瀑布式溜井在大红山铁矿二期工程中的应用

魏建海 马相松 吴健薇

（昆明有色冶金设计研究院股份公司）

大红山铁矿400 万t/a 一期工程主要开采400 m标高至地表的矿石资源，采用无底柱分段崩落法开采，胶带斜井+辅助斜坡道+辅助盲竖井的开拓系统，设置380 m 中段集矿运输水平，在340 m 建设有矿石破碎站，2#胶带斜井（14°）自地表（720 m 标高）向下延深至320 m 标高，将破碎后的矿石提升出地表交给地表原矿堆场，一期工程于2007年建成投产，投产第二年达产，稳定了昆钢集团的铁精粉供应。

2009 年开始大红山铁矿二期工程的筹建工作，二期工程主要开采400～ 60 m 标高的矿体资源，设计产能520 万t/a，采矿方法仍沿用无底柱分段崩落法，根据采矿工艺设备配置，井下原矿出矿块度≤850 mm，碎后块度≤250 mm。经多方案论证，开拓系统仍采用胶带斜井+无轨斜坡道+辅助盲竖井方案，因大红山铁矿围岩条件较好，在一期工程的基础上，借鉴国外先进矿山的经验，将中段高度调整为200 m，在二期工程开采范围内，共设置了2 个集矿运输水平，分别为180和40 m有轨运输水平，原矿破碎系统设置于0 m 标高，200～380 m 标高采出矿石经采场铲运机出矿后进入采场溜井，经180 m 有轨集矿运输水平后卸入上部溜井系统；60～200 m 标高采出矿石经采场铲运机出矿后进入采场溜井，经40 m 有轨集矿运输水平后卸入破碎站上方的碎前矿仓，经破碎站破碎后，成品矿进入碎后矿仓，交由胶带运输系统运出地表至原矿堆场。整个开拓系统中溜破系统成为咽喉和核心工程，决定着二期工程矿石提升运输的能力。

1 工程地质及水文概况

对二期工程的工程地质条件分析，溜破系统位于矿体下盘辉长辉绿岩内，辉长辉绿岩为矿区的主要侵入岩类，多为半坚硬岩类，单轴抗压强度为67.33 MPa，单轴抗拉强度为8.252 MPa，岩体稳固性较好。辉长辉绿岩RMR 评分值为68，围岩分级为Ⅱ级，整体上属于稳定性好岩体。结合地质资料，溜破系统所处区域无大的地质构造。

根据有关地质资料分析，大红山铁矿围岩与褶皱，断裂构造配套的节理裂隙组数较多，间距较大，密度较小，一般为2～5 条/m，长3～10 m，节理面多平直闭合，张开宽度一般为1～5 mm，或充填或无充填，多为压扭性。节理裂隙分组较多，主要与构造运动的多期性有关，主要有东西向、北东向、北西向、南北向。

水文地质方面，矿区处于曼岗河与肥味河之间的三角区，区内地势陡峻，当地最低侵蚀基准面为两河汇合处（标高670 m）。地面海拔标高为670～1 500 m，相对高差较大，地形利于地表排泄，不利于地下水的补给，开采河床以下矿体时，河水对矿坑充水可能有一定影响。大红山群裂隙含水层富水性弱，主要受裂隙发育程度控制，总的规律是由浅而深，裂隙发育程度渐弱，富水性也随之渐弱。断层多被岩体贯入，与围岩富水性无明显差异。矿区水文地质条件属于裂隙含水层充水为主的简单类型。

2 瀑布式溜井系统的提出

依据大红山铁矿二期工程的整体规划，矿山在180 和40 m 设置2 个有轨集矿运输中段，在180～40 m设置140 m 深的高溜井溜矿，高溜井和溜破系统之间有2种布置方式［1］。

一是采用异地布置，在溜破系统范围外布置从180～40 m标高的矿（废）石溜井，矿石在180 m卸载后经溜井下放到40 m 中段，在40 m 有轨运输中段设置接矿巷道并倒运至下部的溜破系统碎前矿仓内，这种布置方式会增加40 m 中段的基建工程量，同时增加矿石转运环节，增加运输成本；一般在矿围岩条件较差时，为确保溜矿系统生产安全，才采用该种布置形式。

二是采用与溜破系统同址建设，该种布置方式40 m标高卸矿站和溜井之间又存在2种连接方式：

（1）采用分支溜井方式，主溜井设置于破碎站两侧，从0 m 标高向上一直通至180 m 标高，180 m 标高卸载站位于溜井顶部，40 m 标高卸载站位于溜井侧面，40 m 标高卸载站距离溜井净间距为10 m，矿石卸载后通过分支斜溜道溜至碎前矿仓内。该种布置方式存在如下问题：①高溜井在使用过程中一般会存在冲刷而形成“大肚子”的问题，而冲刷过程和结果无法事先预计和控制，严重时会危及卸载站的安全使用，使整个溜破系统无法正常使用；②矿山生产由180 m 以上向180 m 以下过渡时，180 和40 m 运输中段同时集矿运输，会造成40 m 运输中段卸矿困难。从某些矿山的实例看，采用分支溜井造成溜井系统破坏而导致溜破系统大修，既影响生产，又造成浪费，还存在安全隐患。

（2）采用瀑布式溜井方式，上部溜井（180～40 m段）与碎前矿仓在平面上错开布置，利用40 m 中段集矿运输通道作为施工通道，在上部溜井底部设置放矿设施，将上部溜井的矿石放入40 m 中段集矿运输卸载站下方的矿仓中，这样做可以达到上部溜井（180～40 m 段）与碎前矿仓的有效隔断和短距离倒运的效果，又可以实现40 m 中段卸载站的卸矿自由，还能够控制高溜井冲刷引起的“大肚子”造成溜井结构破坏，避免溜破系统整体失效。

通过上述初步分析，结合大红山铁矿工程地质和水文地质条件，在方案设计时选择瀑布式溜井系统。瀑布式溜井系统是利用重力放矿的原理，同时在上段溜井底部施加一定的约束放矿，达到对矿石溜放管理的目标，保障矿山本质安全生产。

3 溜破系统布置情况

大红山铁矿400 万t/a 二期工程的溜破系统由矿石破碎系统和废石破碎系统构成。矿（废）石破碎站均设置于0 m 标高。矿（废）石破碎系统由上部溜井（180～40 m）、溜井底部链闸硐室、碎前矿仓（40～0 m）、破碎站、成品矿仓（0～-40 m）、180 m 卸载站和40 m 卸载站构成，上部溜井、链闸硐室和碎前矿仓之间构成了瀑布式溜井关系。考虑施工效率因素，链闸硐室宜布置在40 m 标高有轨运输中段上，实现链闸硐室和上部溜井底部段的施工与40 m 中段共用施工通道，为了确保安全，上部溜井的井底矿仓壁到碎前矿仓壁之间应根据围岩情况留设大于5 m 的安全岩柱，为增加矿石流动性，上部溜井底宜选择斜底或至少是半斜底结构，不能采用平底结构，斜底倾角应大于物料自然安息角5°～10°；链闸硐室应按照矿石块度配置，在硐室内应设置便于检修和检查溜井底部大块情况的设施，斜溜道底板倾角应参考物料自然安息角进行配置，为确保链闸硐室的使用寿命，上部溜井井底放矿额墙、斜溜道底板及侧墙均应采取加固措施，加固材料宜选择耐磨材料加固。根据以上原则对大红山铁矿二期的溜破系统进行设计，具体设计情况如下：

矿石破碎系统采用进口美卓（Metso）42-65 液压旋回破碎机，原矿矿仓由2 条构成，矿仓净直径为9 m，深25 m，采用两侧布置方式；采用单级双质体XZG2438 型振动给矿机（14 kW，生产能力1 000～1 200 t/h）给矿；成品矿仓净直径为9 m，深26 m，矿仓均采用钢纤维混凝土支护，内衬43 kg/m 钢轨加固［2］；矿石破碎硐室净宽9.5 m，墙高9.5 m，净断面积为113.99 m2，硐室长32 m，硐室一端设置大件通道入口，另一端设置回风联道，回风联道将破碎产生粉尘回至废石箕斗竖井，作为溜破系统的专用回风道。矿石破碎站平面布置见图1。

废石破碎系统采用颚式破碎机，采用端头式给料，废石破碎硐室净宽7.5 m，墙高8.5 m，净断面积为78.54 m2，在硐室另一端设置大件通道入口，在硐室侧面设置回风联道与矿石破碎硐室回风联道相通，将废风回至废石箕斗竖井。废石破碎系统设置碎前矿仓和下部成品矿仓，废石上部矿仓净直径为9 m，深25 m，成品矿仓净直径为9 m，深30 m，在碎前矿仓的上部设置瀑布式溜井的上部溜井与180 m废石卸载站连接。

在2个破碎硐室之间进风侧设置变电硐室，变电硐室净宽4.5 m，墙高2.5 m，净断面积为16.58 m2，硐室全长35 m。变电硐室为2 个破碎硐室内的用电设备供电。0 m标高破碎站平面布置见图2。

4 主溜井系统配置

大红山铁矿二期工程上部溜井共设置3条，其中2 条为矿石溜井，1 条为废石溜井，溜井上部自180 m卸载站开始，向下至40 m 标高卸载站止，高约140 m，3 条溜井高度略有差异，溜井净直径为3.5 m，溜井净高约95 m。溜井上部与180 m 卸载站相连接，卸载站为10m³底侧卸式矿车卸载站，卸载站净宽7.3 m，墙高2.8 m，净断面积34.46 m2，每个卸载站长26.4 m，为缓解矿石的冲击，在矿流冲击侧设置缓冲硐室，缓冲硐室与溜井口错开1.5 m 距离，并设置检修溜井和卸载站的相关联道及硐室，溜井下部为25 m 高储矿仓，储矿仓净直径为7 m。矿仓与40 m 标高下的碎前矿仓（φ9 m）采用斜溜道相连接，斜溜道净宽3 m，在溜井下部储矿仓与斜溜道之间设置链式闸门控制矿流，链闸硐室净宽6.5 m，墙高3.2 m，采用1/3 三心拱断面布置。上部溜井与40 m 标高以下碎前矿仓之间呈瀑布式布置，采用链闸控制矿石的下放，实现上部溜井与碎前矿仓之间功能上分开，便于生产期间控制矿流，合理调节上、下仓之间的储存矿量，同时实现矿石由上部溜井到碎前矿仓的倒运功能［3］。溜破系统立体示意图和溜破系统及瀑布式溜井纵剖面见图3和图4。

采用瀑布式溜井系统具有如下优点：

（1） 可以有效控制2 个集矿运输中段达到同时卸矿目的，可以实现在不同区域不同标高同时生产，最大化解决生产协调和配矿的目的。

（2） 采用链闸控制矿流，可以减轻矿流对溜井矿仓的冲刷，确保下部卸载站处于稳定的岩层中，不受冲刷后溜井矿仓断面变大的影响，延长各中段卸载站的使用寿命。

（3） 增加了溜破系统矿仓的缓冲储量，便于矿山连续正常生产。

（4） 相较传统的分支溜井布置形式，在使用安全性和寿命上都有很大的提高。

（5） 实现在受控条件下矿石由上部溜井到碎前矿仓的短距离倒运，减少转运环节。

其主要缺点是结构较为复杂，施工难度增加，不适用于围岩条件较差的矿山。

5 瀑布式溜井系统使用效果

大红山铁矿二期工程自2016 年投产后，已经正常生产5 a，2020年矿山对溜井系统进行了检测，发现1#溜井系统完全正常；2#溜井系统卸载站及2#溜井底储矿仓正常，2#溜井放矿的链闸硐室额墙有变形，溜槽底板磨损严重，部分加固衬轨脱落，2#溜井侧向损坏严重，单方向最大冲刷尺寸约12 m 左右，需要进行修复；3#溜井破坏形态和损坏部位与2#溜井相似，只是3#溜井损坏程度较2#溜井小很多，仅需要对放矿的链闸硐室额墙和溜槽进行修复即可［4-5］。2#溜井冲刷情况见图5、图6，3#溜井冲刷情况见图7、图8，2#溜井放矿链闸硐室情况见图9、图10。

对2 条溜井损坏情况分析，发现2#溜井冲刷较3#溜井严重，从实测断面图可以看出，冲刷方向一致，初步判断与围岩层位相关，溜井与软弱岩层紧邻，导致单一方向冲刷严重；从图中分析2 条溜井冲刷方向，垂直列车卸载方向冲刷量较沿列车运行方向要大，这与设置了矿石缓冲硐室相关，矿石卸载后经缓冲硐室缓冲后，改变了矿石后续的流向，矿流由沿卸载方向运动变成了垂直卸载方向运动，同时3#溜井为废石溜井，其使用频率和过矿量与2#溜井相差较多；放矿链闸硐室额墙破坏与使用方式相关，在溜口处理大块矿石会造成溜口额墙破坏，溜槽加固衬轨脱落与放矿量关系密切，同时还与施工质量密切相关。

经过几年的使用，除去围岩影响因素外，基本属于正常冲刷破坏，达到了当初设计的目的。

6 结 语

从大红山铁矿二期工程投产后的使用情况看，瀑布式溜井系统将卸矿缓冲、多料仓缓冲储存量、溜井分段控制和短距离倒运等多种实用技术集于一身，其优越性主要表现在如下方面：

（1） 瀑布式溜井形式较适合用于规模较大的矿山使用，多段缓冲仓增加了矿仓的储矿量，有效解决了不连续的采矿生产与连续的提升运输之间的矛盾。

（2） 可以控制矿石流，达到保护溜井系统的目的，确保溜井的本质安全，特别是在满料位运行时情况会更好。

（3） 可以满足多中段同时卸矿和配矿的需求，本质安全性有较大提高。

（4） 可以短距离倒运矿石，减少矿石转运环节，降低矿石转运成本。

通过多年的生产运营检验，瀑布式溜井系统为地下大型矿山的矿石溜放和破碎提供了圆满的解决方案，为大型地下矿山的稳产、高产提供了保障，使地下矿山向本质安全迈进了坚实的一步。