高寒高海拔地区矿山工程设计要点思考

杨 彪

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011)

0 引 言

随着西部大开发及“一带一路”战略的深化推进，西部高寒高海拔地区矿产资源的开发正全面有序开展，一大批矿山工程已建成、在建或规划中，而高寒高海拔矿山具有低压缺氧、低温干燥、强风、水文地质条件差、生态环境脆弱、外部协作能力差等特性，在资源开发过程中面临诸如工作环境恶劣、劳动强度大、设备工作效率折减、边坡安全、冰冻、供电系统散热等很多困难和问题。

针对于此，国内已有多位专家学者就多个专项问题做过研究，如北京科技大学龚剑曾针对高海拔矿山掘进面的粉尘运移规律及通风除尘系统优化进行过研究[1]，申梦飞针对高海拔条件矿山的充填质量控制问题做过研究[2]，兰州有色院金凌霄等就高海拔地区选矿厂厂址选择的问题进行过分析和探讨[3]，针对高原供电系统、矿山设备应用等方面做过实验和分析。

总体而言，以往研究多局限于矿山项目建设过程中的某一类问题，没有系统性的从高寒高海拔区域定义及共有特性研究入手，从工程规划和设计角度对项目的整体建设进行分析。针对于此，本文统计分析了目前国内高寒高海拔矿山的开发现状，由高寒高海拔矿山的定义及特征研究着手，结合设计经验，从矿山开采方式选择、露天矿山设计、地下矿山设计、设备选型、总图规划与布置、土建工程、给排水系统、高原供电系统等多方面，从工程设计的角度系统的对诸多要点进行了思考和论述。

1 高寒高海拔矿山定义及特性分析

1.1 高寒高海拔矿山定义

地理学上的高原是指海拔500 m以上，起伏较小、顶面平缓、面积辽阔的高地；医学上的高原是指海拔3 000 m以上，能激发机体产生生物效应的环境及高度[1]。按照国际通行的高海拔区域划分标准，分为高海拔区、超高海拔区和极高海拔区域3类，具体如下：1)1 500～3 500 m为高海拔区域；2)3 500～5 500 m为超高海拔；3)5 500 m以上为极高海拔。

高寒地区一般指全年日平均温度小于或等于10℃，积温1 800～2 000 ℃的低温地区，高寒地区大致分为以下3种类型：1)高海拔河谷地区和高纬度地带的平原地区，如雅鲁藏布江和黑龙江北部地区；2)高原盆地，如藏北高原、柴达木盆地等；3)高山山地，如西藏、新疆等高山地域。

高寒高海拔矿山是指位于1 500 m海拔以上，且同时具有高寒地区特征的矿山工程项目。

1.2 高寒高海拔矿山特点分析

1.2.1 低压缺氧

根据我国470多个高山气象台站(海拔高度在800 m以上)历年(10年以上)气象资料统计分析，得出压力经验公式1[1]。

(1)

式中：pH表示海拔高度为H的大气压力，用绝对压力表示，Pa；H表示海拔高度，m。

气压高低主要取决于海拔高度，随着海拔增加大气压降低，氧分压也是如此，高原地区大气中的含氧量和氧分压也较低，从而引起人体器官组织供氧不足，产生功能或器质性变化。

1.2.2 寒冷、干燥、强风

气温随着海拔高度增加而递减，海拔高度为H的当地气温可利用气温梯度公式计算(公式2)。

(2)

式中：tH表示海拔高度为H的当地历年平均气温，℃；th表示相邻气象台站的历年平均气温，℃；gt表示该地区的气温梯度，C°/100；h表示相邻气象台站的海拔高度，m。

空气的绝对湿度随海拔高度增加而递减，海拔高度为H的当地空气绝对湿度可利用湿度梯度计算式计算(公式3)。

(3)

式中：eH表示海拔高度为H处的当地空气绝对湿度，g/m3；eh表示相邻气象台站的历年平均绝对湿度，g/m3；ge表示绝对湿度梯度，g/m3/100，可查气象资料。

高原气温随海拔高度增加而减低，且日温差大，低温使机体代谢率增强，耗氧量增加；高原的空气对流、辐射、传导及蒸发所散失的热量比平原多，使机体代谢率增高，耗氧量随之增高。高寒地区多风且风速可达30 m/s，大风速增加人体对流散热，增加寒冷程度，是高原冻伤发生的重要因素之一。大气中的水分随海拔高度增加而减少，海拔3 000 m大气中水分相约为平原的1/3，海拔愈高气候愈干燥。高原空气稀薄，大气密度降低，空气净化，单位面积所接受的紫外线量比平原地区高，加之白雪反射，紫外线辐射强度也大幅度增加。

1.2.3 生态环境脆弱

当生态环境退化超过了在现有社会经济和技术水平下能长期维持目前人类利用和发展的水平时，称为脆弱生态环境，高海拔高寒地区一般都处于生态环境脆弱地区。如青藏高原高寒脆弱生态系统，青藏高原80%以上面积位于海拔4 000 m以上，气温显著低于同纬度地区，形成“世界第三极”；深居内陆的高原腹地的降水量多在200 mm以下，干旱特征明显；土壤发育历史短，成土母质以冰碛物、残积-坡积物为主，高原71.67%面积为高山土覆盖，土壤普遍具有粗骨性强、抗蚀能力弱的特点；植被以高寒草甸、草原为主，结构单一；低温缺水更使得草地生产力低、更新缓慢。这些因素决定了高海拔高寒区生态系统的本底质量差，对外部干扰响应敏感，易出现退化现象。

在严寒、缺氧的自然环境下，生物物种结构单一、食物链简单，高海拔地区的生态系统敏感且脆弱，工业生产对生态环境的扰动可能引起不可逆的变化。高海拔地区的植被生长缓慢，施工中一旦因取土、弃土等行为遭到破坏，恢复困难，甚至还会间接破坏生态环境，使多年冻土最大季节融化深度发生变化，导致地下冰融化，形成热融现象如热融滑雪、热融沉陷等。这些变化不但影响到地面的稳定性，而且还会造成自然生态环境发生不可逆演变。因此，为保持生态稳定性，高海拔地区矿山建设应尽可能的采用绿色环保的工艺方法。

1.2.4 水文地质条件差

我国高寒高海拔地区多集中分布在地势第一、二级阶梯上，由于高度、位置、成因和受外力侵蚀作用的不同，高原的外貌特征各异。我国以高原和山地地形为主。根据地势分布情况，将青藏高原、云贵高原、黄土高原、内蒙古高原称为中国四大高原，各高原特征见表1[2，4]。

表1 中国四大高原特征汇表

高海拔地区的矿山多数位于高山地形区，山势陡峭险峻、岩石风化强烈，切割比高，山体滑坡、坍塌，泥石流时常发生，且高海拔地区无霜期短，昼夜温差大，气候垂直差异明显，岩土体冻融现象明显，冻土深度大。

1.2.5 矿区外部协作条件差

长期生活在平原地区的人在面临超过20%的氧分压减少时，会有明显的身体不适。据实验研究，最适合人类生存的海拔高度是500～2 000 m。由于高寒高海拔地区不适宜居住，人烟稀少，其工农业生产基础相对薄弱，导致工业项目的外部协作条件差，如项目劳动力的供给、生产和生活物资的供应、机器具的租用协作以及维修等方面都会面临一定困难。

2 我国高寒高海拔矿山资源开发现状

我国高寒高海拔地区尤其是西部地区的矿产资源丰富，独特的地理位置和资源规模在国民经济中占据越来越重要的地位，对该矿产资源的合理开发利用不仅是西部大开发战略的重点，同时对我国国民经济可持续发展具有重要的意义。如青藏高原己发现并探明储量的有59种矿种，储量居我国前十位的有37种，且矿产资源规模大、品位高、质量好，目前己查明数十条规模巨大、具有工业前景的铁、金、银、铜等多金属矿，包括驱龙铜矿、布冷口铜矿、甲玛铜矿等，唐古拉山脉从东到西分布着数千里长的“铜墙铁壁”矿化带。

我国西部高寒高海拔地区矿产资源丰富，己建成、正在建设或规划一批矿山项目，我国西部部分高寒高海拔地区已建及在建矿山统计见表2。目前开发的高寒高海拔矿山多分布在3500～5 500 m的超高海拔区域，大型超大型矿山以露天或露天地下结合为主，中小型矿山以地下开采为主。

表2 我国西部高寒高海拔地区部分已建及在建矿山统计

3 设计要点思考

3.1 开采方式选择

影响开采方式的因素主要包括矿床地质条件、外部开采环境、技术可行性及项目经济效益等4个关键因素。对于高寒高海拔矿山，应首先重点考虑矿山外部环境的要求，通过对建设区域的地方规划定位、当地环境保护要求、当地居民对项目建设的反应、外部水电交通及通讯情况等信息分析，初步判断矿山可允许的开采方式，并将环境保护和生态保护放在项目开发的首要位置；其次才是根据矿床规模、矿床空间形态、矿山水文地质及环境地质等矿床条件信息，深入分析论证开采方式[5]。

高寒高海拔地区同时具有低压缺氧、寒冷干燥、生态脆弱、水文地质条件差、外部协作条件不好等共性特征，在矿山开采方式选择时应首先处理好生产作业条件和脆弱的高原环境之间的矛盾。此外，在同等技术经济情况下，应优先选择机械化程度高、劳动强度小、利于规模化开发的露天开采方式。

3.2 矿山设备选型

据调查，高海拔地区劳动时间率平均为66.3%，且劳动强度较于平原地区增加23.6%，因此高海拔地区矿山项目应按“多机械、少人工”的原则，全面提高各类作业的机械化程度和自动化程度。由于高海拔地区气候环境的影响，矿山设备效率大幅度降低，为保证矿山生产的顺利进行，在设备选型计算时需考虑负荷折减问题，并考虑增加设备的备用系数[1,6]。高寒高海拔矿山采矿设备因动力源的不同，设备的效率折减情况不同，部分统计数据见表3。

表3 3 000～5 000 m高海拔地区采矿设备能力降低情况统计表

由表3可知，电力设备的能力损耗较其他方式低，蒸汽动力损耗最高。因此在高寒高海拔区域的矿山设备选型时，应注意以下事项：(1)尽量采用以电作为动力源的装备，减少能耗，节约成本。(2)设备选型计算时应充分考虑各类设备的效率折减情况，确保设备的生产能力。(3)尽量考虑设备的大型化、机械化和自动化，减少操作人员，降低劳动强度。

3.3 露天矿山设计

高寒高海拔露天开采矿山设计应重点关注开拓系统及设计参数的可靠性、设备的机械化和自动化程度、矿山边坡稳定等问题。露天矿山道路分为一级道路、二级道路、三级道路，其最大允许纵坡分别为7%、8%、9%，对于高海拔矿山的道路按照不同海拔高度和公路等级有不同的纵坡折减要求，具体参数见表4。但对于厂外道路折减后的最大纵坡值如小于4%时，应采用4%；对于露天矿山道路折减后的最大纵坡值如小于4.5%时，应采用4.5 %。此外，在寒冷、冰冻、积雪等高寒露天矿山各级道路的合成纵坡(超高圆曲线段，超高横坡和纵坡之和)不得大于8%[7]。

表4 露天矿山道路纵坡参数表 %

露天矿山设备是改进露采工艺、提高经济效益、扩大资源利用等方面的关键因素，露天设备主要包括穿孔、铲装、运输等主体设备和诸如平地机、洒水车、装药车、加油车等其他辅助设备。在高寒高海拔矿山应尽量采用大型设备、电动力源设备，尽量提高设备机械化和自动化程度，进而减少劳动定员，降低劳动强度，降低矿山运行成本，提高矿山运行效率。

高寒高海拔地区露天矿山边坡揭露的岩体暴露于昼夜循环、四季更替的大温差循环的环境下，经受剧烈的冻融循环，边坡稳定性影响因素比常温地区更多、更复杂。寒区岩体经受自然冻融循环过程后，其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。因此，高寒高海拔地区的岩石边坡工程要重点考虑冻融循环对边坡岩石物理力学性质的改变及对边坡稳定性的累加叠加影响。

3.4 地下矿山设计

在高寒高海拔地区地下矿山设计时，应重点对采矿方法选择、开拓系统布置，以及充填系统、通风系统设计和各类设备选型进行详细论证，充分考虑高寒高海拔地区所具有的低压缺氧、寒冷干燥、生态环境脆弱、水文地质条件差、外部协作条件差等特点，在满足生态环境保护要求下，尽可能地改善恶劣的采矿工作环境，降低劳动强度。

高寒高海拔地区地下矿山的开拓运输系统应尽可能地电气化、机械化和自动化，采矿方法应优先选择充填采矿法，尽可能地将废石和选矿尾砂充填井下，做到生态环保，如顶底板环境允许，采用嗣后充填工艺，能在保证环保情况下降低劳动强度。在进行充填采矿时，应注意高寒高海拔环境下充填体化学性质、力学性质较低海拔地区的差异，且在充填过程中尽可能提高采场充填的接顶率，提高充填体对顶板的承载效果，防止地表沉降变形，以保证矿山地表环境的稳定性[2]。对于已经荒漠化的高寒高海拔地区，若允许地表破坏，也可选用崩落法采矿[8]。

高海拔地区空气密度随海拔高度增加而降低，矿井通风摩擦阻力系数与空气密度成正比例关系，因此矿井通风摩擦阻力系数和风阻均随着海拔高度的变化而变化；由于高海拔地区气压、空气密度和气温的变化，单位重量的炸药爆破所产生的炮烟容积也随着变化；随着海拔的上升，空气愈渐稀薄，空气重率降低，风机运转的特性曲线和工况点也发生一系列变化。在井下大爆破排烟通风的需风量计算时，当海拔超过1 500 m时需考虑高海拔系数[1,7]。以排烟风量为回采工作面需风量时，高海拔矿山需风量采用公式4、5计算，但若以排尘风量或排尘风速计算的需风量为回采工作面风量时，qH=qo。

(4)

式中：qH为高海拔矿井风量，m3/s；qo为标准条件下矿井风量，m3/s；Kr为海拔高度调整系数。

(5)

式中：Zp为矿区平均海拔高度，m。

此外，根据安全规程要求，进风井巷的温度应保持在2 ℃以上，但禁止在井下用明火加热空气。因此，一般在进风井口通过加热器外对空气进行预热，同时采用空气幕等措施将冷空气与井下隔开，也可利用井下临时工程、废旧工程或采空区的岩温对风流进行加热。

3.5 矿山公辅设施设计及其他

3.5.1 总图布置

高寒高海拔地区矿山总图布置设计时，必须紧密结合其独有特点，在场地选择、建筑物朝向、排土场设计、矿山道路等方面进行优化设计[3]，重点关注如下几点：

(1)工业场地尽可能集中布置，缩短工艺连接及运输线路，充分发挥机械化设施的潜在能力，降低工人劳动强度。

(2)生活区尽量选择在山脚下海拔较低处，植被覆盖较好的地方，以保证生活区附近大气中有较高的含氧量和氧分压。

(3)矿山排土场应尽可能采用将采空区或塌陷区，将剥离物用作充填料，减少环境破坏。

(4)矿山道路的选线应尽量避免穿过滑坡、崩塌、泥石流、冻土等严重不良地质地段和特殊地区，矿山道路要满足高寒高海拔地区的坡度折减要求。

3.5.2 土建工程

高寒高海拔地区的土建工程设计重点关注如下几点：

(1)根据工程勘察资料，分析该区域是否有冻土层，以及冻土层的力学特性，在土建工程的基础设计时要考虑冻土层对基础稳定性的影响。

(2)充分考虑高寒高海拔地区的低温特征，在建筑材料选取、墙面厚度和结构设计等方面考虑建构筑物的保温要求。

(3)在结构设计时，还要考虑当地气候特征，在荷载计算时要充分考虑风荷载、雪荷载，确保建构筑物的结构安全。

(4)考虑到高寒高海拔地区的外部协作条件差，物资运输困难、地震多发等因素，在结构形式选择上，应尽可能的利用安装简易、快捷，效率较高的钢结构形式。

3.5.3 给排水

高寒高海拔地区的给排水工程设计重点关注如下几点：

(1)充分考虑高寒高海拔区域的低温特征，做好管道的保暖，若通过管道埋地保暖，必须根据冻土层报告，埋于冻土层以下，并确保覆土深度。此外，还可通过增加管道保温层、进行加温保暖等方式确保管道系统的畅通。

(2)给排水系统计算时，要考虑高海拔地区的低压、低空气密度等特征。

(3)管道选型时要考虑高寒高海拔地区的冻涨特征，同时管材要能适应温度场往复极具变化的冻融特征。

3.5.4 供电系统

高寒高海拔地区的供电工程设计面临的主要问题及注意事项如下：

(1)高海拔地区温度较低，岩土体硬度大，对管线塔杆基础开挖造成影响，同时还面临冻土层及强风负荷的影响。

(2)随着海拔高度的不断上升，大气压力逐渐降低，导致输变电设备的绝缘强度不断衰弱，降低了设备的外绝缘能力。

(3)一般在高寒高海拔地区，电气设备的开关设备冰层厚度较大，对设备的损害较大。

(4)日常使用的环氧树脂干式变压器的运行环境一旦超过了1 000 m海拔，其温升限值会呈现递减态势，每超过500 m，温升限值就会按照冷变压器的2.5%、风冷变压器的5%缩减，因此在高海拔地区，必须对变压器进行实地测试[9]。

(5)对于低压电器，应注意高寒高海拔环境对其造成的温度、绝缘耐压、动作特性等方面的影响。

4 结 语

(1)在对高原高海拔矿山和高寒矿山定义分析的基础上，提出了高寒高海拔矿山的定义。

(2)在数据统计分析的基础上，汇总并分析了高寒高海拔矿山工程所具有的低压缺氧、低温干燥、强风、生态环境脆弱、水文地质条件差、外部协作能力差等共性特征，并统计分析了我国西部高寒高海拔矿产资源开发现状。

(3)从开采方式选择、设备选型、矿山工艺设计，以及总图布置、土建工程、给排水系统、供配电等方面探讨了高寒高海拔矿山项目在设计环节的注意要点，并总结出诸如优先选择露天开采工艺、优先选用电动力设备并充分考虑损耗、注重环保等设计理念。

[1] 龚 剑.高海拔矿山掘进面粉尘运移规律及通风除尘系统优化[D].北京：北京科技大学, 2015.

[2] 申梦飞.高海拔条件矿山充填质量控制研究[D].北京：北京科技大学, 2015.

[3] 金凌霄，高文美.高海拔地区选矿厂厂址选择的初步认识[J].黄金科学技术, 2011, 19(4):80-83.

[4] 韩国财.高海拔地区矿山建议有关问题探衬[J].中国矿业科技文汇(2013)，150-153.

[5] 杨 彪.固体矿床开采方式影响因素和选择方法探讨[J].矿业工程研究, 2017，32(1)：1-6.

[6] 刘谊兵，孙运礼，孔令文.新型螺杆压缩机在高海拔低温环境矿山中的应用[J].甘肃冶金, 2011, 33(5):83-84.

[7] 于润沧.采矿工程师手册[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[8] 曹 帅，宋卫东，朱先洪，等.高海拔地区急倾斜薄矿体采矿方法优选[J].金属矿山,2013,42(2):14-17.

[9] 陈映江.高海拔高寒地区输变电设备解析[J].中国高新技术企业, 2014, 298(19):118-120.