大紅山銅礦主溜井修復(fù)技術(shù)方案研究*

黃明健，王祖輝

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大紅山銅礦主溜井修復(fù)技術(shù)方案研究*

黃明健，王祖輝

(湖南漣邵建設(shè)工程(集團(tuán))有限責(zé)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(fù)技術(shù)方案，分別為：主溜井修復(fù)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(yùn)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(fù)方案為主溜井加固方案，實(shí)踐表明，所選方案經(jīng)濟(jì)可行。

大紅山銅礦；主溜井；修復(fù)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(yùn)，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(fù)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(yán)重變形破壞問題。主溜井破壞，輕者需停產(chǎn)長時(shí)間進(jìn)行返修，嚴(yán)重者井筒報(bào)廢，影響生產(chǎn)，給礦山造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，探討溜井合理的修(維)復(fù)方法，對礦山安全正常生產(chǎn)具有重要意義。

溜井是服務(wù)年限較長、運(yùn)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(yīng)力環(huán)境、卸礦方式、使用條件和維護(hù)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(guān)注的焦點(diǎn)。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(yīng)力集中、支護(hù)不合理因素等，應(yīng)盡量從設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)服務(wù)期內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠運(yùn)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(jìn)行分析，針對主溜井存在的一些問題，結(jié)合該礦區(qū)地質(zhì)條件，研究主溜井破壞修復(fù)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(chǔ)量較大，投資效益好，同時(shí)被國家列為“八五”計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)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(jì)已過礦量大約2700余萬t。一期設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模2400 t/d，開采對象為535 m標(biāo)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(biāo)高段被砸成“大窟窿”，最大部位寬達(dá)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(jìn)行了系統(tǒng)加固，540 m標(biāo)高以下采用24 kg/m鋼軌進(jìn)行加固，溜井直徑5 m，540~560 m標(biāo)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(shè)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(jìn)行了多次局部的檢修加固，以維持生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

目前，溜井被砸壞的程度較2005年又有擴(kuò)大，溜井損壞較大的地段約在520~575 m標(biāo)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(shí)際上已貫穿，修復(fù)過)，溜井的東南角距二期箕斗斜井卸礦信號(hào)硐室僅有4 m之隔；535 m水平，溜井實(shí)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(yù)計(jì)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(jìn)入一期破碎系統(tǒng)。西部礦段180 m及其以上中段設(shè)計(jì)有19年的服務(wù)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(jìn)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(fù)前的主溜井

1.3 主溜井修復(fù)的必要性

一期礦石主溜井被礦石沖擊損壞、斷面擴(kuò)大后，在550 m和535 m水平礦石井的西側(cè)，溜井實(shí)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(jìn)行支護(hù)修復(fù)的，與溜井間實(shí)際只有支護(hù)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(hù)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(yùn)行，因此很不安全。在550 m水平礦石井的東側(cè)，溜井實(shí)際井壁距離二期箕斗斜井的設(shè)施也較近，如果一期礦石井?dāng)嗝嬉驔_擊繼續(xù)擴(kuò)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(kuò)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(kuò)大，實(shí)際上是形成了兩個(gè)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(huì)引起較大的塌方，危及到相鄰設(shè)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(shè)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(jìn)行相應(yīng)修復(fù)，以消除安全隱患。

2 主要設(shè)計(jì)方案及技術(shù)

2.1 溜井損壞原因分析

從大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)，再強(qiáng)的支護(hù)一般都難于抵擋礦石沖擊的破壞。實(shí)際生產(chǎn)中，如468 m水平采一號(hào)膠帶卸載點(diǎn)，礦流前方用鋼軌做成的支擋設(shè)施都要經(jīng)常更換。從一期礦石實(shí)測斷面看，550 m水平卸礦斜溜道方向?yàn)闁|南向，礦石井的東南面524~540 m標(biāo)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?yàn)闁|北向，礦石井的東北面540~574 m標(biāo)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(huì)沖擊到對側(cè)，使對側(cè)產(chǎn)生損壞。

從實(shí)際損壞的程度看，600 m及以上礦石因其下落時(shí)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(shí)際情況看，要保證535 m放礦，520 m標(biāo)高以上溜井需要處于空倉狀態(tài)，這樣520 m標(biāo)高部分就暴露出來受上部卸礦的沖擊。同時(shí)，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(chǔ)礦段，放礦時(shí)礦流下降，礦石與井壁摩擦，會(huì)對井壁產(chǎn)生磨損。支護(hù)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(yīng)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(yīng)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?zèng)_擊；二是在受沖擊位置設(shè)置粉礦堆；三是調(diào)整設(shè)計(jì)，將受沖擊的部位放置到?jīng)_擊范圍之外；四是設(shè)置加固設(shè)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(shè)置成分段溜井的型式，減小落差。圍巖穩(wěn)固性較差時(shí)應(yīng)采取支護(hù)措施，并加固。同時(shí)，在日常生產(chǎn)過程中，有條件時(shí)盡量滿倉放礦。

2.3 溜井修復(fù)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(fù)加固方案(簡稱修復(fù)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(yùn)方案(簡稱550 m轉(zhuǎn)運(yùn)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(fù)加固方案

在600 m中段卸礦斜溜口下口處設(shè)置溜井鎖口段，在鎖口段上端設(shè)置粉礦堆；在溜井?dāng)嗝媸軟_擊破壞較大的地段，采用直徑較大的圓形斷面對溜井進(jìn)行襯砌，壁后用毛石砼進(jìn)行充填；各中段斜溜口處，有條件時(shí)設(shè)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(yùn)進(jìn)入礦石溜井或分流從其它系統(tǒng)運(yùn)走。

將640 m及其以上中段的礦石分流運(yùn)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(shè)置溜井鎖口，并在600 m中段斜溜口及鎖口段上端設(shè)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(jìn)入下部溜井，減少對下部溜井井壁的沖擊；對溜井損壞段進(jìn)行襯砌，并進(jìn)行壁后充填，避免溜井損壞繼續(xù)擴(kuò)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(shè)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(shí)測斷面分析可得，損壞段主要在520~580 m標(biāo)高之間，損壞的程度為中間較大，兩端較小，實(shí)測斷面不規(guī)則。為保證生產(chǎn)安全，需對溜井進(jìn)行襯砌，對于溜井襯砌，有2個(gè)方案：

(1) 只對溜井的東西兩面進(jìn)行襯砌，西面的襯砌保護(hù)550 m、535 m中段卸載線，東面的襯砌保護(hù)箕斗斜井，這一方案是在溜井的東西兩側(cè)各設(shè)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(diǎn)，經(jīng)分析，認(rèn)為采用圓形斷面對溜井進(jìn)行襯砌較為合適。該方案修復(fù)工藝流程見圖2。

采用該方案可恢復(fù)原溜井功能，溜井功能簡捷高效、結(jié)構(gòu)合理、抗沖擊磨損性能強(qiáng)。同時(shí)，溜井修復(fù)后的運(yùn)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(yùn)方案

該方案只對原礦石溜井550 m以下部分進(jìn)行修復(fù)加固，550 m以上部分進(jìn)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(yùn)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(fù)加固方案同以上礦石溜井修復(fù)加固方案，在543 m處用鋼筋混泥土蓋板進(jìn)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(yùn)能力緊張，由于轉(zhuǎn)運(yùn)線路長度有限，以兩列車(由10 t電機(jī)車牽引2 m3側(cè)卸式礦車，每列車12個(gè)車廂)運(yùn)行較妥，但礦石運(yùn)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(jī)牽引轉(zhuǎn)運(yùn)礦石；550 m中段、575 m中段2~3年內(nèi)仍需利用550 m運(yùn)輸。在此條件下溜井車場列車數(shù)量將多達(dá)4~5列，運(yùn)行難度極大，不能滿足礦石轉(zhuǎn)運(yùn)要求。因此，此方案不但增加礦石轉(zhuǎn)運(yùn)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(fù)工藝流程

采用該方案的工期短一些，對礦山生產(chǎn)進(jìn)度的影響也較小，但其缺點(diǎn)是，550 m中段礦石轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)列車沖突大，不能滿足礦石運(yùn)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(biāo)高、進(jìn)入下段修復(fù)和加固的溜井。該方案對原溜井550 m以下部分用“溜井修復(fù)加固方案”的方式進(jìn)行修復(fù)加固，對上部550~600 m之間的損壞部分用廢石進(jìn)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(jìn)行修復(fù)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(fù)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(dá)220 d左右，而且使新溜井的單位造價(jià)增高(或者要在上部垂直段與下部斜溜道的聯(lián)結(jié)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(shí)牽引機(jī)頭已進(jìn)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(fù)加固方案中”550 m以上部分的加固工程，有利于減少工程費(fèi)用。但該方案下段斜溜道太長，達(dá)到56.4 m，如采用儲(chǔ)礦方式放礦，容易引起斜溜道堵塞，不用儲(chǔ)礦方式放礦，斜溜道的磨損嚴(yán)重，而且在溜井的變段處，磨損沖擊也很嚴(yán)重，不易維護(hù)。同時(shí)該方案具有工期長的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響礦井的日常生產(chǎn)。

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

3 結(jié) 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(fù)方案，分別為：主溜井加固修復(fù)方案、550 m轉(zhuǎn)運(yùn)方案及新建溜井下放方案。綜合經(jīng)濟(jì)成本、地質(zhì)條件及時(shí)間考慮，采用主溜井加固修復(fù)方案更為適合，采用該方案能恢復(fù)原溜井的功能，簡潔高效，并且結(jié)構(gòu)合理，耐沖擊性較強(qiáng)。實(shí)踐表明，采用該方案有效節(jié)省了運(yùn)營成本，實(shí)施效果良好，大紅山銅礦主溜井的修復(fù)可為國內(nèi)外類似主溜井修復(fù)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(xué)基金項(xiàng)目(E2016209388).

(2018?08?03)

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