某矿山高溜井三维可视化模型的井壁破坏特征研究

刘 波 周德照 韩文文 王 瑞

(1.江西理工大学应用科学学院；2.温州东泰建设工程有限公司)

溜井是地下采矿用于存储、溜放矿石的主要通道，是矿石运输环节中的“咽喉”，在采场矿石运输中起着重要的作用[1]。溜井能否正常使用， 直接影响着采矿生产任务的完成。广东某铁矿因溜井跨通至副井导致矿山停产半年之久，新疆某铜矿因主溜井垮落导致矿山矿石运输效率下降30%，造成了严重的经济损失。为解决某铜矿溜井稳定性问题，提高溜井在其恶劣使用条件下的服务寿命，确保矿山生产的高效运营和顺利进行，通过对溜井进行三维激光探测，获得高溜井三维可视化模型[2-3]。根据溜井三维可视化模型，采用运动学理论分析矿石在溜井内部冲击及磨损，研究得到溜井损坏位置，并与实测溜井破坏断面图进行对比分析。在分析高溜井的主要破坏形式的基础上，提出了溜井治理措施。

1 高溜井三维模型的获取

1.1 溜井模型现场数据采集

该高溜井穿过的岩性主要为大理岩及透辉石矽卡岩，在使用过程中垮落比较严重，影响矿山的出矿效率。对高溜井的探测是采用三维激光扫描(CMS)，通过可 360°旋转探头发出的激光测距仪对高溜井破坏部位进行点云获取，得到溜井井壁三维点云模型，并对模型进行处理，可得到溜井井壁三维实体模型[4-5]。并根据测量人员对探头进行定位，可以得到高溜井准确位置。高溜井探测原理如图1，溜井定位坐标如表1。

图1 激光扫描原理

表1 高溜井三维定位

1.2 三维实体模型的建立

运用三维激光扫描仪(VS150)对高溜井破坏部位进行扫描，得到高溜井点云数据进行处理，把测得溜井坐标输入上去，得到溜井在空间位置，并导出".str"文件，对文件采用矿业软件SURPAC打开，并进行处理、建模，获取高溜井在三维空间上位置，如图2所示。根据溜井设计图纸，对溜井模型进行设计，再进行布尔运算，得到溜井垮塌部位模型[6-7]。

图2 溜井实测模型

2 溜井井壁破坏的诱因分析

2.1 井壁主要破坏因素确定

高溜井垮塌原因和影响因素有很多类，在不同工程地质条件，高溜井采用不同的工程施工，都会是分析高溜井垮塌的因素，对溜井垮塌的原因各有偏重[6]。如高溜井在施工过程中采用的施工方式、施工的支护方式、矿山地质工程、溜井在放矿过程中矿石的块度、矿石对溜井壁的冲击、摩擦等。绝大多数溜井垮塌是所有因素相互作用、共同影响的结果。溜井从掘进开始对溜井壁进行损坏，对溜井壁形成一定深度的松动圈，在对溜井进行支护保护，在溜井的放矿过程中，井壁受到岩石的冲击、摩擦，造成溜井破坏，从溜井开挖到坍塌，溜井破坏原因很多，但是对溜井进行现场调查研究发现，放矿过程中矿石对溜井壁长期、大量的冲刷与碰撞，矿石中重力势能逐渐增加，势能在碰撞到井壁时，传递到溜井井壁，造成溜井井壁破坏，是溜井破坏的主要原因[7]。

2.2 溜井冲击破坏诱因分析

通过对垮塌模型进行剖切，得到溜井垮塌结构图，如图3所示，从溜井结构中，分析溜井在放矿过程中，矿岩对井壁造成的破坏，因矿石的运动不同，溜井的破坏形式不同，但溜井主要破坏形式为矿岩对井壁的冲击、碰撞等。冲击损伤主要为矿岩在卸矿的过程中，岩石对溜井壁的撞击，井壁的损伤破坏程度取决于矿岩块冲击井壁时瞬时动能和冲击方向与溜井井壁法向夹角的大小，并且和溜井壁的岩石性质有关[8]。溜井中矿石从高处到低处所具有的重力势能是导致溜井壁破坏的根源，由于溜井在支护过程中，一般为喷射混凝土支护，井壁材料混凝土为塑性变形材料，在冲击过程中，井壁受到矿岩碰撞，矿岩内能量导致溜井壁破坏，溜井壁对矿岩具有反作用力，导致矿岩运动方向发生变化。溜井壁在受到矿岩碰撞时，能量相互传递，导致井壁发生破坏。并且矿岩在冲击过程中，一部分能量导致溜井塑性变形，造成溜井破坏，另一部分导致溜井壁弹性变形，造成矿岩运动方向发生变化，而塑性变形造成井壁的冲击破坏[9-10]。矿岩块冲击溜井井壁的动能来自卸载时运输设备所赋予的动能和所具备的重力势能2个方面。如图4所示，假设矿岩冲击井壁获得的瞬时动能为Ek，矿岩块冲击井壁后，被反弹回来，获得的动能为E′，岩块冲击瞬时岩石运动方向与井壁法向夹角为β，建立动能方程：

图3 实测溜井垮塌结构

图4 矿石冲击井壁力学分析

(1)

式中，Ed为矿岩在井壁法向上损失的动能，动能传递到井壁，引起井壁发生损伤破坏；Es为矿岩冲击时，沿井壁造成损失的能量，对井壁产生剪应力，加剧井壁损伤破坏。 整理(1)式，得到：

(2)

式中，Ed为矿岩在冲击井壁时，造成井壁法线向的损失，损失的能量引起井壁损伤破坏；Es为矿岩在冲击井壁时，造成井壁切向上能量损失，致使井壁有剪切力，剪切力加剧井壁破坏。

从(2)式可知，在图6受力分析中，Ed和Es的值与β角的大小有关，β的大小反应力井壁破坏方式。如表2所示。

表2 溜井壁破坏与β的关系

2.3 高溜井垮塌部位分析

根据矿山实测高溜井垮塌部位三维模型，对模型进行剖切，得到高溜井垮塌结构图；矿岩在高溜井下放过程中，对溜井井壁进行冲击、摩擦，根据溜井摩擦矿岩的运动轨迹和能量分析，可知溜井垮塌的形式主要和矿岩与井壁法向夹角的大小有关。根据高溜井的实测模型图分析，垂直溜井中矿岩块运动对溜矿段井壁造成的变形破坏包含了冲击破坏和剪切破坏2 种形式。主要和矿岩瞬时运动方向与井壁法向夹角有关，当夹角小于45°时，井壁破坏形式主要为冲击损伤破坏，当夹角大于45°时，井壁破坏形式主要为剪切破坏。结合溜井实测结构图3可知，高溜井在没破坏时，溜井下中段有一个斜溜槽，溜井内矿岩运动方向与井壁法向夹角小于45°，溜井主要为冲击破坏。破坏后，矿岩在溜井内运动方向与溜井壁法向夹角大于45°，溜井主要为矿岩剪切力，引起溜井损坏。

2.4 治理措施

高溜井损坏主要原原因是受矿石的冲击影响。可以采取以下的措施减少溜井的破坏：首先，降低矿石对溜井的冲击高度，减少矿石的落差高度，从而减少冲击或不冲击。如在生产过程中，增大溜井存矿高度，设置斜溜槽进行放矿等措施；第二，对溜井本身进行加固处理，锚杆支护或者钢板支护等；第三是溜井设计时即考虑将易破坏区域调整至溜井的范围之外，比如将溜井设计在围岩稳定性较好的区域；第四，在矿石落差较大的情况下， 可将溜井进行分段施工，尽可能的降低矿石落差。

3 结 论

(1)采用三维激光扫描仪对垮塌部位进行实测，得到溜井点云数据，并对点云数据进行SURPAC处理，得到溜井冲击垮塌的实体模型。

(2)对溜井实体模型与设计模型进行布尔运算，得到溜井垮塌三维模型，对垮塌模型进行剖切，得到溜井垮塌结构图。对垂直溜井结构图进行矿岩下落分析，分析溜井垮塌原因主要为矿岩对溜井壁的冲击，造成溜井垮塌。

(3)根据溜井结构图及矿岩冲击井壁分析，溜井井壁的破坏形式为冲击破坏和剪切破坏，主要原因是矿岩块冲击井壁，这2种破坏方式主要和矿岩运动方向和井壁法向夹角有关，夹角小于45°时，破坏形式以冲击损伤破坏为主；大于45°时，则以剪切破坏为主。破坏最严重的位置为下中段斜溜槽口，主要破坏原因为上中段矿岩的冲击。

(4)高溜井在没破坏之前主要为矿岩对斜溜槽的冲击破坏，在慢慢的破坏中，溜井破坏形式由冲击破坏转为剪切破坏。

(5)针对溜井的主要破坏方式，提出了溜井加固、满仓放矿、设置矿堆等措施。