金属地下矿山阶段运输水平巷道设置创新研究与工程实现

罗业民 吴永强 蒋文利 孙艳秋

(河钢集团滦县常峪铁矿有限公司，河北 滦州 063700)

0 引言

金属地下矿山阶段运输水平巷道的布置是矿床开拓的一部分，其功能是以解决矿石运输为主，并满足人行、通风、排水等要求。阶段运输水平巷道布置是否合理，直接影响到地下工作人员的安全和工作条件、开拓工作量的大小、运输能力及矿块的生产能力等。因此，正确的选择和设计阶段运输水平巷道十分重要[1]。金属地下矿山井下矿石运输大多采用有轨运输系统，根据矿体的产状不同，一座金属地下矿山矿石有轨阶段运输水平沿垂高方向一般间隔50～100 m设置一个，即一个阶段运输水平负责矿体垂高50～100 m范围内的矿石运输任务[2]。该设计方法对于矿体倾角小、垂深小的矿山是经济合理的，但是对于矿体相对集中、倾角大、垂深大的矿山是不经济的，因为需要设置多个阶段运输巷道才能满足整个矿山的矿石运输任务。基于解决上述设置多个阶段运输水平巷道不经济、不合理的问题，对阶段运输巷道的设置进行了研究创新，为金属地下矿山阶段运输水平巷道的设置方案或设计提供了新的思路和发展方向。

1 阶段运输水平巷道设置影响因素

1)阶段运输能力。阶段运输水平巷道的布置，首先要满足阶段生产能力的要求，保证能将矿石运输到井下破碎系统。其次，阶段运输能力应留有余量，以满足生产发展的需要。

2)矿体厚度和矿岩的稳定性。矿体厚度小于4～15 m，一般采用一条沿脉巷道；厚度在15～30 m，一般采用一条下盘沿脉巷道加穿脉巷道，或两条下盘沿脉加联络巷道；极厚矿体多采用环形运输。阶段运输巷道应布置在稳固的围岩中。

3)采矿方法。例如崩落法一般需要布置脉外运输巷道，并且要布置在下阶段的移动界线之外，以保证下阶段开采时作为回风巷道不被破坏，有些采矿方法不一定要布置脉外运输巷道。

4)通风要求。阶段运输水平巷道的布置应有明确的进风和回风路线，尽量减少拐弯，避免巷道断面突然变化，以减少通风阻力。

5)工程量。要尽量使系统简单合理，工程量小，基建时间短。这就要求巷道布置紧凑，集中，尽量一巷多用，减少工程量。

2 阶段运输水平巷道设置现状

根据不同条件和要求，在平面上，金属地下矿山阶段运输水平巷道有多种布置形式，分别为单一沿脉巷道布置、下盘双巷加联络道布置、脉外平巷加穿脉布置、上下盘沿脉巷道加穿脉的环形布置等[3]。但根据阶段运输能力、矿体厚度及矿岩的稳固性、采矿方法、通风要求等，不管平面上阶段运输水平巷道是何种布置形式，在垂深方向上阶段运输水平巷道现行普遍的设置或设计是每50～100 m设置一个阶段运输水平，即一个阶段运输水平负责矿体垂高50～100 m范围内的矿石运输任务，垂深方向上阶段运输水平的设置数量根据矿体产状和矿井生产能力确定，一般中大型地下矿山阶段运输水平的数量均在两个或两个以上[2]。现阶段金属地下矿山阶段运输水平巷道设置纵投影图见图1。

3 阶段运输巷道的创新设置

3.1 技术背景

从地下矿山阶段运输巷道布置或设计的现状可看出，普遍情况是一座地下矿山沿矿体垂深方向50～100 m设置一个阶段运输巷道，即一个运输阶段负责矿体垂深50～100 m范围内的矿石运输任务。对于一部分矿山来说，这种设计只考虑了阶段运输巷道的功能性，而并没有从矿体产状、倾角、垂深等要素去分析考虑阶段运输巷道设置的经济合理性，没能将功能性和经济合理性有机地统一起来，不利于降低矿山建设投资和运行效率。基于解决上述问题，研究提出了地下矿山阶段运输巷道的创新设置或设计。

3.2 创新技术方案

对于矿体相对集中、倾角大、垂深大的地下矿山各阶段运输水平上下基本对应，主要通过溜井实现彼此相连通，最后各阶段运输水平都是通过同一条或多条主溜井与井下溜破系统相连接，实现矿石的重力运输与集中[4]。根据地下矿山阶段运输水平巷道与溜破系统的这种关系，可以对地下矿山阶段运输水平巷道的布置进行调整与创新，即对应适合条件的地下矿山，将整个矿山服务期内的阶段运输水平巷道集中统一设置在最低采矿水平的下部，且整个矿山只设置一个运输水平，矿山采出的全部矿石均通过采区溜井集中溜放到设置在最低采矿水平下部的唯一一个运输水平巷道进行集中运输。此创新技术方案很好的解决了多个运输阶段的不经济不合理的问题，减去了一个或多个阶段运输水平，各运输水平的通风、供电、排水及安全子系统相应减去，极大地简化了地下矿山开拓系统，减少了工程量及工程投资，提升了运输系统运行效率，降低了生产成本，方便了生产管理。金属地下矿山阶段运输水平巷道集中统一设置纵投影图见图2。

4 创新技术方案效果分析

4.1 技术可行性

1)阶段运输水平巷道创新设置或设计适用于矿体集中、倾角大、垂深大的地下矿山运输水平集中统一设置。

2)采区溜井底部生产期间始终保留有一定高度的缓冲矿石，溜井中缓冲矿石的高度根据实际情况确定，不得放空采区溜井，保证了采区溜井放矿设备及溜井本身的安全[5]。

3)采区溜井施工采用各采矿水平分段施工的方式，不会因为采区溜井增长而增加施工难度。

因此，综合考虑各方面因素，阶段运输水平巷道的集中统一设置技术可行。

4.2 经济合理性

阶段运输巷道的集中统一设置技术方案可为地下矿山减少如下工程量或工程投资：

1)矿山集中统一设置阶段运输水平巷道可减少一个或多个阶段运输水平，减少的工程量和工程投资是非常大的。以一个生产能力500万t/a的矿山为例，可减少工程掘进量15万m3以上，节省工程投资上亿元，经济效益巨大。

2)减少主溜井长度，减少工程量，节省工程投资。

3)节省一个或多个阶段运输水平的铺设架线工作量和投资。

4)节省部分阶段运输水平之间的轨道移装费用。

因此，阶段运输水平巷道的创新设置技术方案是经济合理的。

5 工程实例

司家营常峪铁矿位于河北省滦州市城区东南6 km处的响嘡镇境内，矿区位于司家营铁矿主厂区北侧，资源储量1.25亿t，全区全铁平均品位为29.26%。设计采用地下开采，年产铁矿石500万t，精矿产量156.25万t/年，生产服务年限29年。矿山首采水平为-400 m，井下采用有轨运输系统，原设计在-425 m水平、-325 m水平、-225 m水平设置3个阶段运输水平，负责矿山生产期内井下矿石的运输。在实施应用阶段运输水平巷道的集中统一设置技术方案后，该矿山有轨运输水平设置在最低采矿水平的下部，且只设置一个有轨阶段运输水平，矿山采出的全部矿石均通过采区溜井集中溜放到设置在最低采矿水平下部的唯一一个有轨运输水平进行集中运输，即将运输水平集中布置在首采采矿水平-400 m以下的-425 m水平，相比原设计方案，取消了-225 m、-325 m两个运输水平，通过采区溜井将首采水平及以上各采矿水平与-425 m集中运输水平连接起来，实现全矿全生命周期矿石的集中运输。常峪铁矿阶段运输水平巷道设置创新技术方案实施后，与原设计方案相比，其应用效益情况见表1。

表1 常峪铁矿阶段运输巷道设置创新技术方案效益表

从表1可看出，司家营常峪铁矿阶段运输巷道设置创新技术方案实施后，可减少开拓工程量160 354 m3，节省工程投资11 779万元，效益显著。

6 结语

1)根据矿体赋存条件，研究构建了全生产期只设置一个阶段运输水平的井下集中统一运输系统。该研究创新和丰富了地下矿山阶段运输水平巷道的设置形式，为地下矿山阶段运输水平设置提供了新的设计思路和发展方向。

2)分散设置的多阶段运输水平巷道通过一条或多条主溜井与井下破碎系统连接起来，而阶段运输巷道的集中统一设置技术方案大量减少了主溜井长度，降低了工程施工难度，减少了安全隐患。

3)分散设置的多阶段运输水平巷道根据矿山生产的推进需要依次铺设轨道和架线或依次拆移轨道和架线，而阶段运输巷道的集中统一设置技术方案避免了多运输中段铺轨架线的重复工程量。

4)阶段运输巷道的集中统一设置技术方案减去了一个或多个阶段运输水平，各运输水平的通风、供电、排水及安全子系统相应减去，简化了地下矿山开拓系统，增强了矿山市场竞争力和可持续发展。