溜井是矿床开拓常用的方式。随着高山和深地资源开采力度的不断加大，高深溜井因具有开拓方式简单、运输便捷和运营成本低等优势被广泛应用。与此同时，溜井使用过程中存在的堵塞和井壁磨损破坏等问题得到越来越多学者的关注。多年来，研究人员针对溜井堵塞和井壁磨损破坏等问题开展了大量研究。郭宝昆等（1985）和贵州开阳磷矿矿务局等（1983）通过考察总结矿石在溜井中的流动规律，对溜井下部结构设计提出要求。古德生等（1990）研究了矿石在溜井下部结构中的成拱原因及振动出矿的破拱机理，促进了以振动出矿为主要内容的出矿自动化和连续化。胡黄龙（1999）认为溜井贮矿高度对于形成稳定平衡拱从而造成溜井堵塞具有重要的影响，贮矿高度控制在适当范围内可避免溜井堵塞现象的出现。一些学者研究了溜井悬拱现象产生的机理，分析了不同贮矿高度、不同含水率和粉矿含量对溜井矿石流动的影响，认为矿岩颗粒间的内摩擦力和细颗粒黏结阻力的大小是溜井产生悬拱的根本原因（Vo et al.，2016；刘艳章等，2017，2018a，2018b；路增祥等，2017，2019a；曹朋等，2020）。宋卫东等（2011）对矿石在溜井溜矿段的运动过程进行理论推导得出其运动规律，为溜井稳定性分析提供理论依据。另外，关于溜井卸矿过程中溜矿段矿石流动规律及冲击磨损作用下的溜井井壁变形破坏机理和溜井受冲击损伤程度的深入研究，为溜井井壁加固设计提供了科学依据（罗周全等，2015；刘艳章等，2018a；路增祥等，2018，2019b；马驰等，2021）。也有学者通过建立生产矿山溜井矿石流动观测系统，或采用实验模型开展相似试验和数值模拟，对溜井内矿石混合特性、粒度分布特征和矿石流动规律等进行了探索研究（茂木源人等，1989；茂田井等，1990；张春阳，2019；李伟，2019）。上述研究成果应用于设计并指导生产实践，促进了我国矿业的发展。

尽管国内外学者对溜井在生产过程中存在的问题、产生原因及处理对策进行了大量研究，但也存在一定的局限性。主要有以下5个方面：基于短溜井的研究较多，而对高深溜井（暂且定义井筒深度大于200 m）的研究较少；关于溜矿段冲击磨损和下部结构堵塞的研究较多，关于井筒贮矿段堵塞和井壁片帮研究较少；基于实验室试验和数值模拟试验研究较多，结合矿山实践的研究较少；关于多个因素（包括含水率、粉矿含量和贮矿高度等）对矿石流动性的影响研究较多，针对矿石整体移动规律进行的系统研究较少；溜井内矿石散体的流动涉及固、气、液三相力学作用，对溜井中矿石流动规律的研究目前仍停留在固相和固液相。

鉴于此，本文以单段垂直高深溜井作为研究对象，采用“实践认识+理论分析”的研究方式，基于作者30余年实践经验总结出的矿石在高深溜井中的流动规律，运用孙其诚等（2008a，2008b，2009）开展的散体及颗粒介质力学行为研究中，有关力链与搭拱效应理论的前沿成果，探索性地解释溜井内矿石散体的搭拱机理。同时，通过分析井筒内气固两相流，研究高深溜井矿石流动规律；分析高深溜井矿石阶段性流动特性产生的原因，及其与溜井滞流、堵塞、磨损和片帮等影响溜井安全生产问题及溜井内矿石混合和分级的关系，为高深溜井的研究与安全高效生产开拓思路，也为高深溜井的设计与使用提供参考。

酒泉钢铁公司所属西沟石灰石矿和黑沟铁矿等矿山均属于高海拔矿山，布置有数条高深溜井和短溜井。根据多年生产实践和观察，发现在溜井生产过程中，高深溜井存在区别于短溜井的一些特有的工程现象。

（1）西沟石灰石矿高深溜井

1994年，对西沟石灰石矿1号溜井（深260 m，距井口下部200 m范围内溜井直径为7~15 m，200 m以下溜井直径为6 m）进行观测。溜井装满矿后将井口封盖，人员乘吊罐下到矿石面，利用对讲机与溜井下口联系放矿。观察发现，当溜井放出一列矿（约为160 t）时矿面不动，连续放矿2~3列后需等待一段时间矿面才有反应，并出现1~3次下降，一般下降2次；每次下降高度为0.5~1.0 m，最多的一次下降了8 m。越往下矿面下降时间与放矿时差越小，且矿石流动逐渐趋于连续性。在溜井贮矿仓上部约50 m处开始，井壁光滑、完整，仅发生轻微磨损，下部放矿井中的矿石几乎同步全断面下降（在井筒中可以听到放矿闸门开启的声音），在溜井中距离矿仓约20 m的高度开始出现漏斗流并逐渐偏向溜口一侧落矿。

在进行日常矿石质量检测时发现，块矿率（30~80 mm块矿占成品矿的质量百分率）在23.8%~72.6%之间波动，反映出溜井内矿石有分级现象。

（2）黑沟铁矿高深溜井

黑沟铁矿基建完成后，主溜井（深561 m、直径为5 m）投入生产，通过矿石粒级为0~350 mm。原设计井口有钢制盖板，在溜井贮满矿后第一次放矿井盖即被气流掀翻；在井盖周围焊接护栏后，每次放矿时井盖均在护栏内上下蹦跳，此后将井盖更换成钢网。溜井放矿时井口“喘气”现象明显，一般连续落矿2次，每次下落20~30 m，多则下落50~60 m，产生的落矿声和气流声较大；满井贮矿情况下，通常上部落矿与溜井下口放矿时差为30~40 min，超过此时差称为“滞流”，至今主溜井已放出矿石近7 000万t，滞流现象频繁发生。

在主溜井的3条监测巷，通过音视频监测主溜井矿石流动情况，发现放矿时上部监测巷井筒“喘气”的气流强度强于下部监测巷；在监测巷靠近溜井井筒处插上小旗进行观察，发现下部放矿时小旗飘向井筒方向，片刻后上部落矿时小旗飘离井筒方向。同时，发现井筒内存在空腔，先于整体矿石散体下落的个别粒级大的矿石对下部矿面的冲击声明显；从时长判断，空腔长度上部明显大于下部；溜井连续放矿，井筒上部贮矿段内发生数次落矿；沿井筒向上矿石下落与溜井放矿的时差逐渐增大。图1为同一溜井放矿时监测到的下部连续性流动、上部阶段性流动的微震信号波形和频谱特征。

1#采区溜井投入生产时井深为366 m，之后一直满井贮矿运行。生产中观察到该溜井放矿时一般连续落矿2次，每次下落2~3 m，多则下落5~6 m。对2#采区溜井放矿进行监测，得到井筒中矿石流动情况，如表1所示。

由表1可知，2#采区溜井下部溜口连续放矿，井筒内矿石有数次间断落矿现象。观察黑沟铁矿的3条溜井发现，块矿和粉矿分级严重，该现象在井筒堵塞疏通后再放矿时表现更加明显。

据文献报道，开阳磷矿、湖北三鑫金铜矿以及日本的田海、武甲、香春和峨朗等矿山，在溜井上口观察均发现放矿时溜井中矿石流动是非连续的，有突然下降现象（贵州开阳磷矿矿务局等，1983；唐学义等2020；茂木源人等，1989；茂田井等，1990）。分析上述现象，认为矿石在高深溜井中存在垂直全断面阶段性流动特性，非老旧溜井井筒断面变化后所产生，是新老高深溜井矿石移动的共性，其产生原因需从理论方面进行探索。

根据溜井矿石贮存情况，可将溜井划分为溜矿段和贮矿段（图2）。郭宝昆等（1985）总结的溜井矿石流动规律主要适用于短溜井，鉴于当时的认识，矿山普遍要求将贮矿高度控制在溜井深度的1/3～2/3以上，相对短溜井来说，高深溜井出现井筒堵塞等故障的几率明显增加，说明该理论无法很好地解释高深溜井故障产生的原因。

根据酒泉钢铁公司所属西沟石灰石矿和黑沟铁矿等矿山10余条高深溜井多年生产实践，结合文献分析（贵州开阳磷矿矿务局等，1983；郭宝昆等，1985），总结归纳出高深溜井贮矿段矿石移动规律，即：矿石在高深溜井贮矿段中的流动存在垂直全断面阶段性流动区（第一区）、等速垂直全断面流动区（第二区）、变速变向全断面流动区（第三区）以及变速变向局部断面流动区和死矿区（第四区）（吕向东，2015），使溜井矿石流动规律得到进一步完善和发展。高深溜井区别于短溜井的特点是，在垂直全断面连续性矿石流动区之上存在垂直全断面阶段性矿石流动区，即矿石在高深溜井贮矿段中存在垂直全断面阶段流动特性。

溜井内矿石流动规律的研究方法主要有数值模拟、实验室模型试验和理论分析。

在数值模拟方面，对溜井内矿石流动规律的研究主要基于连续介质理论（有限元方法）和以下假设：1）散体有足够大的贮存空间，且散体颗粒尺寸相对较小；2）忽略散体流动中出现的结拱和空洞等瞬时现象；3）将散体视为一种连续介质，不考虑固相颗粒的细观结构（乔登攀等，2005）。

虽然连续介质理论可以从宏观角度归纳出矿石颗粒在短溜井内的流动具有规律性和连续性，但矿石在溜井内的流动具有连续介质和离散介质的双重属性，因此矿石流动中出现的结拱和空洞等瞬时现象对高深溜井来说不能忽略。另外，连续介质理论无法考虑矿石粒度级差、水分、形状及其分布对散体流动规律的影响，散体材料结构的变形规律无法用传统的连续介质理论揭示。过去常用宏观的连续体力学理论分析散体过程，导致理论与实际发生偏离（徐泳等，2003）。

将几个穿孔的大块矿石作为标识物，与矿石一同装入561 m深的溜井进行放矿试验，监测到最先和最后放出的标识物的时差之间放出的矿石超过2 000 t。之后采用多种形式的标识物进行放矿试验，均未发现有标识物连续放出的现象，而连续介质理论无法解释这一现象。

近年来，基于随机介质理论的离散元数值方法在溜井放矿流动和井壁破坏特征研究方面得到了应用（王其飞，2015；张慧等，2019）。PFC^2D和PFC^3D等离散元颗粒流分析软件可以模拟任意性状和大小的二维圆盘、三维球体的运动和相互作用。构建和运行PFC模型时，一般根据实验室模型试验和实际工程选取相应参数值作为模型的计算参数。然而，实际情况是，溜井井壁围岩的非均质性导致外摩擦系数差异、矿石颗粒形状不规则引起的颗粒碰撞和摩擦作用的偏差，以及矿石散体内非均匀性水分和气流强度对散体流动的影响，使得模型介质的应力条件与实际应力场条件不匹配。数值模拟结果与实际情况相差甚远，难以指导高深溜井实际工作。虽然数值模拟计算可获得一些基本认识，但是颗粒形态对材料性质具有很大影响，颗粒形状的简化与实际颗粒形态并不一致，导致模拟结果出现偏差（徐佩华等，2012）。

在实验室模型试验方面，虽然试验装置可以模拟溜井的下部结构放矿，但是无法模拟高深溜井的高度，这也是实验室试验未能发现高深溜井存在垂直全断面矿石阶段性流动特性的原因。

以上研究表明数值模拟和实验室模型试验在研究高深溜井内矿石流动规律时存在一定的局限。鉴于此，基于多年溜井实践经验，选择散体材料结构自组织力链和搭拱效应理论，结合井筒内气固两相流的分析，对溜井放矿进行探索研究，分析井筒内矿石阶段性流动产生的原因。

溜井内的矿石散体是在有限空间内由固体（矿石颗粒）、液体（水分）和气体（空气）三相组成的不连续介质，矿石散体的流动属于固—液—气多相流动，散体中含水率和含气率均非常低。

溜井内矿石散体中的固体是由大块（通常为750~300 mm）至微细粒级的多级配矿石颗粒组成。溜井内矿石散体中的液体来源于入井矿石自带的水分（内在水分）、地表入井水和井筒围岩裂隙水（外在水分）等。外在水分在矿石散体颗粒表面形成水膜，在气水胶结面上产生表面张力，使粉状物、胶体状物质和氧化膜变得潮湿，颗粒相互黏结，增加了颗粒间的黏结力。研究发现，含水率越高，散体密度越大，当含水达到过饱和状态时，矿石散体的流动性增强（朱志根等，2006；唐学义等，2020）。溜井内的气体来源于3个途径：一是矿石散体在溜矿段下落时夹带的气体；二是溜井下口放矿时，溜口外为大气压力，矿石因流动上部区域为负压，空气便进入上部矿石散体中；三是当井筒内为负压时，通过井筒相连的监测巷等透口进入的气体。

前人对固相和固液相流研究较多，不再赘述，本文重点分析气固流。溜井贮矿段的气固流属于稠密气固两相流动。溜井中气体分布于矿石颗粒间或井筒空腔中，由于矿石颗粒大小不一，形状各异，颗粒受气体的悬浮作用和重力沉降作用的双重影响，每个颗粒均有不同速度。容积含气率与颗粒的形状、均匀程度和堆积情况有关，密实堆积比松散堆积的容积含气率小；细颗粒可以填充在颗粒群中的粗颗粒之间，比粒径均匀的容积含气率小；容积含气率与颗粒间的空隙率呈正相关关系，矿石散体空隙率小，增加了颗粒间的黏结力，使矿石散体流动性减弱。

近年来，国内外学者对散体材料的流动进行了大量研究，发现散体材料结构不同于连续介质材料结构，其最大的特点是存在力链和搭拱效应。其中，力链是学者们从细观尺度对散体材料进行分析时发现的，搭拱效应则是散体介质体系力学行为的宏观表现。

在散体材料结构中，力的分布具有高度的各向异性，颗粒间的作用力主要是摩擦力和咬合力（即剪阻力）。摩擦力与颗粒的粗糙程度有关，而咬合力与散体材料结构的空隙度和颗粒形状有关。当材料颗粒与其侧向临近颗粒的相互作用间存在的摩擦与挤压使得颗粒位置形式合适时，随机排列的颗粒体系内部能够形成相对稳定的力链结构（蒋红英等，2010）。散体介质的流动特性与力链密切相关，力链网络的复杂动力学响应直接决定着散体介质体系的宏观力学行为（陈庆发等，2021）。由于重力作用，强力链主要分布在中底部，底部强力链相互链接形成拱结构（孙其诚等，2008a，2008b，2009）。拱结构的稳定性与散体材料颗粒间的摩擦力、黏结强度、颗粒自身粗糙度及颗粒之间咬合作用等有关；摩擦咬合力越大，自组织发生所需的能量也越大，后喷发出的位移突变就越强。散体材料系统中一旦形成一系列相对稳定的拱结构，拱群就开始支撑上部的压力。当力链无法维持拱结构平衡（支撑上面的重量和外荷载力）时，颗粒产生位移，拱结构崩塌，散体材料结构重新发生自组织现象，在颗粒系统不断的自组织重组过程中，拱形结构会不断消亡后再产生且始终存在。自组织的过程是旧拱结构崩塌和新拱结构形成的过程，下落的颗粒附近区域逐步压实，沉降变形在数次崩塌过程中完成，直至散体材料结构内部无任何可流动空间，宏观上表现为沉降（蒋红英等，2010）。

实践观察发现，溜井中矿石的流动遵循上述散体流动规律。矿石在溜井内流动的过程中，受散体结构内力链和自组织的影响，形成无数个瞬时动态拱。这些拱一般瞬时形成瞬时破坏，处于形成—破坏—再形成的往复过程；拱形成时矿石瞬间停止流动，拱破坏后矿石继续流动，呈脉冲式流动特征。井筒中的平衡拱承受着上部矿石的重力、下部放矿时的气流扰动和井壁摩擦力等，当井壁摩擦力和拱结构的内力链不足以支撑时拱发生崩塌。

在黑沟铁矿主溜井封堵不密实的3条监测巷安置监测装置进行监控，发现贮矿段矿石在下落过程中压缩下部井筒内的空气，矿石流动区域上部为负压，下部为正压。据此分析，矿石下落过程中矿石散体中的气体不断上行，当气体通过粉矿集中层时，若颗粒间空隙度大，由于粉矿散体具有良好的持气特征，可能使气体短路，气体的存在使得散体颗粒之间黏结力减弱，矿石散体抗剪强度降低，有利于拱的破坏，进而使矿石恢复流动；若颗粒间空隙度小，散体密度大，则不利于拱的破坏。气固之间的相互作用可能使矿石散体夹带气体并向下流动，或矿石向下流动而气体逆流向上运动。不论哪种形式均有利于矿石散体的二次松散，有助于矿石流动。

矿石散体的力学特性介于固体与流体之间，散体只能承受压力和一定的剪切力，而不能承受拉力或只能承受很小的拉力。黑沟铁矿溜井监测到放矿过程中存在负压和正压交替出现的现象。茂木源人等（1990）在开展高深溜井中矿石流动研究时也监测到此现象。马鞍山矿山研究院（2000）通过试验测得黑沟矿区的矿石黏聚力如下：粒度在10 mm以下的粉矿黏聚力为10.0~17.6 kPa，级配小于等于60 mm的矿黏聚力为15.0~20.8 kPa。假设放矿时井筒内负压为0.1 atm，由计算可知对上部矿石散体或悬拱的拉力为10.1325 kPa，该拉力与负压呈正相关关系。与矿石的黏聚力相对，该拉力对矿石散体松散或悬拱破坏起到一定的作用。

（5）贮矿段矿石流动分区与流动特点

不论溜井下口采用重力放矿还是振动放矿方式，在放矿过程中，贮矿段各区段均存在以下特征：

①贮矿仓下部（第四区）：受底部结构和放矿椭球体的影响，矿石呈变速、变向和局部断面流动特征。

②贮矿仓内上部区域（第三区）：由于流通断面明显大于井筒断面，矿石产生二次松散，矿石散体的搭拱效应减弱，呈变速、变向和全断面流动特征。

③贮矿仓上部井筒内一定区域内（第二区）：在放矿过程中，矿石散体呈松动椭球体流动特征，在该区下部动态拱通常形成后即破坏，在该区上部动态拱的破坏有短暂的时滞，但拱的形成和破坏交替时间短，矿石散体从宏观上表现出整体流动的特点，将该区域称为垂直全断面连续性流动区。

④第二区之上（第一区）：矿石流动逐渐过渡到不随下部溜口放矿而同时流动，这是由于下部放矿产生的负压和气流扰动逐渐减弱，动态拱自行破坏时间逐渐延长，其与下部溜口放矿存在一定的时差（系列拱破坏和矿石流动产生的时差），且该时差随着井筒向上的延伸而加大，矿石从连续流动逐渐变为阶段性流动。同时，动态的拱与拱之间有一空腔，下落的矿石充填空腔，使得压缩的气体对上部矿石散体起到松散作用，当散体自组织的力链遭到破坏或井壁的摩擦力不足以支撑上部荷载时，拱将发生崩塌，流动区内矿石全断面下落。该区域矿石下落呈一次或数次下落，直至井筒贮矿段最上方矿面宏观上表现出沉降，将该区域称为垂直全断面阶段性流动区。

需要说明的是，矿石流动并不是从第一区的垂直全断面阶段性流动直接变为第二区的等速垂直全断面流动，而是有一个过渡、渐变过程。关于第一区和第二区的区间划分，需要一个界定标准；可以用井筒内一定范围（一起流动）的矿石散体和该区域下部一定范围的矿石散体之间流动的时间间隔或空间间隔（空腔）来界定，这个流动的时间间隔或空间间隔界定值确定后，才能区分阶段性流动区的分布距离与溜井相对位置关系。

从生产实践的角度来说，因为第一区和第二区的分界位置并不是固定不变的，严格量化划分第一区和第二区意义不大。由于受矿石的粒级级配、密度和水分以及溜井下部放矿量和放矿方式等影响，在标定的分界位置，不同批次的矿石会有不同的流动状态。此外，即使在该区域矿石散体之间的流动存在时间间隔或空间间隔，本批次和上批次的时间间隔或空间间隔也不一定相同。

在溜井放矿过程中，短溜井或高深溜井贮矿段下部矿石散体形成的悬拱处于瞬时交替破坏或形成之中，溜口放矿与井筒内矿面下落时差非常小，表现为连续性流动，垂直全断面阶段性矿石流动特征表现微弱。相比之下，高深溜井上部贮矿段内垂直全断面阶段性矿石的流动特征表现明显。据此可以归纳出，在满井（或高位）贮矿状态下，垂直全断面阶段性矿石流动是高深溜井的显著特性。在满井贮矿的高深溜井上井口，放矿时很容易观察到这一现象。

需要说明的是，在不同贮矿情况下，受溜井深度、贮矿高度、溜井断面、下落矿石粒级级配和水分等影响，对于一些高深溜井或生产组织状态不同的同一高深溜井，矿石在溜井内垂直全断面阶段性流动的现象均可能表现不一，例如连续一次性沉降数米至数十米，或多次完成沉降，但均具有高深溜井矿石阶段性流动的共性特征。这一特性很好地解释在满井贮矿和高位贮矿的情况下，无论是老高深溜井还是新高深溜井，放矿井筒内矿面均有突然下降的现象。

生产溜井常见的故障有滞流、堵塞、磨损和片帮等，这些现象均会影响溜井的正常使用。本研究认为这些故障的产生与高深溜井矿石阶段性流动有关。

通过分析可知，井筒内矿石的混合与分级主要产生于3个阶段，分述如下：

第一阶段为溜矿段。当溜井空高比较大时，矿石在井筒内下落使得气体受到挤压，下部气压增大，上升气流携带粉尘从井口溢出，造成粉尘污染；受气体的曳力作用，一些小矿石颗粒或微细矿石颗粒滞后于块矿落于井筒内矿堆表面而产生分级；另外矿石散体落在矿堆上面也会产生自然离析。

第二阶段为贮矿段。矿石阶段性流动导致矿石出现混合和分级。尤其是井筒内出现大的空腔，上部悬拱产生破坏后，矿石瞬间全断面下落，空腔瞬间压缩呈正压状态；受到空气曳力控制的悬浮运动和受颗粒冲力支配的颗粒与颗粒之间以及颗粒与井壁之间的碰撞和摩擦运动等影响，此时下降的矿石散体颗粒运动非自由落体。受气体的曳力作用，一些小矿石颗粒或微细矿石颗粒上浮或下落速度慢于粒度大的矿石，由此产生块、粉分级集中现象；空腔高度越大，分级现象越明显。在这个过程中，一些微细粒矿石充填在块矿间隙中，出现矿石的混合。

第三阶段为溜井第三区和第四区。矿石变速、变向流动而产生混合和分级。在高深溜井中贮矿段块粉分级集中现象多于短溜井。在此阶段矿石进一步分级，粉矿聚集导致下部放矿难度增加，同时造成下溜口粉尘污染增大，影响了安全作业，这些现象在溜井下口经常能观察到。

在溜井贮矿段，矿石滞流和堵塞的主要形式是大块咬合拱和粉矿黏结拱。在溜井设计合理、生产组织到位的情况下，溜井贮矿段很难产生大块咬合拱。有关溜井下部结构处矿石滞流和堵塞的研究成果较多，不再赘述。本文重点分析井筒内的粉矿黏结拱。

（1）溜井内散体矿石黏结成拱的条件因素

以往研究表明，溜井内矿石滞流和堵塞与细粒物料的数量及其黏结性、水分含量和密度等物理性质有关（马鞍山矿山研究院，2000）。其中，散体矿石的黏结力和内摩擦角是溜井内矿石中细粒物料在井筒中结拱的主要指标。拱结构能否维持稳定，除了与矿石物理性能（如粒级成分、密度和含水量等）有关外，还与溜井直径和井壁的光滑程度等相关。

矿石散体的密度主要取决于散体中矿石颗粒的密度和颗粒间的间隙大小，也与散体的含水率和含气率有关。井筒中临时平衡拱崩塌后的落矿冲击，使下部集中的粉矿和小粒级块粉矿石密度增加。在井筒流通断面变小处矿石散体密度更大，尤其是在空腔大的情况下落矿时，若矿石的湿度、粒级、密度和溜井变径等条件适宜，极易形成相对稳定的临时平衡拱（粉矿黏结拱）。伴随着下部矿石流动产生的气流扰动和负压作用以及拱内部力链自组织的变化，在绝大部分情况下，当垂直压力或井壁的摩擦力不足以支撑上部荷载时，悬拱逐渐崩塌，只有极少数情况下悬拱不能破坏而形成稳定的平衡拱，比如溜井闲置时间过长，受贮存矿石物理性能及井筒围岩裂隙水等的影响，临时平衡拱极易向稳定的平衡拱转变，从而形成井筒堵塞。

伴随着矿石散体的搭拱效应，矿石流动时大部分力传递至井壁上，所以井壁粗糙程度对悬拱的稳定性至关重要。生产实践中发现，直径合理且井壁完好的高深溜井，在投产初期滞流现象少；随着溜井过矿量的增加，井壁磨损导致井筒变径，滞流现象逐渐增多。据统计，2019—2021年，黑沟铁矿主溜井发生矿石滞流现象46次（此处统计的“滞流”是指超过实践总结的上部落矿与溜井下口放矿存在的正常时差才落矿的情况）。其中，2019年7月和9月发生的2次滞流自行消除后，溜井矿面一次下落达30 m和26 m。时间最长的滞流发生于2011年1月，滞流18 h后自行恢复落矿。

（2）溜井深度与矿石滞流和堵塞的关系

研究发现，随着高深溜井贮矿高度的增加，第一区矿石散体中自组织动态拱形成的机会和数量增加，临时平衡拱的数量和一次落矿量也逐渐增多，落矿周期变长；在温度保持不变的情况下，悬拱下空腔压强与体积成反比，可见，随着空腔体积的增大，气流的扰动和负压的破坏作用逐渐减弱，临时平衡拱自行破坏时间逐渐延长。

井筒内矿石阶段性流动的反复出现和空腔体积增大导致粉矿分级集中现象增多，临时平衡拱向稳定平衡拱转变的概率增加，即粉矿分级集中现象的出现使得井筒矿石滞流和堵塞的概率增加。

矿石在高深溜井内流动的过程中，矿石颗粒间及矿石颗粒与井壁间的咬合、碰撞和摩擦使得矿石破碎，粉矿率增加，进一步恶化了矿石流动环境。笔者曾对黑沟铁矿主溜井入井前与出井后的矿石块矿率进行测定，发现出井后粉矿率比入井前提高了12.07%。对黑沟铁矿2#溜井和主溜井井筒堵塞进行监测，结果表明悬拱均为粉矿板结且悬拱崩塌后放矿均有块粉严重分级的现象。

综上所述，矿石的粒级成分、密度、含水量、黏结性及溜井直径、井壁的粗糙程度是造成溜井滞流和堵塞的基础因素，而高深溜井矿石阶段性流动造成粉矿分级集中现象增加，致使井筒矿石滞流和堵塞概率增加，是造成井筒滞流和堵塞等故障的重要原因。

矿石在溜井中流动产生的冲击力和摩擦力，即冲击磨损和流动磨损是造成溜井井筒断面扩大的主要原因（吕向东，2002）。根据现场工作经验，冲击磨损是指卸矿过程中矿石在溜矿段冲击溜井井壁造成的磨损，流动磨损是指井筒内矿石在贮矿段流动对井壁摩擦造成的磨损。通过观察发现，高深溜井井壁除了存在冲击磨损和流动磨损外，还有空腔和冲击波等因素的干扰。

（1）落矿产生的负压、正压和冲击波对井壁的破坏

由于高深溜井具有矿石阶段性流动的特征，因此当矿石发生滞流或堵塞时往往不能被及时发现。这是因为下部放矿与上部落矿具有一定的时间差，只有当上部落矿滞后时间较长时，才能判定井筒中产生滞流或堵塞现象，而此时悬拱下已产生大的空腔，空腔的大小与上部悬拱破坏或发现滞流或堵塞停止落矿有关。此时，下部放矿对空腔形成负压，上部落矿对空腔形成正压，空腔区井壁承受着负压和正压的交替作用。当矿石发生滞流或堵塞后，悬拱下方形成大的空腔，不论悬拱是自行崩塌还是由人工处理疏通，空腔内气体的急剧压缩均会对井壁产生冲击波超压、高速气流和矿石流的冲刷作用，使得井壁受到冲击、剪切和摩擦损伤，长期反复的破坏作用导致结构性差的井壁围岩产生弹塑性变形，加剧了井壁的磨损。在围岩岩层倾斜不稳定、节理发育、岩体整体性差或岩性较软的部位磨损加快，导致井筒断面发生变化。

在处理空腔高度达190 m的黑沟铁矿溜井井筒堵塞时发现，悬拱崩塌后空气冲击波摧毁下部监测装置仅需1.4 s，可以推算出冲击速度大于135.7 m/s。冲击波对围岩的破坏简述如下：该溜井井壁岩体为钙质千枚岩，以层状结构为主，整体层理不明显，呈块状或碎裂状结构，完整性较差，岩体基本质量级别为Ш级，局部为V级。岩石节理裂隙较发育，岩石抗剪强度为25.1 MPa，泊松比为0.14。假设此时井筒直径上下相同，而空腔为一密闭空间且气体未泄露、无温度变化，此处海拔为3 650 m，气压为0.6 atm，悬拱崩塌后空腔压缩至0.9 m高度时，空气冲击波压缩应力P=101.325 kN/m²×190/0.9=12.55 MPa，达到岩石抗剪强度的一半。根据陈登平（2006）对冲击波压缩下岩石介质中破坏波的研究，当轴向压应力达到最终破坏应力的一半时，裂纹开始扩展、传播，引起样品体积膨胀，形成宏观破坏。由此可知，上述悬拱崩塌后，在冲击波压缩下，空腔底部0.9 m范围内的井壁围岩受到了损伤破坏。

（2）空腔的存在为井壁片帮和塌方创造条件

当形成的空腔高度较大时，悬拱崩塌产生的瞬间强气流冲刷井壁，增大了井壁的粗糙度，使已遭受破坏的不稳定井壁围岩产生剥落，可能会在井筒内形成大块咬合拱，从而形成溜井堵塞，严重时会出现井壁围岩大面积塌方而使溜井报废。如黑沟铁矿2#溜井井筒部分地段通过的岩层围岩层理和节理发育，岩层倾角大，长期生产导致井内形成凹槽或凸台，井筒直径呈现出“大—小—大—小……”的变化规律，呈多个漏斗状（吕向东，2015b）。在漏斗口，散体矿石在垂直方向上产生膨胀，水平方向上产生收缩，引起散体矿石主应力的变化，垂直压力逐渐减小，侧压力逐渐增大，致使滞流在漏斗口上部的矿堆不断遭受水平挤压，其密实度越来越高，导致黏结力和内摩擦角增大，提高了矿石散体的抗剪强度，进一步增加了该部位矿石发生滞流和堵塞现象的概率。

张万生（2022）通过对黑沟铁矿主溜井井筒上部进行三维扫描，发现井筒磨损比较严重且分布不均匀。连续介质理论认为，在贮矿条件下，溜井各处磨损是均匀的。然而，根据黑沟铁矿溜井观察到的现象，显然说明运用连续介质理论无法有效解释高深溜井矿石流动规律。

结合前文分析，认为高深溜井生产故障的产生与矿石阶段性流动有关。从黑沟矿区实践效果来看，对于已建成并投入使用的高深溜井，在放矿过程中，通过阶段流气流扰动作用，可有效预防高深溜井垂直全断面阶段性移动区井筒黏结拱堵塞的产生。一旦发现井筒内矿石滞留，采取间歇性强制出矿的方法，在下部贮矿段创造新的阶段流，使放矿气流在井筒内迅速向上传递，通过气流扰动和负压的作用，破坏临时平衡拱，从而避免井筒堵塞事故的发生。该方法简单易行、安全高效，提高了溜井生产运行的安全性。同时，也进一步验证了垂直全断面阶段性矿石流动特性是造成高深溜井滞流和堵塞故障出现的重要原因。

通过多年的实践，西沟石灰石矿和黑沟铁矿等矿山总结出丰富的经验可供借鉴（吕向东，2010；张万生，2022；张万生等，2023），在此不再赘述。对于设计与新建溜井，应尽量避免选择高深溜井，可采用短溜井或转运式溜井，以减少垂直全断面阶段性流动区高度，避免产生粉矿黏结拱造成的滞流与堵塞，保证溜井的安全运行。

（1）矿石的粒级成分、密度、含水量、黏结性及溜井直径、井壁粗糙程度等是造成溜井滞流和堵塞的基础因素；溜井内矿石散体自组织力链和搭拱效应使高深溜井存在垂直全断面阶段性矿石流动特性，该特性是造成高深溜井井筒滞流或堵塞的重要原因。

（2）井筒内气体对矿石散体搭拱效应具有破坏作用。在正常放矿过程中，流动气体的存在使得井筒内矿石散体颗粒之间黏结力减弱，导致抗剪强度降低，有利于矿石流动和临时平衡拱的破坏；受气体的曳力作用，一些小矿石或微细矿石颗粒上浮或下落速度慢于粒度大的矿石，由此产生块、粉分级集中现象；集中的粉矿和小粒级块粉矿石密度增加，助推了井筒内矿石的滞流和堵塞。

（3）高深溜井井筒断面扩大除了与矿石在溜井中流动产生的冲击力和摩擦力、溜井井壁围岩工程地质特征等有关之外，还与矿石阶段流有关。当矿石滞流和堵塞发生后，平衡拱下方已形成较大的空腔，随后平衡拱崩塌，空腔急剧压缩对井壁产生的冲击波超压、高速的气流和矿石流的冲刷作用，使结构性差的井壁围岩产生破坏；同时，空腔的存在为松动的井壁片帮和塌方创造了条件。

（4）溜井内矿石散体的流动涉及固、气、液三相流的共同作用，其力学表现复杂。本文旨在抛砖引玉，以期引起业内关注，亟待与业内同行共同将理论结合实际开展深入研究从而取得突破，为解决实际应用问题作出贡献。