【科研成果】高阶段运输在超大规模充填矿山的研究与应用

zhaoguangshan 2018-06-14

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1、所属领域

采矿工程

2、适用范围

地下开采矿山

3、基本原理

上下相邻的两个阶段运输水平之间的垂直距离叫做运输阶段高度。

运输阶段高度是矿山地下开采的一个重要参数，由于矿体赋存条件不同、所采用的采矿方法与工艺不同、技术条件不同、经济水平不同等的不确定性，目前地采矿山运输阶段高度的确定，运输水平服务几个采矿阶段，尚无具体的方法可依。

运输水平服务的采矿阶段个数多，运输水平布置的少，生产期巷道、硐室工程量少、投资少；但运输阶段高度增加后，基建穿脉、运输巷道工程量增加、基建期投资增加、投产日期推迟，溜井施工难度增加。因此，需考虑矿体赋存条件、设备条件、相关的技术、经济条件等，通过不同的方案对比，确定最优的运输阶段。

合理的阶段高度，应当在满足矿山地质因素和技术因素的条件下，使均摊于每吨采出矿石的与阶段高度有关的基建费和生产费之和为最小。

根据马城铁矿矿体赋存条件，针对马城铁矿超大规模、倾斜矿体、采用充填法上行开采的特点，结合采矿设计参数，统筹考虑采矿阶段与运输水平布置、开拓工程量、投资等因素，优化研究马城铁矿运输阶段布置。

4、关键技术与装备

（1）优化高阶段倾斜矿体中溜井结构形式

根据倾斜矿体赋存条件，将脉外直溜井调整为坡度70°的斜溜井，矿山斜溜井个数达62个，占溜井总数的65%。同时为有效形成中心落矿，减小溜井磨损，防止溜井堵塞，溜井底部段，即出矿水平至运输水平段30m深度的溜井仍采用直溜井结构，直径由3.5m增至4.5m，将单列车运输量与溜井储矿量进行合理匹配。

（2）创新溜井与巷道布置方式，采用溜井居中、巷道居侧设计

通过分析溜井与巷道服务周期的差别，为最大限度地利用预留间柱，创新溜井与巷道的空间布置方式，将溜井布置在盘区间柱中间，巷道布置在溜井一侧，溜井边缘距间柱边缘安全距离提升至7.25m，无需增加间柱厚度，避免了矿石损失和矿石回采的降低。

（3）研究了一种溜井井壁加固修复方法

针对马城铁矿溜井深度增加、溜放矿量及服务年限增加的情况，为确保溜井不磨穿间柱，研究了一种溜井井壁加固修复方法，采用橡胶板与钢板、钢筋混凝土刚柔相结合的联合加固修复方式，可有效提升井壁抗冲击、耐磨能力，保障溜井服务期限内的安全稳定。

（4）采用溜井居中、巷道顶部放矿方式，提升井下电机车运输效率

为满足马城铁矿超大规模生产放矿和运输需求，将放矿方式优化为溜井居中、巷道顶部放矿，配置电液动放矿设备，提升了装矿效率和电机车运输效率，较原设计的溜井在巷道一侧振动放矿方式，单矿车装矿时间由原来的90s降至30s，上部采区（46t电机车牵引12节18m³矿车）列车循环时间由57.08min降至45.08min，工作列车数量由8列减为6列；下部采区（ 40t电机车牵引15节10m³矿车）列车循环时间由54min降至39min，工作列车数量由5列减为4列。

（5）运输水平铁轨与转段全寿命管理

运输阶段服务年限15年，为实现运输水平铁轨使用寿命与运输水平转段同步，实施全寿命管理，根据矿山年运输量需求，经计算分析，选取轨重60kg/m的铁轨，铁轨服务期限为15年，有效地与运输水平服务期限相结合，避免了运输水平铁轨费用的增加。

5、工艺流程

根据马城铁矿矿体赋存条件，结合采矿设计参数，统筹考虑采矿阶段与运输水平布置、开拓工程量、投资等因素，优化研究马城铁矿运输阶段布置。

筛选运输阶段高度增加的可比方案，排除240m阶段高度，将180m、300m阶段高度作为可比方案。

通过对比分析120m、180m、300m运输阶段工程量和投资，确定180m运输阶段最优。

针对运输阶段由120m提升至180m存在的技术难点，优化研究溜井、运输系统布置方式，确保180m阶段运输系统安全顺利实施，具体技术措施如下：

（1）优化高阶段倾斜矿体中溜井结构形式，大规模采用斜溜井出矿；

（2）创新溜井与巷道布置方式，采用溜井居中、巷道居侧的设计，避免矿石损失、回采率降低；

（3）研究溜井井壁加固修复方法，保证溜井不磨穿间柱，溜井服务期限内安全稳定；

（4）采用溜井居中、巷道顶部放矿方式，提升井下装矿效率和电机车运输效率，减少运输列车数量；

（5）运输水平铁轨与采场转段全寿命管理，运输水平铁轨使用寿命与运输阶段内采场服务期限同步，避免铁轨投资费用增加。

6、主要创新点

国内首次在地采矿山中应用180m高运输阶段斜溜井群布置方式，节省开拓工程量和建设费用，提升运输水平服务年限，同时为其他大规模地采矿山运输阶段的确定提供了借鉴。

创新溜井居中、巷道居侧设计，避免矿石回采率的下降；国内首次应用斜溜井与直溜井的组合加巷道顶部放矿方式，提升井下电机车运输效率，满足矿山超大规模生产需求。

改变传统的溜井井壁加固修复方式，研究了橡胶板与钢板、钢筋混凝土刚柔相结合的联合加固修复方法，确保溜井服务期限内的安全稳定。

7、主要技术指标及同类技术对比情况

（1）马城铁矿采矿规模2200万t/a，阶段空场嗣后充填法开采，运输阶段高度180m,采矿阶段高度60m，运输水平服务于3个采矿阶段，处于国内先进水平。目前国内其他地采矿山的运输阶段高度多为25～150m，首钢矿业公司杏山铁矿达到150m,以下为国内部分知名矿山运输阶段高度情况。

1）采用无底柱分段崩落法的矿山：梅山铁矿，规模486万t/a，运输阶段高度120m；李楼铁矿，规模750万t/a，运输阶段高度100m；杏山铁矿，规模320万t/a，运输阶段高度150m。

2）采用阶段空场嗣后充填法的矿山：张庄铁矿，规模500万t/a，运输阶段高度120m；冬瓜山铜矿，规模430万t/a，运输阶段高度100m；田兴铁矿，规模2000万t/a，运输阶段高度100m。

（2）矿山采用斜溜丼与直溜丼组合作为矿石溜放通道

目前国内陆采矿山溜丼多采用直溜丼结构，少部分矿山采用斜溜丼结构。马城铁矿矿山斜溜井个数达62个，占溜井总数的65%，国内首次采用如此大规模斜溜井出矿。根据倾斜矿体赋存条件，将脉外直溜井调整为坡度70°的斜溜井，矿山斜溜井个数达62个，占溜井总数的65%。同时为有效形成中心落矿，减小溜井磨损，防止溜井堵塞，溜井底部段，即出矿水平至运输水平段30m深度的溜井仍采用直溜井结构，直径由3.5m增至4.5m，将单列车运输量与溜井储矿量进行合理匹配。

（3）创新溜井与巷道布置方式，采用溜井居中、巷道居侧设计

目前国内陆采矿山均将穿脉巷道布置在盘区间柱中间，采区溜井布置在巷道一侧，考虑溜井磨损与采场爆破扰动，需增加溜井周边间柱厚度，以确保溜井安全，但是增加矿柱后，势必造成矿石损失，降低矿石回采率0.7%。

通过分析溜井与巷道服务周期的差别，溜井服务于整个运输阶段，服务年限15年，而穿脉巷道仅服务于所在的盘区，服务年限2年。据此，为最大限度地利用预留间柱，创新溜井与巷道的空间布置方式，将溜井布置在盘区间柱中间，巷道布置在溜井一侧，溜井边缘距间柱边缘安全距离提升至7.25m，溜井最大磨损量为3.2m，剩余安全距离为4.05m，可保证溜井服务周期内的安全稳定，无需增加间柱厚度，避免了矿石损失和矿石回采的降低。

（4）为满足马城铁矿超大规模生产放矿和运输需求，将放矿方式优化为溜井居中、巷道顶部放矿，国内首次应用电液动放矿设备，提升了装矿效率和电机车运输效率。较原设计的溜井在巷道一侧振动放矿方式，单矿车装矿时间由原来的90s降至30s，上部采区（46t电机车牵引12节18m³矿车）列车循环时间由57.08min降至45.08min，工作列车数量由8列减为6列；下部采区（ 40t电机车牵引15节10m³矿车）列车循环时间由54min降至39min，工作列车数量由5列减为4列。

8、典型实例及成效

首钢马城铁矿通过采用该运输阶段优化研究成果，运输阶段高度由120m调整为180m，运输水平由6个减少至4个，其中上部采区由-570m、-450m、-330m三个运输水平调整为-570m、-390m两个运输水平，下部采区由-930m、-810m、-690m三个运输水平调整为-930m、-750m两个运输水平。

溜井布置在盘区间柱中间，采区直溜井调整为斜溜井与直溜井组合布置，放矿方式由巷道一侧振动放矿调整为巷道顶部电液动放矿。

通过该成果的实施，减少了生产期开拓工程量及倒段次数，可节省生产期投资4.05亿元。经济效益分析如下：

1、采区运输水平由6个减少为4个，减少巷道工程量43万m3 ，硐室工程量13万m3 ，可节省生产期巷道投资2.7亿元、硐室投资0.9亿元，合计节省投资3.6亿元。

2、延长运输水平服务年限5年左右，减少矿山后期倒段两次，减少运输巷道铺轨长度41km，可节省运输水平铁轨费用0.45亿元，同时避免了倒段期间采矿生产停产一个月左右的影响，效益显著。

9、推广应用前景

运输阶段高度是矿山地下开采的一个重要参数，由于矿体赋存条件不同、所采用的采矿方法与工艺不同、技术条件不同、经济水平不同等的不确定性，目前地采矿山运输阶段高度的确定，运输水平服务几个采矿阶段，矿石溜放与运输系统布置，尚无具体的方法可依。

该科技成果针对马城铁矿运输阶段高度120m，仅服务于2个采矿阶段，服务期限较短，造成后期转段频次较高，开拓工程量和投资增加的问题，从设计出发，筛选出运输阶段高度增加的可比方案；经方案对比，综合分析，以技术可靠、安全运行为前提，以降低工程量和投资为目的，确定180m运输阶段高度最优；同时针对运输阶段由120m提升至180m存在的技术难点，进行了阶段运输系统优化研究，创新溜井居中、巷道居侧设计，国内首次应用斜溜井与直溜井的组合加巷道顶部放矿方式，研究了刚柔相结合的联合溜丼井壁加固修复方法，同时实施运输水平铁轨与转段全寿命管理，最终实现了高阶段运输在大规模倾斜矿体开采中的应用，延长了运输阶段服务年限，减少运输水平两个、倒段工程两次，节省了开拓工程量，经济效益显著，为其他大规模地采矿山运输阶段的确定提供非常重要的参考借鉴意义，在地采矿山开采运输系统设计中具有广泛、良好的推广应用前景。