大尹格庄金矿采场溜井破坏原因分析及修复研究

2019-07-11李江

采矿技术 2019年2期

李江

李江

(招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿，山东招远市 265414)

针对大尹格庄金矿采场溜井的垮塌破坏情况，进行了调查分析；根据巷道及溜井位置建立计算模型，对采场溜井破坏情况进行数值分析，分析溜井围岩的最大位移、塑性区、应力特征和破坏程度，研究了大尹格庄金矿6901采场溜井的破坏机理。总结出围岩稳定性、冲击摩擦和爆破震动是造成溜井破坏的主要原因。根据现场具体情况和数值模拟结果，确定溜井改造修复方案，采取了对垮塌井筒封闭处理，施工一斜溜道与原先溜井贯通，同时对斜溜道井壁进行混凝土和锰钢板支护加固。5年多的使用实践证明，工程应用效果良好。

采场溜井；溜井垮塌；数值模拟；溜井改造

0 概述

招金矿业股份有限大尹格金矿是国家“七五”期间建设的5座大型黄金矿山之一，是典型的“深、大、贫、难”型矿床，具有矿体埋藏深、矿石储量大、含金品位低和矿体形态变化复杂难采的综合特点。

大尹格庄金矿−290 m水平的6901溜矿井，是该矿一个重要的采场溜井。此溜矿井主溜井长为219 m，支溜井长度为42 m，总长度261 m，13个开口，服务4个中段，7个工作采场，日均出矿量1000~1500 t。经过近10年大流量、高负荷的卸矿冲击，溜井放矿口上方井壁产生严重磨损，并发生破坏垮塌，严重制约−290 m水平上部采场的生产。因此，调查分析6901采场溜井的围岩稳定性、使用现状及破坏原因，研究该溜井的优化改造方案及溜井加强支护措施，对保证上部采场的正常生产经营具有十分重要的意义。

1 溜井垮塌原因分析

针对6901溜井的破坏原因，对溜井的围岩稳定性和使用现状进行了调查分析，该溜井破坏主要原因概括有以下几点：

(1) 围岩稳固性较差。围岩稳固性是影响溜井稳定的主要因素和造成溜井垮塌的内在原因，完整而强度高的围岩对溜井的使用寿命有很重大影响[1−4]。6901溜井围岩属于构造蚀变岩稳固带，完整性较好，岩体质量中等。但由于−290 m水平井筒位置节理裂隙较发育，同时溜井与−290 m水平运输巷道相交叉，导致应力集中，围岩松动圈也会相互交叉，造成井壁承载能力降低，使得整体岩体处于不稳定状态。

(2) 冲击摩擦。文献[5−6]分析研究了卸载矿石产生的冲击力和摩擦力对溜井破坏的影响，认为冲击摩擦对溜井的稳定性具有很大的影响。现场调查发现，6901溜井当初设计未进行支护，并且放矿口处的矿石冲击作用点没有重点支护。当卸载矿石产生的冲击力和摩擦力作用于稳定性较差的井壁时，造成溜井扩大，当扩大到一定程度时，溜井井壁失稳，出现片帮垮塌现象。

(3) 爆破震动。由于上部采场矿石块度大，二次爆破大块不积极，且溜井格栅利用不当，使得大块度矿石铲运至6901溜井中，造成−290 m水平溜井漏斗口处经常堵塞，平均每天6~7次用炸药处理溜井堵塞，因此溜井放矿口处遭到爆破作用的强烈冲击，使溜井在漏斗口处塌方严重(见图1)。

图1 6901溜井破坏现场

2 数值模拟结果及分析

针对6901溜井的破坏进行了数值模拟分析，建立简化模型，采用弹塑性本构关系，屈服准则为Mohr-Coulomb准则，现场调查的岩体力学参数如表1。不考虑矿石磨损冲击与爆破震动对溜井的影响，分析在静力条件下溜井围岩的应力状态、位移变形和围岩破坏程度。

表1 计算模型岩体力学参数

(1) 围岩变形分析。由图2可知，6901溜井井壁围岩变形不明显，围岩处于稳定状态，而在溜井放矿漏斗口上方围岩变形较大，最大位移为1.40 mm。由此可见，随着溜井的长时间使用，产生冲击摩擦和爆破震动，会使此处围岩的变形逐渐增大，易发生冒落。

(2) 围岩破坏程度分析。由图3可发现巷道和井筒帮壁塑性破坏明显，尤其漏斗上方井筒15 m内围岩破坏贯通。运用文献[7]定义的破坏接近度对6901溜井围岩进行评价，基本为开挖扰动区，底板及拱肩围岩局部处于开挖损伤区，总体围岩稳定性良好；而溜井放矿口上方10 m范围内的井壁围岩则为开挖损伤区及破坏区，围岩破坏程度由内向外逐渐减弱。

图2 6901溜井的围岩变形云图

图3 6901溜井的围岩稳定性云图

(3) 围岩应力分析。由图4和图5可知，施工溜井后，应力将重新分布，溜井井壁整体上未出现应力集中区域，仅巷道底角处局部出现应力集中，约2.3 MPa。图4表明，溜井井壁围岩易产生拉应力，因承受较大拉应力易导致片帮破坏，需要对漏斗上方井壁围岩进行加固支护。

图4 6901溜井的围岩最小主应力云图

图5 6901溜井的围岩最大主应力云图

通过数值模拟结果，6901溜井漏斗上方围岩稳定性较差，这与现场调查结果相吻合。调查发现：溜井漏斗上方15 m范围内的井壁是卸载矿石冲击摩擦最频繁的位置，加之此段溜井经常因处理溜井堵塞而产生强烈爆破震动，进一步加大井壁围岩损伤区域。当卸载矿石产生的冲击力和摩擦力作用于围岩破坏接近度FAI＞1的井壁时，使得未有保护措施的溜井井壁丧失稳定，出现片帮垮塌。

3 溜井改造措施

3.1 溜井改造方案

为了采场的出矿要求，需要对6901溜井进行修复，经初步计算如果重新施工一个采场集中溜井，需要施工30 m平巷，上返220 m天井，工期需要55 d左右，工程费用大约为25.4万元，严重影响正常生产。因此，需要对原有溜井进行重新优化支护改造并加固支护，以便快速解决上部采场出矿问题。经现场分析调查研究，初步确定两种溜井修复方案：

方案一，不施工其它工程，直接对原先损坏的井壁进行修复改造。

方案二，在溜井漏斗周围重新施工一条斜溜道，与原先溜矿井贯通，对破损区域进行灌浆封闭。

因原先溜井已使用年限较长，溜井底部经矿石冲击后，井壁空间较大且松动破碎，若对原先井壁直接加固修复，需要对垮塌空间及破碎围岩注浆加固，所需充填料较多；并且由于浇灌井壁与围岩硬度不均匀，当井壁受到矿石的冲击时，更容易发生破坏，修复后的使用寿命难以保证。综合以上分析，选用方案二(见图6)。

图6 6901溜井改造方案

3.2 溜井的修复工艺及效果

为了保证溜井修复期间的作业安全，首先将上部的卸矿口进行临时封闭。使用工字钢、锚杆、木材等对原先漏斗口位置进行永久封闭，然后将破损空间使用废石充填。在距原漏斗口附近施工一个斜溜道与原溜井贯通，要求斜溜道开口位置围岩稳固，节理裂隙不发育。由图3知，溜井围岩松动圈约0.8 m，避免斜溜道开口与原先漏斗口产生交叉松动圈，因此与原先漏斗口间隔5 m的位置施工倾角55°的17 m斜溜道。

与溜井贯通后，对斜溜道进行加强支护，选择抗冲击和耐磨性能好的支护材料。工程实践表明锰钢板与混凝土作为加固体支护井壁，具有较高的抗冲击性和抗磨擦性，能直接承受矿块的冲击与磨擦[8]。因此，利用锰钢板与混凝土加固斜溜道井壁，并且在贯通处设置缓冲层，减弱卸载矿石冲击封闭区域的影响，而后重新架设放矿漏斗。

改造后的矿石溜井经过30个月的使用，运行状况良好，使得上部4个中段的矿石溜放运输顺利进行，是一次成功的溜井修复工程。