劉懷智 崔瑞瑞

(中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連116600)

0 引言

地處西北天山地區(qū)某鐵鋅礦山，主礦體在海拔高度3 500～4 000 m之間，屬于典型高海拔礦山，礦區(qū)內(nèi)冰川發(fā)育，地形陡峭，地表運(yùn)輸條件惡劣，地表植被以牧草為主。

礦山采場分兩期建設(shè)，一期規(guī)模150萬t/a，二期450萬t/a。一期已建成使用，采用平硐溜井開拓，無底柱分段崩落法開采，井下生產(chǎn)礦石由電機(jī)車牽引礦車運(yùn)出平硐，在平硐口倒裝至汽車，再由汽車經(jīng)地表道路運(yùn)往選礦廠處理。因地表運(yùn)輸條件惡劣，投產(chǎn)以來，冬季每遇風(fēng)雪天氣，路面行車?yán)щy，多次影響山下選廠連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)。

礦山選廠在山下2 900 m溝口處，與礦山采場直距20 km，地表道路35 km，分期建設(shè)規(guī)模與采場分期規(guī)模一致，一期選廠已建成使用。工藝流程為先浮后磁、階段磨礦、階段磁選，尾礦庫在選廠西北約2 km處，一期尾礦庫已投入使用。

礦山二期采礦開拓系統(tǒng)仍選用平硐溜井系統(tǒng)，在3 568 m主運(yùn)平硐硐口工業(yè)場地設(shè)置干選、破碎車間，礦石經(jīng)干選甩廢后由汽車運(yùn)至選廠處理。由于礦石運(yùn)輸量增加較多，現(xiàn)有地表道路需拓寬，受地形條件限制，道路拓寬難度大，新修道路工程費(fèi)用多，同時由于運(yùn)輸車輛增加較多，估算每年柴油用量為260 t，CO2排放量687 t，尾氣排放對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，地表汽車運(yùn)輸方式已不符合該地區(qū)環(huán)保政策要求，礦石外運(yùn)方式需調(diào)整。

1 礦山采選聯(lián)合開采方案的提出

二期建設(shè)考慮外運(yùn)方案時，當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求減少地表3 000 m標(biāo)高以上人員活動，降低地表汽車運(yùn)輸尾氣排放對周邊環(huán)境影響，為此，二期礦石外運(yùn)方案考慮了膠帶運(yùn)輸和管道輸送兩個方案。

外部膠帶方案布置時，在3 568 m工業(yè)場地設(shè)破碎系統(tǒng)，礦石經(jīng)3 568 m平硐運(yùn)出地表卸入破碎礦倉，破碎后的礦石經(jīng)膠帶輸送至選礦廠。該方案設(shè)一條外運(yùn)膠帶，沿外部公路架設(shè)，帶寬1.2 m，帶速3 m/s，共設(shè)8段膠帶，長度約20 km，膠帶投資約為2.1億元(不含通廊、通廊基礎(chǔ)、驅(qū)動轉(zhuǎn)運(yùn)站、配電、采暖、征地等費(fèi)用)，見圖1。膠帶運(yùn)輸方案優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)輸能力大、自動化程度高、受氣候條件影響小、運(yùn)營費(fèi)低、環(huán)境影響?。蝗秉c(diǎn)是膠帶運(yùn)輸段數(shù)多，驅(qū)動站基礎(chǔ)要求高，冬季防凍要求需設(shè)置膠帶通廊，一次性投入高。

圖1 膠帶運(yùn)輸方案

外部管道方案起點(diǎn)設(shè)在3 568 m工業(yè)場地的兩座12.5 m攪拌槽，終點(diǎn)為選礦廠一座12.6 m攪拌槽，路由中間設(shè)消能設(shè)施，管道沿途設(shè)一座壓力監(jiān)測站，管道沿現(xiàn)有地表道路地埋敷設(shè)，埋地深度在凍土層以下，線路坡度小于12%，線路長度為20.4 km，礦漿運(yùn)行流速3.2 m/s，濃度為55%，輸送管道直徑300 mm，管壁厚12.7 mm，兩條越野管道中主管道為耐磨復(fù)合管道，另一條為備用管道，采用無內(nèi)襯鋼管，見圖2。方案投資約為0.9億元(不含征地費(fèi))。管道運(yùn)輸方案優(yōu)點(diǎn)是受氣候條件影響小、運(yùn)營費(fèi)低、環(huán)境影響?。蝗秉c(diǎn)是沿路敷設(shè)凍土層開挖量大，影響現(xiàn)有道路，局部道路需拓寬。

圖2 管道輸送方案

兩個方案相比，膠帶方案雖然運(yùn)輸能力較大，但投資較高，驅(qū)動站基礎(chǔ)要求高。二期礦山采場能力提升空間有限，不宜選擇能力較大的膠帶方案，因此外運(yùn)方案最終選取管道輸送方案。

2 礦山采選聯(lián)合開采方案

2.1 方案布置

按管道外運(yùn)方案考慮時，礦石需經(jīng)破碎系統(tǒng)破碎、干選系統(tǒng)甩廢、磨礦濃縮系統(tǒng)處理后形成粗顆粒礦漿才可以進(jìn)入管道輸送系統(tǒng)，因此磨礦工藝系統(tǒng)選取半自磨系統(tǒng)，破碎系統(tǒng)、半自磨系統(tǒng)、濃縮系統(tǒng)在工業(yè)場地呈階梯狀集中展布，地表主要工業(yè)廠房尺寸見表1。

表1 地表主要工業(yè)廠房尺寸 m

根據(jù)工程布置需要，首選平硐口工業(yè)場地作為破碎-半自磨系統(tǒng)場地，但通過工業(yè)場地初步勘查，發(fā)現(xiàn)該場地不宜建廠。

結(jié)合上述場情況，在該場地?zé)o法作為工業(yè)場地使用時，方案考慮將選礦廠破碎-半自磨系統(tǒng)設(shè)在井下3 568 m水平，采用硐室群方式將井下采礦開拓工程與選礦干選甩廢、半自磨磨礦、濃密系統(tǒng)一并考慮，主要硐室工程包括:主溜井破碎硐室、干選礦倉、干選硐室、磨礦倉硐室、半自磨磨礦硐室(尺寸：50 m×22.5 m×29 m)、濃縮硐室(尺寸：125 m×20 m×10 m)等，礦漿經(jīng)旋流器分級后由管道送到濃縮及環(huán)水泵站，各功能硐室由主溜井向平硐口方向沿平硐平行布置；相應(yīng)配套變電硐室、各硐室間聯(lián)絡(luò)巷道及回風(fēng)井等工程。

考慮半自磨濃縮系統(tǒng)全設(shè)在井下時，工程量大，硐室跨度大，施工難度大等問題，將硐室群中對場地基礎(chǔ)要求較低的濃縮硐室置于地表，因此在工業(yè)場地選址上提出三個方案，一是全地表布置方案，二是全硐內(nèi)布置方案，三是硐內(nèi)磨礦硐外濃密方案。

1)方案一：全地表方案

將破碎-干選-半自磨-濃縮工藝系統(tǒng)全部布置在3 568 m平硐口工業(yè)場地。礦石從3 568 m平硐運(yùn)出地表后進(jìn)入粗破碎車間進(jìn)行破碎，破碎后礦石給入干選車間，干選后礦石進(jìn)入磨礦倉，然后由磨礦倉給入半自磨機(jī)，半自磨產(chǎn)品經(jīng)濃縮后，泵送至礦漿攪拌槽，然后通過管道自流輸送至山下選礦廠，見圖3。

圖3 全地表方案工藝圖

2)方案二：全硐內(nèi)方案

將破碎-干選-半自磨-濃縮工藝系統(tǒng)全部布置在3 568 m平硐內(nèi)，硐室群布置方案。礦石從兩個主溜井下放到地下破碎硐室進(jìn)行破碎，然后經(jīng)斜井膠帶進(jìn)入干選硐室，干選后礦石進(jìn)入磨礦倉硐室，然后進(jìn)入半自磨硐室。半自磨產(chǎn)品進(jìn)入濃縮硐室濃縮后，泵送至平硐口礦漿攪拌槽，然后通過管道自流輸送至山下選礦廠，見圖4。

圖4 全硐內(nèi)方案工藝圖

3)方案三：硐內(nèi)磨礦硐外濃密方案

將破碎-半自磨布置在3 568 m平硐內(nèi)，硐室內(nèi)布置與方案二相同，濃縮機(jī)布置在硐外3 568 m平硐口工業(yè)場地，硐內(nèi)磨礦后礦漿管道由3 568 m平硐敷設(shè)至平硐外濃縮池，見圖5。

圖5 硐內(nèi)磨礦硐外濃密工藝圖

2.2 方案比較及確定

方案一在地表車間施工方便、簡單、成熟、可靠、進(jìn)度快，與方案二相比投資省，設(shè)備運(yùn)輸及安裝方便快捷，不受空間限制，不額外增加井巷工程。缺點(diǎn)是廠房及設(shè)備基礎(chǔ)條件差，需進(jìn)一步論證場地地基的可靠性，并且額外增加地基處理費(fèi)用，考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)管嚴(yán)格，在地表建設(shè)工業(yè)場地受環(huán)保政策制約，受天氣及氣候影響較大。

方案二對地表生態(tài)環(huán)境影響小，不受場地基礎(chǔ)條件限制。缺點(diǎn)是設(shè)備運(yùn)輸、安裝難度大，需設(shè)置設(shè)備大件通道，大型硐室施工難度大、支護(hù)難度大，國內(nèi)礦山?jīng)]有地下選廠硐室群案例，若要采納該方案，需要開展大量的考察、調(diào)研、科研、勘察、試驗(yàn)等工作，施工周期較長，對施工單位的施工能力要求高，投資較高。

方案三對地表生態(tài)環(huán)境影響小，減少大硐室開挖，節(jié)省較多硐室工程量，投資較少，與方案一接近，荷載較小，受場地基礎(chǔ)條件限制較小。缺點(diǎn)是設(shè)備運(yùn)輸、安裝難度大，需設(shè)置設(shè)備大件通道，大型硐室施工難度大、支護(hù)難度大，國內(nèi)礦山?jīng)]有地下選廠硐室群案例，若要采納該方案，需要開展大量的考察、調(diào)研、科研、勘察、試驗(yàn)等工作，施工周期略長，對施工單位的施工能力要求高。

三個方案中如地表場地工勘可行，且當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策允許情況下，全地表方案最優(yōu)，硐內(nèi)磨礦硐外濃密方案次之，考慮本項(xiàng)目選擇方案選取主要受制于當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策和場地基礎(chǔ)處理費(fèi)用，隨著國家和地方環(huán)保政策日趨嚴(yán)苛，全地表方案可行性較差，因此最終確定為方案三，見圖6。

圖6 采選聯(lián)合系統(tǒng)示意圖

選取地下采選聯(lián)合開采方案后，布置采選硐室群方案需考慮多方面問題。首先是地下選廠硐室(主硐室23 m×29 m)施工掘進(jìn)和使用中的安全問題，礦山主平硐布置在3 568 m水平，各功能硐室由主溜井向平硐口方向沿平硐平行布置，因此需先按各硐室位置進(jìn)行坑內(nèi)硐室工程地質(zhì)勘查，根據(jù)勘查結(jié)論調(diào)整硐室間相互位置，確定施工隊(duì)伍和施工方案。結(jié)合山東沂蒙抽水蓄能電站項(xiàng)目，其主副廠房硐室開挖尺寸173 m×25.5 m×54.5 m，主變硐室開挖尺寸179.55 m×21 m×22 m，均比本項(xiàng)目硐室工程規(guī)模大，且都存在動載荷。通過對比其地下廠房系統(tǒng)硐室群圍巖穩(wěn)定分析，參考大型水電站地下硐室設(shè)計(jì)建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步分析本工程超大硐室群是可實(shí)現(xiàn)的。

3 設(shè)備下井方案

由于磨選系統(tǒng)設(shè)備拆解后大件設(shè)備重量及尺寸較大，設(shè)備進(jìn)出井下硐室通道也是需解決問題之一，磨選系統(tǒng)設(shè)備拆解后最大件：半自磨機(jī)端蓋20 t(8.0 m×4.0 m×1.2 m)、振動篩26 t(8.5 m×4.6 m×3.7 m)?？觾?nèi)礦主要設(shè)備進(jìn)出通常由設(shè)備井和運(yùn)輸平巷承擔(dān)，本項(xiàng)目3 568 m主平硐已形成，其斷面尺寸不滿足大件設(shè)備運(yùn)輸要求，為此對于大件設(shè)備下井選取三個下井方案，方案一是擴(kuò)刷3 568 m平硐進(jìn)大件，方案二是新建設(shè)備井進(jìn)大件，方案三是新建設(shè)備斜坡道進(jìn)大件。

1)方案一：刷大現(xiàn)有3 568 m平硐斷面用來進(jìn)設(shè)備大件，硐室群回風(fēng)設(shè)回風(fēng)井3 788～3 568 m，直徑3.5 m，回風(fēng)井只用于硐室群回風(fēng)，見圖7。

圖7 3 568 m平硐擴(kuò)刷

2)方案二：3 788 m回風(fēng)井下大件，對現(xiàn)有3 568 m平硐不需要擴(kuò)刷，利用硐室群回風(fēng)井吊裝運(yùn)輸設(shè)備大件，回風(fēng)井直徑由3.5 m增大到直徑6.7 m，見圖8。

圖8 設(shè)備回風(fēng)井方案

3)方案三：地表斜坡道下大件，對現(xiàn)有3 568 m平硐不需要擴(kuò)刷，在地表向硐室群開鑿大件設(shè)備斜坡道，標(biāo)高為3 683～3 568 m，斜坡道斷面38.42 m2，長度1 310 m，斜坡道取代回風(fēng)井功能，見圖9。

圖9 斜坡道大件方案

方案一可以充分利用現(xiàn)已施工平硐，不需新掘?qū)Ｓ迷O(shè)備井，且投資較少，可比項(xiàng)投資3 898萬元。缺點(diǎn)是需擴(kuò)刷現(xiàn)有平硐，由于前期施工期間，多采用鋼拱架支護(hù)，在擴(kuò)刷施工過程中可能遇到較復(fù)雜地質(zhì)條件，施工較為困難，大件運(yùn)輸周期長。

方案二不破壞現(xiàn)平硐，地質(zhì)條件相對簡單，對3 568 m以上地表道路要求低。缺點(diǎn)是回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)道長，投資及工程量大，施工過程中需設(shè)提升井架，對3 788 m以下地表道路有較高要求，硐內(nèi)運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，大件運(yùn)輸周期長。

方案三不破壞現(xiàn)平硐，地質(zhì)條件相對簡單，對3 568 m以上地表道路要求低，斜坡道可作為基建探礦出渣通道，利于施工，投資最少。缺點(diǎn)是對3 788 m以下地表道路有較高要求，硐內(nèi)運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，大件運(yùn)輸周期長。

上述三個方案中，新建設(shè)備斜坡道方案兼顧基建，投資最少，生產(chǎn)期內(nèi)設(shè)備進(jìn)出井下方便，最終推薦方案三。

4 采選聯(lián)合開采方案存在的問題建議

礦漿管道輸送方案與汽車運(yùn)輸方案相比，在經(jīng)營費(fèi)上優(yōu)勢明顯，尤其在該項(xiàng)目中，采場與選廠距離遠(yuǎn)，且地表受場地基礎(chǔ)和環(huán)保政策約束，更適合采用采選聯(lián)合硐室群方案，更適合采用管道礦漿長距離輸送方式。

但采選聯(lián)合方案也存在一些問題，方案是基于坑內(nèi)硐室群布置實(shí)施和長距離管道輸送方案可行基礎(chǔ)上。采選硐室群方案目前國內(nèi)尚無應(yīng)用實(shí)例，工程布置時無成熟經(jīng)驗(yàn)可循，需進(jìn)行大量考察研究工作。長距離管道輸送國內(nèi)已有實(shí)例，但高海拔條件輸送實(shí)例較少。

存在問題主要有：一是礦漿管道輸送需水量較大，需要有穩(wěn)定水源才可行，由于輸送管道進(jìn)口在3 568 m標(biāo)高，與管道出口2 900 m之間有660 m自然高差，且距離太遠(yuǎn)，輸送用水靠選廠回水成本較高。目前取水水源可選擇井下采場涌水，在井下設(shè)水倉水泵房儲水，如果井下涌水量減少或不穩(wěn)定，滿足不了管道輸送用量，還需考慮備用水源。二是管道敷設(shè)問題，礦區(qū)海拔較高，地表凍土層較厚，采取直埋方式時，輸送管道路由沿現(xiàn)有道路邊坡一側(cè)埋設(shè)，施工中需要對現(xiàn)有道路進(jìn)行支護(hù)，施工措施費(fèi)用較多，且管道敷設(shè)溝標(biāo)高與道路標(biāo)高存在高差，施工難度較大。管溝施工中會占用道路，影響道路運(yùn)輸。

礦山地處高原，地溫較低，如采場采用充填法開采，采場養(yǎng)護(hù)時間長，產(chǎn)量降低，無法保障礦石產(chǎn)量要求，同時考慮采場與選廠距離遠(yuǎn)，尾砂輸送回采場需克服660 m自然高差，成本太高，因此采場繼續(xù)采用崩落法開采，該方法產(chǎn)量大易于增產(chǎn)，但需設(shè)尾礦庫存儲尾礦。因此在平原地區(qū)建礦遇到征地困難或環(huán)保政策制約時，可選用充填法開采，將選廠全部或部分工藝流程與采場開拓系統(tǒng)合建，尾礦直接充填采空區(qū)，坑內(nèi)涌水循環(huán)利用，廢石不出井，真正實(shí)現(xiàn)建設(shè)綠色環(huán)保礦山目標(biāo)。

5 結(jié)語

在地下建設(shè)硐室群，實(shí)現(xiàn)采選聯(lián)合布置方案，將選廠部分工藝車間與采場開拓工程一同建設(shè)，既減少選廠和地表工業(yè)占地，也減少對周圍生態(tài)環(huán)境影響，同時采用長距離礦漿管道輸送解決礦石冬季外運(yùn)難題。本工程地下采選聯(lián)合開采是對地下采、選一體化模式的探索，有效解決“三高”條件下地下礦山建設(shè)難題，同時對于建設(shè)綠色環(huán)保型礦山起到積極推動作用，對綠色礦山建設(shè)和保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境起到很好的示范作用。

工程建設(shè)前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)、科研需要，針對地下超大硐室等部位的工程地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)勘察工作，為設(shè)計(jì)、科研提供可靠依據(jù)，同時，針對地下大型硐室群組合結(jié)構(gòu)，應(yīng)開展巖石力學(xué)研究工作，以保證大硐室群組的安全穩(wěn)定。另外應(yīng)開展管道輸送試驗(yàn)研究，為外部長距離管道輸送方案可行性提供可靠依據(jù)。