斜坡道与反掘竖井协同开拓在南非某金矿的应用研究

尚晓明, 孙 扬

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

在矿山及其他地下工程领域，构筑通往地下的物流通道是进行工程活动的先决条件，在矿山领域称为开拓系统。开拓系统的形成占据矿山基建的大部分投资，也占据矿山基建工期的大部分时间；不同的矿体特点及开采工艺，所选择的开拓方法也各不相同。通常采用的开拓系统有竖井、斜坡道、斜井以及各个组合形成的开拓系统。各种开拓系统都需要从地表正向掘进，自上而下掘进形成。随着技术发展，竖井掘进形成了正向和反向两种建井工艺；但反向建井工艺，必须具备已有工程的先决条件。因此，反向建井工艺一般仅应用在已有矿山的改造工程中[1-3]。

国内外新建矿山基建竖井常采用正掘竖井方案，但在一些特殊区域或国家，正掘竖井受制于复杂的地质条件或严格的规程规范，导致正掘竖井投资巨大，基建进度缓慢，达产时间长，最终直接影响到项目的经济效益。

2 矿床开采技术条件

该金矿位于南非自由邦的Matjhabeng地区

Ventersburg镇西北部，距Welkom镇东南约25km，海拔1 340～1 500m，地形以草原连绵起伏的丘陵为特征。

矿体赋存深度在距地表340～1 300m，矿体平均倾角14°，平均厚度1.48m。

矿体赋存于夹有石英岩的砾岩中，上下盘岩石大都为石英岩，岩石结构稳定，水文地质条件简单。

3 开拓方式研究

3.1 开拓系统概述

该金矿已由某咨询单位于2013年完成可研工作，2016年对财务模型中的部分数据进行了修正，修正后项目IRR为8.7%。开拓系统选择为竖井+斜坡道接力提升的方案。采区内矿石通过下盘沿脉由30t柴油卡车将矿石卸载到斜坡道，再由50t柴油卡车通过斜坡道运输到主井旁侧的卸载站，卸载后通过主井双箕斗系统提升到地表。

2018年由另一咨询公司对该项目进行评估，同时由一南非本地建井公司根据南非最新规范要求，对主井和风井施工费用和进度进行了重新估价，并在财务模型中升级，升级财务模型后得出项目IRR为4.4%。

该金矿IRR由原先8.7%降到4.4%，主要原因是项目采用竖井提升与通风，竖井采用正掘方案，建井公司根据南非最新的规范要求，新增了相当大的投资在正掘竖井上，由此导致项目内部收益率急剧下降。

3.2 斜坡道与反掘竖井协同开拓研究

1)总体思路

通过分析对比，对项目经济效果影响较大的是正掘主井和风井导致施工投资增加及工期延长，为提高项目内部收益率，本文提出斜坡道与反掘竖井协同开拓，竖井由正掘改为反掘，以达到降低总投资和投资强度等目的。

竖井反掘的前提是要有工程能提前到达井筒下部，以便有安装扩孔钻头的空间及反掘时产生废渣的出渣通道。故基建时先从地表掘进斜坡道，当斜坡道掘进到一定深度后，对主井和风井进行反掘，从而实现竖井反向建井工艺。为减少井筒的偏斜并降低施工难度，主井和风井都在斜坡道到达200m的深度时进行第一段的反掘，第二段在斜坡道到底后再进行反掘。

2)具体实施例

该金矿需基建2条竖井，一条为主井，井筒净直径6.0m，深度为466m；一条为风井，井筒净直径6.5m，深度为393m。若按正掘竖井方案，正掘竖井的进度慢、投资大，达产期晚，故考虑采用斜坡道与反掘竖井协同开拓的方案，具体如图1所示。

图1 斜坡道与反掘竖井协同开拓示意图

基建时从地表掘进斜坡道，滞后进行主井和风井导孔的施工，主井导孔深度235m，风井导孔深度207m。当斜坡道掘进到距地表深度207m时，进行斜坡道与风井导孔之间联络道的施工；联络道施工完毕后，将导孔钻头卸下安装扩孔钻头，由下而上扩孔进行风井的反掘。 当斜坡道掘进到距地表深度235m时，进行斜坡道与主井导孔之间联络道的施工，联络道施工完毕后反掘主井。

第一段风井(深207m)反掘完成后，在风井深度207m处的联络道中施工第二段风井的导孔，导孔深度186m。第一段主井(深235m)反掘完成后，在主井深度235m处的联络道中施工第二段主井的导孔，导孔深度231m。

当斜坡道掘进到距地表深度393m时，进行斜坡道与风井导孔之间联络道的施工，联络道施工完毕后反掘风井第二部分工程；当斜坡道掘进到距地表深度466m时，进行斜坡道与主井导孔之间联络道的施工，联络道施工完毕后反掘主井第二部分工程。反掘时产生的废渣由卡车通过斜坡道运到地表。

斜坡道到底后，除了进行竖井的反掘外，还可同时进行井下其他工程的开拓，当开拓工程到达矿体后，在竖井还没有安装调试好之前，矿废石可以通过斜坡道运输到地表，实现矿山的早投产，当竖井工程安装调试好之后，矿废石可以转为竖井提升。

该方案的关键线路是斜坡道的掘进，斜坡道掘进速度越快，后面的工程就能相应提前基建，也能尽早到达矿体，快速投产。经过测算，当斜坡道掘进速度在80m/月时，IRR为7.5%；当斜坡道掘进速度在100m/月时，IRR为9.7%；当斜坡道掘进速度达到120m/月时，IRR为11.7%。

4 结论

本文利用斜坡道能灵活布置的特点，构筑形成反掘竖井工程条件，充分利用斜坡道+竖井开拓系统之间的联系，复合利用，联合基建，实现竖井反向建井工艺。利用反井钻机反掘竖井，速度快、效率高、安全性易保证。斜坡道到达矿体后即可通过斜坡道出矿，不受竖井安装调试的限制，当竖井安装调试好，矿石即可通过竖井提升，出矿方式灵活多样。在竖井正掘投资大、进度慢的情况下，通过利用通地表斜坡道创造工程条件，竖井采用反向掘进建井工艺，可有效降低竖井投资。