidewall is intensified by blasting dredging after orepass blockage and excavation blasting near orepass.Based on the above discussion results， the study directions of orepass existing problems as fol- lowings①studying the relationship between the influence factors of orepass blockage， establishing the relevant mathematical models， discussing the design criteria of structure and related dimensions of orepass， so as to prevent orepass blockage； ②re- vealing the movement regularity of materials in orepass and the mechanism of mechanical action of materials on orepass side- wall， improving structure and support model of orepass， so as to solve the existing problems of orepass stability fundamentally； ③studying and developing the stress releasing technique and engineering support technique under high stress environment， are the main study directions of solving the stress crack destruction problem of orepass sidewall； ④orepass blockage can be prevented from aspects of design， application and management， and non-blasting dredging technique for orepass blockage can be studied， so as to reduce blasting damage to orepass sidewall. KeywordsMetal mine， Orepass existing problem， Blockage， Sidewall stability， Study direction 溜井在简化矿山提升运输系统、 提高生产效率 和降低成本方面发挥了重要作用， 在金属矿山地 下开采中应用极为广泛， 是矿山在多阶段运输中 实现矿 （废） 石高效低成本下向运输的关键工程。 溜井系统的可靠使用， 是确保矿山安全高效生产 的关键［1-2］。但是， 复杂的工程地质环境 ［3］和恶劣的 使用条件， 导致溜井变形破坏现象频繁发生 ［4-6］， 如西 藏甲玛铜多金属矿 ［7］、 山东新城金矿［8］、 湖北程潮铁 矿 ［9-10］等十余家矿山都因溜井发生严重变形破坏而导 致停产返修； 南非Kloof金矿3溜井 ［11］、 加拿大魁北克 省北部Brunswick矿等十余家地下矿山 ［12-13］都因溜井 产生重大变形破坏而进行过返修， 一些矿山溜井由 于变形破坏严重， 导致整个溜井系统报废， 给矿山造 成了巨大的经济损失。 为解决溜井的稳定性问题， 延长溜井的服务年 限， 大量学者及工程技术人员从溜井工程的地质条 件、 结构设计、 支护材料与加固方式、 溜井中矿岩运 动、 井壁变形破坏机理、 溜井修复、 溜井堵塞与疏通 方法等方面进行了研究， 取得了丰硕成果。上述研 究对于预防溜井堵塞及堵塞后的疏通处理， 提高溜 井井壁的稳定性发挥了一定的作用。但在矿山生产 实践中， 由于溜井工程恶劣的使用环境和特定的工 程地质条件的影响， 溜井堵塞与井壁变形破坏问题 并未得到根本解决， 安全事故依然频繁发生， 给矿山 安全生产造成了很大影响。本研究在系统归纳和总 结金属矿山溜井堵塞与疏通、 井壁变形破坏与修复 两大问题的基础上， 对今后的主要研究方向进行探 讨， 为溜井问题的后续研究提供参考。 1溜井工程概述 金属矿床地下开采中， 根据溜井系统与其他工 程的相对位置， 可分为主溜井 （主竖井旁侧溜井） 和 采区溜井两大类。从溜井布置方式上， 根据溜井与 水平面的夹角， 可以分为倾斜布置方式和垂直布置 方式。以主溜井为例， 溜井的2种布置方式如图1和 图2所示。 一般情况下， 对于采区溜井， 溜井系统主要由上部 卸矿站、 分支溜井、 溜井井筒、 矿仓及其底部结构构 成。对于主溜井， 有时还可能包括破碎硐室 （图1、 图 2） 。矿床采用多阶段开采方式时， 溜井工程的功能主 要有 ①在不同阶段之间实现矿 （废） 石低成本下向运 输， 有利于提高坑内运输效率， 降低生产成本； ②通过 采区溜井， 实现矿 （废） 石在某一阶段的集中运输， 达到 简化井底车场布置、 减少开拓工程量和节省工程投资 的目的 ［ 14-15 ］； ③主溜井和采区溜井的配合使用， 能够简 化竖井提升系统和坑内运输系统， 提高矿 （废） 石的运 输效率， 使得矿山生产组织更加灵活。 2溜井问题研究现状 根据溜井运行过程中发生的影响溜井正常放矿 的各种现象， 可归纳为两大溜井问题 ①放矿过程中 2 ChaoXing 2019年第3期路增祥等 金属矿山溜井问题研究现状及方向 的物料流动中断造成的悬拱现象， 即溜井堵塞问题； ②各种力的作用下溜井井壁产生的变形破坏现象， 即井壁稳定性问题。 2. 1溜井堵塞问题及处理方法 2. 1. 1溜井堵塞问题 溜井堵塞表现为其底部放矿过程中井内物料流 动中止 （图3） 。形成堵塞的可能性与矿岩的流动特 性、 最大块度与溜井直径的匹配关系、 上部卸矿对井 内物料的冲击夯实、 井内储料对底部矿岩的重力压 实等因素有关 ［1］。堵塞部位位于井筒或溜井下部结 构处， 其中， 井筒堵塞造成的后果最为严重， 溜口堵 塞发生频率最高 ［16］。陈华国等［17］研究了会泽某矿山 高深直溜井的堵塞情况， 认为溜井断面尺寸不合理 与上部溜矿段较长时间存储矿石是该矿溜井发生堵 塞的主要原因； 程汉臣等 ［18］将鸡笼山金矿的溜井堵 塞原因归纳为工程设计、 施工质量、 生产管理等因 素， 认为该矿溜井堵塞与溜井施工质量、 溜井管理不 规范、 井筒板安装不到位、 格筛使用不当、 充填泄水、 大块堵塞等因素有关。 溜井放矿时， 矿石中的粉矿含量与含水率对溜 井中矿石的流动性影响较大。刘艳章等 ［19］采用相似 试验与数值模拟相结合的方法研究了金山店铁矿粉 矿含量与含水率的变化对溜井放矿的影响， 结果表 明 当矿石含水率为1 ～3、 粉矿含量为11～17 时， 主溜井堵塞故障明显减少； Hadjigeorgiou J等 ［20］针 对加拿大魁北克省地下矿山矿石溜井系统产生的黏 结拱和咬合拱现象， 采用PFC3D软件建模， 研究了溜 井几何形状、 矿块形状与块度分布对溜井内形成咬 合拱的影响， 为避免发生溜井的咬合拱堵塞现象具 有一定的指导意义； Vo T等 ［21］将矿石材料与坚硬围 岩形成的溜井壁系统概化为满足莫尔-库仑破坏准 则以及相应流动规律的塑性刚性连续体， 采用不 连续应力场和速度场的方法， 对溜井中的悬拱问题 进行了分析， 认为溜井产生悬拱与矿石的含水率和 内聚力密切相关。 当溜井井筒穿越岩层条件复杂、 存在构造或破 碎带时， 或处于深埋 “裸井” 条件下， 应力引起的井壁 围岩产生了 “应力致裂” 现象 ［2］， 易导致井壁在矿石流 的冲击下， 大块岩石从井壁母岩上脱落并坠入井筒， 使溜井发生堵塞， 这也是导致溜井井筒迅速扩容 （井 径增大） 非常重要的原因之一。 2. 1. 2溜井堵塞问题处理 采取各种有效措施预防溜井堵塞， 是保证溜井 使用功能得以充分发挥的关键， 但由于各种原因发 生的溜井堵塞事故难以避免。现阶段， 溜井堵塞后 主要采用爆破方案进行疏通， 但耗时较多， 如2009年 12月21日镜铁山矿黑沟2溜井发生了堵塞事故， 采 用爆破疏通方案进行处理， 先后进行了6次爆破， 共 消耗炸药2 470 kg， 历时25 d才疏通成功 ［22］； 2008年7 月6日攀钢新白马铁矿1溜井发生了大块咬合拱高 位堵塞事故， 采用了氢气球探测和携药爆破方案， 在 地下水的润滑作用下历时1 a左右才疏通完毕 ［23］。因 此， 在溜井放矿实践中， 及时疏通溜井， 恢复其运输 功能， 是溜井 （尤其是高深溜井） 堵塞后亟待解决的 问题 ［23-27］。攀钢兰尖铁矿堪称处理溜井高位堵塞问 题采用方案最多的矿山， 该矿尖山2溜井的5次高 位堵塞事故中先后采用了溜井附近药室爆破震动、 军用火箭弹、 矿用火箭弹、 氢气球运载聚能弹、 爆破 加高压水冲和溜井钻孔扩帮等方案， 取得了理想成 效 ［28］； Hart R［2］在研究南非Kloof金矿3竖井开拓范围 内岩石溜井问题与堵塞的基础上， 研发了处理溜井 堵塞的 “炮车” 。 溜井堵塞后的爆破疏通能够对溜井井壁产生较 强的破坏作用， 相关技术人员设计了许多非爆破疏 通方案， 力求减轻爆破作业对溜井井壁的损伤与破 3 ChaoXing 金属矿山2019年第3期总第513期 坏。刘铁军等 ［29］通过对部分金属矿山实地考察后认 为， 避免溜井堵塞的关键在于选择合理的溜井底部 结构以及制定合理的放矿制度； 肖文涛 ［30］研究了金 山店铁矿采场溜井的堵塞原因， 认为控制入井物料、 确保溜井结构合理和加强溜井溜放管理是防止溜井 堵塞的有效措施； 陈日辉等 ［31］发明了一种结构简单、 针对性强、 操作方便、 安全可靠、 效果好、 实用性强的 溜井堵塞探测处理装置； 蔡美峰等 ［24］发明了一种以 压缩空气为动力源的溜矿井堵塞疏通方法及系统； 对于高深溜井堵塞后的疏通处理， 吕向东 ［32］研究了 黑沟矿高深溜井堵塞机理及其治理问题， 认为研究 溜井中的矿石流动规律， 有助于预防和解决溜井出 现的堵塞问题。 现阶段， 对于溜井堵塞问题及其处理方法的研 究主要聚焦于溜井中物料流动特性、 溜井结构设计、 矿岩最大块度与溜井直径的匹配关系、 溜井施工质 量与生产管理等方面。尽管对于溜井堵塞已经涌现 出诸多行之有效的疏通方法， 但在具体实践中仍然 存在一些不足 溜井堵塞的具体原因无法进行有效 探测分析， 只能依靠现场工程技术人员进行分析推 断， 因而在疏通处理时难以形成有针对性的、 快速有 效的方案， 更多的是采用对溜井井壁具有严重破坏 效应的爆破方法进行疏通。 2. 2溜井井壁稳定性问题 溜井井壁的稳定性问题主要表现为井壁变形、 失稳和跨塌 （图4、 图5） 。产生这一问题的根本原因 是溜井工程所处的复杂地质条件及其恶劣的使用环 境。溜井变形破坏特征主要表现为溜井断面不断扩 大、 井壁支护结构破坏、 井筒围岩片帮与坍塌等 ［2］。 导致溜井产生变形破坏的因素较多， 如工程地质 条件和岩体物理力学性质［13］、 溜井区域的地应力 状态 ［33］、 溜井使用环境、 运输物料粒度分布特征及其 物理力学特性 ［11］、 溜井设计施工与使用管理等［33， 34-36］。 2. 2. 1溜井井壁失稳机理 目前， 对于溜井稳定性问题， 国内外的研究方法 趋于向多元化发展， 常见的方法有现场调研、 理论分 析、 物理模拟试验、 数值模拟计算等。但无论采用何 种方法， 最终目的在于分析溜井井壁失稳机理， 以便 采取恰当的应对措施。 2. 2. 1. 1国外研究进展 溜井井壁失稳的诱因为溜井工程围岩地质结构 特征、 围岩应力场、 溜井结构及其相互关系， 溜井中物 料运动及其对井壁的作用， 溜井堵塞后的爆破疏通 等。Stacey T R等 ［3］通过研究节理分布特征及其几何 尺寸、 地质构造、 地应力与溜井倾向方向之间的相互 影响， 预测了某溜井井壁的稳定性； Lessard J F ［12］等研 究表明， 矿岩块度及其分布特征与溜井结构之间的 相互影响， 对溜井井壁稳定性影响较大， 结构不合理 是导致溜井问题产生的主要原因； Brenchley P R等 ［37］ 认为围岩应力场与地质构造的相互作用， 导致溜井在 穿越断层时井壁产生了不同程度的破坏； Dukes G B 等 ［5］认为高应力作用是井壁产生变形破坏的主要影 响因素； Gardner L J等 ［38］认为井壁破坏是围岩应力诱 导和物料磨擦井壁引起的； Hart R ［2］认为地质构造、 矿 岩在溜井中的滚动方向与原岩主应力方向垂直、 溜井 堵塞后的爆破疏通等， 是导致溜井破坏的主要原因； Esmaieli K等 ［39］认为溜井变形破坏是溜井结构、 原岩 应力、 矿岩冲击、 摩擦井壁等因素综合作用的结果。 力的作用是溜井产生变形破坏的另一原因。溜 井底部放矿时， 散体物料对贮矿段井壁的动态侧压 力是导致溜井井壁磨损破坏的力源， 井壁破坏程度 4 ChaoXing 2019年第3期路增祥等 金属矿山溜井问题研究现状及方向 与溜井底部放矿方式、 散体物料物理特性、 移动规律 和溜井几何尺寸密切相关。对于溜井井壁所承受的 物料压力， Janssen H A ［40］基于一定的假设， 根据静力 平衡原理， 推导出了著名的Janssen方程， 认为某一水 平面井壁所受侧压力的大小与该平面的垂直压力成 正比， 截至目前， 该理论仍作为溜井系统设计的重要 准则之一； Granik V T等 ［41］、 Campbell C S［42］基于一定 的假设， 先后采用细观力学理论对类似溜井井壁产 生的侧压力和侧压系数进行了探讨， 提出了侧压力 理论和经验计算公式； Esmaieli K等 ［39］针对图3所示 的井壁变形破坏情况， 采用PFC2D数值模拟方法， 研 究了矿岩通过分支溜井卸入主溜井时， 分支溜井倾 角对矿岩冲击主溜井井壁的速度和能量的影响。 2. 2. 1. 2国内研究进展 国内溜井除了表现出与国外溜井井壁变形破坏 的共同特征外， 井壁支护强度低、 临近溜井的掘进工 程爆破以及溜井使用管理方面存在的问题， 也是导 致溜井发生变形破坏的重要原因。詹森昌 ［43］以德兴 铜矿1溜井为例， 分析了溜井放矿时井筒的磨损规 律， 提出了井筒摩擦损失的计算式， 认为摩擦当量与 磨损速度成反比关系； 明世祥 ［36］对国内6座矿山的溜 井变形案例进行了理论分析， 认为溜井发生变形破 坏的机理具有共同特征， 表现为工程地质条件、 群井 效应、 冲击载荷和支护强度的影响等； 李长洪等 ［8］认 为新城金矿溜井产生变形破坏的原因在于工程地质 与水文地质条件复杂、 地应力场作用以及矿石冲击 等； 陈得信等 ［6］认为矿岩对井壁的磨损、 工程地质条 件差、 井壁支护强度低、 矿石冲击、 溜井附近的爆破 作业以及堵塞后的爆破疏通等， 是导致金川二矿区 多个盘区溜井发生垮冒事故的主要原因； 张克利等 ［44］通过对胡家峪矿南坑口三期主溜井井筒破坏的研 究， 认为该溜井破坏的主要原因表现为井筒位置选 择方面的缺陷、 溜井布置形式导致无法满井放矿、 溜 井穿越岩层的影响、 矿石磨损、 掘进时的爆破震动影 响等5个方面。 矿石在溜井中的运动并与井壁发生碰撞是溜井 井壁产生破坏的根本原因之一。由于矿岩卸入溜井 后的运动状态具有不可量测性， 其运动轨迹则无法 准确描述。赵昀等 ［45］根据运动学理论， 以某露天矿 平硐溜井为例， 建立了溜井中矿石的运动模型， 并采 用 “伪随机算法” ， 研究了矿石进入溜井后与井壁发 生初始碰撞的位置分布范围及碰撞速度大小； 叶海 旺等 ［46］以华新钻沟石灰岩露天矿山为例， 建立了平硐 溜井系统的PFC2D数值分析模型， 研究了溜井井壁的 冲击破坏特性与初始碰撞位置； 宋卫东等 ［47］基于运动 学理论分析了矿石在采区溜井中的运动规律及冲击 荷载， 并进行了溜井卸矿的相似试验， 在一定程度上 反映了矿石在溜井内的运动特征， 并讨论了溜井受 冲击破坏的区域； 陈杰等 ［48］通过构建溜井冲击与摩 擦损伤理论模型， 分析了影响溜井内矿石运移的因 素； 秦宏楠等 ［49］采用离散元法研究了溜矿段井壁冲 击破坏规律； 王其飞 ［50］研究了金山店铁矿主溜井井 壁的磨损特征。 2. 2. 2溜井井壁变形监测 近年来， 溜井全景扫描成像和激光三维扫描技 术在溜井变形破坏研究方面发挥了良好的 “诊断” 作 用。刘艳章等 ［51-52］研制了溜井全景扫描成像装置， 可 检测井壁的破坏部位， 有助于进一步研究井壁冲击 磨损破坏规律， 对于精确确定溜井井壁的加固部位 与合理设计加固方式具有较好的参考价值。 溜井变形破坏是多因素耦合作用的结果。在诸 多因素中， 物料在溜井内运动过程中与井壁接触并 产生力的作用， 是导致溜井井壁发生变形破坏的根 本原因。矿岩在溜井中运动并对井壁产生冲击和摩 擦损伤的过程， 是一个能量转化与耗散的过程， 矿岩 进入溜井时， 矿岩块所具有的重力势能是矿岩能够 产生运动或移动， 并对溜井井壁产生冲击剪切和磨 擦损伤的能量之源。 在不同倾角的溜井中， 矿岩主要以下落、 跳动、 滚动、 滑动等方式运动 ［53］。研究溜井中矿岩的运动 方式及其特征， 有助于进一步分析溜井井壁的破坏 方式， 进而有效解决溜井井壁的稳定性问题。由于 缺少必要、 可行的监测手段， 目前对于溜井中物料运 动状态的研究仍停留于运动学理论分析阶段。 2. 2. 3溜井支护方法及材料 对溜井采取恰当的加固方案， 是延长溜井服务 年限的重要举措。为提高井壁支护材料的强度与耐 久性， 延长溜井服务年限， 在溜井支护与加固工程实 践中， 大量学者及工程技术人员研发了许多以混凝 土为基材的溜井支护与加固方式， 如钢轨加固 ［54-55］、 锰钢板与混凝土相结合的整体加固［56］、 锰钢板加 固 ［57］以及喷射混凝土、 锚杆与柔性筋支护技术等［2］， 尽管在实践中取得了一定的成效， 但并未从根本 上解决溜井井壁的变形破坏问题。 从溜井工程地质环境角度分析可知， 自然界岩 体受各种地质弱面切割， 其力学特性极为复杂， 溜井 位置一旦确定， 井壁围岩体质量和地应力场很难改 变。实践中， 多选用适宜的溜井结构、 支护方案或井 壁加固措施来提高井壁的稳定性 ［34， 58-59］， 但溜井井壁 变形破坏现象依然存在。张增贵等 ［60］探讨了采用橡 5 ChaoXing 金属矿山2019年第3期总第513期 胶衬板加固主溜井的可行性， 认为该型材料具备了 耐磨性能优良、 质轻便于安装和维修、 较好的吸震隔 震效果、 安装方式多样、 综合经济效益较高等优点， 认为理想的溜井加固材料应具有耐磨性好、 结构简 单可靠、 便于安装更换、 低污染、 抗冲击性好等性 能。尽管采用喷射混凝土、 锚杆与柔性筋支护技术 对于溜井井壁加固具有较好效果， 但对于高应力环 境下深埋溜井井壁产生破坏的应力致裂问题， 该技 术收效甚微 ［2］。 从溜井使用环境角度分析， 矿岩在溜井中的复 杂运动状态造成了对井壁的损伤， 主要表现为冲击 损伤和磨擦损伤2种形式 ［48， 61］， 且具有反复和长期作 用的特点。溜井堵塞后的爆破疏通也会对溜井井壁 造成很大的破坏 ［21］。溜井在使用过程中， 一旦发生 井壁变形、 失稳和垮塌问题， 多采用修复加固方式恢 复溜井功能 ［5， 10， 38］， 不仅浪费了大量人力、 物力， 而且 安全风险极大。 为延长溜井的服务年限， 崔传杰等 ［62］探讨了主 溜井结构型式及支护加固方式， 提出了在分支溜井 口附近设置缓冲坑、 采用分段控制式卸载方式等减 缓矿石流冲击井壁的技术方案， 取得了理想效果； 陈 昌云 ［63］对下告铁矿主溜井的修复方案进行了设计， 方案包括主溜井回填、 底部结构施工、 中段卸矿硐室 施工、 矿仓段施工等内容， 认为应将溜井布置于坚硬 稳定的岩层中、 合理设计溜井结构及断面尺寸、 减小 斜溜井长度有助于降低井筒破损概率， 避免多次返 修。 混凝土是溜井井壁支护与加固的主要材料， 冲 击与磨损是造成溜井井壁支护损伤与破坏的主要原 因之一。在混凝土中增加一定量的钢纤维， 可以显 著改善混凝土的抗拉、 抗弯、 抗冲击及抗疲劳性能。 三山岛金矿新立矿区主竖井旁侧矿石溜井支护实践 中， 采用了钢纤维混凝土支护方式， 虽然解决了溜井 井壁的稳定性问题， 但在放矿过程中井壁在矿石流 的强烈冲击下， 产生了严重的脱落与垮塌问题 ［64］。 3溜井问题研究方向 （1） 造成溜井堵塞、 影响溜井中矿石流动性的因 素主要有矿石含水率、 粉矿含量、 放矿漏斗角、 贮矿 高度、 贮矿时间、 矿岩块度与溜井直径之间的匹配关 系等， 该类因素之间存在着非常复杂的关系。研究 它们之间的关系， 建立各因素之间的数学关系模型， 探寻溜井结构及其相关尺寸的设计准则， 对于预防 溜井堵塞具有重要作用。 （2） 矿 （废） 石在溜井内运动过程中与井壁接触 并产生力的作用， 是导致溜井井壁发生变形破坏的 根本原因。矿岩在溜井中运动并对井壁产生冲击和 摩擦损伤的过程， 是一个能量转化与耗散的过程， 矿 岩进入溜井时具有的重力势能是矿岩能够产生运动 或移动， 并对溜井井壁产生冲击剪切和磨擦损伤的 能量之源。因此， 研究矿岩在溜井中的运动轨迹与 运动规律， 有助于进一步明确溜井井壁冲击剪切和 磨擦损伤的范围， 为溜井结构优化与井壁加固提供 可靠依据。 （3） 建立高精度无线定位电子标签示踪系统， 通 过电子标签在溜井中运动时的实时动态定位， 结合 统计学原理拟合矿石运动散点， 求解矿岩在溜井内 的运动轨迹方程， 揭示溜贮矿段的矿岩移动轨迹， 有 助于准确确定溜井井壁受冲击、 剪切和磨损的区域， 为进一步构建磨擦损伤理论模型奠定基础。课题组 依托国家自然科学基金项目 （编号 51774176） ， 高精 度无线定位电子标签示踪系统研发已经完成了测试 工作， 并取得了较好的效果。 （4） 高应力环境下深埋溜井的井壁应力致裂破 坏问题尚无高效的解决方法。国外金属矿床的开采 深度已达3 500 m以上， 我国的开采深度尚在2 000 m 以浅， 高应力问题是深部地下开采工程所面临的一 大难题。研究应力释放技术、 探寻高应力条件下的 工程支护技术， 是解决深埋溜井井壁应力致裂破坏 问题的主要研究方向。 （5） 溜井加固与支护是解决不良地质条件下溜 井工程稳定性问题的重要手段， 也是提高井壁抵抗 冲击、 剪切与磨损的重要方法。针对溜井工程的复 杂地质条件及其恶劣的使用环境， 研究与开发合理 的溜井结构和支护材料， 是解决溜井井壁受冲击、 剪 切与磨损破坏的又一重要的研究方向。合理的溜井 结构应能够使物料在溜井中运动时不产生水平运动 分量， 而且使得物料运动初始阶段所具有的重力势 能最小。在溜井结构方面， 改变溜井上口结构， 使卸 矿时矿石流不产生水平方向的运动分量， 能够有效 减少和降低矿石流对溜井井壁的冲击； 尽可能降低 垂直溜井的段高或采用合适倾角的倾斜溜井， 能够 有效减小矿石下落时的冲击势能， 降低井壁的破坏 程度。合理的溜井支护材料应具有较高的抗冲击性 能和耐磨性能， 将该类材料应用于不良地质条件下 的溜井支护与加固， 能够有效延长溜井的使用年限。 （6） 从设计角度探索溜井结构及其布置形式， 从 生产管理角度探寻溜井堵塞的规律性问题及其预防 措施。研究垂直溜井中高料位条件下的矿岩流动特 性、 倾斜溜井中物料流动特性以及溜井井筒的最佳 倾角等， 对于确保溜井运行畅通、 避免疏通给溜井井 6 ChaoXing 壁造成损伤具有现实意义。 参 考 文 献 路增祥， 张治强， 张国建.溜井运输中悬拱产生的机理及解决对 策 ［J］ .中国矿业， 2017， 26 （4） 153-157. 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