寒冷地区某铅锌矿深部开采系统优化设计

2021-11-03孙旭，谢伟

有色金属设计 2021年3期

孙旭，谢伟

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

某铅锌矿位于内蒙古自治区，行政区划隶属于内蒙古自治区满洲里市新巴尔虎右旗阿日哈沙特镇管辖。有公路直通新巴尔虎右旗和满洲里，常年可通行汽车，距呼伦贝尔市政府所在地海拉尔区265 km，距满洲里市150 km，距新巴尔虎右旗政府所在地阿日哈沙特镇45 km，经矿区有省道S203与满洲里相连，满洲里有铁路和公路与全国及俄罗斯相连。详见交通位置图，见图1。

图1 交通位置图

矿区位于著名的呼伦贝尔草原，自然地理环境较好，地形类别为丘陵，山势平缓，沟谷开阔，由北西向南东逐渐降低，一般标高750～850 m，最高点甲乌拉山海拔943.1 m，相对高差100～200 m。

区内水系不发育，仅有少数井、泉及咸水泡分布，矿区东50 km有著名的呼伦湖，南30 km有克鲁伦河，淡水储量丰富。

气侯属高纬度寒温带干旱型，冬季严寒，春季有暴风雪。风向多为西北风，最大风速27 m/s。年平均气温0.6℃，1月平均气温-21℃，最低-38℃，7月平均气温21℃，最高36℃。年降水量平均为251 mm。年蒸发量平均1 857 mm。冰冻时间一般在10月中旬到来年5月，最大冻土厚度3.99 m。

1 矿山开采现状

20世纪90年代开始，矿区曾经有6家小矿开采。2001年市政府组织整顿，关闭开采2号矿体的5家小矿，至2006年共有3家公司进行采矿活动。2006年初，某矿业有限责任公司通过收购兼并，将资源整合在一起，形成了5个独立的采矿系统，24条竖井，3条斜井。由于整合前长期的无序开采，采富弃贫，开拓、探矿工程投入严重不足，保有储量急剧下降，采掘严重失调。440 m标高以上品位较高的主矿体已基本采完，大部分采空区未及时进行处理，采场的顶底柱和间柱无法及时回收。Pb+Zn平均品位小于6 %的矿体未及时回采。已形成的竖井、盲竖井、地表建筑物等均位于地表岩石移动范围内，需要留设大量的保安矿柱，浪费大量资源。

由于缺少统一规划、统一设计，造成大矿小开，矿山生产秩序较乱。经多年开采，多个坑口相互贯通，形成立体多层巷道网络。

该矿区开采历史较早，均采用竖井—盲竖井倒段提升，最多达3段提升，提升容器多采用非标准罐笼，能耗高，效率低。有的提升系统单项能耗高达9.13 kW·h/t矿t，不符合节能要求(三级≤6.5 kW·h/t矿)。部分主扇风机、水泵等均未达到2级能效，不满足国家规范节能评价值要求。井下运输多采用人工推0.7 m3、0.5 m3矿车或0.22 m3手推车，属行业限制的落后生产工艺和装备。

随着开采深度增加，继续利用原有的开拓系统，开采难度加大，采矿成本增高，生产后劲不足，影响矿山和地方经济可持续发展。

2 原有生产系统存在的主要问题

该矿区开采历史较早，目前矿山利用5个开采系统进行浅部开采，均采用竖井—盲竖井倒段提升，最多达3段提升。各系统为独立开采系统，独立出矿，独立通风、排水。矿山生产系统多而复杂，提升、运输、通风、排水等环节能耗较高，生产效率较低。

由于整合前长期的无序开采，采富弃贫，开拓、探矿工程投入严重不足，保有储量急剧下降，采掘严重失调。而且由于缺少统一规划、统一设计，造成大矿小开，矿山生产秩序较乱。随着开采深度增加，继续利用原有的开拓系统，开采难度加大，采矿成本增高，生产后劲不足，影响矿山和地方经济可持续发展。矿山急需进行改造升级，进行集中开拓运输、机械设备取代人力，走集约化、机械化生产之路。

3 原设计方案

2015年，业主委托某设计院开展了深部开采系统的初步设计和安全设施设计工作，推荐的方案投资大、与矿山实际情况相差很大，为此，2016年业主委托中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司重新开展矿山深部的设计工作。

原设计方案为：

440 m标高以上的矿体利用原有的开拓工程进行回采。原有的开拓系统生产能力可达到70万t/a，440 m标高-0 m标高采用集中主副竖井开拓，在靠近主井附近设矿石、废石主溜井各一条。主井采用6.3 m3双箕斗提升矿石和废石，副井采用3#双层单罐负担部分废石及全部、设备、人员、材料等提升任务。

主井井口标高785 m，1期井底标高-120 m，井深905 m。深部坑探工作结束后，2期主井由-120 m标高延深至-360 m标高。井筒规格为φ5.0 m圆形井。采用钢丝绳罐道，提升容器为6.3 m3多绳底卸式双箕斗，用于提升矿石和废石，选用JKm 3.25×4(Ⅲ)型塔式多绳摩擦提升机，提升速度9.6 m/s，ZKTD型直流电机，1 600 kW，56 r/min，800 V。为了防止提升钢丝绳结冰打滑，设计采用混凝土井塔。

副竖井井筒规格为φ5.0 m圆形井，设有提升间、管缆间和梯子间，井底标高-150 m，井深935 m。选用JKM 2.8×4(Ⅰ)型多绳摩擦提升机，提升速度8.2 m/s，速比10.5，Z500-2A型直流电机，500 kW，588 r/min，660 V。为了防止提升钢丝绳结冰打滑，设计采用混凝土井塔。

采用钢罐梁钢罐道，提升容器为3#双层单罐笼配平衡锤，每次提升2辆1.2 m3矿车，用于提升废石，运送设备、人员和材料。

中段高度40 m，每个中段设车场与副井相通，石门长度180 ～200 m，主、副井南北相距80 m，主、副提升机房分别设置。西安院接手时主、副井已经下掘约60 m。

由于矿区冬季寒冷，南、北矿带相距2.5 km，中段运距远、矿体条数多而且分散、石门长等特点，对整个提升运输系统进行了重新设计。

3.1 地表井塔改为井架

由于矿区冬季寒冷，为防止钢绳结冰打滑，原设计地表为井塔。为防止钢绳结冰打滑，大部分金属矿山在寒冷地区为保险，设计均采用井塔型式，见图2-5。但井塔存在建设期长(最少2年)、投资高(比井架高3～5倍)、还要将所有设备包括提升机、电机等大型设备提升到几十米高处，施工难度大缺点。经过反复论证，我们大胆在该项目采用了地表钢井架设计，即将主井、副井地表选用多绳落地式提升机钢井架方式，这样，钢井架与提升机房、提升机设备安装可以同时平行施工，互不干扰，仅5个月时间便建成。另外，设计采用了2项保温措施：

图2 内蒙中部某铅锌矿提升井塔

图3 内蒙中部某铜矿(竖井井塔6个)

(a)竖井井塔侧视图

图5 内蒙中部某铜矿(竖井井塔)

(1)井架的天轮及外露钢丝绳全部采用150 mm厚的岩棉彩钢板维护防冻；

(2)设计了专用的风机和铁皮风筒，将空气预热的部分热风经铁皮风筒送至井架的天轮处，防止钢绳结冰。

该副井井架于2018年11月建成，材料消耗193.4万元，井架安装费用166.24万元，合计359.64万元。至今已经安全使用3个冬季，成为在此寒冷地区范围内，金属矿山第一条落地式多绳提升井架式竖井(见图6、图7)。

图6 主副井地表采矿工业场地

(a)竖井井架侧视图

3.2 主、副井地表提升机房集中设置

主、副井地表提升机房从前大多数均是分别设置，这样会造成供电、水、暖及管理均为2处，存在分散、投资高、占地面积大等缺点。该设计将2个提升机房合在1处设置(图8、图9)，避开了上述诸多缺点。

图8 主副井地表集中提升机房

图9 主副井地表集中提升机房

将主、副井地表提升机房合并设置，不是简单的将地表的2台提升机合并，放到1个房子里结束。主、副竖井提升，因其负担的提升任务和物料不同，导致下部中段车场布置有多种组合和型式，主、副竖井提升机房分开布置时，下部车场理论上不受方向和位置的限制，布置起来相对容易。当将主、副竖井提升机房集中布置时，对于落地式多绳提升机而言，井下主井附近的溜井位置只有2个方向可以布置，车场的布置相对复杂。西安院接手时，由于主、副井已经下掘60 m，井位无法调整，由于地表的集中卷扬机房只能在两井之间，导致井下的溜井位置不能任意设置，为此，使地下车场的设计难度增加。

3.3 在矿区中部设倒段盲竖井

原设计2个井位位于矿区北部，且每个中段均与副井连通。因各中段石门长、中段车场数量多，导致原系统的工程量大。为此，新的设计方案考虑只将320 m中段、200 m中段和0 m中段与副井连通，并在矿体下盘中央区域位置设置1条辅助罐笼盲竖井(320～0 m)与各中段连通，作为各中段人员、设备及材料的辅助提升井。同时还负担井下空区处理充填废石的提升任务。320 m中段和0 m中段的人员、材料及设备由副井直接提升和下放，其它各生产中段的人员、材料及设备，下放时先由副井从地表下放至320 m中段，再由辅助盲竖井下放至各生产中段。盲中段的废石、人员先由辅助盲竖井提升至320 中段，再由主副井提升至地表，见图10。

图10 开拓系统纵投影图

3.4 设2套溜井系统

原设计2个井位位于矿区北部，各中段矿石、废石运输距离较远。新方案在矿区内部靠近矿体位置设2套溜井系统，各中段采下矿石和产生废石由布置在10线附近的1号矿石及废石溜井组和26线附近的2号矿石及废石溜井下放到0 m中段，再由0 m中段运输至主井附近的矿石及废石转运矿仓。

1号溜井组布置在10线附近，2号溜井组布置在26线附近，采用倒段溜井，下部0 m中段设振动放矿机放矿，装入2 m3侧卸式矿车后由架线式电机车集中运输至主井车场卸矿。主井车场附近设置矿石及废石矿仓，皮带道设在-40 m水平，箕斗装矿计量硐室标高为-45 m，粉矿回收巷道设在-80 m水平。因2种组溜井靠近矿体，使各中段的运输距离大大缩短，0 m水平的2 m3侧卸式矿车集中运输也有效提高了运矿能力，使得主井供矿更有保证。