路增祥

(1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧省金屬礦產資源綠色開采工程研究中心，遼寧 鞍山 114051)

金屬礦山溜井系統(tǒng)的設計與優(yōu)化

路增祥1，2

(1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧省金屬礦產資源綠色開采工程研究中心，遼寧 鞍山 114051)

摘要：溜井系統(tǒng)是金屬礦山實現礦廢石低成本下向運輸的有效方法。面對國內外礦山頻繁發(fā)生溜井變形破壞的問題，在分析溜井系統(tǒng)變形破壞影響因素的基礎上，以孟家鐵礦露天轉地下開采工程設計為例，進行了溜井運輸系統(tǒng)優(yōu)化，改變了傳統(tǒng)的豎井旁側高段集中溜井的設計模式，提出了豎井旁側礦倉+采區(qū)溜井的溜井系統(tǒng)設計模式和采區(qū)溜井的傾斜布置方案。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的方案減少掘進工程量15307.26m3，減少支護工程量1870.10m3，減少基建工程費457.8萬元，縮短基建工期3.5月，能夠有效克服高段溜井在生產使用過程中的各種不利因素。

關鍵詞：溜井系統(tǒng)；變形破壞；影響因素；優(yōu)化；金屬礦山

溜井系統(tǒng)是金屬礦床地下開采最重要的工程之一，溜井運輸是實現礦、廢石在不同開拓水平之間低成本下向運輸的有效方法。由于溜井系統(tǒng)的服務年限較長、運行環(huán)境惡劣，國內外的溜井變形破壞問題較為突出[1-6]。因此，溜井系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題已成為人們廣泛關注的焦點。從不同的角度研究影響溜井穩(wěn)定性的影響因素[7-8]，并盡量從設計、施工與管理方面[9-10]規(guī)避與克服這些因素，確保溜井系統(tǒng)在其設計服務期內的穩(wěn)定性和可靠運行，是金屬礦床地下開采研究的一個重要課題。

本文就如何防范溜井系統(tǒng)的變形破壞，確保溜井系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在分析溜井系統(tǒng)變形破壞影響因素的基礎上，以本溪罕王礦業(yè)有限公司孟家鐵礦露天轉地下開采溜井運輸系統(tǒng)工程的設計優(yōu)化為例，進行了有益的探討與嘗試，以期為金屬礦山地下開采的溜井系統(tǒng)設計提供參考與指導。

1溜井系統(tǒng)變形破壞的因素分析

溜井系統(tǒng)的應用不同于其它井巷工程，在其特定的工程地質環(huán)境和原巖應力環(huán)境下，長期受到許多動態(tài)和不確定因素的影響，特別是礦石流對溜井井壁的沖擊與摩擦、溜井堵塞后的爆破疏通，嚴重影響了井壁的穩(wěn)定性。

縱觀國內外溜井系統(tǒng)變形破壞的典型實例，溜井系統(tǒng)變形破壞的主要因素有以下幾個方面。

1.1工程地質條件和巖體物理力學性質

工程地質條件包括巖體結構、巖性分布、破碎帶、斷層、地質弱面分布及其狀況、地下水育情況等。巖體的物理力學性質包括容重、空隙度、聲波傳播速度、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比、內聚力、法向及切向剛度等。二者綜合反映的是工程巖體的穩(wěn)定性[11]。一般情況下，強度高且完整性好的圍巖體具有較高的承載能力，能夠抵抗較強的沖擊力和較大的摩擦力。

1.2地應力狀態(tài)

地應力是存在于地層中的原始應力，是引起地下巖體工程結構變形與破壞的根本作用力，地應力的大小及其分布狀態(tài)對工程結構設計有著重大的影響。地下工程的每一次開挖(包括巖體發(fā)生冒落)，都會破壞地應力的分布狀態(tài)，引起地應力的重新分布，直至達到新的應力平衡狀態(tài)。因此，自溜井開始產生變形破壞時起，地應力的平衡狀態(tài)就不斷被打破，形成一個反復加卸載的循環(huán)過程，加劇了溜井的變形破壞。

1.3使用環(huán)境

溜井系統(tǒng)特殊的生產運行環(huán)境條件使溜井井壁頻繁遭受破壞載荷的作用。一方面，使溜井井壁不僅受到下放物料的沖擊與摩擦破壞。這種破壞作用的大小與卸礦方式、礦巖硬度、塊度及溜井中礦巖存儲高度等因素密切相關，礦石下落沖擊能量與距離和速度成正比，卸礦速度快、塊度大對井壁的破壞也大；另一方面，溜井發(fā)生堵塞后的爆破疏通也會對井壁帶來很大的破壞作用。疏通爆破產生的動應力除對被疏通的溜井井壁產生破壞外，也會在相鄰井壁產生反射拉應力和破壞震動，加速了鄰近井筒破壞，而這種破壞作用的大小則與疏通爆破所用的炸藥量、藥包距井壁的距離、巖體中應力波的傳播速度有關。

1.4物料塊度組成及其物理力學特性

爆破破碎后的礦、廢石是呈自然粒級分布的，在通過溜井下放時，由于重力差的原因形成了一種分級，大塊下落的速度要比小塊的大，下落過程中與溜井壁碰撞時產生的沖擊力也比小塊的大。礦巖的塊度尺寸越大、硬度越大、下放的高度越大，對溜井井壁的沖擊破壞作用也越大。

1.5設計施工與管理

溜井系統(tǒng)設計對溜井穩(wěn)定性的影響主要表現在溜井系統(tǒng)位置的選擇、溜井結構、長度、傾角、斷面尺寸和溜井的支護結構等方面。無論是垂直溜井還是傾斜溜井，上述參數對溜井的穩(wěn)定性均有不同程度的影響。

選擇強度高且完整性好的巖體作為溜井位置是溜井系統(tǒng)位置選擇必須著重考慮的問題。但由于溜井系統(tǒng)與主提升井的特殊位置關系，主溜井位置的選擇空間很小，采區(qū)溜井位置的選擇空間較大，而采場溜井受礦體賦存狀態(tài)的影響其選擇空間也有一定的局限性。

溜井結構對溜井穩(wěn)定性的影響表現在溜井系統(tǒng)是否改變了礦、廢石進入溜井和在溜井中運動的軌跡或方向。一旦物流方向發(fā)生改變，則可能對井壁產生沖擊或是加劇對井壁的磨損。

溜井長度對溜井穩(wěn)定性的影響表現在溜井中的儲礦高度一定時，溜井高度越大，物料下落和下降時對溜井壁產生的沖擊力和摩擦力就越大。

溜井傾角對溜井穩(wěn)定性的影響表現在傾角越小，物料下落和下降時對溜井壁產生的沖擊力越大而摩擦力越??；傾角越大，物料下落和下降時對溜井壁產生的摩擦力越大而沖擊力越小。

支護結構能夠有效延長溜井的服務年限，尤其是對穿越軟巖體、碎裂巖體和節(jié)理裂隙發(fā)育的工程圍巖體的溜井，合理的支護結構和支護強度顯得理為重要，它能充分發(fā)揮自身的強度抵御來自下放物料的沖擊與摩擦，保護圍巖不受破壞。

溜井工程施工對其穩(wěn)定性的影響主要表現在施工時爆破作業(yè)對圍巖的損傷破壞。

溜井系統(tǒng)使用與維護中對其穩(wěn)定性影響的最大因素有兩個方面：一是溜井堵塞后的爆破疏通，由于井內空間較小和藥包安置方面的原因，多數情況下，藥包安放時緊貼溜井井壁，炸藥爆炸時對壁帶來嚴重的破壞；二是卸礦高度過大或是空井卸礦，大塊物料下落時對井壁造成反復的沖擊，最終導致井壁不斷產生破壞。

2溜井系統(tǒng)設計方案及存在問題

2.1工程原設計概況

如圖1所示，工程設計中，溜井系統(tǒng)采用了主豎井旁側溜井系統(tǒng)方案，由一條礦石溜井和一條廢石溜井組成，每一條溜井均包括上部卸礦站、溜井井筒、分支溜井、礦倉及下部溜口幾個部分，其中礦石溜井系統(tǒng)還包括破碎硐室。

圖1　溜井系統(tǒng)原設計

2.2存在問題

1)主豎井旁側溜井系統(tǒng)的礦、廢石溜井及礦倉的高度過大，工程施工難度大、施工工藝復雜、施工工期長，不利于縮短礦井建設周期。

2)高階段溜井系統(tǒng)在使用過程中，礦、廢石卸載高度大，卸礦時，溜井與礦倉井壁在礦塊的沖擊作用下，易造成破壞，縮短溜井與礦倉的使用壽命。

3)主溜井為垂直溜井，它與各卸礦中段的連接采用分支溜井方式。礦石從高處高速落下，對溜井中的儲礦壓實，易造成溜井堵塞。分支溜井放礦時，礦、廢石在分支溜井中向主溜井運動，易造成對主溜井井壁的破壞；若主溜井中的儲料高度過大，超過下部中段的分支溜井下口時，會造成下部中段不能正常放礦。

4)高階段主溜井布置方式增加了上部中段運輸車場的開拓工程量，不利于降低基建投資和縮短礦井建設周期。

3溜井系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1優(yōu)化的原則

在確保溜井系統(tǒng)使用功能和壽命的前提下，簡化工程布置，減少開拓與支護工程量，降低工程施工難度，縮短工程建設周期，節(jié)省工程建設投資和降低生產運營成本是礦山建設方案優(yōu)化的基本原則。根據孟家鐵礦露天轉地下開采工程集礦運輸系統(tǒng)設計中存在的問題，結合上述設計優(yōu)化的基本原則，集礦運輸系統(tǒng)優(yōu)化的對象主要是主溜井系統(tǒng)中存在的問題。

3.2優(yōu)化的主要內容

針對原設計方案中存在的主要問題進行優(yōu)化，優(yōu)化后的集礦運輸系統(tǒng)見圖2。

圖2　優(yōu)化后的集礦運輸系統(tǒng)

1)降低主溜井段高，取消主溜井系統(tǒng)的分支溜井。

將溜井系統(tǒng)分為主溜井和采區(qū)溜井兩部分，取消+10～-110m標高之間的主溜井，僅保留-110m標高以下的礦倉段。主溜井段高的降低后，減小了礦、廢石卸載時的下落高度，也就大大降低了礦廢石對溜井井壁的沖擊力；分支溜井取消后，減小了物料向主溜井運動時對溜井井壁的沖擊，有效延長了溜井的使用壽命。

2)設采區(qū)溜井，實現上部各中段產出的礦廢石向-110m中段轉運和-110m中段集中運輸的功能。

通過設立采區(qū)溜井實現+10m和-50m中段產出的礦、廢石向主溜井礦倉的轉運，形成非集中運輸卸載和集中運輸卸載的坑內礦、廢石運輸卸載格局。井下的運輸方式由各中段分別向主溜井系統(tǒng)卸載轉變?yōu)樯喜績蓚€中段向采區(qū)溜井卸載，而-110m中段集中向主溜井礦倉卸載。

如圖2所示，采區(qū)溜井由一條礦石溜井和一條廢石溜井組成，設在40號勘探線附近。礦、廢石分別運到采區(qū)溜井上口卸載，在-110m中段經振動放礦機向電機車列車組裝載，集中運輸到-110m中段的主溜井礦倉卸載站進行卸載，以此方式實現礦廢石從各中段向主溜井礦倉的轉運。

采區(qū)溜井的設計與施工，有效減小了中段出礦的運輸距離，降低了中段運輸成本。

3)簡化非集中運輸中段的井底車場結構形式，減少開拓工程量，降低基建工程投資。

設立采區(qū)溜井后，+10m和-50m中段原設計的井底車場結構(圖3(a))可簡化為圖3(b)所示的結構形式。主豎井旁側工程量大幅度減少，有利于降低工程投資和縮短工程建設周期。

4)采區(qū)溜井采用傾斜方式布置，延長溜井的使用壽命。

圖3　優(yōu)化前后非集中運輸中段井底車場對比圖

礦、廢石在溜井中不同的運動狀態(tài)對井壁產生的沖擊與磨損是導致垂直溜井井壁破壞的主要原因。這種沖擊破壞表現在礦石或廢石在溜井中下落時，呈現出直線下落或折線下落的運動軌跡，易于造成溜井中儲料被二次壓實和溜井井壁的損壞，嚴重時會導致溜井堵塞或溜井坍塌，給礦山生產帶嚴重困難；而磨損破壞表現在溜井下口卸載時，溜井中的儲料整體下降對井壁產生的磨損。

溜井的各種加固方式對延長溜井的服務年限起到了一定的作用，但由于溜井加固方式和加工材料的差異，國內外許多礦山的溜井系統(tǒng)在使用過程中仍出現了井壁破壞或溜井坍塌的事故。因此，選擇合適的位置、通過改變溜井的設計結構來改變礦、廢石在溜井中的運動軌跡，是延長溜井系統(tǒng)服務年限的有效途徑。

基于上述理由，針對孟家鐵礦露天轉地下開采工程的溜井系統(tǒng)優(yōu)化，一是選取圍巖較堅硬、整體性較好的地段設立溜井，利用巖石本身的物理力學性質抵抗礦、廢石在溜井中運動時產生的磨損破壞作用；二是將垂直溜井布置方式改變?yōu)閮A斜溜井布置方式，實現改變礦、廢石在溜井中的運動軌跡的目的，以避免礦石或廢石在溜井中下落時對溜井井壁產生的沖擊破壞作用。為保證溜井中礦、廢石的順利下放和實現工程量的最小化，一般情況下，根據上下中段的平面工程布置關系，傾斜溜井的傾角可在50～80°。三是對于采區(qū)溜井系統(tǒng)，除溜井的上下口因設備設施安裝需要進行混凝土砌筑外，其它部位均不支護，采取“裸井”井身結構，以充分利用圍巖的物理力學特性。

3.3優(yōu)化前后的技術經濟比較

表1列出了集礦運輸系統(tǒng)優(yōu)化前后的可比工程量變化情況。

表1　設計優(yōu)化前后的可比工程量對比表/m3

優(yōu)化前后兩方案比較表現出以下優(yōu)缺點。

1)與原設計相比，優(yōu)化后方案的開鑿工程量減少了15307.26m3，支護工程量減少了1870.10m3，按該礦工程承包單價計算，可減少基建工程費用457.8萬元，縮短基建工期3.5月。但在設備投入方面，比原方案增加了兩部振動放礦機。

2)與原設計相比，方案優(yōu)化后雖然+10m中段和-50m中段的部分礦石存在反向運輸，但中段運輸距離明顯縮短，運輸功減少，運輸效率明顯提高。

3)采區(qū)溜井采用了傾斜方式布置，能夠充分利用巖石本身的物理力學性質抵抗礦、廢石在溜井中運動時產生的磨損破壞和沖擊破壞作用。生產過程中一旦溜井損壞可以擇地另行施工采區(qū)溜井系統(tǒng)，不會對生產系統(tǒng)造成大的影響，靈活性好，工程成本低。

4結論

在分析溜井系統(tǒng)變形破壞影響因素的基礎上，以孟家鐵礦溜井系統(tǒng)工程優(yōu)化為例，通過研究得出以下結論。

1) 豎井旁側礦倉+采區(qū)溜井的新模式和采區(qū)溜井的傾斜布置方案，能夠有效減少溜井系統(tǒng)的開拓工程量與支護工程量，節(jié)省基建工程投資和縮短工程建設工期，也能克服高階段溜井在礦山生產使用過程中的各種不利因素。

2)傾斜溜井能夠有效改變礦、廢石在溜井中的運動軌跡，能夠充分利用巖石本身的物理力學性質抵抗礦、廢石在溜井中運動時產生的磨損破壞作用，避免礦、廢石在溜井中下落時對溜井井壁產生的沖擊破壞。

3) 采區(qū)溜井具有布置靈活、施工簡單和投資低的特點，生產過程中一旦溜井報廢，則可以另行擇地施工溜井，不會對生產系統(tǒng)造成大的影響。同時，設立采區(qū)溜井可使礦、廢石的中段運輸距離明顯縮短，運輸效率明顯提高。

參考文獻

[1]J.Hadjigeorgiou，J.F.Lessard，F.Mercier-Langevin.Ore pass practice in Canadian mines[J].The Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，2005，105(12)：809-816.

[2]L.J.Gardner，N.D.Fernandes.Ore pass rehabilitation-Case studies from Impala Platinum Limited[J].Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，2006，106(1)：17-24.

[3]J.Hadjigeorgiou，T.R.Stacey.The absence of strategy in orepass planning，design，and management[J].Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，2013，113(10)：795-801.

[4]李長洪，蔡美峰，喬蘭，等.某礦主溜井塌落破壞成因分析及其防治對策[J].中國礦業(yè)，1999，8(6):37-39.

[5]明世祥.地下金屬礦山主溜井變形破壞機理分析[J].金屬礦山，2004(1):5-8.

[6]陳得信，王克宏，王興國.盤區(qū)脈外溜井破壞原因分析及井筒維護[J].有色金屬：礦山部分，2009，61(3):15-18.

[7]K.Esmaieli，J.Hadjigeorgiou，and M.Grenon.Stability analysis of the 19A ore pass at Brunswick Mine using a two-stage numerical modeling approach[J].Journal of Rock Mechanics and Rock Engineering，2013，(46):1323-1338.

[8]T.R.Stacey，J.Wesseloo，and G.Bell.Predicting the stability of rockpasses from the geological structure[J].Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，2005，105(12)：803-808.

[9]韓永志，郭寶昆.尖山鐵礦溜井設計及結構參數確定[J].中國礦業(yè)，1994，2(51):164-169.

[10]高義軍，呂力行.高深溜井反漏斗柔性防護方法[J].礦冶，2012，21(1):8-10.

[11]蔡美峰.金屬礦山采礦設計優(yōu)化與地壓控制[M].北京：科學出版社，2001：7-30.

Design and optimization of ore-pass system in metal mines

LU Zeng-xiang1，2

( 1.School of Mining Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 1140513，China;2. Engineering Research Center of Green Mining of Metal Mineral Resources，Liaoning Province，Anshan 1140513，China)

Abstract:The ore-pass system is considered as an effective method to realize low cost transporting vertically of ore or waste rock in metal mines.In the face of orepass deformation and failure problems with increasing frequency of mines at home and abroad，based on the analysis of influencing factors of deformation and failure in ore-pass system，optimization of ore-pass system is carried out by taking engineering design of mining in transition from open-pit to underground in Mengjia Iron Mine for example.The traditional design mode of long ore-pass nearby the main shaft is changed，a new design mode of ore-pass system which is ore bins aside main shaft + inclined ore pass system in mining section is putting forward in this paper.The results show that，compared to the original scheme，the optimization design could reduce the amount of 15307.26m3 of the excavation and of 1870.10m3 of supporting concrete，decrease the construction investment of 4，578，000 RMB，shorten the construction period of 3.5 months，and effectively overcome various unfavorable factors impacting on the stability of long orepass used in mining operation.

Key words：orepass system;deformation and failure;influencing factor;optimization;metal mine

收稿日期：2015-07-06

作者簡介：路增祥(1965-)，男，博士，1988年畢業(yè)于西安礦業(yè)學院礦井建設專業(yè)，現任教授、碩士生導師，主要從事金屬礦床地下開采方面的教學與研究工作。E-mail：zengxiang_lu@sohu.com。

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)01-0164-05