高寒高海拔地區(qū)礦山工程設計要點思考

楊 彪

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

0 引 言

隨著西部大開發(fā)及“一帶一路”戰(zhàn)略的深化推進，西部高寒高海拔地區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)正全面有序開展，一大批礦山工程已建成、在建或規(guī)劃中，而高寒高海拔礦山具有低壓缺氧、低溫干燥、強風、水文地質(zhì)條件差、生態(tài)環(huán)境脆弱、外部協(xié)作能力差等特性，在資源開發(fā)過程中面臨諸如工作環(huán)境惡劣、勞動強度大、設備工作效率折減、邊坡安全、冰凍、供電系統(tǒng)散熱等很多困難和問題。

針對于此，國內(nèi)已有多位專家學者就多個專項問題做過研究，如北京科技大學龔劍曾針對高海拔礦山掘進面的粉塵運移規(guī)律及通風除塵系統(tǒng)優(yōu)化進行過研究[1]，申夢飛針對高海拔條件礦山的充填質(zhì)量控制問題做過研究[2]，蘭州有色院金凌霄等就高海拔地區(qū)選礦廠廠址選擇的問題進行過分析和探討[3]，針對高原供電系統(tǒng)、礦山設備應用等方面做過實驗和分析。

總體而言，以往研究多局限于礦山項目建設過程中的某一類問題，沒有系統(tǒng)性的從高寒高海拔區(qū)域定義及共有特性研究入手，從工程規(guī)劃和設計角度對項目的整體建設進行分析。針對于此，本文統(tǒng)計分析了目前國內(nèi)高寒高海拔礦山的開發(fā)現(xiàn)狀，由高寒高海拔礦山的定義及特征研究著手，結(jié)合設計經(jīng)驗，從礦山開采方式選擇、露天礦山設計、地下礦山設計、設備選型、總圖規(guī)劃與布置、土建工程、給排水系統(tǒng)、高原供電系統(tǒng)等多方面，從工程設計的角度系統(tǒng)的對諸多要點進行了思考和論述。

1 高寒高海拔礦山定義及特性分析

1.1 高寒高海拔礦山定義

地理學上的高原是指海拔500 m以上，起伏較小、頂面平緩、面積遼闊的高地；醫(yī)學上的高原是指海拔3 000 m以上，能激發(fā)機體產(chǎn)生生物效應的環(huán)境及高度[1]。按照國際通行的高海拔區(qū)域劃分標準，分為高海拔區(qū)、超高海拔區(qū)和極高海拔區(qū)域3類，具體如下：1)1 500～3 500 m為高海拔區(qū)域；2)3 500～5 500 m為超高海拔；3)5 500 m以上為極高海拔。

高寒地區(qū)一般指全年日平均溫度小于或等于10℃，積溫1 800～2 000 ℃的低溫地區(qū)，高寒地區(qū)大致分為以下3種類型：1)高海拔河谷地區(qū)和高緯度地帶的平原地區(qū)，如雅魯藏布江和黑龍江北部地區(qū)；2)高原盆地，如藏北高原、柴達木盆地等；3)高山山地，如西藏、新疆等高山地域。

高寒高海拔礦山是指位于1 500 m海拔以上，且同時具有高寒地區(qū)特征的礦山工程項目。

1.2 高寒高海拔礦山特點分析

1.2.1 低壓缺氧

根據(jù)我國470多個高山氣象臺站(海拔高度在800 m以上)歷年(10年以上)氣象資料統(tǒng)計分析，得出壓力經(jīng)驗公式1[1]。

(1)

式中：pH表示海拔高度為H的大氣壓力，用絕對壓力表示，Pa；H表示海拔高度，m。

氣壓高低主要取決于海拔高度，隨著海拔增加大氣壓降低，氧分壓也是如此，高原地區(qū)大氣中的含氧量和氧分壓也較低，從而引起人體器官組織供氧不足，產(chǎn)生功能或器質(zhì)性變化。

1.2.2 寒冷、干燥、強風

氣溫隨著海拔高度增加而遞減，海拔高度為H的當?shù)貧鉁乜衫脷鉁靥荻裙接嬎?公式2)。

(2)

式中：tH表示海拔高度為H的當?shù)貧v年平均氣溫，℃；th表示相鄰氣象臺站的歷年平均氣溫，℃；gt表示該地區(qū)的氣溫梯度，C°/100；h表示相鄰氣象臺站的海拔高度，m。

空氣的絕對濕度隨海拔高度增加而遞減，海拔高度為H的當?shù)乜諝饨^對濕度可利用濕度梯度計算式計算(公式3)。

(3)

式中：eH表示海拔高度為H處的當?shù)乜諝饨^對濕度，g/m3；eh表示相鄰氣象臺站的歷年平均絕對濕度，g/m3；ge表示絕對濕度梯度，g/m3/100，可查氣象資料。

高原氣溫隨海拔高度增加而減低，且日溫差大，低溫使機體代謝率增強，耗氧量增加；高原的空氣對流、輻射、傳導及蒸發(fā)所散失的熱量比平原多，使機體代謝率增高，耗氧量隨之增高。高寒地區(qū)多風且風速可達30 m/s，大風速增加人體對流散熱，增加寒冷程度，是高原凍傷發(fā)生的重要因素之一。大氣中的水分隨海拔高度增加而減少，海拔3 000 m大氣中水分相約為平原的1/3，海拔愈高氣候愈干燥。高原空氣稀薄，大氣密度降低，空氣凈化，單位面積所接受的紫外線量比平原地區(qū)高，加之白雪反射，紫外線輻射強度也大幅度增加。

1.2.3 生態(tài)環(huán)境脆弱

當生態(tài)環(huán)境退化超過了在現(xiàn)有社會經(jīng)濟和技術水平下能長期維持目前人類利用和發(fā)展的水平時，稱為脆弱生態(tài)環(huán)境，高海拔高寒地區(qū)一般都處于生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)。如青藏高原高寒脆弱生態(tài)系統(tǒng)，青藏高原80%以上面積位于海拔4 000 m以上，氣溫顯著低于同緯度地區(qū)，形成“世界第三極”；深居內(nèi)陸的高原腹地的降水量多在200 mm以下，干旱特征明顯；土壤發(fā)育歷史短，成土母質(zhì)以冰磧物、殘積-坡積物為主，高原71.67%面積為高山土覆蓋，土壤普遍具有粗骨性強、抗蝕能力弱的特點；植被以高寒草甸、草原為主，結(jié)構單一；低溫缺水更使得草地生產(chǎn)力低、更新緩慢。這些因素決定了高海拔高寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的本底質(zhì)量差，對外部干擾響應敏感，易出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

在嚴寒、缺氧的自然環(huán)境下，生物物種結(jié)構單一、食物鏈簡單，高海拔地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)敏感且脆弱，工業(yè)生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的擾動可能引起不可逆的變化。高海拔地區(qū)的植被生長緩慢，施工中一旦因取土、棄土等行為遭到破壞，恢復困難，甚至還會間接破壞生態(tài)環(huán)境，使多年凍土最大季節(jié)融化深度發(fā)生變化，導致地下冰融化，形成熱融現(xiàn)象如熱融滑雪、熱融沉陷等。這些變化不但影響到地面的穩(wěn)定性，而且還會造成自然生態(tài)環(huán)境發(fā)生不可逆演變。因此，為保持生態(tài)穩(wěn)定性，高海拔地區(qū)礦山建設應盡可能的采用綠色環(huán)保的工藝方法。

1.2.4 水文地質(zhì)條件差

我國高寒高海拔地區(qū)多集中分布在地勢第一、二級階梯上，由于高度、位置、成因和受外力侵蝕作用的不同，高原的外貌特征各異。我國以高原和山地地形為主。根據(jù)地勢分布情況，將青藏高原、云貴高原、黃土高原、內(nèi)蒙古高原稱為中國四大高原，各高原特征見表1[2，4]。

表1 中國四大高原特征匯表

高海拔地區(qū)的礦山多數(shù)位于高山地形區(qū)，山勢陡峭險峻、巖石風化強烈，切割比高，山體滑坡、坍塌，泥石流時常發(fā)生，且高海拔地區(qū)無霜期短，晝夜溫差大，氣候垂直差異明顯，巖土體凍融現(xiàn)象明顯，凍土深度大。

1.2.5 礦區(qū)外部協(xié)作條件差

長期生活在平原地區(qū)的人在面臨超過20%的氧分壓減少時，會有明顯的身體不適。據(jù)實驗研究，最適合人類生存的海拔高度是500～2 000 m。由于高寒高海拔地區(qū)不適宜居住，人煙稀少，其工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎相對薄弱，導致工業(yè)項目的外部協(xié)作條件差，如項目勞動力的供給、生產(chǎn)和生活物資的供應、機器具的租用協(xié)作以及維修等方面都會面臨一定困難。

2 我國高寒高海拔礦山資源開發(fā)現(xiàn)狀

我國高寒高海拔地區(qū)尤其是西部地區(qū)的礦產(chǎn)資源豐富，獨特的地理位置和資源規(guī)模在國民經(jīng)濟中占據(jù)越來越重要的地位，對該礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用不僅是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點，同時對我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。如青藏高原己發(fā)現(xiàn)并探明儲量的有59種礦種，儲量居我國前十位的有37種，且礦產(chǎn)資源規(guī)模大、品位高、質(zhì)量好，目前己查明數(shù)十條規(guī)模巨大、具有工業(yè)前景的鐵、金、銀、銅等多金屬礦，包括驅(qū)龍銅礦、布冷口銅礦、甲瑪銅礦等，唐古拉山脈從東到西分布著數(shù)千里長的“銅墻鐵壁”礦化帶。

我國西部高寒高海拔地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，己建成、正在建設或規(guī)劃一批礦山項目，我國西部部分高寒高海拔地區(qū)已建及在建礦山統(tǒng)計見表2。目前開發(fā)的高寒高海拔礦山多分布在3500～5 500 m的超高海拔區(qū)域，大型超大型礦山以露天或露天地下結(jié)合為主，中小型礦山以地下開采為主。

表2 我國西部高寒高海拔地區(qū)部分已建及在建礦山統(tǒng)計

3 設計要點思考

3.1 開采方式選擇

影響開采方式的因素主要包括礦床地質(zhì)條件、外部開采環(huán)境、技術可行性及項目經(jīng)濟效益等4個關鍵因素。對于高寒高海拔礦山，應首先重點考慮礦山外部環(huán)境的要求，通過對建設區(qū)域的地方規(guī)劃定位、當?shù)丨h(huán)境保護要求、當?shù)鼐用駥椖拷ㄔO的反應、外部水電交通及通訊情況等信息分析，初步判斷礦山可允許的開采方式，并將環(huán)境保護和生態(tài)保護放在項目開發(fā)的首要位置；其次才是根據(jù)礦床規(guī)模、礦床空間形態(tài)、礦山水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)等礦床條件信息，深入分析論證開采方式[5]。

高寒高海拔地區(qū)同時具有低壓缺氧、寒冷干燥、生態(tài)脆弱、水文地質(zhì)條件差、外部協(xié)作條件不好等共性特征，在礦山開采方式選擇時應首先處理好生產(chǎn)作業(yè)條件和脆弱的高原環(huán)境之間的矛盾。此外，在同等技術經(jīng)濟情況下，應優(yōu)先選擇機械化程度高、勞動強度小、利于規(guī)?；_發(fā)的露天開采方式。

3.2 礦山設備選型

據(jù)調(diào)查，高海拔地區(qū)勞動時間率平均為66.3%，且勞動強度較于平原地區(qū)增加23.6%，因此高海拔地區(qū)礦山項目應按“多機械、少人工”的原則，全面提高各類作業(yè)的機械化程度和自動化程度。由于高海拔地區(qū)氣候環(huán)境的影響，礦山設備效率大幅度降低，為保證礦山生產(chǎn)的順利進行，在設備選型計算時需考慮負荷折減問題，并考慮增加設備的備用系數(shù)[1,6]。高寒高海拔礦山采礦設備因動力源的不同，設備的效率折減情況不同，部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 3 000～5 000 m高海拔地區(qū)采礦設備能力降低情況統(tǒng)計表

由表3可知，電力設備的能力損耗較其他方式低，蒸汽動力損耗最高。因此在高寒高海拔區(qū)域的礦山設備選型時，應注意以下事項：(1)盡量采用以電作為動力源的裝備，減少能耗，節(jié)約成本。(2)設備選型計算時應充分考慮各類設備的效率折減情況，確保設備的生產(chǎn)能力。(3)盡量考慮設備的大型化、機械化和自動化，減少操作人員，降低勞動強度。

3.3 露天礦山設計

高寒高海拔露天開采礦山設計應重點關注開拓系統(tǒng)及設計參數(shù)的可靠性、設備的機械化和自動化程度、礦山邊坡穩(wěn)定等問題。露天礦山道路分為一級道路、二級道路、三級道路，其最大允許縱坡分別為7%、8%、9%，對于高海拔礦山的道路按照不同海拔高度和公路等級有不同的縱坡折減要求，具體參數(shù)見表4。但對于廠外道路折減后的最大縱坡值如小于4%時，應采用4%；對于露天礦山道路折減后的最大縱坡值如小于4.5%時，應采用4.5 %。此外，在寒冷、冰凍、積雪等高寒露天礦山各級道路的合成縱坡(超高圓曲線段，超高橫坡和縱坡之和)不得大于8%[7]。

表4 露天礦山道路縱坡參數(shù)表 %

露天礦山設備是改進露采工藝、提高經(jīng)濟效益、擴大資源利用等方面的關鍵因素，露天設備主要包括穿孔、鏟裝、運輸?shù)戎黧w設備和諸如平地機、灑水車、裝藥車、加油車等其他輔助設備。在高寒高海拔礦山應盡量采用大型設備、電動力源設備，盡量提高設備機械化和自動化程度，進而減少勞動定員，降低勞動強度，降低礦山運行成本，提高礦山運行效率。

高寒高海拔地區(qū)露天礦山邊坡揭露的巖體暴露于晝夜循環(huán)、四季更替的大溫差循環(huán)的環(huán)境下，經(jīng)受劇烈的凍融循環(huán)，邊坡穩(wěn)定性影響因素比常溫地區(qū)更多、更復雜。寒區(qū)巖體經(jīng)受自然凍融循環(huán)過程后，其物理力學性質(zhì)的劣化是引起巖石工程災害的主要原因。因此，高寒高海拔地區(qū)的巖石邊坡工程要重點考慮凍融循環(huán)對邊坡巖石物理力學性質(zhì)的改變及對邊坡穩(wěn)定性的累加疊加影響。

3.4 地下礦山設計

在高寒高海拔地區(qū)地下礦山設計時，應重點對采礦方法選擇、開拓系統(tǒng)布置，以及充填系統(tǒng)、通風系統(tǒng)設計和各類設備選型進行詳細論證，充分考慮高寒高海拔地區(qū)所具有的低壓缺氧、寒冷干燥、生態(tài)環(huán)境脆弱、水文地質(zhì)條件差、外部協(xié)作條件差等特點，在滿足生態(tài)環(huán)境保護要求下，盡可能地改善惡劣的采礦工作環(huán)境，降低勞動強度。

高寒高海拔地區(qū)地下礦山的開拓運輸系統(tǒng)應盡可能地電氣化、機械化和自動化，采礦方法應優(yōu)先選擇充填采礦法，盡可能地將廢石和選礦尾砂充填井下，做到生態(tài)環(huán)保，如頂?shù)装瀛h(huán)境允許，采用嗣后充填工藝，能在保證環(huán)保情況下降低勞動強度。在進行充填采礦時，應注意高寒高海拔環(huán)境下充填體化學性質(zhì)、力學性質(zhì)較低海拔地區(qū)的差異，且在充填過程中盡可能提高采場充填的接頂率，提高充填體對頂板的承載效果，防止地表沉降變形，以保證礦山地表環(huán)境的穩(wěn)定性[2]。對于已經(jīng)荒漠化的高寒高海拔地區(qū)，若允許地表破壞，也可選用崩落法采礦[8]。

高海拔地區(qū)空氣密度隨海拔高度增加而降低，礦井通風摩擦阻力系數(shù)與空氣密度成正比例關系，因此礦井通風摩擦阻力系數(shù)和風阻均隨著海拔高度的變化而變化；由于高海拔地區(qū)氣壓、空氣密度和氣溫的變化，單位重量的炸藥爆破所產(chǎn)生的炮煙容積也隨著變化；隨著海拔的上升，空氣愈漸稀薄，空氣重率降低，風機運轉(zhuǎn)的特性曲線和工況點也發(fā)生一系列變化。在井下大爆破排煙通風的需風量計算時，當海拔超過1 500 m時需考慮高海拔系數(shù)[1,7]。以排煙風量為回采工作面需風量時，高海拔礦山需風量采用公式4、5計算，但若以排塵風量或排塵風速計算的需風量為回采工作面風量時，qH=qo。

(4)

式中：qH為高海拔礦井風量，m3/s；qo為標準條件下礦井風量，m3/s；Kr為海拔高度調(diào)整系數(shù)。

(5)

式中：Zp為礦區(qū)平均海拔高度，m。

此外，根據(jù)安全規(guī)程要求，進風井巷的溫度應保持在2 ℃以上，但禁止在井下用明火加熱空氣。因此，一般在進風井口通過加熱器外對空氣進行預熱，同時采用空氣幕等措施將冷空氣與井下隔開，也可利用井下臨時工程、廢舊工程或采空區(qū)的巖溫對風流進行加熱。

3.5 礦山公輔設施設計及其他

3.5.1 總圖布置

高寒高海拔地區(qū)礦山總圖布置設計時，必須緊密結(jié)合其獨有特點，在場地選擇、建筑物朝向、排土場設計、礦山道路等方面進行優(yōu)化設計[3]，重點關注如下幾點：

(1)工業(yè)場地盡可能集中布置，縮短工藝連接及運輸線路，充分發(fā)揮機械化設施的潛在能力，降低工人勞動強度。

(2)生活區(qū)盡量選擇在山腳下海拔較低處，植被覆蓋較好的地方，以保證生活區(qū)附近大氣中有較高的含氧量和氧分壓。

(3)礦山排土場應盡可能采用將采空區(qū)或塌陷區(qū)，將剝離物用作充填料，減少環(huán)境破壞。

(4)礦山道路的選線應盡量避免穿過滑坡、崩塌、泥石流、凍土等嚴重不良地質(zhì)地段和特殊地區(qū)，礦山道路要滿足高寒高海拔地區(qū)的坡度折減要求。

3.5.2 土建工程

高寒高海拔地區(qū)的土建工程設計重點關注如下幾點：

(1)根據(jù)工程勘察資料，分析該區(qū)域是否有凍土層，以及凍土層的力學特性，在土建工程的基礎設計時要考慮凍土層對基礎穩(wěn)定性的影響。

(2)充分考慮高寒高海拔地區(qū)的低溫特征，在建筑材料選取、墻面厚度和結(jié)構設計等方面考慮建構筑物的保溫要求。

(3)在結(jié)構設計時，還要考慮當?shù)貧夂蛱卣鳎诤奢d計算時要充分考慮風荷載、雪荷載，確保建構筑物的結(jié)構安全。

(4)考慮到高寒高海拔地區(qū)的外部協(xié)作條件差，物資運輸困難、地震多發(fā)等因素，在結(jié)構形式選擇上，應盡可能的利用安裝簡易、快捷，效率較高的鋼結(jié)構形式。

3.5.3 給排水

高寒高海拔地區(qū)的給排水工程設計重點關注如下幾點：

(1)充分考慮高寒高海拔區(qū)域的低溫特征，做好管道的保暖，若通過管道埋地保暖，必須根據(jù)凍土層報告，埋于凍土層以下，并確保覆土深度。此外，還可通過增加管道保溫層、進行加溫保暖等方式確保管道系統(tǒng)的暢通。

(2)給排水系統(tǒng)計算時，要考慮高海拔地區(qū)的低壓、低空氣密度等特征。

(3)管道選型時要考慮高寒高海拔地區(qū)的凍漲特征，同時管材要能適應溫度場往復極具變化的凍融特征。

3.5.4 供電系統(tǒng)

高寒高海拔地區(qū)的供電工程設計面臨的主要問題及注意事項如下：

(1)高海拔地區(qū)溫度較低，巖土體硬度大，對管線塔桿基礎開挖造成影響，同時還面臨凍土層及強風負荷的影響。

(2)隨著海拔高度的不斷上升，大氣壓力逐漸降低，導致輸變電設備的絕緣強度不斷衰弱，降低了設備的外絕緣能力。

(3)一般在高寒高海拔地區(qū)，電氣設備的開關設備冰層厚度較大，對設備的損害較大。

(4)日常使用的環(huán)氧樹脂干式變壓器的運行環(huán)境一旦超過了1 000 m海拔，其溫升限值會呈現(xiàn)遞減態(tài)勢，每超過500 m，溫升限值就會按照冷變壓器的2.5%、風冷變壓器的5%縮減，因此在高海拔地區(qū)，必須對變壓器進行實地測試[9]。

(5)對于低壓電器，應注意高寒高海拔環(huán)境對其造成的溫度、絕緣耐壓、動作特性等方面的影響。

4 結(jié) 語

(1)在對高原高海拔礦山和高寒礦山定義分析的基礎上，提出了高寒高海拔礦山的定義。

(2)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎上，匯總并分析了高寒高海拔礦山工程所具有的低壓缺氧、低溫干燥、強風、生態(tài)環(huán)境脆弱、水文地質(zhì)條件差、外部協(xié)作能力差等共性特征，并統(tǒng)計分析了我國西部高寒高海拔礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀。

(3)從開采方式選擇、設備選型、礦山工藝設計，以及總圖布置、土建工程、給排水系統(tǒng)、供配電等方面探討了高寒高海拔礦山項目在設計環(huán)節(jié)的注意要點，并總結(jié)出諸如優(yōu)先選擇露天開采工藝、優(yōu)先選用電動力設備并充分考慮損耗、注重環(huán)保等設計理念。

[1] 龔 劍.高海拔礦山掘進面粉塵運移規(guī)律及通風除塵系統(tǒng)優(yōu)化[D].北京：北京科技大學, 2015.

[2] 申夢飛.高海拔條件礦山充填質(zhì)量控制研究[D].北京：北京科技大學, 2015.

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