馬正林 吳 蘇 張丹丹 劉明江

（1.中鋁國(guó)際工程股份有限公司昆明分公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院；3.云南省中—德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

在金屬礦床地下開(kāi)采中，傾角大于55°、厚度為4~15 m的礦體為急傾斜中厚礦體［1］，該類礦體開(kāi)采在礦巖穩(wěn)固的條件下采用階段礦房法較多。20世紀(jì)60年代以來(lái)，有軌向無(wú)軌轉(zhuǎn)變已成為世界范圍內(nèi)地下開(kāi)采的一個(gè)顯著趨勢(shì)［2］。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)井下采礦開(kāi)始出現(xiàn)從有軌采礦設(shè)備到無(wú)軌的更替，實(shí)現(xiàn)了井下有軌采礦到無(wú)軌采礦的跨越［3］。隨著我國(guó)井下采礦無(wú)軌化的發(fā)展，近年來(lái)，大型的裝載或者運(yùn)輸機(jī)器（如鏟運(yùn)機(jī)）等在國(guó)內(nèi)地下金屬礦山普遍使用加強(qiáng)了采礦強(qiáng)度，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益［4］。戴超群等［5］在贛南某急傾斜中厚礦體提出了分段鑿巖階段礦房法開(kāi)采新方案，采用機(jī)械化程度高的ZWY-60/15T0型扒礦機(jī)聯(lián)合DKC12型地下礦用汽車回采，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了礦山高效開(kāi)采和保障了采礦的作業(yè)安全。潘承武等［6］對(duì)急傾斜中厚礦體機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了探索，調(diào)整礦房的采切布置，采用無(wú)底柱中深孔分段鑿巖階段出礦空?qǐng)龇ɑ夭杉眱A斜中厚礦體，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高礦山生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。師帥康等［7］以廣西大新錳礦為例，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)急傾斜中厚礦體的分段中深孔落礦留礦法進(jìn)行了優(yōu)化。吳沅聲等［8］針對(duì)大新錳礦的特點(diǎn)，通過(guò)采礦方法的合理應(yīng)用及機(jī)械設(shè)備的使用，充分回收礦產(chǎn)資源，達(dá)到安全高校的目的。高常華［9］研究了無(wú)軌機(jī)械化采礦技術(shù)與工藝在云錫低品位礦山傾斜及急傾斜中厚礦體的運(yùn)用。

盡管地下開(kāi)采的無(wú)軌化取得了重大進(jìn)展，但由于我國(guó)地下金屬礦山擁有較為悠久的開(kāi)采歷史，大部分礦山已形成一定規(guī)模且較為完善的有軌開(kāi)拓系統(tǒng)，并不具備直接使用無(wú)軌出礦設(shè)備的條件。本研究結(jié)合某礦山開(kāi)采工程現(xiàn)狀，在急傾斜中厚礦體中運(yùn)用階段空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采時(shí)，提出了有軌運(yùn)輸與無(wú)軌出礦的聯(lián)合工藝，通過(guò)優(yōu)化采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)和開(kāi)拓采準(zhǔn)系統(tǒng)，使礦山由有軌向無(wú)軌過(guò)渡。該方法既體現(xiàn)了無(wú)軌出礦的優(yōu)點(diǎn)，提高了采場(chǎng)的出礦能力，實(shí)現(xiàn)礦山安全高效生產(chǎn)，又保證了礦山在現(xiàn)有開(kāi)拓系統(tǒng)的條件下持續(xù)生產(chǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)礦山的無(wú)軌化。

1 地質(zhì)概況及開(kāi)采現(xiàn)狀

1.1 礦床賦存及開(kāi)采技術(shù)條件

香格里拉某銅礦采場(chǎng)位于III號(hào)礦體9#~10#勘探線，賦存標(biāo)高在4 170~4 120 m，礦體平均厚度為10 m，平均傾角為63°，屬急傾斜中厚礦體。該采場(chǎng)的保有礦量為10.79萬(wàn)t，含Cu品位0.98%。III號(hào)礦體賦存于三疊系上統(tǒng)圖姆溝組中部層位的第三段（T3t3）中，礦體大致順層產(chǎn)出，含礦部位主要是大理巖、大理巖與板巖的接觸部位；含礦圍巖主要是矽卡巖和角巖，其次為大理巖，呈似層狀。成礦與印支期中酸性巖漿侵入活動(dòng)有關(guān)，嚴(yán)格受巖漿活動(dòng)、構(gòu)造和巖性控制，屬多期次復(fù)成熱液矽卡巖型礦床。礦體大都位于最低侵蝕基準(zhǔn)面和地下水位以下，主要充水含水層組為弱～中等裂隙含水層。III號(hào)礦體局部直接頂板為巖溶裂隙水含水層。礦床屬以裂隙含水層及巖溶含水層充水為主的水文地質(zhì)條件中等類型。礦區(qū)巖層較堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度較高，工程地質(zhì)條件屬以堅(jiān)硬層狀巖組為主的中等類型。該礦區(qū)開(kāi)采多年，現(xiàn)狀采空區(qū)變形誘發(fā)地面塌陷、開(kāi)裂變形，及地表、地下水水質(zhì)污染、泉水干枯等次生地質(zhì)災(zāi)害。預(yù)測(cè)未來(lái)深部開(kāi)采生產(chǎn)中產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題還會(huì)增多，礦山環(huán)境地質(zhì)條件已由中等逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜。

1.2 開(kāi)采工程現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

礦山的工程地質(zhì)條件為階段空?qǐng)龇ǖ倪\(yùn)用提供了有利的條件；為防止礦山環(huán)境地質(zhì)條件的逐漸惡化，地表不允許崩落，同時(shí)位于最低侵蝕基準(zhǔn)面和地下水位以下的礦體受水文地質(zhì)條件的影響，使用崩落法將會(huì)面臨較嚴(yán)重的地下水威脅。根據(jù)礦體產(chǎn)狀、礦體賦存條件及開(kāi)采技術(shù)條件，并借鑒同類礦山的經(jīng)驗(yàn)［10］，采場(chǎng)采用分段鑿巖階段空?qǐng)龇?，即按礦塊的垂直方向，將其劃分為若干分段，并在礦房底部進(jìn)行拉底，每個(gè)分段上采用中深孔鑿巖向切割槽爆破，各分段采下的礦石崩落至礦房底部結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有開(kāi)拓工程為平硐開(kāi)拓，在III號(hào)礦體由上至下形成了4 170，4 120和4 078 m中段開(kāi)拓工程以及4 033和3 973 m中段探礦工程。在開(kāi)拓工程的基礎(chǔ)上，形成了電機(jī)車有軌運(yùn)輸?shù)姆绞?，各采?chǎng)采下的礦石經(jīng)電耙漏斗底部結(jié)構(gòu)運(yùn)搬至礦石溜井，下放至中段運(yùn)輸平巷后裝車外運(yùn)，由10 t的架線式電機(jī)車牽引2 m3的礦車運(yùn)至中段平硐口，單個(gè)采場(chǎng)的生產(chǎn)能力為100~150 t/d。

采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)的布置形式：中段運(yùn)輸平巷沿礦體走向布置于礦體下盤，于靠近礦體的一側(cè)向礦體掘進(jìn)采場(chǎng)溜井，溜井高8 m。在運(yùn)輸平巷人行道一側(cè)向上掘進(jìn)人行材料井至電耙道水平。電耙道沿礦體走向布置于礦體脈內(nèi)，沿電耙道走向每隔6 m布置1個(gè)漏斗，采用雙側(cè)漏斗的形式。掘進(jìn)斗穿、斗頸并在漏斗上方掘進(jìn)切割平巷進(jìn)行拉底和擴(kuò)漏形成最初的回采空間。礦塊出礦底部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

在礦山過(guò)去的開(kāi)采過(guò)程中，一直采用這種電耙出礦的底部結(jié)構(gòu)和有軌運(yùn)輸?shù)拈_(kāi)拓系統(tǒng)，且至今仍在運(yùn)行，如果要放棄現(xiàn)有的一系列工程，重新設(shè)計(jì)并施工全套的無(wú)軌開(kāi)拓系統(tǒng)和采礦工藝，則需要基建和技改的時(shí)間，不僅耗費(fèi)工期和成本，而且難以保證礦山持續(xù)均衡生產(chǎn)的產(chǎn)能和效益。

2 有軌運(yùn)輸無(wú)軌出礦的聯(lián)合工藝

本研究提出的有軌運(yùn)輸無(wú)軌出礦的聯(lián)合工藝，是針對(duì)該礦山實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和無(wú)軌化的需求，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)分段鑿巖階段空?qǐng)龇ǖ牡撞拷Y(jié)構(gòu)和開(kāi)拓采準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

將運(yùn)輸水平之上的一個(gè)分段設(shè)置為無(wú)軌出礦設(shè)備（如鏟運(yùn)機(jī)）運(yùn)行的出礦水平，每相鄰2個(gè)采場(chǎng)設(shè)置1個(gè)采場(chǎng)溜井，將出礦水平的礦石溜運(yùn)至運(yùn)輸水平。運(yùn)輸水平則是礦山現(xiàn)有的有軌開(kāi)拓系統(tǒng)，出礦水平則是單側(cè)塹溝底部結(jié)構(gòu)，由集礦塹溝、裝礦進(jìn)路和出礦聯(lián)道構(gòu)成，見(jiàn)圖2。

集礦塹溝為連接裝礦進(jìn)路與上部采場(chǎng)的受礦結(jié)構(gòu)，且平行于出礦聯(lián)道。當(dāng)采場(chǎng)寬度小于20 m時(shí)（本次設(shè)計(jì)采場(chǎng)水平寬度11 m），采用單側(cè)塹溝，集礦塹溝的斜面傾角一般采用45°~55°。出礦聯(lián)道為平行于集礦塹溝，與裝礦進(jìn)路連接的巷道。裝礦進(jìn)路是連接出礦聯(lián)道與集礦塹溝的巷道。裝礦進(jìn)路與出礦聯(lián)道的斜交，交角一般為45°~50°。裝礦進(jìn)路的間距一般為10~15 m，長(zhǎng)度不小于礦堆占用長(zhǎng)度、鏟運(yùn)機(jī)的工作長(zhǎng)度以及安全距離三者之和。

沿礦體走向每2個(gè)采場(chǎng)共用1個(gè)采場(chǎng)溜井，采場(chǎng)溜井的長(zhǎng)度為8~10 m，鏟運(yùn)機(jī)在裝礦進(jìn)路中將礦石經(jīng)出礦聯(lián)道運(yùn)至采場(chǎng)溜井，然后下放至中段運(yùn)輸平巷，以完成礦石從無(wú)軌設(shè)備的出礦水平到有軌設(shè)備的運(yùn)輸水平之間的運(yùn)搬環(huán)節(jié)。

有軌運(yùn)輸無(wú)軌出礦聯(lián)合工藝對(duì)采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，體現(xiàn)在利用已有的有軌設(shè)備的開(kāi)拓系統(tǒng)和運(yùn)輸方式，將采場(chǎng)的出礦水平提高一個(gè)分段，將無(wú)軌設(shè)備出礦和有軌設(shè)備運(yùn)輸有效地銜接起來(lái)，既發(fā)揮了鏟運(yùn)機(jī)無(wú)軌出礦設(shè)備的高效、靈活和安全的優(yōu)點(diǎn)，提高了采場(chǎng)的出礦效率，使單個(gè)采場(chǎng)出礦能力達(dá)到200~250 t/d，又能夠利用已有工程，保證礦山生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行。

2.2 開(kāi)拓采準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)化

本方案用采準(zhǔn)斜坡道將各個(gè)分段鑿巖巷道、出礦聯(lián)道及中段運(yùn)輸巷道相聯(lián)，并且延伸至下一個(gè)中段，該斜坡道在不同的時(shí)期承擔(dān)不同的功能。在本中段采場(chǎng)建設(shè)時(shí)使得無(wú)軌設(shè)備可以進(jìn)入各個(gè)分段中進(jìn)行作業(yè)，如掘進(jìn)鑿巖、出渣、副產(chǎn)礦石以及人員的運(yùn)輸?shù)?；在本中段采?chǎng)出礦時(shí)可用作導(dǎo)入新鮮風(fēng)流的巷道；在本中段采場(chǎng)回采結(jié)束時(shí)可作為連接下中段的開(kāi)拓工程，形成平硐+斜坡道的開(kāi)拓系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。

有軌運(yùn)輸無(wú)軌出礦聯(lián)合工藝對(duì)開(kāi)拓采準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)化，關(guān)鍵在于采準(zhǔn)斜坡道在采場(chǎng)建設(shè)和回采過(guò)程中發(fā)揮了重要的功能，并且形成后期無(wú)軌設(shè)備的開(kāi)拓系統(tǒng)，促使礦山向無(wú)軌化和機(jī)械化的過(guò)渡。

3 聯(lián)合工藝底部結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

3.1 巖體力學(xué)參數(shù)

III號(hào)礦體賦存于三疊系上統(tǒng)圖姆溝組中部層位的第三段（T3t3）中，礦體大致順層產(chǎn)出，含礦部位主要是大理巖、大理巖與板巖的接觸部位，本次數(shù)值模擬選取采場(chǎng)的下盤礦巖類型為大理巖。以勘察報(bào)告的礦巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，通過(guò)工程折減［11］得到相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

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3.2 圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬分析

為了客觀分析該聯(lián)合工藝底部結(jié)構(gòu)對(duì)礦體下盤圍巖產(chǎn)生的影響，本次模擬選取采準(zhǔn)工程施工結(jié)束時(shí)的狀態(tài)，即排除開(kāi)采擾動(dòng)的影響。選取采場(chǎng)聯(lián)合工藝的底部結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，構(gòu)建出礦聯(lián)道與多條裝礦進(jìn)路垂直相交的巷道模型，巷道為無(wú)支護(hù)狀態(tài)，斷面為1/3三心拱，寬2.4 m，高2.6 m。計(jì)算模型尺寸為32 m×15 m×20 m（長(zhǎng)×寬×高）。模型單元數(shù)為20 736個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為24 818個(gè)，屈服準(zhǔn)則采用莫爾—庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則，允許巖石產(chǎn)生大變形。三維網(wǎng)格模型見(jiàn)圖4。

模型初始地應(yīng)力采用礦山實(shí)際測(cè)量資料數(shù)據(jù)，豎直應(yīng)力σZ=17 MPa，水平應(yīng)力σX=25 MPa，σY=30 MPa。采用速度邊界和應(yīng)力邊界作為約束條件［12］。

圖5和圖6分別顯示了裝礦進(jìn)路剖面（X剖面）和出礦聯(lián)道剖面（Y剖面）的最大主應(yīng)力分布情況。X軸為各個(gè)裝礦進(jìn)路的走向，Y軸為出礦聯(lián)道的走向。

由圖5可知，裝礦進(jìn)路的頂板和底板出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中頂板的應(yīng)力集中較為明顯，靠近集礦塹溝一側(cè)有逐漸增加的趨勢(shì)，為圖中淺色和深色部分，其最大主應(yīng)力值為42 MPa，該部分應(yīng)力集中為裝礦進(jìn)路的開(kāi)挖以及端部集礦塹溝的約束形成。在出礦聯(lián)道的一側(cè)出現(xiàn)了最大主應(yīng)力的降低，為圖中橙色部分，其最大主應(yīng)力值為28 MPa，該部分區(qū)域應(yīng)力釋放值為2 MPa，上述應(yīng)力變化為另一側(cè)與之垂直的裝礦進(jìn)路的開(kāi)挖卸荷引起。

由圖6可知，出礦聯(lián)道的頂板和底板出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中頂板的應(yīng)力集中較為明顯，為圖6中淺色和深色部分，其最大主應(yīng)力值為34 MPa，該部分應(yīng)力集中為出礦聯(lián)道的開(kāi)挖形成，多條巷道的平行開(kāi)挖，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域疊加，使得在Y剖面中巷道頂板和底板的應(yīng)力集中區(qū)域相互連接成連續(xù)的區(qū)域，而不再形成應(yīng)力降低區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

4 結(jié) 論

（1）有軌運(yùn)輸無(wú)軌出礦的聯(lián)合工藝可運(yùn)用于正在向無(wú)軌化開(kāi)采轉(zhuǎn)型的急傾斜中厚礦體采場(chǎng)中，這種聯(lián)合工藝是對(duì)采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)和開(kāi)拓采準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)化，其作用是在目前部分大中型礦山已形成一定規(guī)模且較為完善的有軌開(kāi)拓系統(tǒng)的現(xiàn)狀下，保證礦山持續(xù)生產(chǎn)，促使礦山向無(wú)軌化和機(jī)械化的過(guò)渡。該方法可以在具有類似開(kāi)采技術(shù)條件及工程現(xiàn)狀的礦山中推廣。

（2）有軌運(yùn)輸無(wú)軌出礦聯(lián)合工藝的出礦底部結(jié)構(gòu)分為出礦水平和運(yùn)輸水平。出礦水平由集礦塹溝、裝礦進(jìn)路和出礦聯(lián)道構(gòu)成；運(yùn)輸水平利用礦山現(xiàn)有的有軌中段運(yùn)輸平巷，以采場(chǎng)溜井將出礦水平與運(yùn)輸水平相結(jié)合。

（3）底部結(jié)構(gòu)工程周圍巖體的應(yīng)力和位移變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，出礦聯(lián)道與裝礦進(jìn)路的交叉口處出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中；相鄰2條裝礦進(jìn)路之間的應(yīng)力集中與位移變化呈連續(xù)分布。應(yīng)力集中和位移變化的影響范圍為底部結(jié)構(gòu)工程周圍5 m，在此范圍內(nèi)應(yīng)避免設(shè)置重要的工程，必要時(shí)采取支護(hù)措施。