主溜井中矿岩三维运动轨迹分析与验证_殷越.pdf

收稿日期2019-10-09 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51774176） 。 作者简介殷越 （1994） ， 男， 硕士研究生。通讯作者路增祥 （1965） ， 男， 执行院长， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 主溜井中矿岩三维运动轨迹分析与验证 殷越 1 路增祥 1， 2 董红卫 11 （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） 摘要溜井运输过程中， 矿 （废） 石与井壁的碰撞造成井壁破坏较为严重。确定矿 （废） 石与井壁碰撞前的运 动轨迹和碰撞位置， 对于保证溜井井壁稳定性具有重要意义。以某矿山主溜井溜矿段-40～-71 m为例， 建立了溜 井溜矿段相似试验平台。根据运动学理论， 结合相似试验结果， 得到矿 （废） 石与溜井井壁产生首次碰撞前的运动 轨迹和三维轨迹方程。研究表明 理论计算得到的矿石冲击位置略低于试验中矿石的冲击位置， 误差不超过 4.84， 理论计算及试验结果与矿山实际检测结果基本一致。分析结果可为确定溜井井壁的受冲击区域、 溜井系统 设计与优化、 溜井治理与修复、 溜井管理方案制定等提供依据。 关键词地下开采溜井井壁矿石运动冲击破坏轨迹方程初始碰撞位置 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-049-05 DOI10.19614/ki.jsks.201911008 Analysis and Verification of 3D Motion Track of Ore or Rock in Main Orepass Yin Yue1Lu Zengxiang1， 2Dong Hongwei12 （1. School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China； 2. Engineering Re- search Center of Green Mining of Metal Mineral Resources Liaoning Province， Anshan 114051， China） AbstractIn the process of ore or rock transported in the orepass， the damage of the orepass lining caused by the colli- sion between ore or waste rock and orepass wall is more serious.It is of great significance to determine the trajectory and posi- tion of the ore or waste rock before them collision with orepass wall to ensure the stability of the orepass wall.Taking the main orepass from -40 m to -71 m of a certain mine as an example，the similar test plat of the orepass section is established. According to the kinematics theory， combined with the similarity experiment，the three-dimensional trajectory equation of the ore or waste rock moving in the orepass before their first colliding with orepass wall.The study results show that the impact po- sition of the ore calculated by theory is slightly lower than that of the ore in the experiment， and the error is less than 4.84， the theoretical calculation and experimental results are in good agreement with the test results of the case mine.The study re- sults can provide the basis for determining the impact area of the orepass wall， the design and the optimization of the orepass system， the treatment and repair of shaft and the ulation of orepass management scheme. KeywordsUnderground mining， Orepass wall， Ore movement， Impact failure， Trajectory equation， Initial collision posi- tion Series No. 521 November2019 溜井是竖井箕斗提升矿山的重要开拓工程之 一 ［1-3］， 具有运输量大、 服务年限长的特点。国内外许 多矿山的溜井使用经验表明， 在矿山服务期内， 溜井 工程的顺畅使用是保障矿山生产顺利进行的关 键 ［3-5］。为提高溜井的稳定性， 延长溜井使用寿命， 大 量学者进行了卓有成效的研究 ［3］。但在矿山生产实 际中， 溜井的变形破坏问题依然严峻。溜井中的矿 岩运动并与井壁产生力的作用， 是导致溜井稳定性 问题产生的根源 ［4-5］。卸矿后， 矿岩进入主溜井， 并在 重力作用下向井底运动， 其运动轨迹可以简化为 “之” 字形， 矿岩块在经过2～3次与井壁相撞后坠入井 底。已有研究和实际生产实践表明， 矿岩块在下落 过程中与井壁的首次相撞， 对井壁冲击造成的破坏 最为严重 ［6-8］， 严重影响了溜井的稳定性［9-11］。研究溜 49 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 井中矿岩的运动轨迹， 对于有效确定溜井井壁的破 坏范围意义较大， 有助于确定合理的主溜井结构与 加固方案， 延长溜井服务年限。 由于矿岩在溜井中的运动状态难以量测， 针对 溜井井壁受到冲击破坏的问题， 主要是在二维条件 下研究井壁受冲击的位置、 范围以及变形破坏的特 征与机理， 常见方法包括理论计算 ［12-13］， 数值模 拟 ［14-17］， 相似试验［18-19］等。事实上， 矿岩在溜井溜矿 段的运动形式是三维运动， 矿岩块进入溜井时的初 始运动状态， 决定了它们在溜井中的运动具有空间 运动特征。因此， 对于矿岩块在溜井中运动规律的 研究， 在二维空间下获得的结论会存在一定的不足。 本研究以某矿山主溜井为例， 建立溜井相似模 型， 进行溜井放矿相似试验， 并通过矿岩块与溜井井 壁发生第1次碰撞前， 矿岩运动轨迹与卸矿角度及初 始方位角关系的研究， 求得矿岩块第1次与溜井井壁 碰撞前的运动轨迹方程， 并将理论分析、 相似试验结 果与矿山现场井壁破损检测结果进行对比分析， 为 研究第1次碰撞后的矿岩运动规律提供思路， 也为溜 井系统设计与优化、 溜井治理与修复和溜井管理方 案制定提供参考。 1工程背景 某铁矿主溜井为直溜井， 主要穿过角闪磁铁石 英岩和斜长角闪岩层， 井筒围岩整体比较稳定， 节理 不甚发育， 工程地质条件简单。溜矿段井筒标高- 40～-71 m， 直径 5 m， 卸矿口长 6.9 m， 由 14 t电机车 牵引 6 m底侧卸式矿车卸矿。由于重力势能的存 在， 卸矿过程中矿石从斜溜槽进入溜矿段时具有一 定的初速度， 导致井壁不断受到冲击， 受损严重。卸 矿过程如图1所示。该矿主溜井溜矿段的结构参数 见表1。 2矿石运动理论分析 为便于对溜井运动轨迹进行分析计算， 本研究 建模时进行的假设有 ①矿岩块在运动与碰撞过程 中不发生质量变化； ②不考虑矿岩块间的相互碰撞 与影响； ③矿石与矿车的摩擦系数为一个常数， 矿石 进入卸载溜槽时具有一定的初速度v； ④矿块离开底 侧卸式矿车进入斜溜槽的速度为一常数。 2. 1矿石在斜溜槽运动的理论分析 矿石在经过底侧卸式矿车倾倒物料由A点进入 斜溜槽后， 其速度方向在斜溜槽角度的影响下会发 生改变， 根据矿石在斜溜槽中的运动状态建立空间 直角坐标系， 则运动模型可以简化为如图 2 （a） 所 示。 当矿石到达O点时， 速度VO为 VOgH 1 - μ 1 sinα v2，（1） 式中，g为重力加速度， 取9.8 m/s2；H为斜溜槽高度， m；μ为矿岩块与斜溜槽的摩擦系数；α为斜溜槽角 度，（） ；v为矿块离开矿车时的速度， m/s。根据假设 ③和假设④，μ和v为常数。 2. 2矿石在溜矿段运动的理论分析 将空间直角坐标系转化为球极坐标系， 矿石在 溜井中的运动轨迹可以视为三维状态下的下斜抛运 动， 包含俯角和初始方向角两个角度。当矿石离开 溜槽的一瞬间， 其俯角可以视为溜槽的角度， 但由于 溜槽有一定的宽度， 物料在进入溜槽后其方向角β 会发生改变， 如图 2 （b） 所示，β取值范围为-90～ 90。矿石在 X轴、Y轴和Z轴的位移速度关系可 表示为 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ dx dt VOcosαcosβ dy dt VOcosαsinβ dz dt VOsinα - gt .（2） 矿石在溜井中的运动可视为平抛运动， 以O点为 坐标原点建立极坐标系， 不同时刻矿石在井筒内的 坐标为 50 ChaoXing 2019年第11期殷越等 主溜井中矿岩三维运动轨迹分析与验证 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ r VOtcosα 2 -VOtsinα - 1 2 gt2 2 α arccos -2VOtsinα - gt2 2VOtcosα 2 -VOtsinα - 1 2 gt2 2 β arctan y x ， （3） 式中，t为矿石通过溜井的时间， s；||xt≤D,||yt≤ D 2,z t≤h, D为溜井直径， m； h为溜井高度， m。通过上式可以得 出不同时间矿石在溜井中的坐标。 当俯角α与方位角β已知时， 矿石与井壁的第1 次碰撞时间t1为 t1 Dcosβcosβ VOcosαcosβ .（4） 一般来说， 矿块位移在XOY平面上的投影不大 于溜井直径， 即rsinαcos β ≤ D。根据表1中的参数， 并结合式 （1） 、 式 （2） 以及现场测量结果， 摩擦系数μ 取0.5， 则矿石在离开O点时的速度VO7.67 m/s。 碰撞点A位置如图3所示， 图中OA为矿石运动 轨迹在XOY平面上的投影。 图4为不同方位角情况下， 矿石在第1次碰撞前 的运动轨迹对比图。通过运动轨迹可以发现， 方位 角越大， 对井壁的冲击位置距离井口越近， 在实际生 产中会在井口下方形成冲击带。 3室内试验与分析 根据矿山溜井实际结构参数， 构建了溜矿段相 似试验平台。试验平台由物料提升装置、 斜溜槽、 溜 井井筒等组成。其中斜溜槽由钢板制作， 通过调整 其与水平方向夹角， 可在一定范围内实现矿岩块初 始运动速度大小和方向控制； 溜井井筒采用透明亚 克力管制作， 以便观测矿岩块在溜井中的运动状态。 模型具体参数见表2。 模型坐标原点位于斜溜槽卸矿口与主溜井相连 处，VO为矿石刚从斜溜槽进入溜井时的初始速度， 根 据速度相似比VO2.43 m/s；t表示整个卸矿过程所用 的时间， 可以通过测量得出；α0为俯角， 即矿石刚进 入溜井的速度初始方向。模拟溜井放矿时， 在井筒 周围垂直布置摄影装置， 从不同角度对矿岩块在井 筒中的运动过程进行实时拍摄， 实测的矿石运动轨 迹见图4。图5 （a） 为从XZ方向观测的运动轨迹， 图5 （b） 为从YZ方向观测的运动轨迹。通过还原运动轨 迹曲线与理论计算的坐标误差较小， 将拍摄后的运 动轨迹视频利用动图制作软件 （Img Play Pro） 制作为 动图， 便于分析矿块运动轨迹。通过计算得到的矿 石运动轨迹曲线方程为 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ r t5.88 8.42t 24.01t2 α 45 β arctan y x .（5） 在进行多组试验后发现， 30方位角下经过测量 矿石约0.25 s冲击井壁， 理论计算得出的碰撞点在井 51 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ 口下方0.81 m处， 实测冲击点位置在井口下方0.76 m 处， 误差不超过整体溜井模型的4.84， 理论计算的 冲击点位置比实测的冲击点位置略高 （图6） 。产生 误差的原因主要是试验中操作误差以及由于模型高 度带来的空气阻力。按照相似比还原到现场矿山中 时， 撞击点位置为7.60 m。在矿山现场实测到的井口 下方4～9 m区段为首次冲击破坏位置， 可见， 本研究 试验结果与现场实测数据较接近。 4结论 （1） 以某矿山主溜井为例， 构建了溜井溜矿段放 矿试验平台和矿石运动分析模型， 获得了现场难以 实时观测的矿石初始运动轨迹， 得到了矿岩块与井 壁产生第1次碰撞前的运动轨迹方程。 （2） 矿岩对井壁的冲击位置不仅与其进入溜井 时的速度有关， 还与其进入溜井时的方向密切相关， 这一方向表现为矿岩块的运动方向与水平面的夹角 以及与垂直面的夹角。即 矿岩块的运动速度与方 向共同决定了矿岩块在溜中的运动轨迹和井壁的受 冲击位置。 （3） 试验得到的矿石冲击位置还原到原型时的 冲击位置距井口7.60 m， 试验数据与现场实测结果相 近， 试验冲击位置略高于理论计算得出的冲击位置， 主要原因是试验过程中未考虑到空气阻力等影响因 素， 但总体上试验得到的冲击位置符合实际情况。 参 考 文 献 Stacey T R， Wesseloo J， Bell G.Predicting the stability of rockpass- es from the geological structure ［J］ .The Journal of the South Afri- can Institute of Mining and Metallurgy， 2005， 105 （12） 803-808. 路增祥.金属矿山溜井系统的设计与优化 ［J］ .中国矿业， 2016， 25 （1） 164-168. Lu Zengxiang.Design and optimization of orepass system in metal mines ［J］ .China Mining Magazine， 2016， 25（1） 164-168. 路增祥， 马驰， 曹朋， 等.金属矿山溜井问题研究现状及方 向 ［J］ .金属矿山， 2019 （3） 1-9. Lu Zengxiang， Meng Fanming， Xu Junjie， et al.Study status and di- rection of orepass existing problems in metal mine ［J］ .Metal Mine， 2019 （3） 1-9. Hart R.Case study of the rockpass system at Kloof No. 3 Shaft ［J］ . Journal of the South African Institute of Mining Metallurgy， 2006， 106 （1） 1-4. Brenchley P R， Spies J D.Optimizing the life of ore passes in a deep-level gold mine［J］ .Journal of the South African Institute of Mining Metallurgy， 2006， 106 （1） 11-16. 赵昀， 叶海旺， 雷涛.基于冲蚀磨损理论的溜井井壁破损特 性理论研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2017， 36 （S2） 4002- 4007. Zhao Yun， Ye Haiwang， Lei Tao， et al.Theoretical study of damage characteristics on ore pass wall based on the erosion-wearing theory ［J］ .Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2017， 36 （S2） 4002-4007. 赵昀， 叶海旺， 雷涛.某露天矿平硐溜井井壁初始碰撞位置 理论计算 ［J］ .金属矿山， 2017 （5） 19-23. Zhao Yun， Ye Haiwang， Lei Tao， et al.Theoretical calculation of ini- tial collision position on shaft wall of an adit in open-pit mine［J］ . Metal Mine， 2017 （5） 19-23. 秦宏楠， 李长洪， 马海涛， 等.基于颗粒流的溜井冲击破坏规律 研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2015， 11 （4） 20-26. Qin Hongnan， Li Changhong， Ma Haitao， et al.Study on impact dam- age laws of ore pass based on particle flow ［J］ .Journal of Safety Sci- ence and Technology， 2015， 11 （4） 20-26. 张敦祥.地下矿山溜井磨损、 破坏及堵塞、 跑矿事故的分析与对 策 ［J］ .冶金安全， 1983 （1） 24-30. Zhang Dunxiang.Analysis and countermeasures of abrasion， dam- age and blockage of ore pass in underground mine ［J］ .Metallurgical Safety， 1983 （1） 24-30. 高永涛， 王金安， 宋卫东， 等.一种治理主溜井特大塌方的新方 法托斗法 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2002， 21 （4） 540-545. Gao Yongtao， Wang Jinan， Song Weidong， et al.A new technique supporting funnel used in recovering and controlling of large-scale collapsed main transportation shaft ［J］ .Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2002， 21 （4） 540-545. 曹涧泉， 王万松.罗河铁矿主溜井堵塞原因分析及处理措施 ［J］ . 现代矿业， 2013 （6） 136-138. Cao Jianquan， Wang Wansong.Blockage cause analysis and treat- ment measures of the main shaft of Luohe Iron Mine［J］ .Modern Mining， 2013 （6） 136-138. Maree J A.Orepass best practices at south deep［J］ .The Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy， 2011， 111 （4） 257-272. 路增祥， 马驰， 殷越.冲击磨损作用下的溜井井壁变形破坏 机理 ［J］ .金属矿山， 2018 （11） 37-40. Lu Zengxiang， Ma Chi， Yin Yue.Mechanism of deation and fail- ure on orepass wall under impact and wear［J］ .Metal Mine， 2018 （11） 37-40. Lessard J F， Hadjigeorgiou J.Numerical investigations of ore pass 金属矿山2019年第11期总第521期 52 ChaoXing 2019年第11期殷越等 主溜井中矿岩三维运动轨迹分析与验证 hang-up phenomena ［J］ .International Journal of Rock Mechanics Mining Sciences， 2007， 44 （6） 820-834. 叶海旺， 赵昀， 欧阳枧， 等.平硐溜井系统矿石运动状态及井 壁破坏数值模拟 ［J］ .金属矿山， 2017 （11） 18-22. Ye Haiwang， Zhao Yun， Ouyang Jian， et al.Numerical simulation on the motion of ore and the damage of shaft wall in chute system of an adit［J］ .Metal Mine， 2017 （11） 18-22. 罗周全， 陈杰， 谢承煜， 等.主溜井冲击损伤机制分析及实测 验证 ［J］ .岩土力学， 2015， 36 （6） 1744-1751. Luo Zhouquan， Chen Jie， Xie Chengyu， et al.Mechanism of impact- induced damage of main chute and its experimental validation［J］ . Rock and Soil Mechanics， 2015， 36 （6） 1744-1751. Brenchley P R， Spies J D.Optimizing the life of ore passes in a deep-level gold mine［J］ .Journal of the South African Institute of Mining Metallurgy， 2006， 106 （1） 11-16. 刘艳章， 张丙涛， 叶义成， 等.主溜井矿石运移及井壁破坏特征 的相似试验研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2018， 35 （3） 545- 552. Liu Yanzhang， Zhang Bingtao， Ye Yicheng， et al.Similarity testing study on characteristics of ore motion and wall damage in mine shaft［J］ .Journal of Mining Safety Engineering， 2018， 35（3） 545-552. 宋卫东， 王洪永， 王欣， 等.采区溜井卸矿冲击载荷作用的理 论分析与验证 ［J］ .岩土力学， 2011， 32 （2） 326-332. Song Weidong， Wang Hongyong， Wang Xin， et al.Theoretical analy- sis and test of impact load due to ore dumping in chute［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2011， 32 （2） 326-332. （责任编辑王小兵） ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ 53 ChaoXing