魏建海 馬相松 吳健薇

（昆明有色冶金設計研究院股份公司）

大紅山鐵礦400 萬t/a 一期工程主要開采400 m標高至地表的礦石資源，采用無底柱分段崩落法開采，膠帶斜井+輔助斜坡道+輔助盲豎井的開拓系統(tǒng)，設置380 m 中段集礦運輸水平，在340 m 建設有礦石破碎站，2#膠帶斜井（14°）自地表（720 m 標高）向下延深至320 m 標高，將破碎后的礦石提升出地表交給地表原礦堆場，一期工程于2007年建成投產(chǎn)，投產(chǎn)第二年達產(chǎn)，穩(wěn)定了昆鋼集團的鐵精粉供應。

2009 年開始大紅山鐵礦二期工程的籌建工作，二期工程主要開采400～ 60 m 標高的礦體資源，設計產(chǎn)能520 萬t/a，采礦方法仍沿用無底柱分段崩落法，根據(jù)采礦工藝設備配置，井下原礦出礦塊度≤850 mm，碎后塊度≤250 mm。經(jīng)多方案論證，開拓系統(tǒng)仍采用膠帶斜井+無軌斜坡道+輔助盲豎井方案，因大紅山鐵礦圍巖條件較好，在一期工程的基礎上，借鑒國外先進礦山的經(jīng)驗，將中段高度調整為200 m，在二期工程開采范圍內，共設置了2 個集礦運輸水平，分別為180和40 m有軌運輸水平，原礦破碎系統(tǒng)設置于0 m 標高，200～380 m 標高采出礦石經(jīng)采場鏟運機出礦后進入采場溜井，經(jīng)180 m 有軌集礦運輸水平后卸入上部溜井系統(tǒng)；60～200 m 標高采出礦石經(jīng)采場鏟運機出礦后進入采場溜井，經(jīng)40 m 有軌集礦運輸水平后卸入破碎站上方的碎前礦倉，經(jīng)破碎站破碎后，成品礦進入碎后礦倉，交由膠帶運輸系統(tǒng)運出地表至原礦堆場。整個開拓系統(tǒng)中溜破系統(tǒng)成為咽喉和核心工程，決定著二期工程礦石提升運輸?shù)哪芰Α?/p>

1 工程地質及水文概況

對二期工程的工程地質條件分析，溜破系統(tǒng)位于礦體下盤輝長輝綠巖內，輝長輝綠巖為礦區(qū)的主要侵入巖類，多為半堅硬巖類，單軸抗壓強度為67.33 MPa，單軸抗拉強度為8.252 MPa，巖體穩(wěn)固性較好。輝長輝綠巖RMR 評分值為68，圍巖分級為Ⅱ級，整體上屬于穩(wěn)定性好巖體。結合地質資料，溜破系統(tǒng)所處區(qū)域無大的地質構造。

根據(jù)有關地質資料分析，大紅山鐵礦圍巖與褶皺，斷裂構造配套的節(jié)理裂隙組數(shù)較多，間距較大，密度較小，一般為2～5 條/m，長3～10 m，節(jié)理面多平直閉合，張開寬度一般為1～5 mm，或充填或無充填，多為壓扭性。節(jié)理裂隙分組較多，主要與構造運動的多期性有關，主要有東西向、北東向、北西向、南北向。

水文地質方面，礦區(qū)處于曼崗河與肥味河之間的三角區(qū)，區(qū)內地勢陡峻，當?shù)刈畹颓治g基準面為兩河匯合處（標高670 m）。地面海拔標高為670～1 500 m，相對高差較大，地形利于地表排泄，不利于地下水的補給，開采河床以下礦體時，河水對礦坑充水可能有一定影響。大紅山群裂隙含水層富水性弱，主要受裂隙發(fā)育程度控制，總的規(guī)律是由淺而深，裂隙發(fā)育程度漸弱，富水性也隨之漸弱。斷層多被巖體貫入，與圍巖富水性無明顯差異。礦區(qū)水文地質條件屬于裂隙含水層充水為主的簡單類型。

2 瀑布式溜井系統(tǒng)的提出

依據(jù)大紅山鐵礦二期工程的整體規(guī)劃，礦山在180 和40 m 設置2 個有軌集礦運輸中段，在180～40 m設置140 m 深的高溜井溜礦，高溜井和溜破系統(tǒng)之間有2種布置方式［1］。

一是采用異地布置，在溜破系統(tǒng)范圍外布置從180～40 m標高的礦（廢）石溜井，礦石在180 m卸載后經(jīng)溜井下放到40 m 中段，在40 m 有軌運輸中段設置接礦巷道并倒運至下部的溜破系統(tǒng)碎前礦倉內，這種布置方式會增加40 m 中段的基建工程量，同時增加礦石轉運環(huán)節(jié)，增加運輸成本；一般在礦圍巖條件較差時，為確保溜礦系統(tǒng)生產(chǎn)安全，才采用該種布置形式。

二是采用與溜破系統(tǒng)同址建設，該種布置方式40 m標高卸礦站和溜井之間又存在2種連接方式：

（1）采用分支溜井方式，主溜井設置于破碎站兩側，從0 m 標高向上一直通至180 m 標高，180 m 標高卸載站位于溜井頂部，40 m 標高卸載站位于溜井側面，40 m 標高卸載站距離溜井凈間距為10 m，礦石卸載后通過分支斜溜道溜至碎前礦倉內。該種布置方式存在如下問題：①高溜井在使用過程中一般會存在沖刷而形成“大肚子”的問題，而沖刷過程和結果無法事先預計和控制，嚴重時會危及卸載站的安全使用，使整個溜破系統(tǒng)無法正常使用；②礦山生產(chǎn)由180 m 以上向180 m 以下過渡時，180 和40 m 運輸中段同時集礦運輸，會造成40 m 運輸中段卸礦困難。從某些礦山的實例看，采用分支溜井造成溜井系統(tǒng)破壞而導致溜破系統(tǒng)大修，既影響生產(chǎn)，又造成浪費，還存在安全隱患。

（2）采用瀑布式溜井方式，上部溜井（180～40 m段）與碎前礦倉在平面上錯開布置，利用40 m 中段集礦運輸通道作為施工通道，在上部溜井底部設置放礦設施，將上部溜井的礦石放入40 m 中段集礦運輸卸載站下方的礦倉中，這樣做可以達到上部溜井（180～40 m 段）與碎前礦倉的有效隔斷和短距離倒運的效果，又可以實現(xiàn)40 m 中段卸載站的卸礦自由，還能夠控制高溜井沖刷引起的“大肚子”造成溜井結構破壞，避免溜破系統(tǒng)整體失效。

通過上述初步分析，結合大紅山鐵礦工程地質和水文地質條件，在方案設計時選擇瀑布式溜井系統(tǒng)。瀑布式溜井系統(tǒng)是利用重力放礦的原理，同時在上段溜井底部施加一定的約束放礦，達到對礦石溜放管理的目標，保障礦山本質安全生產(chǎn)。

3 溜破系統(tǒng)布置情況

大紅山鐵礦400 萬t/a 二期工程的溜破系統(tǒng)由礦石破碎系統(tǒng)和廢石破碎系統(tǒng)構成。礦（廢）石破碎站均設置于0 m 標高。礦（廢）石破碎系統(tǒng)由上部溜井（180～40 m）、溜井底部鏈閘硐室、碎前礦倉（40～0 m）、破碎站、成品礦倉（0～-40 m）、180 m 卸載站和40 m 卸載站構成，上部溜井、鏈閘硐室和碎前礦倉之間構成了瀑布式溜井關系?？紤]施工效率因素，鏈閘硐室宜布置在40 m 標高有軌運輸中段上，實現(xiàn)鏈閘硐室和上部溜井底部段的施工與40 m 中段共用施工通道，為了確保安全，上部溜井的井底礦倉壁到碎前礦倉壁之間應根據(jù)圍巖情況留設大于5 m 的安全巖柱，為增加礦石流動性，上部溜井底宜選擇斜底或至少是半斜底結構，不能采用平底結構，斜底傾角應大于物料自然安息角5°～10°；鏈閘硐室應按照礦石塊度配置，在硐室內應設置便于檢修和檢查溜井底部大塊情況的設施，斜溜道底板傾角應參考物料自然安息角進行配置，為確保鏈閘硐室的使用壽命，上部溜井井底放礦額墻、斜溜道底板及側墻均應采取加固措施，加固材料宜選擇耐磨材料加固。根據(jù)以上原則對大紅山鐵礦二期的溜破系統(tǒng)進行設計，具體設計情況如下：

礦石破碎系統(tǒng)采用進口美卓（Metso）42-65 液壓旋回破碎機，原礦礦倉由2 條構成，礦倉凈直徑為9 m，深25 m，采用兩側布置方式；采用單級雙質體XZG2438 型振動給礦機（14 kW，生產(chǎn)能力1 000～1 200 t/h）給礦；成品礦倉凈直徑為9 m，深26 m，礦倉均采用鋼纖維混凝土支護，內襯43 kg/m 鋼軌加固［2］；礦石破碎硐室凈寬9.5 m，墻高9.5 m，凈斷面積為113.99 m2，硐室長32 m，硐室一端設置大件通道入口，另一端設置回風聯(lián)道，回風聯(lián)道將破碎產(chǎn)生粉塵回至廢石箕斗豎井，作為溜破系統(tǒng)的專用回風道。礦石破碎站平面布置見圖1。

廢石破碎系統(tǒng)采用顎式破碎機，采用端頭式給料，廢石破碎硐室凈寬7.5 m，墻高8.5 m，凈斷面積為78.54 m2，在硐室另一端設置大件通道入口，在硐室側面設置回風聯(lián)道與礦石破碎硐室回風聯(lián)道相通，將廢風回至廢石箕斗豎井。廢石破碎系統(tǒng)設置碎前礦倉和下部成品礦倉，廢石上部礦倉凈直徑為9 m，深25 m，成品礦倉凈直徑為9 m，深30 m，在碎前礦倉的上部設置瀑布式溜井的上部溜井與180 m廢石卸載站連接。

在2個破碎硐室之間進風側設置變電硐室，變電硐室凈寬4.5 m，墻高2.5 m，凈斷面積為16.58 m2，硐室全長35 m。變電硐室為2 個破碎硐室內的用電設備供電。0 m標高破碎站平面布置見圖2。

4 主溜井系統(tǒng)配置

大紅山鐵礦二期工程上部溜井共設置3條，其中2 條為礦石溜井，1 條為廢石溜井，溜井上部自180 m卸載站開始，向下至40 m 標高卸載站止，高約140 m，3 條溜井高度略有差異，溜井凈直徑為3.5 m，溜井凈高約95 m。溜井上部與180 m 卸載站相連接，卸載站為10m3底側卸式礦車卸載站，卸載站凈寬7.3 m，墻高2.8 m，凈斷面積34.46 m2，每個卸載站長26.4 m，為緩解礦石的沖擊，在礦流沖擊側設置緩沖硐室，緩沖硐室與溜井口錯開1.5 m 距離，并設置檢修溜井和卸載站的相關聯(lián)道及硐室，溜井下部為25 m 高儲礦倉，儲礦倉凈直徑為7 m。礦倉與40 m 標高下的碎前礦倉（φ9 m）采用斜溜道相連接，斜溜道凈寬3 m，在溜井下部儲礦倉與斜溜道之間設置鏈式閘門控制礦流，鏈閘硐室凈寬6.5 m，墻高3.2 m，采用1/3 三心拱斷面布置。上部溜井與40 m 標高以下碎前礦倉之間呈瀑布式布置，采用鏈閘控制礦石的下放，實現(xiàn)上部溜井與碎前礦倉之間功能上分開，便于生產(chǎn)期間控制礦流，合理調節(jié)上、下倉之間的儲存礦量，同時實現(xiàn)礦石由上部溜井到碎前礦倉的倒運功能［3］。溜破系統(tǒng)立體示意圖和溜破系統(tǒng)及瀑布式溜井縱剖面見圖3和圖4。

采用瀑布式溜井系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1） 可以有效控制2 個集礦運輸中段達到同時卸礦目的，可以實現(xiàn)在不同區(qū)域不同標高同時生產(chǎn)，最大化解決生產(chǎn)協(xié)調和配礦的目的。

（2） 采用鏈閘控制礦流，可以減輕礦流對溜井礦倉的沖刷，確保下部卸載站處于穩(wěn)定的巖層中，不受沖刷后溜井礦倉斷面變大的影響，延長各中段卸載站的使用壽命。

（3） 增加了溜破系統(tǒng)礦倉的緩沖儲量，便于礦山連續(xù)正常生產(chǎn)。

（4） 相較傳統(tǒng)的分支溜井布置形式，在使用安全性和壽命上都有很大的提高。

（5） 實現(xiàn)在受控條件下礦石由上部溜井到碎前礦倉的短距離倒運，減少轉運環(huán)節(jié)。

其主要缺點是結構較為復雜，施工難度增加，不適用于圍巖條件較差的礦山。

5 瀑布式溜井系統(tǒng)使用效果

大紅山鐵礦二期工程自2016 年投產(chǎn)后，已經(jīng)正常生產(chǎn)5 a，2020年礦山對溜井系統(tǒng)進行了檢測，發(fā)現(xiàn)1#溜井系統(tǒng)完全正常；2#溜井系統(tǒng)卸載站及2#溜井底儲礦倉正常，2#溜井放礦的鏈閘硐室額墻有變形，溜槽底板磨損嚴重，部分加固襯軌脫落，2#溜井側向損壞嚴重，單方向最大沖刷尺寸約12 m 左右，需要進行修復；3#溜井破壞形態(tài)和損壞部位與2#溜井相似，只是3#溜井損壞程度較2#溜井小很多，僅需要對放礦的鏈閘硐室額墻和溜槽進行修復即可［4-5］。2#溜井沖刷情況見圖5、圖6，3#溜井沖刷情況見圖7、圖8，2#溜井放礦鏈閘硐室情況見圖9、圖10。

對2 條溜井損壞情況分析，發(fā)現(xiàn)2#溜井沖刷較3#溜井嚴重，從實測斷面圖可以看出，沖刷方向一致，初步判斷與圍巖層位相關，溜井與軟弱巖層緊鄰，導致單一方向沖刷嚴重；從圖中分析2 條溜井沖刷方向，垂直列車卸載方向沖刷量較沿列車運行方向要大，這與設置了礦石緩沖硐室相關，礦石卸載后經(jīng)緩沖硐室緩沖后，改變了礦石后續(xù)的流向，礦流由沿卸載方向運動變成了垂直卸載方向運動，同時3#溜井為廢石溜井，其使用頻率和過礦量與2#溜井相差較多；放礦鏈閘硐室額墻破壞與使用方式相關，在溜口處理大塊礦石會造成溜口額墻破壞，溜槽加固襯軌脫落與放礦量關系密切，同時還與施工質量密切相關。

經(jīng)過幾年的使用，除去圍巖影響因素外，基本屬于正常沖刷破壞，達到了當初設計的目的。

6 結 語

從大紅山鐵礦二期工程投產(chǎn)后的使用情況看，瀑布式溜井系統(tǒng)將卸礦緩沖、多料倉緩沖儲存量、溜井分段控制和短距離倒運等多種實用技術集于一身，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在如下方面：

（1） 瀑布式溜井形式較適合用于規(guī)模較大的礦山使用，多段緩沖倉增加了礦倉的儲礦量，有效解決了不連續(xù)的采礦生產(chǎn)與連續(xù)的提升運輸之間的矛盾。

（2） 可以控制礦石流，達到保護溜井系統(tǒng)的目的，確保溜井的本質安全，特別是在滿料位運行時情況會更好。

（3） 可以滿足多中段同時卸礦和配礦的需求，本質安全性有較大提高。

（4） 可以短距離倒運礦石，減少礦石轉運環(huán)節(jié)，降低礦石轉運成本。

通過多年的生產(chǎn)運營檢驗，瀑布式溜井系統(tǒng)為地下大型礦山的礦石溜放和破碎提供了圓滿的解決方案，為大型地下礦山的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供了保障，使地下礦山向本質安全邁進了堅實的一步。