帕鲁特金矿深部斜坡道开拓设计研究

张浩强，李冬萍，李群敬

(1.中色国矿帕鲁特有限责任公司， 北京 100083；2.中国有色矿业集团有限公司， 北京 100083)

0 引言

近年来，伴随着无轨开采高效技术设备的不断研发应用，矿山井下斜坡道开拓方式的优势逐渐在各种方案比选中凸显出来[1]。与竖井相比，斜坡道的优点主要体现在施工速度快、掘进与安装工艺简单、运输方式灵活等方面，高度匹配了井下无轨开采技术[2−4]。许多科研及工程设计者对斜坡道的设计及施工进行了研究，如张小华等[5]对云锡公司所属各个矿山现有的斜坡道进行了分析研究，并在此基础上综合设计了与之对应的斜坡道工程，设计主要内容包括斜坡道坡度、断面大小等参数。刘兆满等[6]对焦家金矿寺庄矿区−400 m 以上的斜坡道进行了施工设计，其主要介绍了施工过程中的路面铺设、排水、行驶配套设计等内容。但是，目前科研与设计工作者对斜坡道开拓的研究内容与深度不够，如斜坡道的开拓方案选择过程、斜坡道与中段、分段平巷的统筹设计，斜坡道设计参数选择与动态控制等。本文针对帕鲁特金矿的深部开拓工程，对深部斜坡道的开拓方案选择、斜坡道具体设计过程、参数选择等方面进行了深入研究。

1 矿山概况

帕鲁特金矿于2012 年开工建设，现有的生产规模为2000 t/d。矿山现有主要生产开拓系统为一期建成工程，主要包括东、西风井，主斜坡道，采区斜坡道以及5 个中段。其中，东、西风井均已掘至2110 m，主斜坡道与采区斜坡道也与2110 m 中段相通，详见图1。

图1 井下开拓系统示意

矿山目前井下主要生产中段为2110 m 及以上的5 个中段，其中2336 m 中段及以上中段离地表较近，围岩破碎，设计采用沿矿体走向的崩落法开采。截止到2020 年底，2336 m 中段现有储量基本开采完毕，2292 m 中段由于历史开采原因，其主要运输巷道担负着井下通风、充填、运输等主要功能，采场布置相对较为复杂，暂时不能进行采矿，待矿井进入服务年限后期再进行开采。2230 m 中段及以下中段采用分段空场嗣后充填采矿方法，其中2230 m、2110 m 中段在2021 年年初进入采场收尾阶段，井下仅有2170 m 一个中段正常采供矿，由于采场衔接紧张、运输系统能力有限，很难保证现有2000 t/d 的生产能力。按照井下现有开拓范围内的保有储量和66 万t/a 的生产能力计算，2022 年2110 m 中段以上的现有可采储量将基本消耗完。因此，为保证井下目前的生产能力，维持三级矿量的动态平衡，2050 m 中段的开拓工程必须在2022 年年初达到初步出矿条件，同时为矿山后续的采供矿提供有力保障。深部开拓的设计生产规模也保持2000 t/d不变，中段高度定为60 m，从上至下各中段标高依次为2050 m、1990 m、1930 m、1870 m、1810 m。

2 深部矿体开采技术条件

帕鲁特金矿属于热液交代型金矿床，矿区处于矿山褶皱带，矿体主要赋存于碳酸盐-石英-钠长石交代岩、石英-绢云母交代岩中。在深部探矿范围内（1810～2050 m，共5 个中段），有3 个矿体，分别为1、1-1、3 矿体，主要赋存在勘探线2～17 线区域内。矿体形态相对稳定，其中1 号主矿体厚大，部分厚度为15～25 m，较薄部分的厚度为5～10 m，东西走向约350 m；1-1 矿体为1 号分支矿体，基本可以与1 号矿体统筹设计开采；3 号矿体厚度约20 m，东西走向仅65 m；所有矿体均为急倾斜矿体，倾角为75°～90°，矿体倾向南南西。矿区有断层通过，围岩质量指标值RQD 平均为37%，且受背斜和断层构造作用，下盘岩体稳定性不佳。2050 m 中段平均品位2.7 g/t，1990 m 中段平均品位2.61 g/t，矿石体重2.62 t/m3。

矿床水文地质勘探类型为二类的以裂隙含水层充水为主的矿床，勘探复杂类型为中等偏复杂类型。井下涌水主要来源为不规则裂隙和局部破碎的层状页岩以及具有复杂构造的变质岩，其特征是褶皱构造和断层。除交代岩为主的部分区域外，所有页岩沉积层中都含有地下水。2110 m 中段涌水量为：Q1最大=6300 m3/d；Q1正常=2700 m3/d；1810 m 中段涌水量为：Q2最大=10 000 m3/d；Q2正常=6400 m3/d。

3 斜坡道开拓设计

由于现有中段的三级矿量平衡已经不满足要求，因此深部开拓将以2～3 个中段作为一个整体考虑，将2050 m 和1990 m 中段作为深部一期工程，即在1990 m 中段暂时设置永久水仓；1990 m 中段以下作为深部二期工程，在最底部设置永久水仓与中央变电所。

3.1 斜坡道开拓位置初选

根据矿体赋存与斜坡道的相对关系，斜坡道通常分为上盘斜坡道和下盘斜坡道，脉内斜坡道一般较为少见。其中下盘斜坡道工程应用最为常见，下盘斜坡道一般在离矿体较近区域设计，减少了联络道的长度，降低掘进成本；下盘斜坡道底部区域稳定性较好，不受采场的采动影响。2110 m 中段的平面布置如图2 所示，现有采区斜坡道布置在矿体下盘，在此区域开拓的斜坡道地质条件较差，很多围岩条件较差区域均进行了锚网喷联合支护的措施，大大增加了施工成本。在2110 m 中段的开拓过程中，从9 号勘探线以东开始，中段平巷遇到了一定范围的破碎带，原生层理、节理裂隙发育、构造影响严重，通常为发黑的碎块状、粉状，一旦垮塌，高度可达几十米甚至上百米；在10 线区域进行了改道，仍然出现了此种情况。因此，2110 m 中段8线以东的开拓工程均在矿体上盘重新布置。根据此区域的采场开采实际情况，矿体上盘不存在破碎带，矿体下盘依旧出现了部分垮塌现象。

图2 2110 m 中段平面

另外，根据深部探矿情况来看，深部矿体赋存呈现出向东偏移的规律，深部矿体倾角大于75°，而且东部矿体的厚度一般较西部矿体大，矿石量多集中在此区域。若从现有的采区斜坡道区域向深部延深的话，已经不能满足深部开拓的实际需求。

因此，为了从最大程度上保证开拓工程的安全及工期的有效推进，决定在矿体上盘8 线以东区域布置深部斜坡道的开拓工程。东、西风井在原有区域附近进行导段深部延深。如图2 所示。

3.2 斜坡道类型选择及布置区域设计

斜坡道的布置形式一般分为直线式、折返式和螺旋式，各布置形式的优缺点及工程适用范围见表1[7]。

表1 各布置形式的优缺点及工程适用范围

帕鲁特金矿现有的运输方式为全无轨化运输，深部开拓应继续采用全无轨化运输的设计方式，由于矿体埋藏较深，走向长度较长，应优先采用折返式斜坡道担负主运输巷道的设计方式。

由于深部采场均采用高分段的采矿方法，分段高度为20～21 m，因此在每个中段仅设置两个分段平巷，分段平巷通过联络道与斜坡道相连。这就要求分段平巷与中段平巷的开口均要尽量布置在矿体中间区域的位置，尤其是避免布置在斜坡道曲线段处。而3 号矿体的赋存条件要求斜坡道西边边界设计在7 线附近；东边边界作为一个变量，可以根据3 个平巷联络道的位置进行动态调控。通过初步计算，斜坡道西边自7 线附近开始，至东边18 线附近，离矿体平面的垂直距离约40～50 m 处，在此区域内进行折返式斜坡道设计。二分段与中段开口设计在13 线区域，一分段开口设计在9 线区域，只有这样，3 个开口可以同时布置在矿体偏西的位置。

3.3 斜坡道具体参数控制

3.3.1 斜坡道坡度

根据现有2110 m 中段以上的斜坡道使用情况，运输矿石车辆的最佳平均坡度应控制在12.5%。在此坡度下，矿卡的爬坡效率可以得到保证，并且可以将轮胎的磨损、消耗控制在一定范围内。如继续增大坡度，对轮胎的磨损急剧加大，而且汽车尾气排放量也急剧增加，对井下通风、运输安全造成不利影响。

另外，由于现有斜坡道上没有设置缓坡道，对于长距离运输的矿卡损耗很大，而且在分段平巷处也没有设置缓坡道，给井下会车、倒车、掉头带来一定的安全隐患。因此，在设计深部斜坡道时，每隔80 m 设置一处缓坡道，缓坡道充分利用现有的设计工程，如错车道、中段、分段联络道、曲线段等区域。缓坡道的坡度控制在3%～5%，同时此坡度值可以是在一定范围内的变量，以适应其他各个参数的调控，尤其是避免中段、分段平巷的开口布置在斜坡道曲线段处。

3.3.2 巷道断面

斜坡道断面采用三心拱的断面形状，巷道的断面尺寸取决于巷道的用途。作为主运输通道，斜坡道的断面大小主要由最大运输设备及最大运输材料等因素来决定。主要引进的设备有同力矿卡、铲运机、装载机等，巷道的净宽度按照式（1）计算：

式中，B0为巷道净宽度，mm；b为运输设备的最大宽度，mm；b1为运输设备到支架的间距，≥400 mm；b2为人行道宽度，mm。

在斜坡道的掘进过程中，需要在巷道内架设临时风管、水管、电缆等，待管缆井施工完成后会将上述管道、电缆进行拆除，为了最大程度降低成本，b1为运输设备到巷道边帮的间距，取400 mm；b为同力矿卡的宽度，取2500 mm；根据采矿设计手册及现场实际需要，b2取1200 mm，在一般的设计过程中，此宽度包含了水沟宽度，约300～400 mm。另外，在无轨运输过程中，由于巷道底板的挤压会导致水沟的破坏变形，进而影响斜坡道的排水，甚至破坏斜坡道路面。因此，为了保护水沟不被挤压破坏，此设计在上述公式中单独加入双侧水沟的宽度l，取700 mm。

综上，斜坡道的净宽度为B0=b+b1+b2+l=4800 mm。

巷道的净高度按照式（2）计算：

式中，H0为巷道净高度，mm；h0为巷道距顶板的安全高度，≥1200 mm；h车为最高设备或材料的高度，mm。

最高设备或材料的高度为装载机的高度，取3000 mm。巷道净高度为4200 mm。

曲线段处，参照电机车运输方式的巷道加宽标准，内侧加宽100 mm，外侧加宽200 mm，中心加宽200 mm，高度保持不变。

3.3.3 曲线段半径

斜坡道曲线段的主要参数有断面大小、弯道半径、弯道坡度等。上述已经介绍了断面大小和坡度，这里仅进行曲线段半径的设计。

根据相关文献[8]，曲线段半径的计算公式见式（3）：

式中，R为曲线段半径，m；V为无轨设备的行驶速度；μ为横向推力系数；i为巷道横向坡度。

通过计算，斜坡道曲线段的半径R=19.69 m，取20 m。

3.3.4 错车道

由于现有斜坡道的设置均为倒车硐室，给井下会车、行车安全、运输效率带来了一定影响，而且深部开采本身也面临着运输效率降低、运距长等问题。另外，深部掘进时，现有的铲运装设备以矿卡、装载机为主，由于独头掘进距离长，必要时需要进行掉头，需要设置倒车硐室。因此此次深部斜坡道设计采用错车道+倒车硐室的联合设计方式，如图2所示，在最大程度上提高井下运输效率。

3.3.5 巷道支护

考虑此斜坡道为永久主运输通道，决定对其进行全断面喷射混凝土支护，支护厚度为100 mm。对局部岩石不稳固区域采取锚网喷的联合支护方式，锚杆采用管缝式锚杆，直径Φ42 mm，长度2 m，矩形布置，其中外露长度为50 mm，间排距为1 m。

4 结论

（1）根据帕鲁特金矿的地质条件和生产现状，提出在矿体上盘布置深部斜坡道的开拓工程，在最大程度上避免下盘破碎带所带来的不利影响，同时满足深部开采的需要。

（2）结合深部高分段采场的需求，综合了中段、各分段平巷的统筹布置，对斜坡道的布置区域、布置形式、具体参数选择过程进行了详细论证及设计，最终确定了深部2050 m 中段斜坡道的开拓方案，为1990 m 中段及以下中段开拓奠定了基础。

（3）帕鲁特金矿的深部斜坡道延深开拓工程虽具有一定的特殊性，其设计理念、设计思路可以为同类型矿山开拓设计提供参考依据。