金属矿山溜井系统的设计与优化

路增祥

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心，辽宁 鞍山 114051)

金属矿山溜井系统的设计与优化

路增祥1，2

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁省金属矿产资源绿色开采工程研究中心，辽宁 鞍山 114051)

摘要：溜井系统是金属矿山实现矿废石低成本下向运输的有效方法。面对国内外矿山频繁发生溜井变形破坏的问题，在分析溜井系统变形破坏影响因素的基础上，以孟家铁矿露天转地下开采工程设计为例，进行了溜井运输系统优化，改变了传统的竖井旁侧高段集中溜井的设计模式，提出了竖井旁侧矿仓+采区溜井的溜井系统设计模式和采区溜井的倾斜布置方案。与优化前相比，优化后的方案减少掘进工程量15307.26m3，减少支护工程量1870.10m3，减少基建工程费457.8万元，缩短基建工期3.5月，能够有效克服高段溜井在生产使用过程中的各种不利因素。

关键词：溜井系统；变形破坏；影响因素；优化；金属矿山

溜井系统是金属矿床地下开采最重要的工程之一，溜井运输是实现矿、废石在不同开拓水平之间低成本下向运输的有效方法。由于溜井系统的服务年限较长、运行环境恶劣，国内外的溜井变形破坏问题较为突出[1-6]。因此，溜井系统的稳定性问题已成为人们广泛关注的焦点。从不同的角度研究影响溜井稳定性的影响因素[7-8]，并尽量从设计、施工与管理方面[9-10]规避与克服这些因素，确保溜井系统在其设计服务期内的稳定性和可靠运行，是金属矿床地下开采研究的一个重要课题。

本文就如何防范溜井系统的变形破坏，确保溜井系统的稳定性，在分析溜井系统变形破坏影响因素的基础上，以本溪罕王矿业有限公司孟家铁矿露天转地下开采溜井运输系统工程的设计优化为例，进行了有益的探讨与尝试，以期为金属矿山地下开采的溜井系统设计提供参考与指导。

1溜井系统变形破坏的因素分析

溜井系统的应用不同于其它井巷工程，在其特定的工程地质环境和原岩应力环境下，长期受到许多动态和不确定因素的影响，特别是矿石流对溜井井壁的冲击与摩擦、溜井堵塞后的爆破疏通，严重影响了井壁的稳定性。

纵观国内外溜井系统变形破坏的典型实例，溜井系统变形破坏的主要因素有以下几个方面。

1.1工程地质条件和岩体物理力学性质

工程地质条件包括岩体结构、岩性分布、破碎带、断层、地质弱面分布及其状况、地下水育情况等。岩体的物理力学性质包括容重、空隙度、声波传播速度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比、内聚力、法向及切向刚度等。二者综合反映的是工程岩体的稳定性[11]。一般情况下，强度高且完整性好的围岩体具有较高的承载能力，能够抵抗较强的冲击力和较大的摩擦力。

1.2地应力状态

地应力是存在于地层中的原始应力，是引起地下岩体工程结构变形与破坏的根本作用力，地应力的大小及其分布状态对工程结构设计有着重大的影响。地下工程的每一次开挖(包括岩体发生冒落)，都会破坏地应力的分布状态，引起地应力的重新分布，直至达到新的应力平衡状态。因此，自溜井开始产生变形破坏时起，地应力的平衡状态就不断被打破，形成一个反复加卸载的循环过程，加剧了溜井的变形破坏。

1.3使用环境

溜井系统特殊的生产运行环境条件使溜井井壁频繁遭受破坏载荷的作用。一方面，使溜井井壁不仅受到下放物料的冲击与摩擦破坏。这种破坏作用的大小与卸矿方式、矿岩硬度、块度及溜井中矿岩存储高度等因素密切相关，矿石下落冲击能量与距离和速度成正比，卸矿速度快、块度大对井壁的破坏也大；另一方面，溜井发生堵塞后的爆破疏通也会对井壁带来很大的破坏作用。疏通爆破产生的动应力除对被疏通的溜井井壁产生破坏外，也会在相邻井壁产生反射拉应力和破坏震动，加速了邻近井筒破坏，而这种破坏作用的大小则与疏通爆破所用的炸药量、药包距井壁的距离、岩体中应力波的传播速度有关。

1.4物料块度组成及其物理力学特性

爆破破碎后的矿、废石是呈自然粒级分布的，在通过溜井下放时，由于重力差的原因形成了一种分级，大块下落的速度要比小块的大，下落过程中与溜井壁碰撞时产生的冲击力也比小块的大。矿岩的块度尺寸越大、硬度越大、下放的高度越大，对溜井井壁的冲击破坏作用也越大。

1.5设计施工与管理

溜井系统设计对溜井稳定性的影响主要表现在溜井系统位置的选择、溜井结构、长度、倾角、断面尺寸和溜井的支护结构等方面。无论是垂直溜井还是倾斜溜井，上述参数对溜井的稳定性均有不同程度的影响。

选择强度高且完整性好的岩体作为溜井位置是溜井系统位置选择必须着重考虑的问题。但由于溜井系统与主提升井的特殊位置关系，主溜井位置的选择空间很小，采区溜井位置的选择空间较大，而采场溜井受矿体赋存状态的影响其选择空间也有一定的局限性。

溜井结构对溜井稳定性的影响表现在溜井系统是否改变了矿、废石进入溜井和在溜井中运动的轨迹或方向。一旦物流方向发生改变，则可能对井壁产生冲击或是加剧对井壁的磨损。

溜井长度对溜井稳定性的影响表现在溜井中的储矿高度一定时，溜井高度越大，物料下落和下降时对溜井壁产生的冲击力和摩擦力就越大。

溜井倾角对溜井稳定性的影响表现在倾角越小，物料下落和下降时对溜井壁产生的冲击力越大而摩擦力越小；倾角越大，物料下落和下降时对溜井壁产生的摩擦力越大而冲击力越小。

支护结构能够有效延长溜井的服务年限，尤其是对穿越软岩体、碎裂岩体和节理裂隙发育的工程围岩体的溜井，合理的支护结构和支护强度显得理为重要，它能充分发挥自身的强度抵御来自下放物料的冲击与摩擦，保护围岩不受破坏。

溜井工程施工对其稳定性的影响主要表现在施工时爆破作业对围岩的损伤破坏。

溜井系统使用与维护中对其稳定性影响的最大因素有两个方面：一是溜井堵塞后的爆破疏通，由于井内空间较小和药包安置方面的原因，多数情况下，药包安放时紧贴溜井井壁，炸药爆炸时对壁带来严重的破坏；二是卸矿高度过大或是空井卸矿，大块物料下落时对井壁造成反复的冲击，最终导致井壁不断产生破坏。

2溜井系统设计方案及存在问题

2.1工程原设计概况

如图1所示，工程设计中，溜井系统采用了主竖井旁侧溜井系统方案，由一条矿石溜井和一条废石溜井组成，每一条溜井均包括上部卸矿站、溜井井筒、分支溜井、矿仓及下部溜口几个部分，其中矿石溜井系统还包括破碎硐室。

图1　溜井系统原设计

2.2存在问题

1)主竖井旁侧溜井系统的矿、废石溜井及矿仓的高度过大，工程施工难度大、施工工艺复杂、施工工期长，不利于缩短矿井建设周期。

2)高阶段溜井系统在使用过程中，矿、废石卸载高度大，卸矿时，溜井与矿仓井壁在矿块的冲击作用下，易造成破坏，缩短溜井与矿仓的使用寿命。

3)主溜井为垂直溜井，它与各卸矿中段的连接采用分支溜井方式。矿石从高处高速落下，对溜井中的储矿压实，易造成溜井堵塞。分支溜井放矿时，矿、废石在分支溜井中向主溜井运动，易造成对主溜井井壁的破坏；若主溜井中的储料高度过大，超过下部中段的分支溜井下口时，会造成下部中段不能正常放矿。

4)高阶段主溜井布置方式增加了上部中段运输车场的开拓工程量，不利于降低基建投资和缩短矿井建设周期。

3溜井系统的优化

3.1优化的原则

在确保溜井系统使用功能和寿命的前提下，简化工程布置，减少开拓与支护工程量，降低工程施工难度，缩短工程建设周期，节省工程建设投资和降低生产运营成本是矿山建设方案优化的基本原则。根据孟家铁矿露天转地下开采工程集矿运输系统设计中存在的问题，结合上述设计优化的基本原则，集矿运输系统优化的对象主要是主溜井系统中存在的问题。

3.2优化的主要内容

针对原设计方案中存在的主要问题进行优化，优化后的集矿运输系统见图2。

图2　优化后的集矿运输系统

1)降低主溜井段高，取消主溜井系统的分支溜井。

将溜井系统分为主溜井和采区溜井两部分，取消+10～-110m标高之间的主溜井，仅保留-110m标高以下的矿仓段。主溜井段高的降低后，减小了矿、废石卸载时的下落高度，也就大大降低了矿废石对溜井井壁的冲击力；分支溜井取消后，减小了物料向主溜井运动时对溜井井壁的冲击，有效延长了溜井的使用寿命。

2)设采区溜井，实现上部各中段产出的矿废石向-110m中段转运和-110m中段集中运输的功能。

通过设立采区溜井实现+10m和-50m中段产出的矿、废石向主溜井矿仓的转运，形成非集中运输卸载和集中运输卸载的坑内矿、废石运输卸载格局。井下的运输方式由各中段分别向主溜井系统卸载转变为上部两个中段向采区溜井卸载，而-110m中段集中向主溜井矿仓卸载。

如图2所示，采区溜井由一条矿石溜井和一条废石溜井组成，设在40号勘探线附近。矿、废石分别运到采区溜井上口卸载，在-110m中段经振动放矿机向电机车列车组装载，集中运输到-110m中段的主溜井矿仓卸载站进行卸载，以此方式实现矿废石从各中段向主溜井矿仓的转运。

采区溜井的设计与施工，有效减小了中段出矿的运输距离，降低了中段运输成本。

3)简化非集中运输中段的井底车场结构形式，减少开拓工程量，降低基建工程投资。

设立采区溜井后，+10m和-50m中段原设计的井底车场结构(图3(a))可简化为图3(b)所示的结构形式。主竖井旁侧工程量大幅度减少，有利于降低工程投资和缩短工程建设周期。

4)采区溜井采用倾斜方式布置，延长溜井的使用寿命。

图3　优化前后非集中运输中段井底车场对比图

矿、废石在溜井中不同的运动状态对井壁产生的冲击与磨损是导致垂直溜井井壁破坏的主要原因。这种冲击破坏表现在矿石或废石在溜井中下落时，呈现出直线下落或折线下落的运动轨迹，易于造成溜井中储料被二次压实和溜井井壁的损坏，严重时会导致溜井堵塞或溜井坍塌，给矿山生产带严重困难；而磨损破坏表现在溜井下口卸载时，溜井中的储料整体下降对井壁产生的磨损。

溜井的各种加固方式对延长溜井的服务年限起到了一定的作用，但由于溜井加固方式和加工材料的差异，国内外许多矿山的溜井系统在使用过程中仍出现了井壁破坏或溜井坍塌的事故。因此，选择合适的位置、通过改变溜井的设计结构来改变矿、废石在溜井中的运动轨迹，是延长溜井系统服务年限的有效途径。

基于上述理由，针对孟家铁矿露天转地下开采工程的溜井系统优化，一是选取围岩较坚硬、整体性较好的地段设立溜井，利用岩石本身的物理力学性质抵抗矿、废石在溜井中运动时产生的磨损破坏作用；二是将垂直溜井布置方式改变为倾斜溜井布置方式，实现改变矿、废石在溜井中的运动轨迹的目的，以避免矿石或废石在溜井中下落时对溜井井壁产生的冲击破坏作用。为保证溜井中矿、废石的顺利下放和实现工程量的最小化，一般情况下，根据上下中段的平面工程布置关系，倾斜溜井的倾角可在50～80°。三是对于采区溜井系统，除溜井的上下口因设备设施安装需要进行混凝土砌筑外，其它部位均不支护，采取“裸井”井身结构，以充分利用围岩的物理力学特性。

3.3优化前后的技术经济比较

表1列出了集矿运输系统优化前后的可比工程量变化情况。

表1　设计优化前后的可比工程量对比表/m3

优化前后两方案比较表现出以下优缺点。

1)与原设计相比，优化后方案的开凿工程量减少了15307.26m3，支护工程量减少了1870.10m3，按该矿工程承包单价计算，可减少基建工程费用457.8万元，缩短基建工期3.5月。但在设备投入方面，比原方案增加了两部振动放矿机。

2)与原设计相比，方案优化后虽然+10m中段和-50m中段的部分矿石存在反向运输，但中段运输距离明显缩短，运输功减少，运输效率明显提高。

3)采区溜井采用了倾斜方式布置，能够充分利用岩石本身的物理力学性质抵抗矿、废石在溜井中运动时产生的磨损破坏和冲击破坏作用。生产过程中一旦溜井损坏可以择地另行施工采区溜井系统，不会对生产系统造成大的影响，灵活性好，工程成本低。

4结论

在分析溜井系统变形破坏影响因素的基础上，以孟家铁矿溜井系统工程优化为例，通过研究得出以下结论。

1) 竖井旁侧矿仓+采区溜井的新模式和采区溜井的倾斜布置方案，能够有效减少溜井系统的开拓工程量与支护工程量，节省基建工程投资和缩短工程建设工期，也能克服高阶段溜井在矿山生产使用过程中的各种不利因素。

2)倾斜溜井能够有效改变矿、废石在溜井中的运动轨迹，能够充分利用岩石本身的物理力学性质抵抗矿、废石在溜井中运动时产生的磨损破坏作用，避免矿、废石在溜井中下落时对溜井井壁产生的冲击破坏。

3) 采区溜井具有布置灵活、施工简单和投资低的特点，生产过程中一旦溜井报废，则可以另行择地施工溜井，不会对生产系统造成大的影响。同时，设立采区溜井可使矿、废石的中段运输距离明显缩短，运输效率明显提高。

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Design and optimization of ore-pass system in metal mines

LU Zeng-xiang1，2

( 1.School of Mining Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 1140513，China;2. Engineering Research Center of Green Mining of Metal Mineral Resources，Liaoning Province，Anshan 1140513，China)

Abstract:The ore-pass system is considered as an effective method to realize low cost transporting vertically of ore or waste rock in metal mines.In the face of orepass deformation and failure problems with increasing frequency of mines at home and abroad，based on the analysis of influencing factors of deformation and failure in ore-pass system，optimization of ore-pass system is carried out by taking engineering design of mining in transition from open-pit to underground in Mengjia Iron Mine for example.The traditional design mode of long ore-pass nearby the main shaft is changed，a new design mode of ore-pass system which is ore bins aside main shaft + inclined ore pass system in mining section is putting forward in this paper.The results show that，compared to the original scheme，the optimization design could reduce the amount of 15307.26m3 of the excavation and of 1870.10m3 of supporting concrete，decrease the construction investment of 4，578，000 RMB，shorten the construction period of 3.5 months，and effectively overcome various unfavorable factors impacting on the stability of long orepass used in mining operation.

Key words：orepass system;deformation and failure;influencing factor;optimization;metal mine

收稿日期：2015-07-06

作者简介：路增祥(1965-)，男，博士，1988年毕业于西安矿业学院矿井建设专业，现任教授、硕士生导师，主要从事金属矿床地下开采方面的教学与研究工作。E-mail：zengxiang_lu@sohu.com。

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)01-0164-05