金属矿山溜井内的矿岩运动及其危害与对策研究

本书以金属矿山溜井内的矿岩散体特征、运动规律及其对溜井井壁的冲击磨损为主线，全面分析和论述金属矿山溜井工程应用中，溜井堵塞与井筒变形破坏两大问题产生的原因与机理，以及预防和解决问题的方法与思路。本书内容涵盖溜井运输物料的特性、溜井溜矿段中的矿岩运动特征与规律、矿岩运动对井壁的冲击破坏作用机理、溜井储矿段内矿岩散体的移动规律、散体移动对井壁产生的磨损机理、溜井堵塞现象产生的机理及其预防、溜井井壁的加固与修复等，以期为溜井堵塞与井筒变形破坏的预防与处置提供相应的理论依据与技术支撑。 本书可供相关矿山企业、设计单位和科研单位的工程技术人员阅读与参考，也可作为高等院校教师、采矿工程专业高年级本科生与研究生的教学参考用书。

第1章 金属矿山溜井系统及其应用存在的问题11.1 研究的目的与意义11.2 金属矿山溜井系统及其应用31.2.1 溜井工程及其应用特点31.2.2 溜井系统应用存在的问题51.3 国内外溜井问题的研究现状61.3.1 溜井堵塞问题研究现状61.3.2 井内矿岩散体的流动特性研究现状91.3.3 溜井井壁变形破坏问题研究现状111.3.4 溜井井筒的变形破坏特征与诱因141.3.5 溜井井壁的侧压力问题181.3.6 溜井井筒的变形破坏测量201.3.7 溜井工程的设计施工与加固修复211.4 本书的主要研究内容23第2章 溜井运输矿岩的松散特性与接触方式262.1 矿岩的松散特性及其变化262.2 矿岩散体的松散特性及其表征282.2.1 矿岩散体的松散特性282.2.2 矿岩散体空隙率表征的分维方法322.3 井内矿岩散体的接触特征及其变化342.3.1 井内矿岩散体的松散性变化特征352.3.2 矿岩散体及其与井壁的接触特征362.3.3 矿岩接触方式的变化特征与机理382.4 接触方式对矿岩松散特性与井壁侧压力的影响392.4.1 接触方式对矿岩松散特性的影响392.4.2 接触方式对井壁侧压力的影响40本章小结41第3章 溜井溜矿段内矿岩散体的运动及其规律423.1 倾斜主溜井内的矿岩运动及其规律423.1.1 倾斜主溜井内的矿岩运动特征433.1.2 倾斜溜井内矿岩运动的理论分析463.1.3 倾斜溜井内影响矿岩速度的因素分析483.1.4 矿岩块首次冲击倾斜主溜井底板的位置503.2 倾斜主溜井内矿岩运动规律实验研究523.2.1 倾斜主溜井内矿岩块运动的数值模拟分析523.2.2 倾斜主溜井内矿岩运动的物理实验543.2.3 主溜井倾角对矿岩运动影响的实验研究553.3 垂直主溜井内的矿岩运动及其规律583.3.1 垂直主溜井内矿岩运动的特征与规律583.3.2 矿岩块与井壁发生碰撞的条件与位置603.3.3 矿岩初始运动对其冲击井壁规律的影响613.4 垂直主溜井内矿岩块的空间运动特征与规律623.4.1 矿岩块在溜井内的三维运动规律633.4.2 矿岩运动的物理实验653.4.3 溜矿段的矿岩块运动规律68本章小结73第4章 卸矿冲击对井内矿岩散体特性的影响754.1 卸矿冲击的作用特征与影响754.2 溜井上部卸矿对井内矿岩散体的冲击夯实作用774.2.1 卸矿冲击作用过程774.2.2 冲击夯实效果的表征814.2.3 冲击夯实作用机理834.3 卸矿高度对井内矿岩散体的冲击影响854.3.1 卸矿冲击实验与实验方法854.3.2 卸矿高度与矿岩粒径对空隙率的影响864.3.3 卸矿高度对井内矿岩散体空隙率的冲击影响规律及其机理904.4 不同卸矿高度冲击下矿岩散体的响应特征934.4.1 溜井上部卸矿冲击过程的离散元分析模型934.4.2 矿岩散体的空隙率响应特征944.4.3 井内矿岩散体的缓冲特性974.5 矿岩下落速度对井内矿岩散体特性的影响1014.5.1 矿岩散体冲击夯实过程数值实验设计1014.5.2 落矿冲击速度对井内矿岩散体空隙率的影响1024.5.3 冲击过程中井内矿岩散体的力链演化特征103本章小结106第5章 卸矿冲击对溜矿段井壁损伤的特征与机理1095.1 矿岩冲击井壁的力学分析1095.1.1 矿岩块冲击井壁的力学作用过程1095.1.2 矿岩冲击井壁过程的能量转换与耗散规律1115.1.3 矿岩运动对溜矿段井壁的破坏机理1145.2 冲击切削作用下溜矿段井壁变形破坏的特征与机理1165.2.1 溜矿段井壁的变形破坏特征1165.2.2 冲击切削作用下溜矿段井筒的井壁损失体积1185.3 卸矿冲击下的井壁侧应力变化及其特征1215.3.1 卸矿冲击过程的离散元模型1225.3.2 卸矿高度对井壁侧应力分布的影响1235.3.3 卸矿高度对井壁冲击效果的影响1245.3.4 井内矿岩散体内部的力链变化特征1255.3.5 矿岩下落速度对井壁侧压力的影响1275.3.6 卸矿冲击对井壁侧压力的影响机理1295.4 弱化卸矿冲击作用的方法1305.4.1 弱化卸矿冲击作用效果的理论与方法1305.4.2 弱化卸矿冲击作用的生产实践1315.4.3 合理利用井内矿岩散体的缓冲性能1325.4.4 溜井系统设计与优化案例133本章小结136第6章 斜冲击下材料的损伤特征与机理1386.1 材料的冲击实验特征1386.2 斜冲击的实验方法及其力学机制1396.2.1 实验原理与方法1396.2.2 试件制备1406.2.3 材料斜冲击的力学机制1416.3 斜冲击下材料内部孔隙变化特征1426.3.1 材料内部孔隙变化特征的表征1426.3.2 斜冲击下试件的孔隙率变化特征1426.3.3 试件孔隙分布特征的核磁共振T2谱图分析1456.3.4 孔隙分布特征的核磁共振成像分析1506.4 试件材料的裂纹扩展规律1546.4.1 单次冲击下试件裂纹扩展特征1546.4.2 循环冲击下试件裂纹扩展特征1546.5 斜冲击下试件的应变演化特征1566.5.1 试件应变特征的数值模拟1566.5.2 落锤冲击下材料的应变演化特征1586.6 斜冲击下的能量耗散特征与损伤机理1596.6.1 斜冲击下材料的能量耗散特征1596.6.2 斜冲击下的材料损伤特征1606.6.3 斜冲击下井壁材料的损伤机理160本章小结161第7章 重力压实对井内矿岩散体及井壁侧压力的影响1637.1 井内矿岩散体的重力压实特性1637.1.1 井内矿岩散体的重力压实作用1637.1.2 井内矿岩散体空隙率的实验测定1647.1.3 井内矿岩散体内部空隙率的理论计算1667.1.4 空隙率理论计算与实验结果误差分析1677.1.5 空隙率随储矿高度变化的特征及其机理1697.2 重力压实下的溜井井壁侧应力1717.2.1 井壁侧应力分布理论分析1717.2.2 重力压实下井壁侧压力的变化特征与机理1757.2.3 井壁侧应力变化特征及其影响因素1797.3 重力压实作用的时间影响特征1827.3.1 矿岩滞留时间的影响实验1837.3.2 滞留时间对井壁侧压力分布规律的影响1847.3.3 滞留时间对矿岩散体流动性的影响1867.4 降低重力压实作用的理论方法与技术措施1877.4.1 减小矿岩散体重力压实作用的措施1877.4.2 降低井壁侧压力的措施188本章小结189第8章 溜井储矿段内矿岩散体的移动特征及其影响1928.1 井内矿岩散体的流动特性及其影响因素1928.1.1 矿岩散体流动性对溜井放矿的影响1928.1.2 影响矿岩散体流动性的因素1938.2 溜井储矿段矿岩散体移动特征及其测定方法1968.2.1 矿岩散体的移动特征1978.2.2 矿岩散体移动特征的数值模拟方法1988.2.3 移动特征的物理实验及观测方法1998.3 溜井储矿段内矿岩散体的移动及其规律2018.3.1 溜井储矿段放矿的离散元模型2018.3.2 储矿段放矿过程的速度变化特征2018.3.3 矿岩块移动速度的时均化分析2038.4 井壁摩擦对矿岩移动规律的影响2068.4.1 矿岩移动变化特征2068.4.2 矿岩散体速度场变化特征2088.4.3 影响矿岩散体移动规律的力学机制209本章小结211第9章 溜井储矿段内矿岩移动规律及其预测2139.1 储矿段放矿实验模型2139.2 矿岩块的细观移动特征2149.2.1 矿岩块的移动轨迹2149.2.2 矿岩块的位移变化特征2159.2.3 矿岩块移动瞬时速度变化特征2179.3 储矿段内矿岩散体的宏观移动特征2209.3.1 矿岩散体的整体移动过程2209.3.2 矿岩块的位移状态分布特征2229.3.3 矿岩块移动的速度分布特征2239.4 储矿段内的矿岩散体移动规律2249.4.1 矿岩散体移动的细观移动规律2249.4.2 矿岩散体移动的宏观移动规律2259.5 储矿段矿岩散体移动规律预测2269.5.1 储矿段内矿岩散体移动规律预测的理论基础2279.5.2 井壁无摩擦条件下矿岩散体移动规律预测2319.5.3 井壁有摩擦条件下的矿岩散体移动规律预测2379.5.4 矿岩移动规律预测模型可靠性分析243本章小结246第10章 溜井储矿段井壁的磨损机理24810.1 溜井储矿段的力学分析24810.2 储矿段井壁的动态力学分析24910.2.1 矿岩块的极限平衡分析24910.2.2 矿岩块对井壁的动力学分析25010.3 储矿段井壁静态侧压力的分布特征25110.3.1 井壁侧压力分布特征的实验研究25210.3.2 卸矿冲击对井壁侧压力的影响特征25610.3.3 卸矿冲击对井壁侧压力分布与磨损的影响机理26110.4 储矿段井壁动态侧压力的分布特征26310.4.1 溜井底部放矿的模型构建26410.4.2 底部放矿时矿岩散体的宏观流动特征26610.4.3 矿岩散体宏观流动特征的演化机理26810.4.4 井内矿岩散体细观力学变化特征27210.4.5 井壁侧应力的变化特征与机理27910.5 储矿段井壁的磨损机理28510.5.1 井壁切削磨损的力学分析28610.5.2 储矿段井壁的磨损机理289本章小结290第11章 溜井堵塞产生的机理及其预防29111.1 溜井井筒堵塞的危害29111.2 溜井堵塞现象及其产生的力学机制29211.2.1 咬合拱的形成29211.2.2 黏结拱的形成29311.2.3 管状流动约束现象的形成29611.3 溜井堵塞的预防策略29811.3.1 GA-BP神经网络的溜井堵塞率预测方法29811.3.2 预防溜井堵塞的设计理念30411.3.3 预防堵塞的溜井使用管理思路30811.4 溜井疏通方法311本章小结314第12章 溜井井筒变形破坏的预防机制31612.1 溜井井筒变形破坏的机理31612.2 溜井井筒变形破坏问题防范思路31712.2.1 预防井筒变形破坏的溜井结构设计理念31712.2.2 井筒变形破坏的设计与施工预防思路32012.2.3 溜井使用与管理中预防变形破坏思路32312.3 溜井井壁加固与修复32412.4 基于储量分布特征的溜井系统设计思路33212.4.1 矿山工程地质与资源概况33212.4.2 地下开采工程设计及分析33312.4.3 溜井运输系统的优化335本章小结337参考文献338