礦山溜井系統的設計與優化研究

徐巍 XU Wei；周奇 ZHOU Qi；周凌波 ZHOU Ling-bo；馬延全 MA Yan-quan；徐歡 XU Huan

（浙江交投浙東礦業有限公司，臺州 317109）

0 引言

礦山溜井運輸是礦產資源開發應用和生產運輸的關鍵形式之一，通過礦山溜井系統放巖放礦，具備節省轉運設備、降低提升消耗和生產管理方便快捷等諸多優勢，能夠借助礦山溜井系統這一組成部分，穩定礦產資源的開采運輸過程，對于保障礦井的正常運行有著重要價值，因此，強化對礦山溜井系統結構參數設計的優化，是諸多工程專家和學者研究的課題。本文對礦山溜井系統設計與優化的研究，也就具備重要理論意義和現實價值。

1 工程概況

浙江交投浙東礦業有限公司三門縣其頭山礦規劃生產規模為1550 萬噸/年，出讓年限15 年，礦區面積1.0257km2。本工程為礦山開拓系統EPC 總承包，為浙江省隧道工程集團有限公司與礦冶科技集團有限公司聯合中標，主要工程內容包括礦山道路、場地平整、平硐、溜井系統、硐室系統等，其中的溜井系統包括溜井、礦倉、板喂機硐室及檢查井，圖1 即為溜井系統平面圖。

圖1 溜井系統平面圖

進一步分析該項目周圍的環境條件可知，該項目區屬亞熱帶海洋性季風氣候，處于海洋性氣候與內陸性氣候的交互地帶，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，日照充足。項目區屬丘陵地貌，最高海拔+358.24m，最低海拔+2.8m，相對最大高差355.44m，礦山大部分為原始山體，自然地形坡度30°左右，局部陡處可達50°，山頂部分巖體裸露，植被發育主要為松樹等喬木及灌木、雜草，溜井及其周邊出露的地層為侏羅統大爽組（J3d）和第四系（Q）。溜井口現狀標高318.5m，溜井平臺建成后，溜井系統所在基巖為未風化流紋質晶屑玻屑熔結凝灰巖，抗壓強度109.00~148.00MPa，平均126MPa，屬堅硬巖類，礦區大地構造位置位于華南褶皺系（Ⅰ2）浙東南褶皺帶（Ⅱ3）溫州—臨海拗陷（Ⅲ8）之黃巖—象山斷拗（Ⅳ11）盆地，區域構造以斷裂為主，以北東向斷裂較發育，次為近東西向斷裂，區內無區域性主干活動斷裂通過，溜井周邊300m 無重要景點，遠離居民區、交通干線。

2 礦山溜井系統的設計方案

2.1 溜井的結構型式

在確定三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目溜井結構形式過程中，首先按照國家《采礦手冊》的相關規定，分析不同結構形式的溜井系統的實踐應用情況和應用過程中的優缺點，然后結合三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目的地質結構條件、該項目未來的設計生產能力、設備的運行情況、地質開挖過程中的堵塞情況和建設過程中的施工情況等諸多內容，對比分析不同類型的溜井系統的運行優缺點，然后在施工團隊討論后給出不同路段的審核情況，最終商量選擇以平硐溜井方式為三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目建設的結構形式，其示意圖如圖2。由圖可知，當礦脈側翼沿山坡露出，平硐可沿礦脈走向掘進，成為沿礦脈平硐開拓法，借助開鑿的平硐和溜井兩大部分構建采礦作業工作臺與礦產資源運輸的聯系。平硐溜井架構主要由溜井（槽）、貯礦倉、硐室、采礦場和地面卸載點的平硐五個部分構成，其中溜井配有運輸平硐、檢修平硐、回風斜井、溜井、檢修硐室、破碎硐室和輔助硐室等，貯礦倉用于儲存開采的礦石。溜井位置的選擇應綜合考慮礦山地形，保證溜井巖層穩固、避開水層，使溜井與采礦工作面間的平均運輸距離最短。在我國溜井開拓方式常用在地形復雜的礦山，利用溜放礦巖的自重克服地形高度差，礦巖沿溜井利用其自重溜放，降低汽車運輸距離和運輸設備數量的同時減少開采礦產資源的運輸成本。

圖2 平硐溜井示意圖

2.2 溜井的結構參數

礦區位于臺州市三門縣健跳鎮西渡村、峋巖村、龍潭村，地理中心坐標：東經121°33′03″，北緯29°05′49″；面積為4.05km2，開采標高自+358.24m 至+1.5m，采礦權出讓期限為自采礦許可證頒發之日起15 年（含基建期2年），開采礦種為建筑用石料（凝灰巖）礦，預測區內總資源量13000 萬噸。礦區范圍由38 個拐點圈定，礦區面積1.0257km2，礦體平面形態呈不規則多邊形，剖面形態似三角形或不規則多邊形，南北長約1200m，東西寬390～1000m，厚0~354.44m，主體為流紋質晶屑玻屑熔結凝灰巖。

3 方案優化考慮的因素

在三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目優化過程中，首先，要秉持著既兼顧長遠又考慮當前的基本原則，在礦山資源開采過程中，保證礦山資源生產過程的順利進行，由于該工程設置了年生產能力，一旦所有的礦山深井生產全部停止，很可能導致整個礦產開發企業生產效益達不到預期指標，最終造成礦石生產企業虧損或者是破產的問題，因此，整個三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目的優化施工，必須保證生產過程順利進行，確保能夠在技術上完成改造，且能夠在經濟上達標。其次，三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目施工，要兼顧施工方便原則，施工過程要便于項目團隊的管理，保證最終施工效率和價值處于可控狀態。最后，三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目施工方案優化過程中，要針對性地選擇設計方案，盡量利用原有的工程設施，保證投入必要，確保快產出、高效益，降低工程施工成本。

4 方案實施

在三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目優化方案實施過程中，主要考慮中段溜井設計方案、水平溜井維護方案和維修與措施巷道（天井）三部分內容。

4.1 中段溜井設計方案

中段溜井設計方案的實施過程中，為充分利用三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目原有工程設計，結合現階段礦山項目所在地的地質結構、水文條件等參數，設計得到溜井平硐開拓系統。溜井平硐開拓系統主要由溜井、平硐、硐室等組成，含溜井系統、平硐系統、硐室系統、礦山道路、設備基礎設計（振動給料機、皮帶機系統、除塵系統、機械臂等）、消防系統、給排水系統、安全環保設施系統。采用先進的溜井平硐開拓系統工藝，礦業平硐系統采用溜井直徑為8m、井深198.3m、皮帶平硐長545m、檢修平硐長505m。當礦脈側翼沿山坡出露，平硐沿礦脈走向掘進，平硐分為主平硐和階段平硐。主平硐：為整個礦井運礦的平硐；階段平硐：各階段直接通地表的平硐，階段平硐可以用于運輸礦石、廢石、人員、材料和設備。礦山投產后，爆破開采的原石可通過溜井，從山頂直達底部硐室內進行初步“消化”破碎，之后通過“高速通道”皮帶平硐送往生產線進行深度加工；檢修硐室與檢修平硐則主要用于維修人員進出，對硐室內的設備進行日常保養維修。溜井系統工程總深度227m，拉通4700m 上山開拓道路，將反井鉆機及其輔助設備準時運至307m 高的山頂溜井平臺，溜井系統建成后可將開采的原石送入硐室內進行初步破碎，再通過皮帶平硐送往生產線進行深加工。溜井施工步驟分反井鉆機掘進反拉、擴挖及支護施工“三步走”，系統配套限位裝置、緊急停車裝置、短繩保護裝置等安全保護措施。掘進反拉先由反井鉆機向下鉆進較小的先導孔，貫通后在溜井底部接上直徑為2m 的鉆頭向上反拉。采用“二段式”輸送方式，在半山腰建立蓄水站，再將水抽至山頂，保證用水的穩定可控，降低了能耗成本。礦石通過溜井下放至平峒內，經膠帶機或礦車運至生產線，可以大幅減少汽車運輸距離，大大降低礦石運輸成本，運輸能力顯著增強。

4.2 水平溜井維護方案

在水平溜井系統維護升級過程中，雖然該部分溜井系統并未發生大面積坍塌故障，但秉持安全原則，也需要對原有溜井進行加固維護。其維護方案主要包括以下內容：一是在礦界范圍內，按開采底盤標高+1.5m、總體邊坡角45°，（按底級臺階高度為10.5m，其他臺階高度12m、臺階坡面角60°、安全平臺寬度4m、隔二個臺階設一個7m 寬的清掃平臺，其中至+180m 標高設置大平臺，延宕底預留一條寬15m，平均坡度小于6°通往+180m 平臺上山道路參數確定）及風化層頂、底界面等圈定礦體。其次是現澆問題，在將澆筑所需物料運送到施工現場后，使用伸縮式金屬整體移動式模板進行灌注，既能保證模板搭設便捷快速，也能保證澆筑速度符合預期。最后是澆筑厚度和養護參數的設定。在三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目澆筑后，由于整個項目均選用鋼纖維補償收縮混凝土，該類混凝土在養護過程中需要較良好的水環境，一般需選用蓄水養護或用蓄水性良好的材料覆蓋淋水養護，才能確保鋼纖維補償收縮混凝土達到養護標準，后期才能確保該類混凝土結構和承載力等符合預期，才能保障溜井的穩固性滿足設計要求，保證溜井的使用年限，減少不必要的成本浪費，因此，三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目澆筑厚度設定為300mm，養護時間不得少于14晝夜。

4.3 維修與措施巷道（天井）

在三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目溜井系統應用過程中，由于該溜井系統存在自身耗損，需要定期檢查并維修檢修，因此在項目的設計之初就應該保留維修與措施巷道（天井），設置好完整的維護檢修巷道。根據三門縣其頭山礦礦山開拓系統EPC 總承包項目礦山現狀，在358.24m 水平左右施工一條措施平巷，將該巷道作為后期振動放礦機的檢修巷道，然后再水平施工一條措施平巷及天井，施工后進行封堵，其結構示意如圖3 所示。

圖3 維修與措施巷道（天井）示意圖

5 礦山開采施工創新成效

①三門其頭山礦是目前浙江省內最大的建筑用石料單體礦，礦山地形復雜，開采難度大，經多方論證評審，確定礦山以平硐溜井方式開拓，整個礦區工程控制程度較好，采用豎井平硐的錨石運輸，不僅可以節省運輸費用，且杜絕了重載下坡途中存在安全隱患。

②礦石通過溜井下放至平峒內，經膠帶機或礦車運至生產線，可以大幅減少汽車運輸距離，大大降低礦石運輸成本，運輸能力顯著增強。（表1）

表1 礦山開采施工方式優化對比表

③聚焦工程難度大、地質條件多變等工程重難點，深入研究地質構造和特征，明確礦區的地形地貌條件、地層、構造、巖性特征和建筑用石料的形態、規模、產狀和礦石質量特征；了解了場區水文地質、工程地質和環境地質條件，估算場地平整所涉及的資源量，對礦產資源實行分區開發與保護制度，實現礦產資源科學合理布局與開發利用。

6 結論

本文依據三門縣的礦產資源賦存特點，綜合礦山地質條件、資源儲量動態測量、礦石規模、礦山設備等多個因素，確定礦山以平硐溜井方式開拓，提出礦井溜井開采設計和優化開拓系統方案，確定水平溜井維護和維護檢修巷道方案，通過系統的方法論優化采礦工程設計，綜合開發利用礦區資源，提高礦井的開采產量及工作效率。