采矿方法 (29).doc

第二部分 矿床开拓 3 主要开拓巷道比较 既然开拓方法是由主要开拓巷道形式决定的，那么为选择一种技术可行、经济合理的开拓方法，就必须了解各种主要开拓巷道的优缺点。这里就各种主要开拓巷道从掘进费用、掘进速度、投资额、生产能力、运输成本以及其他因素进行比较。 一、 平硐与竖井比较 （1）平硐掘进费用低。平硐每米工程掘进费用比竖井低得多，且维护费用低。平硐内安装设施简单，不像竖井那样要设钢（木）梁、罐道、声光信号等设施，也不需要专设人行间以及相应的行人生产能力相等的情况下，每米平硐总费用（包括掘、砌和安装费用）还不一竖井的一半，用平硐开拓时的基建工程量少；平硐没有像竖井那样需要复杂的井底车场以及复杂的辅助设施（如摇台或托台、上罐等）；平硐口设置简单，不需要井架和卷扬机房；平硐不需要像竖井那么多的重型设备，所以投资费用低。 （2）平硐设施管理方便，施工条件好。平硐掘砌速度要比竖井快得多。尤其在掘进机械化水平进步较快的今天，如使用凿岩台车、立抓式装岩机等，极大地改善了掘进工作的施工条件和成巷速度，即使是大断面的平巷掘进，其速度也是竖井所不能比的（在同等条件下，平巷成巷速度是竖井建井速度的2～3倍）。因此，用平硐开拓的矿山，基建时间短，可以做到早投产，早见效。 （3）平硐排水费用低。平硐排水靠平硐排水沟自流排出（而竖井需要设专门的排水设施），大大地减少了矿井的排水费用。 （4）平硐运输设备费用低。就ф2000双筒卷扬机价格来说，其费用为同等运输硐设备的2～3倍。 （5）平硐运输费用低。在单位长度内平硐吨矿石的运输费用比竖井低得多，一般仅为提升费用的1/3. （6）平硐通风容易（如单一平硐开拓，在小型矿山，常以自然通风便可以满足生产需要），而且简单。平硐通风费用（按每吨矿石分摊的通风费用）比竖井开拓低。 （7）平硐生产安全可靠，运输远远大于竖井的运输能力，且方便管理，不像竖井提升常有坠罐、矿车坠井等事故。 由于平硐开拓具有较为显著的优点。因此在条件允许的情况下，应尽量采用。 二、 竖井与斜井比较 （1）就基建来说，为开拓同样深度，斜井比竖井长得多，但斜井开拓时，一般倾角均小于矿体最终移动角，因此斜井竖井的石门长度短得多。尤其是当矿体为缓倾斜时，上述两点更为突出。斜井开拓的井底车场比竖井开拓的车场简单（工程量少且辅助设施少）。 （2）在提升方面，竖井提升速度快，提升能力大且提升费用低。斜井不具备这种优点，同时提升钢绳磨损较大。 （3）在地压和工程支护方面，斜井承受的地压较大，尤其在岩石不够稳固，服务年限较长，或矿井较深的条件下，因地压问题，常用竖井开拓，这时竖井断面常用圆形。在巷道管理和地压管理方面，竖井有较大的优越性。 （4）在施工方面，竖井较斜井容易实现机械化，但施工设备和辅助设备较多，工作条件差，且要求技术平较高。斜井施工较简单，需要的设备和装备少，一般说来，斜井掘进速度比竖井快。 （5）从井筒装备来看，斜井较简单，造价较低。 （6）在安全方面，竖井提升过程事故较少，而斜井事故较多，如矿车容易因脱轨、脱钩而造成跑车事故。虽然斜井设有安全人道，一旦跑车，撞人等事故常常不可避免的。 由于斜井在安全、提升能力和机械化水平等方面的缺点，因此本来可以用斜井的开拓方案，也因此放弃斜井而采用竖井。如图7-19所示的方案，以及胶东一些矿山的二期开拓工程，由于上述因素，都由斜井改为竖井。 4 中段高度的确定 不管用什么方法对矿床进行开拓，主要开拓巷道都是经石门通过中段平巷来与矿体连通的，这就提出了阶段高度问题。在选择中段高度时，应考虑以下因素 1.矿体勘探类型 勘探类型指矿体沿走向和倾向的连续程度和矿体厚度变化的复杂程序。一般说来，勘探类型越高，矿体越连续且产状越稳定，中段的高度可取高些。因为矿量级别要求是由其相应的工程网度所决定的（如基建近期矿工程），中段高度应考虑矿量级网度来酌定。对那些矿体不连续或矿体分支复合、厚度变化复杂的矿体，则中段高度必须取低些，否则就会因控矿或采准工程对矿体控制不准而产生以下几种后果 （1）在回采中矿体突然尖灭，备采矿量比预计的减少，使回采工作中途停止，从而影响了采矿或供矿能力，以致影响生产。同时，由于为整个矿房服务的采准和切割已投入，备采矿量的减少使采准切割比增加，从而增加了矿石成本。 （2）在回采过程中，矿体突然变薄（如厚度小于0.8m），而上部中段控制一事实上的备采矿量，这样就势必要继续上采，为保证合理采幅，就造成了矿石的大量贫化，降低了矿石品位，增加了金属成本。 （3）在回采过程中，发现矿体局部倾角突然发生变化，使原来布置的底部漏斗负担不了变化后的矿体情况，迫使回采工作停止。如图7-21所示，原设计留矿法，低部采用双侧漏斗。但上部矿体突然变缓变宽，这时必须采取补救措施。即另设采准工程，另增加漏斗，然后进行回采。但是矿体变得太厚，即使是另设采准工程，也会因采场的暴露面积的增加甚至超过允许范围，而给回采工作带来不安全因素。 对于探矿类型矿体，中段太高有可能使一些中段盲矿体漏掉，因此使本来应该利用的资源白白丢掉。 2、矿体厚度和倾角 如果因矿体薄且倾角较缓（如30～40）而选择的是充填采矿法，则按矿体倾角架设的顺路溜矿井将达不到溜矿的目的。若提高顺路矿井的倾角，则溜矿蟛上部或下部只好越出矿体到上盘或下盘时，才能达到要求。一般说来，矿体中等以上且矿体倾角在中等倾斜以上时，可采用高中段（35～45m）。如矿体不连续，分支复合较多，矿体厚度较小，倾角较缓时，通常采用低中段（25～30m）。 5 主要开拓巷道位置的确定 当主要开拓巷道的形式确定之后，就要进一步确定它的具体位置。主要开拓巷道是井下与地表连续运输的枢纽，主要开拓巷道位置是否合理，对矿山的基建施工和未来生产具有深远的影响。就是说，主要道位置直接影响基建工程量和施工条件，从而影响了基建投资和基建时间，对未来生产的采矿成本也有影响。因此，正确地确定主要开拓巷位置是矿山企业设计的一个关键问题。 确定主要开拓巷道（竖井或斜井）位置，就是确定其在垂直矿体走向方向的位置和沿矿体走向方向的位置。只要将主要开拓巷道选在矿体移动范围之外，就基本上确定了主要开拓巷首在垂直矿全走向方向的位置。根据矿石运输功最小的原则可以基本确定主要开拓巷道 在沿矿体走向的位置，再考虑地表和地下的其他因素，便可以最终确定主要开拓巷道的合理位置。 一、 采空区引起的岩层移动及其对主要开拓巷道的影响 当矿石被采出后，形成采空区，这时原岩体的应力平衡状态受破坏，随后便 有采空区部分及周围地压活动的出现（有时在采空区形成后一个相当长的时间，才出现地压活动），岩石逐渐变形、移动直到陷落 。根据采空区的大小以及离地面的深度不同，有的在采空区形成后不长时差，地压活动会出现，迅速波及地表。有的在相隔很长一段时间后，才能影响地表。也有的因采空区容积小，与地表距离较大，将一直不会影响地表。但不管上述的哪咱情况，都应引起人们的注意。如一些老矿山，在矿山生产过程中并未出现陷落现象，但在矿山末期，就出现了问题。 辽宁省几个中型矿山的末期，地表都曾出现了移动和陷落。有的使矿山地表建筑受到了破坏。如华铜矿坑口原卷扬机就受到了破坏。有的影响了公路和民用住房，甚至影响到井筒，使其受到破坏。因此，在矿山设计中，采空区岩层行动移动对主要开拓巷道位置的影响，必须予以足够的重视。 采空区上部地表发生崩落和移动的范围，分别叫做崩落带和移动带（图7-22）。采空区边界与地表崩落带和移动带边线的边线和水平面之间的夹角，分别叫做崩落角和移动角。 崩落角与移动角的大小，与采空区上部岩层的物理机械性质、层理和节理的发育程度、水文地质构造、开采深度以及所采用的采矿方法等因素有直接关系，通常在30～80之间。每种岩层和地质条件有其自己的崩落角和移动角。一般说来，矿体上盘岩石移动角上于下盘岩石移动角，矿体走向两端的移动角最大。表7-6为常见的岩石移动角。 地表移动带内区域为危险区，在移动地带内布置的开拓工程或地表永久性建（构）筑物将受到破坏。为确保安全，避免因地表移动而带来的损失，应将主要开拓巷道和其他需要保护的建（构）筑物布置在移动范围之外，并与地表移动带边界保持一定安全距离。安全距离与建（构）筑物保护等级有关，按规定I级保护建（构）筑物的安全距离为20m，II级保护建（构）筑物的安全距离为10m。矿山各种建（构）筑物的保护等级见表7-7. 表7-6 岩石移动角 岩石名称 垂直矿体走向的岩石移动角 沿矿体走向的岩石移动角δ 上盘β 下盘γ 第四纪表上、含水中等稳固片岩 45 45 45 45 55 65 稳固片岩 55 60 70 中等稳固致密岩石 60 65 75 稳固致密岩石 65 70 75 表7-7 地表建（构）筑物保护等级 保 护 等 级 Ⅰ Ⅱ 设有提升装置的矿井井筒、井架、卷场机房；中央变电所；中央空压机房；索道装载站；锅炉房发电厂；铁路干线路基；车站建筑物；无法排除或泄水的天然水池和人工水池；多层住房；多层公用建筑物（戏院、医院、学校等） 未设提升装置的井筒（充填井、通风井等次要井筒）；架空索道支架；高压线塔；矿山专用线路；最重要的排水构筑物、上下水道、水塔、小水池和小河底；矿山行政福利建筑；单层和双层住宅及公用建筑；公路等 各种岩石移动角的选取要综合各种有关资料，同时又要参考与之毗邻岩石的情况。在设计中，主要开拓巷道位置的选择是以地质探矿等资料作为主要依据。现在一些小矿山的地质资料，因工程不全，对地质情况掌握得不那么准，这就要根据实际情况，尤其在地势较平缓的地方，布置竖井工程。由于第四纪岩层较厚，工程穿过的各种岩层的移动角和地平安全距离均应留有余地，否则就会产生预想不到的后果。 移动带的圈定，是根据基干个垂直于矿体走向的地质横剖面图和沿走向的地质纵剖面图，从矿体开采的最低一个水平起（当矿体不规则时，从矿体上、下盘的突出部位起），按各层岩石的不同移动角（矿体的上盘、下盘和端部），分别做直线与地面相交，然后将矿体上、下盘和端部各交点逐一连线，在地形图上形成一条闭合圈，这便是所要圈定的地表移动带。 如果由于某些条件限制，主要开拓巷道或重要建（构）筑物只能布置在岩石移动带内，为安全起见，必须留有保安矿柱或采用接顶效果较好的胶结充填采矿法。 所谓保安矿柱，就是在主要开拓巷道的周围和其他地表建（构）筑物之下，在服务年限内不予开采的矿石，也就是保护主要开拓巷道和地表建（构）筑物范围内的矿体。留保安矿柱可以在岩石移动带内形成一个不发生移动的安全保护带，使位于其内的构筑物不受岩石移动的影响。 在矿山设计中，主要开拓工程的布置（位置），应以开采所最深水平为基准。若矿床采用联合开拓或分期开采，而深部的地质资料（主要指矿体产状要素）了解得比较清楚，不管二期开拓采用何种方案，在确定上部开拓工程位置时，要考虑深部（或二期工程）工程所带来的影响。当深部矿体未封闭，但是地质情况了解得又比较少时，就应该进行综合分析和研究。即设计人员要广泛调查财围同一种类型矿床的赋存规模，研究其深部矿体产状，根据可能延伸到的矿体，做出大致的矿岩移动角，划出移动界限，然后布置地表工程和上部开拓工程。只有这样，才能使矿山在整个生产过程中不因岩石移动而产生意外。 二、按最小运输功确定开拓巷道位置 在确定主要开拓巷道位置时，应使矿床开采过程中的矿石运输费用最低。矿石的地下和地表运输费用与运输量同运输距离的乘积成正比。我们把运输量同运输距离的乘积称为运输功。运输费用的计费依据与运输距离有关，也与井筒位置有关。合理的井筒位置应在矿石的地下地表运输功为最小之处。 为减少运输功，应尽可能使地下与地表之间无反向运输。此外，在使用运输设备而运输距离又相近的条件下，地表运输费用往往低于井下运输费用。最小运输功确定主要开拓巷道位置，一般不做定量计算，而只做大概的定性分析即可。 三、主要开拓巷道位置确定方法 主要开拓巷道位置的选择，在本章第二节已提到，此外仅述选择主要巷道位置时的几项要求 1） 有充足的工业场地，能容下有关建（构）筑物； 2） 有选厂距离较短且矿石运输方便，或有较好的外部运输条件； 3） 有排废石场地； 4） 有防洪条件（一般高出最大洪峰2m），且不受山岭岩石崩塌的影响； 5） 有较好的地质条件，尽量避免主要开拓巷道穿过断层、含水层等不利地层； 6） 尽量减少开拓工程量。 总之，在选择合理位置时，不能将上述所有影响因素等价进行分析，设计者必须抓住其中的几个主要矛盾进行分析，然后方可得到合理的位置。 图7-23中，矿床的开拓方法已拟定为下盘竖井开拓。根据井下最小动输功的原则，位置1较合理，1与3处都有很好的排废石场地，且有较理想的工业场地，但若竖井定为位置1则必须形成两翼通风，即两翼均需掘通风井，这样基建工程量大，工期长，同时利于管理。在确定竖井位置时，这将成为主要矛盾。最后确定在掘主竖井，在位置3掘主风井，形成了角式通风，大大减少了基建工程量和资金，缩短了基建周期。 考虑了上这条件后，主要开拓巷道的位置就确定了。为了解井筒将要穿过的岩层情况，检查是否有利于井筒掘进和维护的因素，一般需要先打得超过10～15m，并超深于井筒3～5m。当主要开拓巷道为斜井时，需要打彼此间距不大于50m，且与井筒垂直的钻孔。在岩性较为复杂的矿田内，打的必要性是显而易见的。如某石棉矿因事先未打工程钻，竖井下掘时遇到一段较厚的破碎带，结果不得不采取特殊办法施工，这不仅拖延了工期，增加了掘进费用 用，也突破了基建投资概算。 第二节 中段平面开拓设计 中段平面开拓设计是矿床设计的一部分，其主要内容是中段开拓平巷的布置，主要目的是满足矿岩运输、通风、排水和探矿等要求。中段需要开拓一系列的运输巷道及硐室，将矿声与主要开拓巷道（各种掘进的井筒）连接起来，从而形成完整的运输、通风和排水，给井下人员造成良好的工作环境和必要的条件。因此，中段运输巷道布置是否合理，直接影响着井下工人的安全生产和作业条件、开拓工程量、中段的运输能力乃至矿块的生产能力。 中段运输平巷一般有单轨、双轨和环形等形式。 一、 影响中段运输平巷布置的因素 1、中段运输能力 中段运输平巷的布置，首先要满足中段生产能力的要求（如有溜井与上中段相通成为组合石门中段，还应考虑从上部中段溜至本中段部分矿岩量的运输能力，在矿山设计时，中段运输留有余地，以满足生产情况多变的需要，同时也可使矿块（房）生产能力的发挥得到保证。 对于中小型矿山，因为中段运输能力不大，一般都采有用单一沿脉运输平巷；如运输些紧张，可采取在运输平巷内每隔一段距离加大巷道宽度，使局部单轨加宽为双轨的办法，以便提高中段运输能力。 2、矿体鹌鹑和矿石围岩的稳固程度 当矿体鹌鹑小于6～8m时，常采用单一沿脉巷道布置；矿体厚度在8m以上，在中小型矿山多采用单一沿脉巷道加穿脉巷道布置；只有极厚矿体，才采用环形巷道布置。 中段运输平巷一般采用沿下盘脉外布置，下盘围岩的稳固程度也应予以考虑，实践中，由于下盘围岩不稳固而将中段运输巷道布置在脉内的情况仍少，这是因为在脉久布置中段运输平巷可对同时工作的矿块分配风量，而且不须为保护运输巷道而留矿柱。 3、采矿方法 如采矿方法为崩落法（或其他空场采矿法），中段运输平巷一般布置在脉外，而且要布置在下中段的崩落界线以外，以保证开采下中段时作回风巷道。另外，中段运输平巷沿矿体走向或垂直走向的布置方式以及其底部结构形式等，都能影响矿块装车点位置、数目和装矿方式。 4、通风系统 中段运输平巷的位置应有明确的进风和回风线路，尽量减少转弯，要避免大的拐弯和锐角（小于90）拐弯，以减少通风阻力，并要在一定时期内保留中段回风道/ 二、中段运输平巷的布置形式 1、 单一沿脉平巷布置 这种布置又可分为脉内布置和脉外布置，其轨道布置形式分为单轨会让式（加局部双轨会车段）和双轨轨过渡式两种。 在一个矿山，由于各中段情况不同，尤其是各中段矿石储量不同，各中段运输平巷的设计也应有怕不同。如矿体厚度很薄（如细脉状矿体），多采用主、脉内单轨会让式的布置，如图7-24a所示。中段运输蹁较短，生产能力很低时，采用脉外单轨（图7-24b）；中段运输距离较长时，虽然生产能力不高，但为了给生产能力留有余地，多采用单轨会让式。 当中段生产能力增大，采用单轨会让式不能满足生产需要时，可采用双轨过渡式布置（图7-24c）。图7-17所表示的中段均为脉外单轨会让式布置。只有到15中段，由于矿体变厚，中段储量较大，不需要两个中段同时生产，为满足生产城建，在该中段采用了双轨过流式布置。这是大幅度提高运输能力的有效措施。生产能力在20万t以下的矿山，大都采用单轨会式布置。 2、 沿脉平巷加穿脉布置 如图7-25所示，当矿体厚度大于8m时，多采用这种布置方式，即沿脉平巷布置在下盘围岩内，每隔一定距离掘一穿脉与沿脉平巷配合；在线路布置上，沿脉和穿脉巷道均为单轨布置。 穿脉巷道间距的确定，一是根据采矿方法而定，因穿脉垂直于矿体走向布置，如矿房宽为8m，则间距15m为宜，二是取决于生产探矿需要，如探矿规定穿脉间距为30m。图7-26所示是某矿中段平面布置图。 此外，中段平巷布置还有环形运输布置等，这些布置方式均适用于中大型矿山。 在确定巷道布置方式前，设计人员首先根据地质剖面图做出各中段的地质平面图，然后根据矿体厚度，采矿方法以及探矿要求等因素进行中段平面设计。 第三节 进底车场 井底车场连接着井下运输与井筒提升，提升矿石、废石和下放材料、设备等，都要经由这里转运。因此，要在井筒附近设置储车线、调车线和绕道等。此外，井底车场也为升降人员、排水以及通风等工作服务，所以相应地还要在井筒附近调协一些硐室 ，例如水泵房与水仓、井下变电所等。井底车场就是这些巷道和硐室的总称。 井底车场根据开拓方法不同，可分为竖井井底车场和斜井井底车场两大类，但由于斜井井底车场应用较少，且较简单，所以这里重点讲述竖井井底车场。 一、 竖井井底车场形式 井底车场按使用的提升设备分为罐笼井车场、箕斗井底车场、罐笼箕斗井底车场和经输送机运输为主的井底车场，按服务的井筒数目分为单一井筒的井底车场和多井筒（如主井、副井）的井底车场，按矿车运行系统分为尽头式井底车场、折返式井底车场和环形井底车场，如图7-27所示。 尽头式井底车场如图7-27a所示，用于罐笼提升。其特点是井筒单侧进、出车、空、重车的储车线和调车场均设在井筒一侧，从罐笼拉出来空车后，再推进重车。这种车场的通过能力小，主要用于小型矿井或副井。 折返式井底车场如图7-27b所示。其特点是井筒或卸车设备（如翻车机）的两侧均铺设线路。一侧进重车，另一侧出空车。空车经过另外铺设的平行线路或从原线路变头（改变矿车首尾方向）返回。折返式井底车场的优点主要是提高了井底车场的生产能力；由于折返式线路比环形线路短且弯道 少，因此车辆在井底车场逗留时间显著减少，加快了车辆周转；开拓工程量省。由于运输巷道多数与矿井运输平巷或主要石合一，弯道和交叉点大大减少，简化了线路结构；运输方便、可靠，操作人员减少，为实现运输自动化创造了条件，列车主要在直线段运行，不仅运行速度高，而且运行安全。 环形井底车场如图7-27c所示。它与折返式相同，也是一侧进重车，另一侧出空车，但其特点是由井筒或卸载设备出来的空车经由储车线和绕道不变头（矿车首尾方向不变）返回。 图7-28b是双井筒的井底车场，主井为箕斗井，副井为罐笼井。主、副井的运行线路均为环形，构成双环形的井底车场。 为了减少井筒工程量及简化管理，在生产能力允许的条件下，也有用混合井代替双井筒，即用箕斗提升矿，用罐笼提升废石并运送人员和材料、设备的。此时线路布置与采用双井筒时的要求相同。图7-28c为双箕斗单罐笼的混合井井底车场的线路布置，箕斗提升采折返式车场，罐笼提升采用尽头式车场。图7-28a也是混合井井底车场的线路布置，箕斗线路为环形车场，罐笼线路为折返式车场，通过能力比c种型式大。 二、竖井井底车场的选择 选择合理的井底车场形式和线路结构，是井底车场设计中的首要问题。影响井底车场选择的因素很多，如生产能力、提升容器类型、运输设备和调车方式 、井筒数量、各种主要硐室及其布置要求、地面生产系统要求、岩石稳定性以及井筒与运输巷道的相对位置等，因此，必须予以全面考虑。但在金属矿山，一般情况下主要考虑前面四项。 生产能力大的选择通过能力大的形式。年产量在30万t以上的可采用环形或折返式车场，10～30万t的可采用折返式车场，10万t以下可采用尽头式车场。 当采用箕斗提升时，固定式矿车用翻车机卸载。产量较小时，可用电机车推顶矿石列车进翻车机卸载，卸载后立即拉走，亦即采用经原进车线返回的折返式车场。在阶段产量较大并用多台电机车运输时，翻车机前可设置推车或采用自溜坡。此时可采用另设返回线的折返式车场。 当采用罐笼井并兼作主、副提升时，一般可用环形车场。当产量小时，也可用折返式车场。副井采用罐笼提升时，翻车，根据罐笼的数量和提升量大小确定车场形式。如系单罐且提升量不大时，可采用尽头式井底车场。 当采用箕斗-罐笼混合井或者两个井筒（一主一副）时，采用双井筒的井底车场。在线路布置上须使主、副提升的两组线路相互结合，在调车线路的布置上应考虑线路共用问题。又如当主提升箕斗井车场为环形时，副提升罐笼井车场在增加不大的条件下，可使罐笼井空车线路与主井线路连接，构成双环形的井底车场。 总之，选择井底车场形式时，在满足生产能力要求的条件下，尽量使结构简单，节省工程量，管理方便，生产操作安全可靠，并且易于施工与维护。车场通过能力要大于设计生产能力的30％～50％。 7.14