会泽某矿山高深直溜井技术研究与应用

2018-06-28陈华国张泽裕

世界有色金属 2018年8期

陈华国，张泽裕

（云南驰宏锌锗股份有限公司，云南昆明 650224）

会泽某矿山建矿至今，先后采用了粗粒级水砂充填采矿法及膏体充填采矿法，采出的矿石通过溜井搬运到矿石转运中段，再经提升运输系统运至地表，经过多年的实践证明，溜井系统在矿山应用效果良好，但随着开采深度的增加，人工凿井作业环境差、施工效率低、安全风险高、溜井堵塞等问题变得突出[1]，为解决上述问题，会泽矿山于2016年启动高深直溜井技术的研究，引进反井钻机施工装备和工艺，并成功应用于矿山，提升了溜井施工效率，控制了安全风险，提高了矿、废石运输效率[2]。

1 高深直溜井技术的可行性分析

国内一些建设、设计单位及行业专家学者们早已对溜井放矿技术进行了深入研究，得到如下成果：

（1）溜井底部压力与溜井存矿高度无关。在存矿条件下，当存矿高度达到一定位置（一般存矿高度大于3倍溜井直径）时，溜井井筒底部压力和侧压力为一常数，与存矿高度无关。

经查询资料可知，目前世界上最深的溜井达866m，本文列举了部分矿山深溜井参数，详见表1。

（2）在溜井断面合理的情况下，溜井的堵塞次数、堵塞频率和堵塞部位与溜井深度无关[3]。在存矿条件下，当溜井结构设计合理，施工质量好，溜井堵塞一般只发生在井底存矿段。

表1 部分矿山深溜井参数

（3）存矿条件下，存矿段溜井各处磨损是均匀的，与溜井深度无关。溜井井壁在存矿条件下磨损轻微、磨损速度低、磨损均匀；在非存矿条件下，溜井各处磨损是不均匀的，井壁受矿、废石冲击形成冲击坑，逐步演变成冲击沟，进而造成片帮和塌方，严重时造成溜井报废[4]。

2 会泽某矿山溜井设计关键参数确定

2.1 矿山矿岩力学性质概况

会泽某矿山矿石种类主要为方铅矿、闪锌矿和黄铁矿，矿石平均体重为4.15t/m³，围岩体重平均为2.724.15t/m³，松散系数为1.60，抗压强度：矿石80Mpa～100Mpa，岩石60Mpa～80Mpa，矿石自然安息角为38°～39°。部分矿石中硫成分含量高，具有较强粘结性[5]。矿山通过实验获得了深部岩石主要物理力学参数，其结果如表2所示。

2.2 会泽某矿山溜井堵塞成因分析

美国伊利诺斯州阿贡国立实验室研究认为：一般情况下，有两种情况会扰乱溜井内矿、废石有序的输送状态，造成溜井卡矿的后果，即：

（1）由连锁拱引起堵塞；

（2）由内聚力拱引起堵塞。

表2 矿山深部部分岩石主要物理力学参数表

2.2.1 连锁拱的成因分析及预防措施

连锁拱架是在溜井井筒里由于相对较大的碎块形成稳定的排列，变为楔状结构，形成阻塞的后果。形成这种拱架的概率取决于搬运物料的大块率、相对于溜井和放矿口尺寸的矿岩块径、碎块的形状以及流动碎块在溜井断面的流速分布。

目前关于形成连锁拱架的概率统计尚没有很好的方法，一般都采用经验标准来衡量。经验标准是以溜井直径与块石直径的比值（D/d）为原则。很多矿山采用比值（D/d）的方法统计了连锁拱架的概率，并总结了设计经验资料，如表3所示。

表3 连锁拱架结构概率统计表

说明：D-溜井直径；d-碎块尺寸。

经过多个矿山的实践经验表明，D/d＞5～6时，一般足以确保矿岩流动畅通。

2.2.2 内聚力拱的成因分析及预防措施

内聚力拱是由于所搬运物料含水，细颗粒相互粘附，呈现出内聚力，如果湿度增大，内聚阻力会增加，当增加到一定程度后，内聚阻力大于重力，形成一个稳定的拱架，从而引起溜井阻塞，与连锁拱比较起来，这种拱架叫做内聚力拱。

目前关于预防形成内聚力拱几率主要由式1确定：

式1：D＞4C（1+sinφ）/9.81r

适中D---溜井直径，m；

C---矿、废石颗粒间内聚力，Mpa；

r---矿、废石的密度，t/m³；

φ---矿、废石内摩擦角，度。

与连锁拱一样，矩形断面溜井的特征尺寸D是其较小的尺寸。

2.3 会泽某矿山溜井设计关键参数确定

2.3.1 溜井断面形状的确定

国内外溜井常用断面主要有圆形、方形、矩形三种形式。普遍认为溜井断面以圆形为最佳。会泽某矿山在早期开采时溜井断面均为矩形，其断面尺寸主要有2.2m＊2.4m、2m＊2.2m、2m＊2.4m。随着资源逐步往深部延伸，地质条件复杂、地压增高，同时存在施工安全风险高、效率低等问题，鉴于这些问题，本次溜井设计为圆形断面，主要有以下几方面优点：

（1）圆形溜井受力最佳，其径向压力各处均匀，矿、废石对溜井磨损比较均匀。其次在深部高地应力环境下，圆形溜井不易造成应力集中，从而降低岩爆发生几率，缓解溜井片帮事故；

（2）在同样断面尺寸条件下，圆形溜井断面利用率最高；

（3）圆形溜井方便施工，可采用反井钻机施工，提高施工效率，降低安全风险。

2.3.2 溜井直径的确定

本文对会泽某矿山的矿石、废石性质及溜井使用情况进行了大量统计，结果显示：

（1）采出矿石呈块状，尺寸一般为300mm～400mm；

（2）原有溜井堵塞多发生于溜井底部及矿仓内，井筒中少有发生堵塞事件；由此可见，表2中提出的经验值在会泽某矿山同样具有很好的适用性，因此，本次圆形溜井断面直径设计为2m。

2.3.3 溜井底部矿仓尺寸及溜井高度的确定

通过对矿山现有溜井使用情况的统计分析，认为溜井底部矿仓堵塞主要由于矿、废石含水，且部分矿石中硫成分含量高，矿石具有较强粘结性，在矿仓内形成内聚力拱造成溜井底部堵塞。同时结合多年的溜井施工经验考虑，本次溜井底部矿仓断面设计为方形，其尺寸依据表2中矿、岩相关物理力学参数及式1计算，得出溜井尺寸为4＊4m。

图1 会泽矿山高深直溜井工艺流程图

关于溜井深度的问题，国内行业里也形成了相关成果，多数专家、学者认为在存矿条件下，当存矿高度达到一定位置（一般存矿高度大于3倍溜井直径）时，溜井井筒底部压力和侧压力为一常数，与存矿高度无关。此外，结合会泽某矿山的地质条件及开拓运输系统等因素考虑，本次底部存矿段溜井高度设计为12m，上部非存矿段溜井高度设计为168m，同时考虑矿山生产实际，本次溜井设计在井口还创新应用了移动式皮带机，其工艺流程如图1所示。

3 会泽某矿山高深直溜井案例分析

图2 会泽矿山高深直溜井生产过程堵塞情况示意图

会泽某矿山高深直溜井采用反井钻机施工直径2m、长度180m的溜井，底部12m矿仓则采用人工刷扩，施工过程中考虑安全风险防控、工期要求等因素将4＊4m断面调整为3＊3m断面。在后期生产过程中，先后发生2次溜井堵塞事故，其中处理时间最长的一次用时2个月，堵塞部位发生在底部及底部向上10m～20m范围内，如图2所示。

经过分析，认为造成上述堵塞情况的原因大致有以下两方面：

（1）底部溜井在施工时将断面调小，加大了内聚力拱形成的几率，致使溜井堵塞；

（2）溜井生产管理水平较低，溜井内矿、废石储存水平应尽量长期控制在底部存矿段范围，即便超过该段范围也应将时间尽量缩短。