礦山溜井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

徐巍 XU Wei；周奇 ZHOU Qi；周凌波 ZHOU Ling-bo；馬延全 MA Yan-quan；徐歡 XU Huan

（浙江交投浙東礦業(yè)有限公司，臺(tái)州 317109）

0 引言

礦山溜井運(yùn)輸是礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)應(yīng)用和生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵形式之一，通過(guò)礦山溜井系統(tǒng)放巖放礦，具備節(jié)省轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備、降低提升消耗和生產(chǎn)管理方便快捷等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠借助礦山溜井系統(tǒng)這一組成部分，穩(wěn)定礦產(chǎn)資源的開(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程，對(duì)于保障礦井的正常運(yùn)行有著重要價(jià)值，因此，強(qiáng)化對(duì)礦山溜井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，是諸多工程專(zhuān)家和學(xué)者研究的課題。本文對(duì)礦山溜井系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究，也就具備重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 工程概況

浙江交投浙東礦業(yè)有限公司三門(mén)縣其頭山礦規(guī)劃生產(chǎn)規(guī)模為1550 萬(wàn)噸/年，出讓年限15 年，礦區(qū)面積1.0257km2。本工程為礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包，為浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司與礦冶科技集團(tuán)有限公司聯(lián)合中標(biāo)，主要工程內(nèi)容包括礦山道路、場(chǎng)地平整、平硐、溜井系統(tǒng)、硐室系統(tǒng)等，其中的溜井系統(tǒng)包括溜井、礦倉(cāng)、板喂機(jī)硐室及檢查井，圖1 即為溜井系統(tǒng)平面圖。

圖1 溜井系統(tǒng)平面圖

進(jìn)一步分析該項(xiàng)目周?chē)沫h(huán)境條件可知，該項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，處于海洋性氣候與內(nèi)陸性氣候的交互地帶，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，日照充足。項(xiàng)目區(qū)屬丘陵地貌，最高海拔+358.24m，最低海拔+2.8m，相對(duì)最大高差355.44m，礦山大部分為原始山體，自然地形坡度30°左右，局部陡處可達(dá)50°，山頂部分巖體裸露，植被發(fā)育主要為松樹(shù)等喬木及灌木、雜草，溜井及其周邊出露的地層為侏羅統(tǒng)大爽組（J3d）和第四系（Q）。溜井口現(xiàn)狀標(biāo)高318.5m，溜井平臺(tái)建成后，溜井系統(tǒng)所在基巖為未風(fēng)化流紋質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度109.00~148.00MPa，平均126MPa，屬堅(jiān)硬巖類(lèi)，礦區(qū)大地構(gòu)造位置位于華南褶皺系（Ⅰ2）浙東南褶皺帶（Ⅱ3）溫州—臨海拗陷（Ⅲ8）之黃巖—象山斷拗（Ⅳ11）盆地，區(qū)域構(gòu)造以斷裂為主，以北東向斷裂較發(fā)育，次為近東西向斷裂，區(qū)內(nèi)無(wú)區(qū)域性主干活動(dòng)斷裂通過(guò)，溜井周邊300m 無(wú)重要景點(diǎn)，遠(yuǎn)離居民區(qū)、交通干線。

2 礦山溜井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 溜井的結(jié)構(gòu)型式

在確定三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目溜井結(jié)構(gòu)形式過(guò)程中，首先按照國(guó)家《采礦手冊(cè)》的相關(guān)規(guī)定，分析不同結(jié)構(gòu)形式的溜井系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用情況和應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，然后結(jié)合三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件、該項(xiàng)目未來(lái)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力、設(shè)備的運(yùn)行情況、地質(zhì)開(kāi)挖過(guò)程中的堵塞情況和建設(shè)過(guò)程中的施工情況等諸多內(nèi)容，對(duì)比分析不同類(lèi)型的溜井系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)缺點(diǎn)，然后在施工團(tuán)隊(duì)討論后給出不同路段的審核情況，最終商量選擇以平硐溜井方式為三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目建設(shè)的結(jié)構(gòu)形式，其示意圖如圖2。由圖可知，當(dāng)?shù)V脈側(cè)翼沿山坡露出，平硐可沿礦脈走向掘進(jìn)，成為沿礦脈平硐開(kāi)拓法，借助開(kāi)鑿的平硐和溜井兩大部分構(gòu)建采礦作業(yè)工作臺(tái)與礦產(chǎn)資源運(yùn)輸?shù)穆?lián)系。平硐溜井架構(gòu)主要由溜井（槽）、貯礦倉(cāng)、硐室、采礦場(chǎng)和地面卸載點(diǎn)的平硐五個(gè)部分構(gòu)成，其中溜井配有運(yùn)輸平硐、檢修平硐、回風(fēng)斜井、溜井、檢修硐室、破碎硐室和輔助硐室等，貯礦倉(cāng)用于儲(chǔ)存開(kāi)采的礦石。溜井位置的選擇應(yīng)綜合考慮礦山地形，保證溜井巖層穩(wěn)固、避開(kāi)水層，使溜井與采礦工作面間的平均運(yùn)輸距離最短。在我國(guó)溜井開(kāi)拓方式常用在地形復(fù)雜的礦山，利用溜放礦巖的自重克服地形高度差，礦巖沿溜井利用其自重溜放，降低汽車(chē)運(yùn)輸距離和運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量的同時(shí)減少開(kāi)采礦產(chǎn)資源的運(yùn)輸成本。

圖2 平硐溜井示意圖

2.2 溜井的結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦區(qū)位于臺(tái)州市三門(mén)縣健跳鎮(zhèn)西渡村、峋巖村、龍?zhí)洞?，地理中心坐?biāo)：東經(jīng)121°33′03″，北緯29°05′49″；面積為4.05km2，開(kāi)采標(biāo)高自+358.24m 至+1.5m，采礦權(quán)出讓期限為自采礦許可證頒發(fā)之日起15 年（含基建期2年），開(kāi)采礦種為建筑用石料（凝灰?guī)r）礦，預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)總資源量13000 萬(wàn)噸。礦區(qū)范圍由38 個(gè)拐點(diǎn)圈定，礦區(qū)面積1.0257km2，礦體平面形態(tài)呈不規(guī)則多邊形，剖面形態(tài)似三角形或不規(guī)則多邊形，南北長(zhǎng)約1200m，東西寬390～1000m，厚0~354.44m，主體為流紋質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r。

3 方案優(yōu)化考慮的因素

在三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目?jī)?yōu)化過(guò)程中，首先，要秉持著既兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)又考慮當(dāng)前的基本原則，在礦山資源開(kāi)采過(guò)程中，保證礦山資源生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行，由于該工程設(shè)置了年生產(chǎn)能力，一旦所有的礦山深井生產(chǎn)全部停止，很可能導(dǎo)致整個(gè)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)企業(yè)生產(chǎn)效益達(dá)不到預(yù)期指標(biāo)，最終造成礦石生產(chǎn)企業(yè)虧損或者是破產(chǎn)的問(wèn)題，因此，整個(gè)三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目的優(yōu)化施工，必須保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行，確保能夠在技術(shù)上完成改造，且能夠在經(jīng)濟(jì)上達(dá)標(biāo)。其次，三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目施工，要兼顧施工方便原則，施工過(guò)程要便于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的管理，保證最終施工效率和價(jià)值處于可控狀態(tài)。最后，三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目施工方案優(yōu)化過(guò)程中，要針對(duì)性地選擇設(shè)計(jì)方案，盡量利用原有的工程設(shè)施，保證投入必要，確保快產(chǎn)出、高效益，降低工程施工成本。

4 方案實(shí)施

在三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目?jī)?yōu)化方案實(shí)施過(guò)程中，主要考慮中段溜井設(shè)計(jì)方案、水平溜井維護(hù)方案和維修與措施巷道（天井）三部分內(nèi)容。

4.1 中段溜井設(shè)計(jì)方案

中段溜井設(shè)計(jì)方案的實(shí)施過(guò)程中，為充分利用三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目原有工程設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)階段礦山項(xiàng)目所在地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文條件等參數(shù)，設(shè)計(jì)得到溜井平硐開(kāi)拓系統(tǒng)。溜井平硐開(kāi)拓系統(tǒng)主要由溜井、平硐、硐室等組成，含溜井系統(tǒng)、平硐系統(tǒng)、硐室系統(tǒng)、礦山道路、設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)（振動(dòng)給料機(jī)、皮帶機(jī)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、機(jī)械臂等）、消防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、安全環(huán)保設(shè)施系統(tǒng)。采用先進(jìn)的溜井平硐開(kāi)拓系統(tǒng)工藝，礦業(yè)平硐系統(tǒng)采用溜井直徑為8m、井深198.3m、皮帶平硐長(zhǎng)545m、檢修平硐長(zhǎng)505m。當(dāng)?shù)V脈側(cè)翼沿山坡出露，平硐沿礦脈走向掘進(jìn)，平硐分為主平硐和階段平硐。主平硐：為整個(gè)礦井運(yùn)礦的平硐；階段平硐：各階段直接通地表的平硐，階段平硐可以用于運(yùn)輸?shù)V石、廢石、人員、材料和設(shè)備。礦山投產(chǎn)后，爆破開(kāi)采的原石可通過(guò)溜井，從山頂直達(dá)底部硐室內(nèi)進(jìn)行初步“消化”破碎，之后通過(guò)“高速通道”皮帶平硐送往生產(chǎn)線進(jìn)行深度加工；檢修硐室與檢修平硐則主要用于維修人員進(jìn)出，對(duì)硐室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行日常保養(yǎng)維修。溜井系統(tǒng)工程總深度227m，拉通4700m 上山開(kāi)拓道路，將反井鉆機(jī)及其輔助設(shè)備準(zhǔn)時(shí)運(yùn)至307m 高的山頂溜井平臺(tái)，溜井系統(tǒng)建成后可將開(kāi)采的原石送入硐室內(nèi)進(jìn)行初步破碎，再通過(guò)皮帶平硐送往生產(chǎn)線進(jìn)行深加工。溜井施工步驟分反井鉆機(jī)掘進(jìn)反拉、擴(kuò)挖及支護(hù)施工“三步走”，系統(tǒng)配套限位裝置、緊急停車(chē)裝置、短繩保護(hù)裝置等安全保護(hù)措施。掘進(jìn)反拉先由反井鉆機(jī)向下鉆進(jìn)較小的先導(dǎo)孔，貫通后在溜井底部接上直徑為2m 的鉆頭向上反拉。采用“二段式”輸送方式，在半山腰建立蓄水站，再將水抽至山頂，保證用水的穩(wěn)定可控，降低了能耗成本。礦石通過(guò)溜井下放至平峒內(nèi)，經(jīng)膠帶機(jī)或礦車(chē)運(yùn)至生產(chǎn)線，可以大幅減少汽車(chē)運(yùn)輸距離，大大降低礦石運(yùn)輸成本，運(yùn)輸能力顯著增強(qiáng)。

4.2 水平溜井維護(hù)方案

在水平溜井系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)過(guò)程中，雖然該部分溜井系統(tǒng)并未發(fā)生大面積坍塌故障，但秉持安全原則，也需要對(duì)原有溜井進(jìn)行加固維護(hù)。其維護(hù)方案主要包括以下內(nèi)容：一是在礦界范圍內(nèi)，按開(kāi)采底盤(pán)標(biāo)高+1.5m、總體邊坡角45°，（按底級(jí)臺(tái)階高度為10.5m，其他臺(tái)階高度12m、臺(tái)階坡面角60°、安全平臺(tái)寬度4m、隔二個(gè)臺(tái)階設(shè)一個(gè)7m 寬的清掃平臺(tái)，其中至+180m 標(biāo)高設(shè)置大平臺(tái)，延宕底預(yù)留一條寬15m，平均坡度小于6°通往+180m 平臺(tái)上山道路參數(shù)確定）及風(fēng)化層頂、底界面等圈定礦體。其次是現(xiàn)澆問(wèn)題，在將澆筑所需物料運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)后，使用伸縮式金屬整體移動(dòng)式模板進(jìn)行灌注，既能保證模板搭設(shè)便捷快速，也能保證澆筑速度符合預(yù)期。最后是澆筑厚度和養(yǎng)護(hù)參數(shù)的設(shè)定。在三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目澆筑后，由于整個(gè)項(xiàng)目均選用鋼纖維補(bǔ)償收縮混凝土，該類(lèi)混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要較良好的水環(huán)境，一般需選用蓄水養(yǎng)護(hù)或用蓄水性良好的材料覆蓋淋水養(yǎng)護(hù)，才能確保鋼纖維補(bǔ)償收縮混凝土達(dá)到養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，后期才能確保該類(lèi)混凝土結(jié)構(gòu)和承載力等符合預(yù)期，才能保障溜井的穩(wěn)固性滿足設(shè)計(jì)要求，保證溜井的使用年限，減少不必要的成本浪費(fèi)，因此，三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目澆筑厚度設(shè)定為300mm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14晝夜。

4.3 維修與措施巷道（天井）

在三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目溜井系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，由于該溜井系統(tǒng)存在自身耗損，需要定期檢查并維修檢修，因此在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該保留維修與措施巷道（天井），設(shè)置好完整的維護(hù)檢修巷道。根據(jù)三門(mén)縣其頭山礦礦山開(kāi)拓系統(tǒng)EPC 總承包項(xiàng)目礦山現(xiàn)狀，在358.24m 水平左右施工一條措施平巷，將該巷道作為后期振動(dòng)放礦機(jī)的檢修巷道，然后再水平施工一條措施平巷及天井，施工后進(jìn)行封堵，其結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

圖3 維修與措施巷道（天井）示意圖

5 礦山開(kāi)采施工創(chuàng)新成效

①三門(mén)其頭山礦是目前浙江省內(nèi)最大的建筑用石料單體礦，礦山地形復(fù)雜，開(kāi)采難度大，經(jīng)多方論證評(píng)審，確定礦山以平硐溜井方式開(kāi)拓，整個(gè)礦區(qū)工程控制程度較好，采用豎井平硐的錨石運(yùn)輸，不僅可以節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用，且杜絕了重載下坡途中存在安全隱患。

②礦石通過(guò)溜井下放至平峒內(nèi)，經(jīng)膠帶機(jī)或礦車(chē)運(yùn)至生產(chǎn)線，可以大幅減少汽車(chē)運(yùn)輸距離，大大降低礦石運(yùn)輸成本，運(yùn)輸能力顯著增強(qiáng)。（表1）

表1 礦山開(kāi)采施工方式優(yōu)化對(duì)比表

③聚焦工程難度大、地質(zhì)條件多變等工程重難點(diǎn)，深入研究地質(zhì)構(gòu)造和特征，明確礦區(qū)的地形地貌條件、地層、構(gòu)造、巖性特征和建筑用石料的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀和礦石質(zhì)量特征；了解了場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)條件，估算場(chǎng)地平整所涉及的資源量，對(duì)礦產(chǎn)資源實(shí)行分區(qū)開(kāi)發(fā)與保護(hù)制度，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源科學(xué)合理布局與開(kāi)發(fā)利用。

6 結(jié)論

本文依據(jù)三門(mén)縣的礦產(chǎn)資源賦存特點(diǎn)，綜合礦山地質(zhì)條件、資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)測(cè)量、礦石規(guī)模、礦山設(shè)備等多個(gè)因素，確定礦山以平硐溜井方式開(kāi)拓，提出礦井溜井開(kāi)采設(shè)計(jì)和優(yōu)化開(kāi)拓系統(tǒng)方案，確定水平溜井維護(hù)和維護(hù)檢修巷道方案，通過(guò)系統(tǒng)的方法論優(yōu)化采礦工程設(shè)計(jì)，綜合開(kāi)發(fā)利用礦區(qū)資源，提高礦井的開(kāi)采產(chǎn)量及工作效率。