黃明健，王祖輝

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大紅山銅礦主溜井修復技術方案研究*

黃明健，王祖輝

(湖南漣邵建設工程(集團)有限責任公司，湖南 長沙 410011)

針對大紅山銅礦溜井破壞情況，分析造成溜井破壞的原因，有針對性地提出3種溜井修復技術方案，分別為：主溜井修復加固方案；600~550 m間新建溜井和礦石下放至550 m水平轉(zhuǎn)運方案；北部新建溜井，從600 m直接下放至原溜井下段方案。根據(jù)該礦井的具體情況，確定該礦井溜井修復方案為主溜井加固方案，實踐表明，所選方案經(jīng)濟可行。

大紅山銅礦；主溜井；修復方案

0 引 言

溜井是地下金屬礦山最重要的采礦工程之一，井下開采的全部礦巖都由此集中貯藏和轉(zhuǎn)運，它的穩(wěn)定暢通與否對礦山生產(chǎn)影響極大。由于溜井工程環(huán)境復雜，又長期受沖擊載荷作用，穩(wěn)定條件惡劣，一些生產(chǎn)能力大且礦巖軟破的礦山都存在主溜井嚴重變形破壞問題。主溜井破壞，輕者需停產(chǎn)長時間進行返修，嚴重者井筒報廢，影響生產(chǎn)，給礦山造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，探討溜井合理的修(維)復方法，對礦山安全正常生產(chǎn)具有重要意義。

溜井是服務年限較長、運行環(huán)境惡劣的礦山井巷，變形破壞現(xiàn)象普遍存在，但破壞程度卻因礦巖性質(zhì)、原巖應力環(huán)境、卸礦方式、使用條件和維護方法的不同而有較大的差異[1?2]。國內(nèi)外的溜井變形破壞問題較為突出[3?7]。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。影響溜井穩(wěn)定性的因素很多[8?9]，主要原因有工程地質(zhì)條件、礦石的沖擊、爆破影響、受開挖影響而產(chǎn)生的應力集中、支護不合理因素等，應盡量從設計、施工與管理方面規(guī)避與克服這些因素，確保溜井系統(tǒng)在其設計服務期內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠運行。

本文針對大紅山銅礦現(xiàn)狀、主溜井目前現(xiàn)狀及存在的一些問題進行分析，針對主溜井存在的一些問題，結合該礦區(qū)地質(zhì)條件，研究主溜井破壞修復的合理方案。

1 基本概況

1.1 大紅山礦基本概況

大紅山銅礦是中國鋁業(yè)旗下的金屬礦山，位于云南省玉溪市新平彝族傣族自治縣戛灑鎮(zhèn)，是目前我國西南地區(qū)品位較高，儲量較大，投資效益好，同時被國家列為“八五”計劃重點建設工程的唯一銅礦。大紅山銅礦自1997年7月投產(chǎn)開始，到目前礦石溜井累計已過礦量大約2700余萬t。一期設計生產(chǎn)規(guī)模2400 t/d，開采對象為535 m標高以上礦體(上部區(qū)段)。

1.2 主溜井使用現(xiàn)狀

該礦礦石主溜井約520~560 m標高段被砸成“大窟窿”，最大部位寬達14 m，由于影響到了550，535礦石卸礦車場的安全，2005年礦山對礦石主溜井進行了系統(tǒng)加固，540 m標高以下采用24 kg/m鋼軌進行加固，溜井直徑5 m，540~560 m標高段采用鋼筋砼襯砌，溜井直徑為3.5 m。檢修加固的主溜井設施約在2年左右就被砸壞(見圖1)，之后對550 m、535 m礦石卸礦車場進行了多次局部的檢修加固，以維持生產(chǎn)的安全運行。

目前，溜井被砸壞的程度較2005年又有擴大，溜井損壞較大的地段約在520~575 m標高之間，溜井損壞段總體呈“大肚子”狀，損壞最大部位寬度超過20 m。

從圖1可知，550 m水平，溜井的西南角已貼近550 m車場卸礦硐室(實際上已貫穿，修復過)，溜井的東南角距二期箕斗斜井卸礦信號硐室僅有4 m之隔；535 m水平，溜井實際上已打穿550 m車場卸礦硐室和平巷。

目前，一期的535 m中段、550 m中段、600 m以上中段預計采出礦石量1000余萬t，其箕斗斜井要從180 m分流3000 t/a的礦石從一期535 m車場進入一期破碎系統(tǒng)。西部礦段180 m及其以上中段設計有19年的服務年限。二期輔助斜井改造后，將用作二期礦石的提升，其礦石提升后由一期550 m車場進入一期破碎系統(tǒng)，輔助斜井提升能力2500 t/d左右。

圖1 修復前的主溜井

1.3 主溜井修復的必要性

一期礦石主溜井被礦石沖擊損壞、斷面擴大后，在550 m和535 m水平礦石井的西側(cè)，溜井實際井壁距離礦石卸載硐室和平巷已很近，有的部位是打穿后進行支護修復的，與溜井間實際只有支護體間隔，由于600 m等較高處的礦石對溜井井壁沖擊較大，下部550 m和535 m等水平礦石卸載硐室或平巷與溜井之間的較薄井壁或支護體很容易被砸壞，而礦石卸載硐室或平巷內(nèi)又經(jīng)常有人員作業(yè)和車輛運行，因此很不安全。在550 m水平礦石井的東側(cè)，溜井實際井壁距離二期箕斗斜井的設施也較近，如果一期礦石井斷面因沖擊繼續(xù)擴大，將影響到二期箕斗斜井的安全。

一期礦石主溜井和廢石井相距25 m，礦石卸載線布置于二者之間，由于主溜井和廢石井均損壞，斷面擴大，使得支撐礦石卸載線的巖體變得較薄，影響到礦石卸載線的安全。主溜井和廢石井損壞后斷面擴大，實際上是形成了兩個相距較近的空區(qū)，且礦石井所處的區(qū)域是一斷層帶，圍巖穩(wěn)固性相對較差，如果溜井損壞不能得到遏制，可能會引起較大的塌方，危及到相鄰設施的安全，沖擊損壞部位再向下發(fā)展，還將影響到500 m水平破碎硐室、變電硐室等設施的安全。綜上所述，考慮到該礦的持續(xù)與安全生產(chǎn)的要求，需對主溜井進行相應修復，以消除安全隱患。

2 主要設計方案及技術

2.1 溜井損壞原因分析

從大量的實踐經(jīng)驗看，礦石對溜井的直接沖擊是造成溜井損壞的主要原因[7?8]。在礦石的直接沖擊點，再強的支護一般都難于抵擋礦石沖擊的破壞。實際生產(chǎn)中，如468 m水平采一號膠帶卸載點，礦流前方用鋼軌做成的支擋設施都要經(jīng)常更換。從一期礦石實測斷面看，550 m水平卸礦斜溜道方向為東南向，礦石井的東南面524~540 m標高范圍受550 m卸礦的沖擊損壞較大，600 m水平卸礦斜溜道方向為東北向，礦石井的東北面540~574 m標高范圍受600 m卸礦的沖擊損壞較大，礦石沖擊到井壁后反彈，又會沖擊到對側(cè)，使對側(cè)產(chǎn)生損壞。

從實際損壞的程度看，600 m及以上礦石因其下落時勢能較大，對溜井的沖擊損壞較大，550 m則次之，535 m因主要砸在溜井底部的礦堆上(溜井不放空)，對溜井破壞較小。

從生產(chǎn)實際情況看，要保證535 m放礦，520 m標高以上溜井需要處于空倉狀態(tài)，這樣520 m標高部分就暴露出來受上部卸礦的沖擊。同時，溜井處于一斷層帶上，圍巖穩(wěn)固性相對較差，溜井井壁易被砸壞。在儲礦段，放礦時礦流下降，礦石與井壁摩擦，會對井壁產(chǎn)生磨損。支護和加固的方式選擇不合適，也是溜井損壞的原因之一。

2.2 避免溜井損壞的應對措施

從上述溜井損壞的原因分析看，主要是直接沖擊、礦石的落差、圍巖穩(wěn)固性、是否空倉、加固方式等因素，可以針對上述因素采取相應的措施。

對直接沖擊，一是采取改變礦流方向的措施，將直接沖擊變?yōu)椴粵_擊或減少沖擊；二是在受沖擊位置設置粉礦堆；三是調(diào)整設計，將受沖擊的部位放置到?jīng)_擊范圍之外；四是設置加固設施，如襯鋼板、襯鋼軌、襯錳鋼板等以抵抗沖擊。對礦石落差較大的情況，可將溜井設置成分段溜井的型式，減小落差。圍巖穩(wěn)固性較差時應采取支護措施，并加固。同時，在日常生產(chǎn)過程中，有條件時盡量滿倉放礦。

2.3 溜井修復方案

根據(jù)上述分析，擬采用如下3種溜井檢修方案：一是主溜井修復加固方案(簡稱修復加固方案)；二是600~550 m間新建溜井、礦石下放至550 m水平轉(zhuǎn)運方案(簡稱550 m轉(zhuǎn)運方案)；三是北部新建溜井，從600 m直接下放至原溜井下段方案(簡稱新建溜井直接下放方案)。

2.3.1 主溜井修復加固方案

在600 m中段卸礦斜溜口下口處設置溜井鎖口段，在鎖口段上端設置粉礦堆；在溜井斷面受沖擊破壞較大的地段，采用直徑較大的圓形斷面對溜井進行襯砌，壁后用毛石砼進行充填；各中段斜溜口處，有條件時設置粉礦堆；在生產(chǎn)中采取調(diào)整措施，使640 m及其以上中段的礦石不直接卸入礦石溜井，改為下放到600 m后再轉(zhuǎn)運進入礦石溜井或分流從其它系統(tǒng)運走。

將640 m及其以上中段的礦石分流運走或在600 m將溜井分段，主要是要減小卸礦高差，減小礦石對溜井井壁的沖擊；在600 m中段卸礦斜溜口下口處設置溜井鎖口，并在600 m中段斜溜口及鎖口段上端設置粉礦堆，使600 m中段卸入溜井的礦石在粉礦堆上緩沖后，以近乎垂直下落的方式進入下部溜井，減少對下部溜井井壁的沖擊；對溜井損壞段進行襯砌，并進行壁后充填，避免溜井損壞繼續(xù)擴大；溜井襯砌采用較大的斷面，盡量避開600 m中段卸入由鎖口處下落的礦石、550 m和535 m中段由斜溜道卸入的礦石對井壁的沖擊；在溜口處、鎖口段上端設置粉礦堆能避免礦石的直接沖擊，并對下落礦石有緩沖作用。

從溜井的實測斷面分析可得，損壞段主要在520~580 m標高之間，損壞的程度為中間較大，兩端較小，實測斷面不規(guī)則。為保證生產(chǎn)安全，需對溜井進行襯砌，對于溜井襯砌，有2個方案：

(1) 只對溜井的東西兩面進行襯砌，西面的襯砌保護550 m、535 m中段卸載線，東面的襯砌保護箕斗斜井，這一方案是在溜井的東西兩側(cè)各設置一面墻體，墻體自穩(wěn)性差，需向巖體打錨索來保證墻體不至傾覆，且工程量較大，施工難度較大；

(2) 用圓形斷面襯砌，這一方案能避免上一方案的缺點，經(jīng)分析，認為采用圓形斷面對溜井進行襯砌較為合適。該方案修復工藝流程見圖2。

采用該方案可恢復原溜井功能，溜井功能簡捷高效、結構合理、抗沖擊磨損性能強。同時，溜井修復后的運營成本較為合理，在可承受的范圍之內(nèi)。

2.3.2 550 m轉(zhuǎn)運方案

該方案只對原礦石溜井550 m以下部分進行修復加固，550 m以上部分進行封閉，600 m及以上中段礦石通過550~600 m之間新建一條礦石溜井下放至550 m中段，通過增加少量巷道、完善550 m中段車場，將礦石轉(zhuǎn)運至550 m卸礦硐室卸入加固好的原礦石溜井。原溜井516~543 m間的修復加固方案同以上礦石溜井修復加固方案，在543 m處用鋼筋混泥土蓋板進行封閉，溜井周邊至550 m的空區(qū)用毛石砼加固，550 m以上至600 m這部分空區(qū)用廢石回填。

550 m中段礦石轉(zhuǎn)運能力緊張，由于轉(zhuǎn)運線路長度有限，以兩列車(由10 t電機車牽引2 m3側(cè)卸式礦車，每列車12個車廂)運行較妥，但礦石運量只有4000 t/d左右，還有2000 t/d礦石量要通過其他方式分流。此外，二期輔助斜井提升的原礦在550 m采用2 m3側(cè)卸式礦車雙機牽引轉(zhuǎn)運礦石；550 m中段、575 m中段2~3年內(nèi)仍需利用550 m運輸。在此條件下溜井車場列車數(shù)量將多達4~5列，運行難度極大，不能滿足礦石轉(zhuǎn)運要求。因此，此方案不但增加礦石轉(zhuǎn)運成本，也增加了作業(yè)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)管理的困難。

圖2 修復工藝流程

采用該方案的工期短一些，對礦山生產(chǎn)進度的影響也較小，但其缺點是，550 m中段礦石轉(zhuǎn)運能力緊張，只有4000 t/d左右，還有2000 t/d左右的礦石量要通過其他方式分流。此外，與二期輔助斜井礦石轉(zhuǎn)運列車沖突大，不能滿足礦石運輸?shù)囊蟆?/p>

2.3.3 新建溜井直接下放方案

在主溜井的北部新建溜井，將600 m及以上的礦石通過新建溜井直接下放到約518 m標高、進入下段修復和加固的溜井。該方案對原溜井550 m以下部分用“溜井修復加固方案”的方式進行修復加固，對上部550~600 m之間的損壞部分用廢石進行充填。新建溜井由直溜井段(直徑3.5 m，高度31 m)和斜溜道段(直徑5 m，角度60°，斜長56.4 m)組成。

該方案由于550 m以下的原溜井段要進行修復加固，新溜井的上部垂直段只能采用正掘法從600 m水平往下施工，下部斜溜道段需待原溜井下段修復加固后再從下往上施工，不能使用吊罐法施工，故工期較長，達220 d左右，而且使新溜井的單位造價增高(或者要在上部垂直段與下部斜溜道的聯(lián)結處增加斜溜道段出渣措施工程)。此方案，由于溜井向北移，列車卸礦時牽引機頭已進入彎道段，容易產(chǎn)生車輛掉道，卸礦可靠性差。

采用該方案可以省去“溜井修復加固方案中”550 m以上部分的加固工程，有利于減少工程費用。但該方案下段斜溜道太長，達到56.4 m，如采用儲礦方式放礦，容易引起斜溜道堵塞，不用儲礦方式放礦，斜溜道的磨損嚴重，而且在溜井的變段處，磨損沖擊也很嚴重，不易維護。同時該方案具有工期長的特點，嚴重影響礦井的日常生產(chǎn)。

綜合上述3種方案的優(yōu)缺點及礦區(qū)的具體實際情況，大紅山銅礦對溜井修復采用主溜井加固修復的 方案。

3 結 論

根據(jù)大紅山銅礦主溜井主要的情況，提出了3種不同的主溜井修復方案，分別為：主溜井加固修復方案、550 m轉(zhuǎn)運方案及新建溜井下放方案。綜合經(jīng)濟成本、地質(zhì)條件及時間考慮，采用主溜井加固修復方案更為適合，采用該方案能恢復原溜井的功能，簡潔高效，并且結構合理，耐沖擊性較強。實踐表明，采用該方案有效節(jié)省了運營成本，實施效果良好，大紅山銅礦主溜井的修復可為國內(nèi)外類似主溜井修復提供有效的借鑒，具有一定的工程示范意義。

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河北省自然科學基金項目(E2016209388).

(2018?08?03)

黃明健(1976—)，男，工程師，主要從事礦山建設及生產(chǎn)方面的技術與管理工作，Email: 496390636@qq.com。