瀑布式溜井在大紅山鐵礦二期工程中的應(yīng)用

魏建海 馬相松 吳健薇

（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司）

大紅山鐵礦400 萬(wàn)t/a 一期工程主要開采400 m標(biāo)高至地表的礦石資源，采用無(wú)底柱分段崩落法開采，膠帶斜井+輔助斜坡道+輔助盲豎井的開拓系統(tǒng)，設(shè)置380 m 中段集礦運(yùn)輸水平，在340 m 建設(shè)有礦石破碎站，2#膠帶斜井（14°）自地表（720 m 標(biāo)高）向下延深至320 m 標(biāo)高，將破碎后的礦石提升出地表交給地表原礦堆場(chǎng)，一期工程于2007年建成投產(chǎn)，投產(chǎn)第二年達(dá)產(chǎn)，穩(wěn)定了昆鋼集團(tuán)的鐵精粉供應(yīng)。

2009 年開始大紅山鐵礦二期工程的籌建工作，二期工程主要開采400～ 60 m 標(biāo)高的礦體資源，設(shè)計(jì)產(chǎn)能520 萬(wàn)t/a，采礦方法仍沿用無(wú)底柱分段崩落法，根據(jù)采礦工藝設(shè)備配置，井下原礦出礦塊度≤850 mm，碎后塊度≤250 mm。經(jīng)多方案論證，開拓系統(tǒng)仍采用膠帶斜井+無(wú)軌斜坡道+輔助盲豎井方案，因大紅山鐵礦圍巖條件較好，在一期工程的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外先進(jìn)礦山的經(jīng)驗(yàn)，將中段高度調(diào)整為200 m，在二期工程開采范圍內(nèi)，共設(shè)置了2 個(gè)集礦運(yùn)輸水平，分別為180和40 m有軌運(yùn)輸水平，原礦破碎系統(tǒng)設(shè)置于0 m 標(biāo)高，200～380 m 標(biāo)高采出礦石經(jīng)采場(chǎng)鏟運(yùn)機(jī)出礦后進(jìn)入采場(chǎng)溜井，經(jīng)180 m 有軌集礦運(yùn)輸水平后卸入上部溜井系統(tǒng)；60～200 m 標(biāo)高采出礦石經(jīng)采場(chǎng)鏟運(yùn)機(jī)出礦后進(jìn)入采場(chǎng)溜井，經(jīng)40 m 有軌集礦運(yùn)輸水平后卸入破碎站上方的碎前礦倉(cāng)，經(jīng)破碎站破碎后，成品礦進(jìn)入碎后礦倉(cāng)，交由膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)出地表至原礦堆場(chǎng)。整個(gè)開拓系統(tǒng)中溜破系統(tǒng)成為咽喉和核心工程，決定著二期工程礦石提升運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

1 工程地質(zhì)及水文概況

對(duì)二期工程的工程地質(zhì)條件分析，溜破系統(tǒng)位于礦體下盤輝長(zhǎng)輝綠巖內(nèi)，輝長(zhǎng)輝綠巖為礦區(qū)的主要侵入巖類，多為半堅(jiān)硬巖類，單軸抗壓強(qiáng)度為67.33 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為8.252 MPa，巖體穩(wěn)固性較好。輝長(zhǎng)輝綠巖RMR 評(píng)分值為68，圍巖分級(jí)為Ⅱ級(jí)，整體上屬于穩(wěn)定性好巖體。結(jié)合地質(zhì)資料，溜破系統(tǒng)所處區(qū)域無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造。

根據(jù)有關(guān)地質(zhì)資料分析，大紅山鐵礦圍巖與褶皺，斷裂構(gòu)造配套的節(jié)理裂隙組數(shù)較多，間距較大，密度較小，一般為2～5 條/m，長(zhǎng)3～10 m，節(jié)理面多平直閉合，張開寬度一般為1～5 mm，或充填或無(wú)充填，多為壓扭性。節(jié)理裂隙分組較多，主要與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的多期性有關(guān)，主要有東西向、北東向、北西向、南北向。

水文地質(zhì)方面，礦區(qū)處于曼崗河與肥味河之間的三角區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)陡峻，當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面為兩河匯合處（標(biāo)高670 m）。地面海拔標(biāo)高為670～1 500 m，相對(duì)高差較大，地形利于地表排泄，不利于地下水的補(bǔ)給，開采河床以下礦體時(shí)，河水對(duì)礦坑充水可能有一定影響。大紅山群裂隙含水層富水性弱，主要受裂隙發(fā)育程度控制，總的規(guī)律是由淺而深，裂隙發(fā)育程度漸弱，富水性也隨之漸弱。斷層多被巖體貫入，與圍巖富水性無(wú)明顯差異。礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于裂隙含水層充水為主的簡(jiǎn)單類型。

2 瀑布式溜井系統(tǒng)的提出

依據(jù)大紅山鐵礦二期工程的整體規(guī)劃，礦山在180 和40 m 設(shè)置2 個(gè)有軌集礦運(yùn)輸中段，在180～40 m設(shè)置140 m 深的高溜井溜礦，高溜井和溜破系統(tǒng)之間有2種布置方式［1］。

一是采用異地布置，在溜破系統(tǒng)范圍外布置從180～40 m標(biāo)高的礦（廢）石溜井，礦石在180 m卸載后經(jīng)溜井下放到40 m 中段，在40 m 有軌運(yùn)輸中段設(shè)置接礦巷道并倒運(yùn)至下部的溜破系統(tǒng)碎前礦倉(cāng)內(nèi)，這種布置方式會(huì)增加40 m 中段的基建工程量，同時(shí)增加礦石轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，增加運(yùn)輸成本；一般在礦圍巖條件較差時(shí)，為確保溜礦系統(tǒng)生產(chǎn)安全，才采用該種布置形式。

二是采用與溜破系統(tǒng)同址建設(shè)，該種布置方式40 m標(biāo)高卸礦站和溜井之間又存在2種連接方式：

（1）采用分支溜井方式，主溜井設(shè)置于破碎站兩側(cè)，從0 m 標(biāo)高向上一直通至180 m 標(biāo)高，180 m 標(biāo)高卸載站位于溜井頂部，40 m 標(biāo)高卸載站位于溜井側(cè)面，40 m 標(biāo)高卸載站距離溜井凈間距為10 m，礦石卸載后通過分支斜溜道溜至碎前礦倉(cāng)內(nèi)。該種布置方式存在如下問題：①高溜井在使用過程中一般會(huì)存在沖刷而形成“大肚子”的問題，而沖刷過程和結(jié)果無(wú)法事先預(yù)計(jì)和控制，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及卸載站的安全使用，使整個(gè)溜破系統(tǒng)無(wú)法正常使用；②礦山生產(chǎn)由180 m 以上向180 m 以下過渡時(shí)，180 和40 m 運(yùn)輸中段同時(shí)集礦運(yùn)輸，會(huì)造成40 m 運(yùn)輸中段卸礦困難。從某些礦山的實(shí)例看，采用分支溜井造成溜井系統(tǒng)破壞而導(dǎo)致溜破系統(tǒng)大修，既影響生產(chǎn)，又造成浪費(fèi)，還存在安全隱患。

（2）采用瀑布式溜井方式，上部溜井（180～40 m段）與碎前礦倉(cāng)在平面上錯(cuò)開布置，利用40 m 中段集礦運(yùn)輸通道作為施工通道，在上部溜井底部設(shè)置放礦設(shè)施，將上部溜井的礦石放入40 m 中段集礦運(yùn)輸卸載站下方的礦倉(cāng)中，這樣做可以達(dá)到上部溜井（180～40 m 段）與碎前礦倉(cāng)的有效隔斷和短距離倒運(yùn)的效果，又可以實(shí)現(xiàn)40 m 中段卸載站的卸礦自由，還能夠控制高溜井沖刷引起的“大肚子”造成溜井結(jié)構(gòu)破壞，避免溜破系統(tǒng)整體失效。

通過上述初步分析，結(jié)合大紅山鐵礦工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，在方案設(shè)計(jì)時(shí)選擇瀑布式溜井系統(tǒng)。瀑布式溜井系統(tǒng)是利用重力放礦的原理，同時(shí)在上段溜井底部施加一定的約束放礦，達(dá)到對(duì)礦石溜放管理的目標(biāo)，保障礦山本質(zhì)安全生產(chǎn)。

3 溜破系統(tǒng)布置情況

大紅山鐵礦400 萬(wàn)t/a 二期工程的溜破系統(tǒng)由礦石破碎系統(tǒng)和廢石破碎系統(tǒng)構(gòu)成。礦（廢）石破碎站均設(shè)置于0 m 標(biāo)高。礦（廢）石破碎系統(tǒng)由上部溜井（180～40 m）、溜井底部鏈閘硐室、碎前礦倉(cāng)（40～0 m）、破碎站、成品礦倉(cāng)（0～-40 m）、180 m 卸載站和40 m 卸載站構(gòu)成，上部溜井、鏈閘硐室和碎前礦倉(cāng)之間構(gòu)成了瀑布式溜井關(guān)系。考慮施工效率因素，鏈閘硐室宜布置在40 m 標(biāo)高有軌運(yùn)輸中段上，實(shí)現(xiàn)鏈閘硐室和上部溜井底部段的施工與40 m 中段共用施工通道，為了確保安全，上部溜井的井底礦倉(cāng)壁到碎前礦倉(cāng)壁之間應(yīng)根據(jù)圍巖情況留設(shè)大于5 m 的安全巖柱，為增加礦石流動(dòng)性，上部溜井底宜選擇斜底或至少是半斜底結(jié)構(gòu)，不能采用平底結(jié)構(gòu)，斜底傾角應(yīng)大于物料自然安息角5°～10°；鏈閘硐室應(yīng)按照礦石塊度配置，在硐室內(nèi)應(yīng)設(shè)置便于檢修和檢查溜井底部大塊情況的設(shè)施，斜溜道底板傾角應(yīng)參考物料自然安息角進(jìn)行配置，為確保鏈閘硐室的使用壽命，上部溜井井底放礦額墻、斜溜道底板及側(cè)墻均應(yīng)采取加固措施，加固材料宜選擇耐磨材料加固。根據(jù)以上原則對(duì)大紅山鐵礦二期的溜破系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)情況如下：

礦石破碎系統(tǒng)采用進(jìn)口美卓（Metso）42-65 液壓旋回破碎機(jī)，原礦礦倉(cāng)由2 條構(gòu)成，礦倉(cāng)凈直徑為9 m，深25 m，采用兩側(cè)布置方式；采用單級(jí)雙質(zhì)體XZG2438 型振動(dòng)給礦機(jī)（14 kW，生產(chǎn)能力1 000～1 200 t/h）給礦；成品礦倉(cāng)凈直徑為9 m，深26 m，礦倉(cāng)均采用鋼纖維混凝土支護(hù)，內(nèi)襯43 kg/m 鋼軌加固［2］；礦石破碎硐室凈寬9.5 m，墻高9.5 m，凈斷面積為113.99 m2，硐室長(zhǎng)32 m，硐室一端設(shè)置大件通道入口，另一端設(shè)置回風(fēng)聯(lián)道，回風(fēng)聯(lián)道將破碎產(chǎn)生粉塵回至廢石箕斗豎井，作為溜破系統(tǒng)的專用回風(fēng)道。礦石破碎站平面布置見圖1。

廢石破碎系統(tǒng)采用顎式破碎機(jī)，采用端頭式給料，廢石破碎硐室凈寬7.5 m，墻高8.5 m，凈斷面積為78.54 m2，在硐室另一端設(shè)置大件通道入口，在硐室側(cè)面設(shè)置回風(fēng)聯(lián)道與礦石破碎硐室回風(fēng)聯(lián)道相通，將廢風(fēng)回至廢石箕斗豎井。廢石破碎系統(tǒng)設(shè)置碎前礦倉(cāng)和下部成品礦倉(cāng)，廢石上部礦倉(cāng)凈直徑為9 m，深25 m，成品礦倉(cāng)凈直徑為9 m，深30 m，在碎前礦倉(cāng)的上部設(shè)置瀑布式溜井的上部溜井與180 m廢石卸載站連接。

在2個(gè)破碎硐室之間進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置變電硐室，變電硐室凈寬4.5 m，墻高2.5 m，凈斷面積為16.58 m2，硐室全長(zhǎng)35 m。變電硐室為2 個(gè)破碎硐室內(nèi)的用電設(shè)備供電。0 m標(biāo)高破碎站平面布置見圖2。

4 主溜井系統(tǒng)配置

大紅山鐵礦二期工程上部溜井共設(shè)置3條，其中2 條為礦石溜井，1 條為廢石溜井，溜井上部自180 m卸載站開始，向下至40 m 標(biāo)高卸載站止，高約140 m，3 條溜井高度略有差異，溜井凈直徑為3.5 m，溜井凈高約95 m。溜井上部與180 m 卸載站相連接，卸載站為10m3底側(cè)卸式礦車卸載站，卸載站凈寬7.3 m，墻高2.8 m，凈斷面積34.46 m2，每個(gè)卸載站長(zhǎng)26.4 m，為緩解礦石的沖擊，在礦流沖擊側(cè)設(shè)置緩沖硐室，緩沖硐室與溜井口錯(cuò)開1.5 m 距離，并設(shè)置檢修溜井和卸載站的相關(guān)聯(lián)道及硐室，溜井下部為25 m 高儲(chǔ)礦倉(cāng)，儲(chǔ)礦倉(cāng)凈直徑為7 m。礦倉(cāng)與40 m 標(biāo)高下的碎前礦倉(cāng)（φ9 m）采用斜溜道相連接，斜溜道凈寬3 m，在溜井下部?jī)?chǔ)礦倉(cāng)與斜溜道之間設(shè)置鏈?zhǔn)介l門控制礦流，鏈閘硐室凈寬6.5 m，墻高3.2 m，采用1/3 三心拱斷面布置。上部溜井與40 m 標(biāo)高以下碎前礦倉(cāng)之間呈瀑布式布置，采用鏈閘控制礦石的下放，實(shí)現(xiàn)上部溜井與碎前礦倉(cāng)之間功能上分開，便于生產(chǎn)期間控制礦流，合理調(diào)節(jié)上、下倉(cāng)之間的儲(chǔ)存礦量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)礦石由上部溜井到碎前礦倉(cāng)的倒運(yùn)功能［3］。溜破系統(tǒng)立體示意圖和溜破系統(tǒng)及瀑布式溜井縱剖面見圖3和圖4。

采用瀑布式溜井系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 可以有效控制2 個(gè)集礦運(yùn)輸中段達(dá)到同時(shí)卸礦目的，可以實(shí)現(xiàn)在不同區(qū)域不同標(biāo)高同時(shí)生產(chǎn)，最大化解決生產(chǎn)協(xié)調(diào)和配礦的目的。

（2） 采用鏈閘控制礦流，可以減輕礦流對(duì)溜井礦倉(cāng)的沖刷，確保下部卸載站處于穩(wěn)定的巖層中，不受沖刷后溜井礦倉(cāng)斷面變大的影響，延長(zhǎng)各中段卸載站的使用壽命。

（3） 增加了溜破系統(tǒng)礦倉(cāng)的緩沖儲(chǔ)量，便于礦山連續(xù)正常生產(chǎn)。

（4） 相較傳統(tǒng)的分支溜井布置形式，在使用安全性和壽命上都有很大的提高。

（5） 實(shí)現(xiàn)在受控條件下礦石由上部溜井到碎前礦倉(cāng)的短距離倒運(yùn)，減少轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)。

其主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，施工難度增加，不適用于圍巖條件較差的礦山。

5 瀑布式溜井系統(tǒng)使用效果

大紅山鐵礦二期工程自2016 年投產(chǎn)后，已經(jīng)正常生產(chǎn)5 a，2020年礦山對(duì)溜井系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)1#溜井系統(tǒng)完全正常；2#溜井系統(tǒng)卸載站及2#溜井底儲(chǔ)礦倉(cāng)正常，2#溜井放礦的鏈閘硐室額墻有變形，溜槽底板磨損嚴(yán)重，部分加固襯軌脫落，2#溜井側(cè)向損壞嚴(yán)重，單方向最大沖刷尺寸約12 m 左右，需要進(jìn)行修復(fù)；3#溜井破壞形態(tài)和損壞部位與2#溜井相似，只是3#溜井損壞程度較2#溜井小很多，僅需要對(duì)放礦的鏈閘硐室額墻和溜槽進(jìn)行修復(fù)即可［4-5］。2#溜井沖刷情況見圖5、圖6，3#溜井沖刷情況見圖7、圖8，2#溜井放礦鏈閘硐室情況見圖9、圖10。

對(duì)2 條溜井損壞情況分析，發(fā)現(xiàn)2#溜井沖刷較3#溜井嚴(yán)重，從實(shí)測(cè)斷面圖可以看出，沖刷方向一致，初步判斷與圍巖層位相關(guān)，溜井與軟弱巖層緊鄰，導(dǎo)致單一方向沖刷嚴(yán)重；從圖中分析2 條溜井沖刷方向，垂直列車卸載方向沖刷量較沿列車運(yùn)行方向要大，這與設(shè)置了礦石緩沖硐室相關(guān)，礦石卸載后經(jīng)緩沖硐室緩沖后，改變了礦石后續(xù)的流向，礦流由沿卸載方向運(yùn)動(dòng)變成了垂直卸載方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)3#溜井為廢石溜井，其使用頻率和過礦量與2#溜井相差較多；放礦鏈閘硐室額墻破壞與使用方式相關(guān)，在溜口處理大塊礦石會(huì)造成溜口額墻破壞，溜槽加固襯軌脫落與放礦量關(guān)系密切，同時(shí)還與施工質(zhì)量密切相關(guān)。

經(jīng)過幾年的使用，除去圍巖影響因素外，基本屬于正常沖刷破壞，達(dá)到了當(dāng)初設(shè)計(jì)的目的。

6 結(jié) 語(yǔ)

從大紅山鐵礦二期工程投產(chǎn)后的使用情況看，瀑布式溜井系統(tǒng)將卸礦緩沖、多料倉(cāng)緩沖儲(chǔ)存量、溜井分段控制和短距離倒運(yùn)等多種實(shí)用技術(shù)集于一身，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在如下方面：

（1） 瀑布式溜井形式較適合用于規(guī)模較大的礦山使用，多段緩沖倉(cāng)增加了礦倉(cāng)的儲(chǔ)礦量，有效解決了不連續(xù)的采礦生產(chǎn)與連續(xù)的提升運(yùn)輸之間的矛盾。

（2） 可以控制礦石流，達(dá)到保護(hù)溜井系統(tǒng)的目的，確保溜井的本質(zhì)安全，特別是在滿料位運(yùn)行時(shí)情況會(huì)更好。

（3） 可以滿足多中段同時(shí)卸礦和配礦的需求，本質(zhì)安全性有較大提高。

（4） 可以短距離倒運(yùn)礦石，減少礦石轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，降低礦石轉(zhuǎn)運(yùn)成本。

通過多年的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)，瀑布式溜井系統(tǒng)為地下大型礦山的礦石溜放和破碎提供了圓滿的解決方案，為大型地下礦山的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供了保障，使地下礦山向本質(zhì)安全邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。