復(fù)雜條件下申請劃定礦區(qū)范圍方案的設(shè)計

羅寶金

(廣東省冶金建筑設(shè)計研究院)

某擬建地下礦礦區(qū)地形條件復(fù)雜，為弧峰、坡谷等地貌，地勢陡峻，起伏較大，屬中低山地貌，地勢西高東低，絕對標高最高818 m，最低270 m。礦區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，探礦權(quán)周邊有2個采礦權(quán)和1個探礦權(quán)預(yù)留區(qū)、多個工業(yè)場地，需考慮巖移范圍相互影響和保護措施。礦體埋藏較深，絕大部分資源估算范圍與探礦權(quán)范圍重疊，無較多合適的位置布置主井口和工業(yè)場地。雖然申請劃定礦區(qū)范圍方案設(shè)計屬于初步方案設(shè)計階段，但該礦條件復(fù)雜，一旦方案審批后，若需調(diào)整，程序上較為繁瑣，且周期較長。因此為確保設(shè)計方案能夠滿足后續(xù)設(shè)計和施工的需要，井口和井巷工程(開拓運輸工程)必須考慮到施工圖階段，特別是靠近劃定礦區(qū)范圍附近對劃定礦區(qū)范圍有影響的井巷工程，同時考慮該類工程在后續(xù)的設(shè)計和施工過程中能夠根據(jù)地形地貌、地質(zhì)及開采技術(shù)條件等因素進行適當優(yōu)化調(diào)整，方案需要預(yù)留少部分的調(diào)整范圍。為確保設(shè)計方案既能夠滿足國家相關(guān)政策法規(guī)和安全要求，順利通過國土部門審批，又要能夠滿足后續(xù)設(shè)計和施工的需要，本研究通過對劃定礦區(qū)范圍的原則和影響因素進行分析，并對合理的礦區(qū)范圍劃分方案進行設(shè)計。

1 礦山概況

礦區(qū)礦體呈層狀產(chǎn)出，賦存標高為436.77～-398.94 m，埋深120.00～1 017.48 m。礦層產(chǎn)狀與圍巖一致，傾角大部分為10°～30°，內(nèi)部有小幅度寬緩起伏。礦區(qū)共有2層礦層，上部為Ⅲ+Ⅱ礦層，下部為Ⅰ礦層。Ⅰ礦層分布于8#～58#線，東西方向長2 810 m，南北方向最大寬1 332 m，厚0.71～3.70 m，平均1.82 m。Ⅲ+Ⅱ礦層主要分布于68#線以西，東西方向長3 600 m，南北方向最大寬1 330 m，厚0.72～6.10 m，平均2.42 m。各礦層的圍巖基本相同，主要有薄層狀硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖夾鈣質(zhì)泥巖，微?！旅芙Y(jié)構(gòu)，質(zhì)較堅硬。兩礦層之間的夾層為薄—微層狀、扁豆狀硅質(zhì)灰?guī)r夾少量硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r或鈣質(zhì)泥巖，厚9.03～25.10 m，平均15.66 m。礦區(qū)探礦權(quán)范圍與周邊礦山礦界分明，不存在重疊和礦界糾紛，勘查面積為3.53 km2，分布于9#～68#線。礦區(qū)資源估算范圍見圖1，估算面積為2.46 km2，估算標高為-398.94～436.77 m，分布于9#～58#線。擬定礦山采礦生產(chǎn)規(guī)模為60萬t/a，擬采用地下開采方式，生產(chǎn)服務(wù)年限約35 a，產(chǎn)品為原礦。

圖1 申請劃定礦區(qū)范圍的設(shè)計方案

2 劃定礦區(qū)范圍的主要原則

2.1 符合國家和地方政府的相關(guān)法律法規(guī)和政策規(guī)劃

根據(jù)國家和地方政府相關(guān)法律法規(guī)和政策規(guī)劃，在自然保護區(qū)、森林公園、風景名勝區(qū)、地質(zhì)公園、濕地公園、生態(tài)公益林、重要濕地、生態(tài)嚴格控制區(qū)、自然文化遺產(chǎn)及基本農(nóng)田保護區(qū)等禁止開采礦產(chǎn)資源，在鐵路、公路、高壓輸電線路、天然氣管道和重要流域、水庫、海岸線、島岸線等附近的礦產(chǎn)資源開發(fā)項目應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，保留足夠的安全距離，并通過相關(guān)部門審查[1-4]。因此，劃定的礦區(qū)范圍不能包括上述禁止開采區(qū)域，與鐵路等需保護區(qū)域保留設(shè)足夠的安全距離。

2.2 與周邊礦業(yè)權(quán)和地表建筑物的安全間距

申請劃定的礦區(qū)范圍與周邊毗鄰的采礦權(quán)區(qū)應(yīng)按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范保留安全間距[5-7]。對于地下礦，應(yīng)確保各自的巖移范圍不出現(xiàn)重疊，并有一定的安全距離。地表建筑物應(yīng)確保位于開采的巖移范圍和安全防護帶以外，一般取一級安全防護，帶寬20 m，如果距離不足，同時地表構(gòu)筑物無法搬遷，應(yīng)留設(shè)保安礦柱縮小巖移范圍，確保達到足夠的安全距離。

2.3 礦區(qū)范圍

礦區(qū)范圍是指可供開采的礦產(chǎn)資源分布范圍以及擬開采工程分布范圍的立體空間區(qū)域，可以理解為包括所有的井口和井巷工程，不包括工業(yè)場地、巖移范圍等，礦區(qū)范圍一般應(yīng)設(shè)置于探礦權(quán)范圍內(nèi)。

2.4 安全要求

根據(jù)相關(guān)安全規(guī)程和設(shè)計規(guī)范，井口和工業(yè)場地等地面設(shè)施應(yīng)布置于巖石移動范圍的安全保護帶以外，應(yīng)避開法定保護的文物古跡、風景區(qū)、內(nèi)澇低洼處和采空區(qū)，且不受地面滾石、滑坡、山洪暴發(fā)和雪崩等危害的影響[7]。井口工業(yè)場地標高應(yīng)高于當?shù)貧v史最高洪水位。進風井宜位于當?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風向的上風側(cè)，進入礦井的空氣不應(yīng)受到有害物質(zhì)的污染；回風井宜設(shè)置于當?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風向的下風側(cè)，排出的污風不應(yīng)對礦區(qū)環(huán)境造成危害[7]。

2.5 探礦權(quán)范圍內(nèi)的無礦空白區(qū)域

由于開拓系統(tǒng)布置需要，可能需要將部分探礦權(quán)范圍內(nèi)的無礦空白區(qū)域納入申請劃定的礦區(qū)范圍，但無礦空白區(qū)域也屬于土地資源，受國土部門嚴格管理，需保證該區(qū)域無礦產(chǎn)資源，占用理由應(yīng)充分合理。

3 復(fù)雜條件因素分析

3.1 周邊礦權(quán)和工業(yè)用地多且距離近

礦區(qū)所在區(qū)域原為一個大整裝勘探區(qū)，由于勘探開發(fā)、礦業(yè)權(quán)交易、時間長等因素，被分割成多個礦業(yè)權(quán)，同時由于補充勘探、開發(fā)生產(chǎn)的需要，各個礦業(yè)權(quán)范圍一直處于調(diào)整過程中。礦區(qū)周邊分布有：①A公司采礦權(quán)，位于探礦權(quán)西側(cè)及南側(cè)，與探礦權(quán)區(qū)的距離為30.47～102.81 m；②A公司工業(yè)用地，位于探礦權(quán)東南側(cè)，分布有A公司主井口及工業(yè)場地，其中，0#～4#線附近A公司已經(jīng)辦理了國有土地使用證的工業(yè)用地范圍與探礦權(quán)范圍部分重疊；③B公司采礦權(quán)，位于探礦權(quán)區(qū)8#～9#線北側(cè)，與探礦權(quán)區(qū)的距離為21.46～38.32 m；④探礦權(quán)預(yù)留空白區(qū)，為國土部門將來擬設(shè)探礦權(quán)預(yù)留的區(qū)域(圖1)。目前該探礦權(quán)范圍已經(jīng)形成了1個不規(guī)則的多邊形，整體與周邊礦業(yè)權(quán)范圍較近，資源估算范圍絕大部分與探礦權(quán)范圍重疊，在資源全部開采的情況下，巖移范圍勢必會影響周邊礦權(quán)和工業(yè)用地。

3.2 井口和工業(yè)場地選址困難

礦區(qū)主要的井口和工業(yè)場地包括主井口、回風井、進風井口及對應(yīng)的井口工業(yè)場地。探礦權(quán)范圍內(nèi)，資源估算范圍與探礦權(quán)范圍絕大部分重疊，僅剩北側(cè)8#～9#線、北側(cè)3#～8#線、東北角8#～68#線為無礦區(qū)域，同時由于礦體埋藏深，初步圈定的巖移范圍較大，北側(cè)8#～9#線、北側(cè)3#～8#線、東北角8#～68#線西側(cè)區(qū)域均在巖移范圍內(nèi)，僅剩68#線附近區(qū)域在巖移范圍外，可布置主井口和主工業(yè)場地，但還有回風井井口和進風井井口及其井口工業(yè)場地必須布置于58#線以西，需留設(shè)保安礦柱，縮小巖移范圍，但需選擇合適的布置方式和位置，以減少保安礦柱的留設(shè)資源量，提高資源利用率。

3.3 開拓運輸方案選擇困難

探礦權(quán)周邊礦業(yè)權(quán)區(qū)和建(構(gòu))筑物較多，其下盤和側(cè)翼均無可布置主井口及工業(yè)場地、主運輸系統(tǒng)的區(qū)域。礦區(qū)礦體總體傾向SE，為緩傾斜礦體，絕大部分位于礦區(qū)最低侵蝕基準面以下，開拓深度達800 m，僅可采用上盤開拓方式，主井口和工業(yè)場地布設(shè)于礦區(qū)東北部。

由于礦床開拓深度大，主井口距離礦體較遠，生產(chǎn)規(guī)模較大，如果采用單一開拓方式，礦體埋藏深，地形條件導(dǎo)致無法采用平硐開拓方式；斜井開拓提升轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)多、速度慢、提升能力小，難以滿足生產(chǎn)能力；斜坡道開拓掘進工程量大，運輸距離長，僅適用于開拓深度小于300 m的礦體，因此，如果采用單一開拓方式，只能選擇豎井開拓。

豎井提升速度快、能力大、費用少，井巷工程量較斜坡道少。但主、副井開拓深度較大，中段較多，施工較復(fù)雜，向下延伸相對困難，掘進速度慢，基建期較長；井筒設(shè)備較多，安裝工程量大；管理環(huán)節(jié)多，技術(shù)要求高。中段石門長1.3～3.8 km，如果每個中段都設(shè)置石門，工程量大。

斜坡道施工簡便，掘進速度快，設(shè)備少，安裝工程量少，有較大靈活性，容易接近礦體，可縮短基建時間和提高綜合效益；可分期投資、分期建設(shè)；生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，管理較簡單。但井巷工程量大，需風量大，通風、運輸費用多，無軌設(shè)備投資大，維修技術(shù)復(fù)雜，石門工程量雖然比豎井開拓方案少，但如果每個中段都設(shè)置石門，工程量仍較大。

4 申請劃定礦區(qū)范圍方案的設(shè)計

4.1 查閱規(guī)劃

經(jīng)查閱國家、省和當?shù)乜h市的礦產(chǎn)資源“十三五”規(guī)劃等資料，確保擬劃定的礦區(qū)范圍符合國家和當?shù)卣南嚓P(guān)政策，避開保護區(qū)域，應(yīng)與保護對象留設(shè)足夠的安全距離[8-10]。

4.2 可供開采資源分布范圍

該探礦權(quán)資源儲量估算范圍與A公司已經(jīng)辦理的國有土地使用證的工業(yè)用地范圍部分重疊，當?shù)乜h、市國土資源局要求申請的礦區(qū)范圍退出重疊區(qū)域，估算資源儲量需要割讓，按礦產(chǎn)資源儲量壓覆處理，扣除該范圍(0.02 km2)后為可供開采的資源分布范圍，面積為2.44 km2。

4.3 井口和工業(yè)場地

主井口需布置工業(yè)場地，需布置井口車場、礦倉、井口辦公區(qū)、維修、供電、供風等設(shè)備房，所需面積相對較大，回風井井口僅設(shè)置風機房和值班房，進風井井口僅需設(shè)置值班房，需要的場地面積較少。

可供開采的礦產(chǎn)資源分布于探礦權(quán)區(qū)中西部，絕大部分與探礦權(quán)區(qū)重疊。探礦權(quán)區(qū)北、西、南三面外圍已設(shè)采礦權(quán)，沒有可布置主井口及工業(yè)場地的合適范圍。9#～58#線幾乎全部為巖石移動范圍，地形復(fù)雜，地面標高375.0～818.8 m，山體陡峭，起伏較大，存在山坡滾石和巖崩潛在威脅，可供選擇的場地面積小，地面設(shè)施基建工程量大。58#～74#線為無礦空白區(qū)，唯有68#線附近的荒山坡地地形相對平緩，位于最終巖石移動安全防護帶以外，地面標高約285 m，遠高于當?shù)貧v史最高洪水水位，巖土體較為穩(wěn)固，周邊沒有空氣污染源，不存在地質(zhì)災(zāi)害，可供選擇的場地面積較大，便于布置礦山地面設(shè)施，基建工程量少。因此，主井口和工業(yè)場地只能選址在68#線附近區(qū)域，主副井井口標高為285 m。

探礦權(quán)范圍西北角8#～9#線(標高約610 m)和3#～8#線北側(cè)(標高520～706 m)有無礦空白區(qū)，故而可在這2個區(qū)域布置主回風井和進風井，以減少保安礦柱的留設(shè)資源量。

考慮到礦區(qū)資源量集中于中部，進風井宜布設(shè)于靠近資源量集中的區(qū)域，以提高通風效率，因此在3#～8#線北側(cè)無礦區(qū)域布置主進風豎井，井口標高為535 m，回風井布置于最高回風水平(400 m)附近，井口標高為610 m。進風井、回風井均采用豎井形式，可使得保安礦柱留設(shè)的資源量最少。

井口工業(yè)場向外側(cè)(由礦區(qū)范圍向外)布置，可以超出礦區(qū)范圍、探礦范圍(不進入周邊的礦業(yè)權(quán)范圍即可)。在礦體下盤、主回風井和進風井底部分別設(shè)置斜井與各中段聯(lián)接。

4.4 巖移范圍和保安礦柱

為避免開采引起的巖移對周邊礦權(quán)和A公司工業(yè)場地的安全造成影響，通過與政府國土部門、周邊礦業(yè)權(quán)人協(xié)商后，為保證各礦業(yè)權(quán)互不影響，該礦在邊界處留設(shè)了保安礦柱，確保巖移范圍在探礦權(quán)范圍內(nèi)，同時在生產(chǎn)過程中在相鄰邊界區(qū)域采用留設(shè)保安礦柱的方法，確保各礦業(yè)權(quán)開采的巖移范圍均保持在各自采礦權(quán)區(qū)范圍內(nèi)[11-13]。根據(jù)礦體的賦存條件、礦巖穩(wěn)定性程度，通過類比同類礦山巖石移動角，本研究礦體上盤和下盤的巖石移動角均選取65°，走向為75°，表土層均為40°。

4.5 開拓運輸方案

考慮到礦區(qū)資源量較大、分布范圍較廣、生產(chǎn)能力較大、服務(wù)年限較長，采用豎井開拓，主副井提升運輸方式。同時，礦區(qū)礦體為緩傾斜礦體，為減少中段石門的掘進工程量，提高靈活性和運輸效率，可采用輔助斜坡道+溜井輔助運輸方式。采用中小型無軌設(shè)備機械化出礦，中段高度為50 m，回風水平400 m，最高中段350 m，最低中段-400 m。

輔助斜坡道設(shè)置于下盤，各中段之間采用輔助斜坡道聯(lián)絡(luò)，用作運輸設(shè)備、材料以及行人通道和安全出口。為減少豎井石門長度，一般2～4個中段設(shè)置1個階段，具體根據(jù)中段資源量確定，每個階段僅最低中段設(shè)置石門聯(lián)接主副井。

由于上部東北角資源量少，每4個中段設(shè)置1個階段，每個階段設(shè)置集中階段溜井，溜井設(shè)置于回風側(cè)，從上盤穿至下盤，各中段采用石門連接溜井，開采過程中逐段廢棄，各中段設(shè)置石門連接溜井，階段最低中段設(shè)置石門與主副井聯(lián)接，礦(廢)石通過溜井溜至階段最低水平，經(jīng)振動放礦機運輸至礦車，采用電機車牽引礦車組通過石門運輸至主副井，提升至地表。綜上分析，采用主副豎井+輔助斜坡道+溜井聯(lián)合開拓運輸方案?？紤]到階段采用輔助斜坡道聯(lián)絡(luò)，通風、排水路徑較長，因此在北側(cè)設(shè)置通往地表的專用進風井和進風斜井，與各個中段聯(lián)接，作為進風、排水、供電、通信管纜的通道和安全出口。

4.6 分區(qū)域設(shè)計申請劃定的礦區(qū)范圍

探礦權(quán)范圍中西部由于資源估算范圍與探礦權(quán)范圍絕大部分重疊，為確保探礦權(quán)范圍內(nèi)的礦產(chǎn)資源能夠被盡可能多的開采，以及便于后續(xù)設(shè)計和施工，本研究初步構(gòu)想將探礦權(quán)范圍盡可能劃入礦區(qū)范圍，對申請劃定的礦區(qū)范圍的各個區(qū)段分別進行設(shè)計。

4.6.1 平面范圍

(1)北側(cè)和西南側(cè)。首先以回風井、進風井為圓心，半徑35 m(初步考慮5 m為井筒和支護的施工半徑，10 m為調(diào)節(jié)范圍，20 m為井口巖移范圍一級安全保護帶)劃定巖移范圍，其余以探礦權(quán)邊界為巖移范圍，并對巖移范圍修改圓滑；然后以巖移范圍反推開采邊界線，開采邊界線和可供開采的資源分布范圍之間的區(qū)域為保安礦柱范圍。申請劃定的礦區(qū)范圍邊界為探礦權(quán)范圍。該區(qū)域為可供開采的礦產(chǎn)資源分布范圍和西北側(cè)2個無礦空白區(qū)(面積共計0.13 km2)。

(2)東南側(cè)。首先將A公司的工業(yè)場地外輪廓勾畫出，然后整體偏離30 m圈定巖移范圍，其中20 m為巖移范圍一級安全保護帶，10 m為調(diào)節(jié)范圍。但由于該區(qū)域部分存在較大的無礦空白區(qū)域，因此，為了不多占用土地資源，考慮生產(chǎn)勘探后礦體會發(fā)生變化等地質(zhì)因素，回風斜井布置于礦體以外約30 m處，回風斜井外10 m即為礦區(qū)范圍邊界。綜合上述2種方法確定申請劃定的礦區(qū)范圍邊界，該區(qū)域為可供開采的礦產(chǎn)資源分布范圍和東南側(cè)部分無礦空白區(qū)(面積共計0.04 km2)。

(3)東北側(cè)。該區(qū)域為探礦權(quán)內(nèi)的無礦空白區(qū)域，為給后續(xù)設(shè)計和實際施工留有足夠的空間，應(yīng)按施工圖標準詳細設(shè)計主副井、車場、溜井、卸礦硐室水倉和泵房，同時也應(yīng)考慮主副井地表設(shè)施和主工業(yè)場地的布置來判斷合理的井口位置，同時考慮主副井可能受工程地質(zhì)條件影響較大，井位能夠根據(jù)地形地貌、地質(zhì)條件作適當優(yōu)化調(diào)整，需要預(yù)留少部分的調(diào)整范圍，綜合以上確定該區(qū)域申請劃定的礦區(qū)范圍邊界，該區(qū)域為東北側(cè)部分無礦空白區(qū)(面積為0.18 km2)[14-15]。將上述各區(qū)域設(shè)計的礦區(qū)范圍邊界連接起來即為申請劃定的礦區(qū)平面范圍，即為可供開采的礦產(chǎn)資源分布范圍及擬設(shè)開采工程的分布范圍，面積為可供開采的礦產(chǎn)資源分布范圍和占用的無礦空白區(qū)面積之和，為2.79 km2，經(jīng)估算，留設(shè)保安礦柱的礦量占總礦量的16%。

4.6.2 開采深度

礦區(qū)范圍內(nèi)地形標高為818.80～255 m，工業(yè)礦體賦存標高為436.77～-398.94 m。本研究設(shè)計的主斜坡道井口標高為285 m，總進風井井口標高為535 m，總回風井井口標高為610 m，最低開采中段標高為-400 m，主井井口標高為285～-435 m，副井井筒標高為285～-420 m?？紤]到后續(xù)礦山開采設(shè)計和施工過程中可能根據(jù)地形地貌、地質(zhì)條件等因素變化而作適當優(yōu)化調(diào)整，開采深度上限需要向上預(yù)留20 m的調(diào)整標高。最終申請劃定礦區(qū)范圍的設(shè)計方案詳見圖1，該區(qū)域由14個拐點組成，面積2.79 km2，開采標高為630～-435 m。

5 結(jié) 語

申請劃定礦區(qū)范圍階段是礦區(qū)建設(shè)的首要環(huán)節(jié)，需要詳細考慮對象保護、開拓布置、地形地貌、地質(zhì)條件等因素。目前由于采礦權(quán)申辦工作的緊迫性，本研究設(shè)計的方案僅滿足礦山目前需要，在后續(xù)工作中，建議礦山與周邊礦區(qū)保持密切聯(lián)系，保證開采安全，在條件成熟并符合各方利益的情況下，可對礦區(qū)范圍進行優(yōu)化調(diào)整，對礦權(quán)進行整合，對生產(chǎn)系統(tǒng)進行整合共用，實現(xiàn)礦山開采經(jīng)濟效益最大化。