矿山溜井系统的设计与优化研究

徐巍 XU Wei；周奇 ZHOU Qi；周凌波 ZHOU Ling-bo；马延全 MA Yan-quan；徐欢 XU Huan

（浙江交投浙东矿业有限公司，台州 317109）

0 引言

矿山溜井运输是矿产资源开发应用和生产运输的关键形式之一，通过矿山溜井系统放岩放矿，具备节省转运设备、降低提升消耗和生产管理方便快捷等诸多优势，能够借助矿山溜井系统这一组成部分，稳定矿产资源的开采运输过程，对于保障矿井的正常运行有着重要价值，因此，强化对矿山溜井系统结构参数设计的优化，是诸多工程专家和学者研究的课题。本文对矿山溜井系统设计与优化的研究，也就具备重要理论意义和现实价值。

1 工程概况

浙江交投浙东矿业有限公司三门县其头山矿规划生产规模为1550 万吨/年，出让年限15 年，矿区面积1.0257km2。本工程为矿山开拓系统EPC 总承包，为浙江省隧道工程集团有限公司与矿冶科技集团有限公司联合中标，主要工程内容包括矿山道路、场地平整、平硐、溜井系统、硐室系统等，其中的溜井系统包括溜井、矿仓、板喂机硐室及检查井，图1 即为溜井系统平面图。

图1 溜井系统平面图

进一步分析该项目周围的环境条件可知，该项目区属亚热带海洋性季风气候，处于海洋性气候与内陆性气候的交互地带，四季分明，气候温和，雨量充沛，日照充足。项目区属丘陵地貌，最高海拔+358.24m，最低海拔+2.8m，相对最大高差355.44m，矿山大部分为原始山体，自然地形坡度30°左右，局部陡处可达50°，山顶部分岩体裸露，植被发育主要为松树等乔木及灌木、杂草，溜井及其周边出露的地层为侏罗统大爽组（J3d）和第四系（Q）。溜井口现状标高318.5m，溜井平台建成后，溜井系统所在基岩为未风化流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩，抗压强度109.00~148.00MPa，平均126MPa，属坚硬岩类，矿区大地构造位置位于华南褶皱系（Ⅰ2）浙东南褶皱带（Ⅱ3）温州—临海拗陷（Ⅲ8）之黄岩—象山断拗（Ⅳ11）盆地，区域构造以断裂为主，以北东向断裂较发育，次为近东西向断裂，区内无区域性主干活动断裂通过，溜井周边300m 无重要景点，远离居民区、交通干线。

2 矿山溜井系统的设计方案

2.1 溜井的结构型式

在确定三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目溜井结构形式过程中，首先按照国家《采矿手册》的相关规定，分析不同结构形式的溜井系统的实践应用情况和应用过程中的优缺点，然后结合三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目的地质结构条件、该项目未来的设计生产能力、设备的运行情况、地质开挖过程中的堵塞情况和建设过程中的施工情况等诸多内容，对比分析不同类型的溜井系统的运行优缺点，然后在施工团队讨论后给出不同路段的审核情况，最终商量选择以平硐溜井方式为三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目建设的结构形式，其示意图如图2。由图可知，当矿脉侧翼沿山坡露出，平硐可沿矿脉走向掘进，成为沿矿脉平硐开拓法，借助开凿的平硐和溜井两大部分构建采矿作业工作台与矿产资源运输的联系。平硐溜井架构主要由溜井（槽）、贮矿仓、硐室、采矿场和地面卸载点的平硐五个部分构成，其中溜井配有运输平硐、检修平硐、回风斜井、溜井、检修硐室、破碎硐室和辅助硐室等，贮矿仓用于储存开采的矿石。溜井位置的选择应综合考虑矿山地形，保证溜井岩层稳固、避开水层，使溜井与采矿工作面间的平均运输距离最短。在我国溜井开拓方式常用在地形复杂的矿山，利用溜放矿岩的自重克服地形高度差，矿岩沿溜井利用其自重溜放，降低汽车运输距离和运输设备数量的同时减少开采矿产资源的运输成本。

图2 平硐溜井示意图

2.2 溜井的结构参数

矿区位于台州市三门县健跳镇西渡村、峋岩村、龙潭村，地理中心坐标：东经121°33′03″，北纬29°05′49″；面积为4.05km2，开采标高自+358.24m 至+1.5m，采矿权出让期限为自采矿许可证颁发之日起15 年（含基建期2年），开采矿种为建筑用石料（凝灰岩）矿，预测区内总资源量13000 万吨。矿区范围由38 个拐点圈定，矿区面积1.0257km2，矿体平面形态呈不规则多边形，剖面形态似三角形或不规则多边形，南北长约1200m，东西宽390～1000m，厚0~354.44m，主体为流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩。

3 方案优化考虑的因素

在三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目优化过程中，首先，要秉持着既兼顾长远又考虑当前的基本原则，在矿山资源开采过程中，保证矿山资源生产过程的顺利进行，由于该工程设置了年生产能力，一旦所有的矿山深井生产全部停止，很可能导致整个矿产开发企业生产效益达不到预期指标，最终造成矿石生产企业亏损或者是破产的问题，因此，整个三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目的优化施工，必须保证生产过程顺利进行，确保能够在技术上完成改造，且能够在经济上达标。其次，三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目施工，要兼顾施工方便原则，施工过程要便于项目团队的管理，保证最终施工效率和价值处于可控状态。最后，三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目施工方案优化过程中，要针对性地选择设计方案，尽量利用原有的工程设施，保证投入必要，确保快产出、高效益，降低工程施工成本。

4 方案实施

在三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目优化方案实施过程中，主要考虑中段溜井设计方案、水平溜井维护方案和维修与措施巷道（天井）三部分内容。

4.1 中段溜井设计方案

中段溜井设计方案的实施过程中，为充分利用三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目原有工程设计，结合现阶段矿山项目所在地的地质结构、水文条件等参数，设计得到溜井平硐开拓系统。溜井平硐开拓系统主要由溜井、平硐、硐室等组成，含溜井系统、平硐系统、硐室系统、矿山道路、设备基础设计（振动给料机、皮带机系统、除尘系统、机械臂等）、消防系统、给排水系统、安全环保设施系统。采用先进的溜井平硐开拓系统工艺，矿业平硐系统采用溜井直径为8m、井深198.3m、皮带平硐长545m、检修平硐长505m。当矿脉侧翼沿山坡出露，平硐沿矿脉走向掘进，平硐分为主平硐和阶段平硐。主平硐：为整个矿井运矿的平硐；阶段平硐：各阶段直接通地表的平硐，阶段平硐可以用于运输矿石、废石、人员、材料和设备。矿山投产后，爆破开采的原石可通过溜井，从山顶直达底部硐室内进行初步“消化”破碎，之后通过“高速通道”皮带平硐送往生产线进行深度加工；检修硐室与检修平硐则主要用于维修人员进出，对硐室内的设备进行日常保养维修。溜井系统工程总深度227m，拉通4700m 上山开拓道路，将反井钻机及其辅助设备准时运至307m 高的山顶溜井平台，溜井系统建成后可将开采的原石送入硐室内进行初步破碎，再通过皮带平硐送往生产线进行深加工。溜井施工步骤分反井钻机掘进反拉、扩挖及支护施工“三步走”，系统配套限位装置、紧急停车装置、短绳保护装置等安全保护措施。掘进反拉先由反井钻机向下钻进较小的先导孔，贯通后在溜井底部接上直径为2m 的钻头向上反拉。采用“二段式”输送方式，在半山腰建立蓄水站，再将水抽至山顶，保证用水的稳定可控，降低了能耗成本。矿石通过溜井下放至平峒内，经胶带机或矿车运至生产线，可以大幅减少汽车运输距离，大大降低矿石运输成本，运输能力显著增强。

4.2 水平溜井维护方案

在水平溜井系统维护升级过程中，虽然该部分溜井系统并未发生大面积坍塌故障，但秉持安全原则，也需要对原有溜井进行加固维护。其维护方案主要包括以下内容：一是在矿界范围内，按开采底盘标高+1.5m、总体边坡角45°，（按底级台阶高度为10.5m，其他台阶高度12m、台阶坡面角60°、安全平台宽度4m、隔二个台阶设一个7m 宽的清扫平台，其中至+180m 标高设置大平台，延宕底预留一条宽15m，平均坡度小于6°通往+180m 平台上山道路参数确定）及风化层顶、底界面等圈定矿体。其次是现浇问题，在将浇筑所需物料运送到施工现场后，使用伸缩式金属整体移动式模板进行灌注，既能保证模板搭设便捷快速，也能保证浇筑速度符合预期。最后是浇筑厚度和养护参数的设定。在三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目浇筑后，由于整个项目均选用钢纤维补偿收缩混凝土，该类混凝土在养护过程中需要较良好的水环境，一般需选用蓄水养护或用蓄水性良好的材料覆盖淋水养护，才能确保钢纤维补偿收缩混凝土达到养护标准，后期才能确保该类混凝土结构和承载力等符合预期，才能保障溜井的稳固性满足设计要求，保证溜井的使用年限，减少不必要的成本浪费，因此，三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目浇筑厚度设定为300mm，养护时间不得少于14昼夜。

4.3 维修与措施巷道（天井）

在三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目溜井系统应用过程中，由于该溜井系统存在自身耗损，需要定期检查并维修检修，因此在项目的设计之初就应该保留维修与措施巷道（天井），设置好完整的维护检修巷道。根据三门县其头山矿矿山开拓系统EPC 总承包项目矿山现状，在358.24m 水平左右施工一条措施平巷，将该巷道作为后期振动放矿机的检修巷道，然后再水平施工一条措施平巷及天井，施工后进行封堵，其结构示意如图3 所示。

图3 维修与措施巷道（天井）示意图

5 矿山开采施工创新成效

①三门其头山矿是目前浙江省内最大的建筑用石料单体矿，矿山地形复杂，开采难度大，经多方论证评审，确定矿山以平硐溜井方式开拓，整个矿区工程控制程度较好，采用竖井平硐的锚石运输，不仅可以节省运输费用，且杜绝了重载下坡途中存在安全隐患。

②矿石通过溜井下放至平峒内，经胶带机或矿车运至生产线，可以大幅减少汽车运输距离，大大降低矿石运输成本，运输能力显著增强。（表1）

表1 矿山开采施工方式优化对比表

③聚焦工程难度大、地质条件多变等工程重难点，深入研究地质构造和特征，明确矿区的地形地貌条件、地层、构造、岩性特征和建筑用石料的形态、规模、产状和矿石质量特征；了解了场区水文地质、工程地质和环境地质条件，估算场地平整所涉及的资源量，对矿产资源实行分区开发与保护制度，实现矿产资源科学合理布局与开发利用。

6 结论

本文依据三门县的矿产资源赋存特点，综合矿山地质条件、资源储量动态测量、矿石规模、矿山设备等多个因素，确定矿山以平硐溜井方式开拓，提出矿井溜井开采设计和优化开拓系统方案，确定水平溜井维护和维护检修巷道方案，通过系统的方法论优化采矿工程设计，综合开发利用矿区资源，提高矿井的开采产量及工作效率。