大红山铜矿主溜井修复技术方案研究*

黄明健，王祖辉



大红山铜矿主溜井修复技术方案研究*

黄明健，王祖辉

(湖南涟邵建设工程(集团)有限责任公司，湖南 长沙 410011)

针对大红山铜矿溜井破坏情况，分析造成溜井破坏的原因，有针对性地提出3种溜井修复技术方案，分别为：主溜井修复加固方案；600~550 m间新建溜井和矿石下放至550 m水平转运方案；北部新建溜井，从600 m直接下放至原溜井下段方案。根据该矿井的具体情况，确定该矿井溜井修复方案为主溜井加固方案，实践表明，所选方案经济可行。

大红山铜矿；主溜井；修复方案

0 引 言

溜井是地下金属矿山最重要的采矿工程之一，井下开采的全部矿岩都由此集中贮藏和转运，它的稳定畅通与否对矿山生产影响极大。由于溜井工程环境复杂，又长期受冲击载荷作用，稳定条件恶劣，一些生产能力大且矿岩软破的矿山都存在主溜井严重变形破坏问题。主溜井破坏，轻者需停产长时间进行返修，严重者井筒报废，影响生产，给矿山造成巨大的经济损失。因此，探讨溜井合理的修(维)复方法，对矿山安全正常生产具有重要意义。

溜井是服务年限较长、运行环境恶劣的矿山井巷，变形破坏现象普遍存在，但破坏程度却因矿岩性质、原岩应力环境、卸矿方式、使用条件和维护方法的不同而有较大的差异[1−2]。国内外的溜井变形破坏问题较为突出[3−7]。因此，溜井系统的稳定性问题已成为人们广泛关注的焦点。影响溜井稳定性的因素很多[8−9]，主要原因有工程地质条件、矿石的冲击、爆破影响、受开挖影响而产生的应力集中、支护不合理因素等，应尽量从设计、施工与管理方面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。

本文针对大红山铜矿现状、主溜井目前现状及存在的一些问题进行分析，针对主溜井存在的一些问题，结合该矿区地质条件，研究主溜井破坏修复的合理方案。

1 基本概况

1.1 大红山矿基本概况

大红山铜矿是中国铝业旗下的金属矿山，位于云南省玉溪市新平彝族傣族自治县戛洒镇，是目前我国西南地区品位较高，储量较大，投资效益好，同时被国家列为“八五”计划重点建设工程的唯一铜矿。大红山铜矿自1997年7月投产开始，到目前矿石溜井累计已过矿量大约2700余万t。一期设计生产规模2400 t/d，开采对象为535 m标高以上矿体(上部区段)。

1.2 主溜井使用现状

该矿矿石主溜井约520~560 m标高段被砸成“大窟窿”，最大部位宽达14 m，由于影响到了550，535矿石卸矿车场的安全，2005年矿山对矿石主溜井进行了系统加固，540 m标高以下采用24 kg/m钢轨进行加固，溜井直径5 m，540~560 m标高段采用钢筋砼衬砌，溜井直径为3.5 m。检修加固的主溜井设施约在2年左右就被砸坏(见图1)，之后对550 m、535 m矿石卸矿车场进行了多次局部的检修加固，以维持生产的安全运行。

目前，溜井被砸坏的程度较2005年又有扩大，溜井损坏较大的地段约在520~575 m标高之间，溜井损坏段总体呈“大肚子”状，损坏最大部位宽度超过20 m。

从图1可知，550 m水平，溜井的西南角已贴近550 m车场卸矿硐室(实际上已贯穿，修复过)，溜井的东南角距二期箕斗斜井卸矿信号硐室仅有4 m之隔；535 m水平，溜井实际上已打穿550 m车场卸矿硐室和平巷。

目前，一期的535 m中段、550 m中段、600 m以上中段预计采出矿石量1000余万t，其箕斗斜井要从180 m分流3000 t/a的矿石从一期535 m车场进入一期破碎系统。西部矿段180 m及其以上中段设计有19年的服务年限。二期辅助斜井改造后，将用作二期矿石的提升，其矿石提升后由一期550 m车场进入一期破碎系统，辅助斜井提升能力2500 t/d左右。

图1 修复前的主溜井

1.3 主溜井修复的必要性

一期矿石主溜井被矿石冲击损坏、断面扩大后，在550 m和535 m水平矿石井的西侧，溜井实际井壁距离矿石卸载硐室和平巷已很近，有的部位是打穿后进行支护修复的，与溜井间实际只有支护体间隔，由于600 m等较高处的矿石对溜井井壁冲击较大，下部550 m和535 m等水平矿石卸载硐室或平巷与溜井之间的较薄井壁或支护体很容易被砸坏，而矿石卸载硐室或平巷内又经常有人员作业和车辆运行，因此很不安全。在550 m水平矿石井的东侧，溜井实际井壁距离二期箕斗斜井的设施也较近，如果一期矿石井断面因冲击继续扩大，将影响到二期箕斗斜井的安全。

一期矿石主溜井和废石井相距25 m，矿石卸载线布置于二者之间，由于主溜井和废石井均损坏，断面扩大，使得支撑矿石卸载线的岩体变得较薄，影响到矿石卸载线的安全。主溜井和废石井损坏后断面扩大，实际上是形成了两个相距较近的空区，且矿石井所处的区域是一断层带，围岩稳固性相对较差，如果溜井损坏不能得到遏制，可能会引起较大的塌方，危及到相邻设施的安全，冲击损坏部位再向下发展，还将影响到500 m水平破碎硐室、变电硐室等设施的安全。综上所述，考虑到该矿的持续与安全生产的要求，需对主溜井进行相应修复，以消除安全隐患。

2 主要设计方案及技术

2.1 溜井损坏原因分析

从大量的实践经验看，矿石对溜井的直接冲击是造成溜井损坏的主要原因[7−8]。在矿石的直接冲击点，再强的支护一般都难于抵挡矿石冲击的破坏。实际生产中，如468 m水平采一号胶带卸载点，矿流前方用钢轨做成的支挡设施都要经常更换。从一期矿石实测断面看，550 m水平卸矿斜溜道方向为东南向，矿石井的东南面524~540 m标高范围受550 m卸矿的冲击损坏较大，600 m水平卸矿斜溜道方向为东北向，矿石井的东北面540~574 m标高范围受600 m卸矿的冲击损坏较大，矿石冲击到井壁后反弹，又会冲击到对侧，使对侧产生损坏。

从实际损坏的程度看，600 m及以上矿石因其下落时势能较大，对溜井的冲击损坏较大，550 m则次之，535 m因主要砸在溜井底部的矿堆上(溜井不放空)，对溜井破坏较小。

从生产实际情况看，要保证535 m放矿，520 m标高以上溜井需要处于空仓状态，这样520 m标高部分就暴露出来受上部卸矿的冲击。同时，溜井处于一断层带上，围岩稳固性相对较差，溜井井壁易被砸坏。在储矿段，放矿时矿流下降，矿石与井壁摩擦，会对井壁产生磨损。支护和加固的方式选择不合适，也是溜井损坏的原因之一。

2.2 避免溜井损坏的应对措施

从上述溜井损坏的原因分析看，主要是直接冲击、矿石的落差、围岩稳固性、是否空仓、加固方式等因素，可以针对上述因素采取相应的措施。

对直接冲击，一是采取改变矿流方向的措施，将直接冲击变为不冲击或减少冲击；二是在受冲击位置设置粉矿堆；三是调整设计，将受冲击的部位放置到冲击范围之外；四是设置加固设施，如衬钢板、衬钢轨、衬锰钢板等以抵抗冲击。对矿石落差较大的情况，可将溜井设置成分段溜井的型式，减小落差。围岩稳固性较差时应采取支护措施，并加固。同时，在日常生产过程中，有条件时尽量满仓放矿。

2.3 溜井修复方案

根据上述分析，拟采用如下3种溜井检修方案：一是主溜井修复加固方案(简称修复加固方案)；二是600~550 m间新建溜井、矿石下放至550 m水平转运方案(简称550 m转运方案)；三是北部新建溜井，从600 m直接下放至原溜井下段方案(简称新建溜井直接下放方案)。

2.3.1 主溜井修复加固方案

在600 m中段卸矿斜溜口下口处设置溜井锁口段，在锁口段上端设置粉矿堆；在溜井断面受冲击破坏较大的地段，采用直径较大的圆形断面对溜井进行衬砌，壁后用毛石砼进行充填；各中段斜溜口处，有条件时设置粉矿堆；在生产中采取调整措施，使640 m及其以上中段的矿石不直接卸入矿石溜井，改为下放到600 m后再转运进入矿石溜井或分流从其它系统运走。

将640 m及其以上中段的矿石分流运走或在600 m将溜井分段，主要是要减小卸矿高差，减小矿石对溜井井壁的冲击；在600 m中段卸矿斜溜口下口处设置溜井锁口，并在600 m中段斜溜口及锁口段上端设置粉矿堆，使600 m中段卸入溜井的矿石在粉矿堆上缓冲后，以近乎垂直下落的方式进入下部溜井，减少对下部溜井井壁的冲击；对溜井损坏段进行衬砌，并进行壁后充填，避免溜井损坏继续扩大；溜井衬砌采用较大的断面，尽量避开600 m中段卸入由锁口处下落的矿石、550 m和535 m中段由斜溜道卸入的矿石对井壁的冲击；在溜口处、锁口段上端设置粉矿堆能避免矿石的直接冲击，并对下落矿石有缓冲作用。

从溜井的实测断面分析可得，损坏段主要在520~580 m标高之间，损坏的程度为中间较大，两端较小，实测断面不规则。为保证生产安全，需对溜井进行衬砌，对于溜井衬砌，有2个方案：

(1) 只对溜井的东西两面进行衬砌，西面的衬砌保护550 m、535 m中段卸载线，东面的衬砌保护箕斗斜井，这一方案是在溜井的东西两侧各设置一面墙体，墙体自稳性差，需向岩体打锚索来保证墙体不至倾覆，且工程量较大，施工难度较大；

(2) 用圆形断面衬砌，这一方案能避免上一方案的缺点，经分析，认为采用圆形断面对溜井进行衬砌较为合适。该方案修复工艺流程见图2。

采用该方案可恢复原溜井功能，溜井功能简捷高效、结构合理、抗冲击磨损性能强。同时，溜井修复后的运营成本较为合理，在可承受的范围之内。

2.3.2 550 m转运方案

该方案只对原矿石溜井550 m以下部分进行修复加固，550 m以上部分进行封闭，600 m及以上中段矿石通过550~600 m之间新建一条矿石溜井下放至550 m中段，通过增加少量巷道、完善550 m中段车场，将矿石转运至550 m卸矿硐室卸入加固好的原矿石溜井。原溜井516~543 m间的修复加固方案同以上矿石溜井修复加固方案，在543 m处用钢筋混泥土盖板进行封闭，溜井周边至550 m的空区用毛石砼加固，550 m以上至600 m这部分空区用废石回填。

550 m中段矿石转运能力紧张，由于转运线路长度有限，以两列车(由10 t电机车牵引2 m3侧卸式矿车，每列车12个车厢)运行较妥，但矿石运量只有4000 t/d左右，还有2000 t/d矿石量要通过其他方式分流。此外，二期辅助斜井提升的原矿在550 m采用2 m3侧卸式矿车双机牵引转运矿石；550 m中段、575 m中段2~3年内仍需利用550 m运输。在此条件下溜井车场列车数量将多达4~5列，运行难度极大，不能满足矿石转运要求。因此，此方案不但增加矿石转运成本，也增加了作业环节和生产管理的困难。

图2 修复工艺流程

采用该方案的工期短一些，对矿山生产进度的影响也较小，但其缺点是，550 m中段矿石转运能力紧张，只有4000 t/d左右，还有2000 t/d左右的矿石量要通过其他方式分流。此外，与二期辅助斜井矿石转运列车冲突大，不能满足矿石运输的要求。

2.3.3 新建溜井直接下放方案

在主溜井的北部新建溜井，将600 m及以上的矿石通过新建溜井直接下放到约518 m标高、进入下段修复和加固的溜井。该方案对原溜井550 m以下部分用“溜井修复加固方案”的方式进行修复加固，对上部550~600 m之间的损坏部分用废石进行充填。新建溜井由直溜井段(直径3.5 m，高度31 m)和斜溜道段(直径5 m，角度60°，斜长56.4 m)组成。

该方案由于550 m以下的原溜井段要进行修复加固，新溜井的上部垂直段只能采用正掘法从600 m水平往下施工，下部斜溜道段需待原溜井下段修复加固后再从下往上施工，不能使用吊罐法施工，故工期较长，达220 d左右，而且使新溜井的单位造价增高(或者要在上部垂直段与下部斜溜道的联结处增加斜溜道段出渣措施工程)。此方案，由于溜井向北移，列车卸矿时牵引机头已进入弯道段，容易产生车辆掉道，卸矿可靠性差。

采用该方案可以省去“溜井修复加固方案中”550 m以上部分的加固工程，有利于减少工程费用。但该方案下段斜溜道太长，达到56.4 m，如采用储矿方式放矿，容易引起斜溜道堵塞，不用储矿方式放矿，斜溜道的磨损严重，而且在溜井的变段处，磨损冲击也很严重，不易维护。同时该方案具有工期长的特点，严重影响矿井的日常生产。

综合上述3种方案的优缺点及矿区的具体实际情况，大红山铜矿对溜井修复采用主溜井加固修复的 方案。

3 结 论

根据大红山铜矿主溜井主要的情况，提出了3种不同的主溜井修复方案，分别为：主溜井加固修复方案、550 m转运方案及新建溜井下放方案。综合经济成本、地质条件及时间考虑，采用主溜井加固修复方案更为适合，采用该方案能恢复原溜井的功能，简洁高效，并且结构合理，耐冲击性较强。实践表明，采用该方案有效节省了运营成本，实施效果良好，大红山铜矿主溜井的修复可为国内外类似主溜井修复提供有效的借鉴，具有一定的工程示范意义。

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河北省自然科学基金项目(E2016209388).

(2018−08−03)

黄明健(1976—)，男，工程师，主要从事矿山建设及生产方面的技术与管理工作，Email: 496390636@qq.com。