帕魯特金礦深部斜坡道開拓設(shè)計研究

張浩強，李冬萍，李群敬

(1.中色國礦帕魯特有限責(zé)任公司， 北京 100083；2.中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司， 北京 100083)

0 引言

近年來，伴隨著無軌開采高效技術(shù)設(shè)備的不斷研發(fā)應(yīng)用，礦山井下斜坡道開拓方式的優(yōu)勢逐漸在各種方案比選中凸顯出來[1]。與豎井相比，斜坡道的優(yōu)點主要體現(xiàn)在施工速度快、掘進(jìn)與安裝工藝簡單、運輸方式靈活等方面，高度匹配了井下無軌開采技術(shù)[2?4]。許多科研及工程設(shè)計者對斜坡道的設(shè)計及施工進(jìn)行了研究，如張小華等[5]對云錫公司所屬各個礦山現(xiàn)有的斜坡道進(jìn)行了分析研究，并在此基礎(chǔ)上綜合設(shè)計了與之對應(yīng)的斜坡道工程，設(shè)計主要內(nèi)容包括斜坡道坡度、斷面大小等參數(shù)。劉兆滿等[6]對焦家金礦寺莊礦區(qū)?400 m 以上的斜坡道進(jìn)行了施工設(shè)計，其主要介紹了施工過程中的路面鋪設(shè)、排水、行駛配套設(shè)計等內(nèi)容。但是，目前科研與設(shè)計工作者對斜坡道開拓的研究內(nèi)容與深度不夠，如斜坡道的開拓方案選擇過程、斜坡道與中段、分段平巷的統(tǒng)籌設(shè)計，斜坡道設(shè)計參數(shù)選擇與動態(tài)控制等。本文針對帕魯特金礦的深部開拓工程，對深部斜坡道的開拓方案選擇、斜坡道具體設(shè)計過程、參數(shù)選擇等方面進(jìn)行了深入研究。

1 礦山概況

帕魯特金礦于2012 年開工建設(shè)，現(xiàn)有的生產(chǎn)規(guī)模為2000 t/d。礦山現(xiàn)有主要生產(chǎn)開拓系統(tǒng)為一期建成工程，主要包括東、西風(fēng)井，主斜坡道，采區(qū)斜坡道以及5 個中段。其中，東、西風(fēng)井均已掘至2110 m，主斜坡道與采區(qū)斜坡道也與2110 m 中段相通，詳見圖1。

圖1 井下開拓系統(tǒng)示意

礦山目前井下主要生產(chǎn)中段為2110 m 及以上的5 個中段，其中2336 m 中段及以上中段離地表較近，圍巖破碎，設(shè)計采用沿礦體走向的崩落法開采。截止到2020 年底，2336 m 中段現(xiàn)有儲量基本開采完畢，2292 m 中段由于歷史開采原因，其主要運輸巷道擔(dān)負(fù)著井下通風(fēng)、充填、運輸?shù)戎饕δ埽蓤霾贾孟鄬^為復(fù)雜，暫時不能進(jìn)行采礦，待礦井進(jìn)入服務(wù)年限后期再進(jìn)行開采。2230 m 中段及以下中段采用分段空場嗣后充填采礦方法，其中2230 m、2110 m 中段在2021 年年初進(jìn)入采場收尾階段，井下僅有2170 m 一個中段正常采供礦，由于采場銜接緊張、運輸系統(tǒng)能力有限，很難保證現(xiàn)有2000 t/d 的生產(chǎn)能力。按照井下現(xiàn)有開拓范圍內(nèi)的保有儲量和66 萬t/a 的生產(chǎn)能力計算，2022 年2110 m 中段以上的現(xiàn)有可采儲量將基本消耗完。因此，為保證井下目前的生產(chǎn)能力，維持三級礦量的動態(tài)平衡，2050 m 中段的開拓工程必須在2022 年年初達(dá)到初步出礦條件，同時為礦山后續(xù)的采供礦提供有力保障。深部開拓的設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模也保持2000 t/d不變，中段高度定為60 m，從上至下各中段標(biāo)高依次為2050 m、1990 m、1930 m、1870 m、1810 m。

2 深部礦體開采技術(shù)條件

帕魯特金礦屬于熱液交代型金礦床，礦區(qū)處于礦山褶皺帶，礦體主要賦存于碳酸鹽-石英-鈉長石交代巖、石英-絹云母交代巖中。在深部探礦范圍內(nèi)（1810～2050 m，共5 個中段），有3 個礦體，分別為1、1-1、3 礦體，主要賦存在勘探線2～17 線區(qū)域內(nèi)。礦體形態(tài)相對穩(wěn)定，其中1 號主礦體厚大，部分厚度為15～25 m，較薄部分的厚度為5～10 m，東西走向約350 m；1-1 礦體為1 號分支礦體，基本可以與1 號礦體統(tǒng)籌設(shè)計開采；3 號礦體厚度約20 m，東西走向僅65 m；所有礦體均為急傾斜礦體，傾角為75°～90°，礦體傾向南南西。礦區(qū)有斷層通過，圍巖質(zhì)量指標(biāo)值RQD 平均為37%，且受背斜和斷層構(gòu)造作用，下盤巖體穩(wěn)定性不佳。2050 m 中段平均品位2.7 g/t，1990 m 中段平均品位2.61 g/t，礦石體重2.62 t/m3。

礦床水文地質(zhì)勘探類型為二類的以裂隙含水層充水為主的礦床，勘探復(fù)雜類型為中等偏復(fù)雜類型。井下涌水主要來源為不規(guī)則裂隙和局部破碎的層狀頁巖以及具有復(fù)雜構(gòu)造的變質(zhì)巖，其特征是褶皺構(gòu)造和斷層。除交代巖為主的部分區(qū)域外，所有頁巖沉積層中都含有地下水。2110 m 中段涌水量為：Q1最大=6300 m3/d；Q1正常=2700 m3/d；1810 m 中段涌水量為：Q2最大=10 000 m3/d；Q2正常=6400 m3/d。

3 斜坡道開拓設(shè)計

由于現(xiàn)有中段的三級礦量平衡已經(jīng)不滿足要求，因此深部開拓將以2～3 個中段作為一個整體考慮，將2050 m 和1990 m 中段作為深部一期工程，即在1990 m 中段暫時設(shè)置永久水倉；1990 m 中段以下作為深部二期工程，在最底部設(shè)置永久水倉與中央變電所。

3.1 斜坡道開拓位置初選

根據(jù)礦體賦存與斜坡道的相對關(guān)系，斜坡道通常分為上盤斜坡道和下盤斜坡道，脈內(nèi)斜坡道一般較為少見。其中下盤斜坡道工程應(yīng)用最為常見，下盤斜坡道一般在離礦體較近區(qū)域設(shè)計，減少了聯(lián)絡(luò)道的長度，降低掘進(jìn)成本；下盤斜坡道底部區(qū)域穩(wěn)定性較好，不受采場的采動影響。2110 m 中段的平面布置如圖2 所示，現(xiàn)有采區(qū)斜坡道布置在礦體下盤，在此區(qū)域開拓的斜坡道地質(zhì)條件較差，很多圍巖條件較差區(qū)域均進(jìn)行了錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)的措施，大大增加了施工成本。在2110 m 中段的開拓過程中，從9 號勘探線以東開始，中段平巷遇到了一定范圍的破碎帶，原生層理、節(jié)理裂隙發(fā)育、構(gòu)造影響嚴(yán)重，通常為發(fā)黑的碎塊狀、粉狀，一旦垮塌，高度可達(dá)幾十米甚至上百米；在10 線區(qū)域進(jìn)行了改道，仍然出現(xiàn)了此種情況。因此，2110 m 中段8線以東的開拓工程均在礦體上盤重新布置。根據(jù)此區(qū)域的采場開采實際情況，礦體上盤不存在破碎帶，礦體下盤依舊出現(xiàn)了部分垮塌現(xiàn)象。

圖2 2110 m 中段平面

另外，根據(jù)深部探礦情況來看，深部礦體賦存呈現(xiàn)出向東偏移的規(guī)律，深部礦體傾角大于75°，而且東部礦體的厚度一般較西部礦體大，礦石量多集中在此區(qū)域。若從現(xiàn)有的采區(qū)斜坡道區(qū)域向深部延深的話，已經(jīng)不能滿足深部開拓的實際需求。

因此，為了從最大程度上保證開拓工程的安全及工期的有效推進(jìn)，決定在礦體上盤8 線以東區(qū)域布置深部斜坡道的開拓工程。東、西風(fēng)井在原有區(qū)域附近進(jìn)行導(dǎo)段深部延深。如圖2 所示。

3.2 斜坡道類型選擇及布置區(qū)域設(shè)計

斜坡道的布置形式一般分為直線式、折返式和螺旋式，各布置形式的優(yōu)缺點及工程適用范圍見表1[7]。

表1 各布置形式的優(yōu)缺點及工程適用范圍

帕魯特金礦現(xiàn)有的運輸方式為全無軌化運輸，深部開拓應(yīng)繼續(xù)采用全無軌化運輸?shù)脑O(shè)計方式，由于礦體埋藏較深，走向長度較長，應(yīng)優(yōu)先采用折返式斜坡道擔(dān)負(fù)主運輸巷道的設(shè)計方式。

由于深部采場均采用高分段的采礦方法，分段高度為20～21 m，因此在每個中段僅設(shè)置兩個分段平巷，分段平巷通過聯(lián)絡(luò)道與斜坡道相連。這就要求分段平巷與中段平巷的開口均要盡量布置在礦體中間區(qū)域的位置，尤其是避免布置在斜坡道曲線段處。而3 號礦體的賦存條件要求斜坡道西邊邊界設(shè)計在7 線附近；東邊邊界作為一個變量，可以根據(jù)3 個平巷聯(lián)絡(luò)道的位置進(jìn)行動態(tài)調(diào)控。通過初步計算，斜坡道西邊自7 線附近開始，至東邊18 線附近，離礦體平面的垂直距離約40～50 m 處，在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行折返式斜坡道設(shè)計。二分段與中段開口設(shè)計在13 線區(qū)域，一分段開口設(shè)計在9 線區(qū)域，只有這樣，3 個開口可以同時布置在礦體偏西的位置。

3.3 斜坡道具體參數(shù)控制

3.3.1 斜坡道坡度

根據(jù)現(xiàn)有2110 m 中段以上的斜坡道使用情況，運輸?shù)V石車輛的最佳平均坡度應(yīng)控制在12.5%。在此坡度下，礦卡的爬坡效率可以得到保證，并且可以將輪胎的磨損、消耗控制在一定范圍內(nèi)。如繼續(xù)增大坡度，對輪胎的磨損急劇加大，而且汽車尾氣排放量也急劇增加，對井下通風(fēng)、運輸安全造成不利影響。

另外，由于現(xiàn)有斜坡道上沒有設(shè)置緩坡道，對于長距離運輸?shù)牡V卡損耗很大，而且在分段平巷處也沒有設(shè)置緩坡道，給井下會車、倒車、掉頭帶來一定的安全隱患。因此，在設(shè)計深部斜坡道時，每隔80 m 設(shè)置一處緩坡道，緩坡道充分利用現(xiàn)有的設(shè)計工程，如錯車道、中段、分段聯(lián)絡(luò)道、曲線段等區(qū)域。緩坡道的坡度控制在3%～5%，同時此坡度值可以是在一定范圍內(nèi)的變量，以適應(yīng)其他各個參數(shù)的調(diào)控，尤其是避免中段、分段平巷的開口布置在斜坡道曲線段處。

3.3.2 巷道斷面

斜坡道斷面采用三心拱的斷面形狀，巷道的斷面尺寸取決于巷道的用途。作為主運輸通道，斜坡道的斷面大小主要由最大運輸設(shè)備及最大運輸材料等因素來決定。主要引進(jìn)的設(shè)備有同力礦卡、鏟運機(jī)、裝載機(jī)等，巷道的凈寬度按照式（1）計算：

式中，B0為巷道凈寬度，mm；b為運輸設(shè)備的最大寬度，mm；b1為運輸設(shè)備到支架的間距，≥400 mm；b2為人行道寬度，mm。

在斜坡道的掘進(jìn)過程中，需要在巷道內(nèi)架設(shè)臨時風(fēng)管、水管、電纜等，待管纜井施工完成后會將上述管道、電纜進(jìn)行拆除，為了最大程度降低成本，b1為運輸設(shè)備到巷道邊幫的間距，取400 mm；b為同力礦卡的寬度，取2500 mm；根據(jù)采礦設(shè)計手冊及現(xiàn)場實際需要，b2取1200 mm，在一般的設(shè)計過程中，此寬度包含了水溝寬度，約300～400 mm。另外，在無軌運輸過程中，由于巷道底板的擠壓會導(dǎo)致水溝的破壞變形，進(jìn)而影響斜坡道的排水，甚至破壞斜坡道路面。因此，為了保護(hù)水溝不被擠壓破壞，此設(shè)計在上述公式中單獨加入雙側(cè)水溝的寬度l，取700 mm。

綜上，斜坡道的凈寬度為B0=b+b1+b2+l=4800 mm。

巷道的凈高度按照式（2）計算：

式中，H0為巷道凈高度，mm；h0為巷道距頂板的安全高度，≥1200 mm；h車為最高設(shè)備或材料的高度，mm。

最高設(shè)備或材料的高度為裝載機(jī)的高度，取3000 mm。巷道凈高度為4200 mm。

曲線段處，參照電機(jī)車運輸方式的巷道加寬標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)側(cè)加寬100 mm，外側(cè)加寬200 mm，中心加寬200 mm，高度保持不變。

3.3.3 曲線段半徑

斜坡道曲線段的主要參數(shù)有斷面大小、彎道半徑、彎道坡度等。上述已經(jīng)介紹了斷面大小和坡度，這里僅進(jìn)行曲線段半徑的設(shè)計。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]，曲線段半徑的計算公式見式（3）：

式中，R為曲線段半徑，m；V為無軌設(shè)備的行駛速度；μ為橫向推力系數(shù)；i為巷道橫向坡度。

通過計算，斜坡道曲線段的半徑R=19.69 m，取20 m。

3.3.4 錯車道

由于現(xiàn)有斜坡道的設(shè)置均為倒車硐室，給井下會車、行車安全、運輸效率帶來了一定影響，而且深部開采本身也面臨著運輸效率降低、運距長等問題。另外，深部掘進(jìn)時，現(xiàn)有的鏟運裝設(shè)備以礦卡、裝載機(jī)為主，由于獨頭掘進(jìn)距離長，必要時需要進(jìn)行掉頭，需要設(shè)置倒車硐室。因此此次深部斜坡道設(shè)計采用錯車道+倒車硐室的聯(lián)合設(shè)計方式，如圖2所示，在最大程度上提高井下運輸效率。

3.3.5 巷道支護(hù)

考慮此斜坡道為永久主運輸通道，決定對其進(jìn)行全斷面噴射混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度為100 mm。對局部巖石不穩(wěn)固區(qū)域采取錨網(wǎng)噴的聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用管縫式錨桿，直徑Φ42 mm，長度2 m，矩形布置，其中外露長度為50 mm，間排距為1 m。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)帕魯特金礦的地質(zhì)條件和生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出在礦體上盤布置深部斜坡道的開拓工程，在最大程度上避免下盤破碎帶所帶來的不利影響，同時滿足深部開采的需要。

（2）結(jié)合深部高分段采場的需求，綜合了中段、各分段平巷的統(tǒng)籌布置，對斜坡道的布置區(qū)域、布置形式、具體參數(shù)選擇過程進(jìn)行了詳細(xì)論證及設(shè)計，最終確定了深部2050 m 中段斜坡道的開拓方案，為1990 m 中段及以下中段開拓奠定了基礎(chǔ)。

（3）帕魯特金礦的深部斜坡道延深開拓工程雖具有一定的特殊性，其設(shè)計理念、設(shè)計思路可以為同類型礦山開拓設(shè)計提供參考依據(jù)。