锡铁山矿斜坡道的设计.pdf

I S S N 1 6 7 l一2 9 0 0 C N 4 3一l 3 4 7 ／ T D 采矿技术第6卷第 3期 Mi n i n g T e c h n o l o g y ，Vo 1 ． 6， No ． 3 2 0 0 6年 9月 S e p ． 2 0 0 6 锡 铁 山 矿 斜 坡 道 的 设 计 朱文志， 孙先辉 兰州有色冶金设计研究院， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 摘要 通过对国内、 国外矿山斜坡道的资料总结， 设计了青海锡铁山矿主斜坡道工程， 介 绍了该主斜坡道的具体配置形式及参数， 并提 出了发展斜坡道开拓技术的关键在于充分 掌握了解无轨地下设备的运行性能。 关键词 斜坡道 ； 无轨地下设备 ； 地下汽车； 开拓 系统 地下无轨开采在 1 9 5 0 年代就已出现， 随着无轨 ． 自行设备的发展， 这种新的开拓方法开始得到了广 泛应用。这种开拓方法 以斜坡道作为主要开拓巷道 来沟通地表与矿体之间的联系。斜坡道内不敷设轨 道 ， 矿石用无轨 自行设备直接从采场运出， 中间没有 井底车场的倒运环节 ， 因此它能简化矿石 的采装 运 工序， 提高矿床的开采强度。可以充分提高工作面 的劳动生产率、 矿山的生产能力和经济效益。 1 锡铁 山铅锌矿的现状 锡铁山铅锌矿为青海省西部矿业股份有限公司 所属的大型综合性矿山企业， 目前是青海省最大的 有色金属采选联合企业， 拥有 3 0 0 0 t ／ d 采选生产能 力。3 0 6 2 m中段 以上为平硐 一溜井开拓 ， 3 0 6 2 m 中 段以下为平硐 一 盲竖井开拓。西部矿业股份有限公 司由于近年来地质找矿工作获得了重大突破 ， 结合 企业的发展趋势， 为尽快变资源优势为经济优势， 经 过多方案论证后认为矿山生产规模扩大至4 5 0 0 t／ d 1 3 51 0 t ／ a ， 无论从技术上还是经济上均是可行 的。即在 目前矿 山生 产能力 为 3 0 0 0 t ／ d 9 01 0 t ／ a 的基 础上通 过扩建 再新增 1 5 0 0 t ／ d 4 51 0 t ／ a 的生产能力。 经过充分论证， 选定投资低， 且对现有生产系统 影响较小的平硐 一 盲竖井 现混合井 与无轨斜坡 道联合开拓方案。 方案简述。过渡前期 ， 主斜坡道仅担负新增 1 5 0 0 t／ d 4 5 1 0 t／ a 生产规模的运输任务， 待过渡 后期 ， 2 0 0 8年以后， 3 0 6 2 m以上生产规模消失之后， 矿山的全部生产能力由3 0 6 2 m以下承担， 届时主斜 坡道须承担现混合井延深到 2 8 2 2 m后提升能力以 外的所有运输任务 。 2 采用无轨斜坡道开拓 的理由 从 国内、 国外 目前所掌握的资料分析 采用斜坡 道汽车运输方案以及竖井、 斜坡道联合方案均比竖 井提升贵， 最主要一点就是斜坡道的掘进工程量较 大 ， 造成 了投资 的增加。但无轨斜坡道与竖井相 比 又具有一些显著的优点 1 无轨设备的通道不受限制， 选择硐口位置 比选择竖井位置容易灵活 ； 2 开采靠近地表的矿体时， 可大大减少开拓 时间， 能提前投入生产 ； 3 掘进设备和生产设备相同， 不需要专门的 凿井队和设备 ； 4 天井 、 联络道和 中间水平巷道 的掘进和斜 坡道的掘进可同时进行 ； 5 凿岩装药和支护等各项辅助作业更有条件 实现无轨化 、 机械化。 对于锡铁山矿， 采用无轨斜坡道开拓有其显著 的优点 第一， 如果采用将竖井向下延伸， 势必影响 目前的生产 ， 这对于西 部矿业公司来说是不可取 的， 因为锡铁山矿是公 司的主要收入来源和利润源泉 ， 矿山生产受影响以致减产对西部矿业公司的战略发 展来说是不利的。第二 ， 受地形条件所限， 工业场地 只能布置在矿体上盘， 而随着矿石开采朝深部的发 展， 崩落范围进一步扩大， 最终影响竖井的安全， 而 采用无轨斜坡道开拓可 以显著利用其优点。 3 锡铁 山无轨斜坡道的设计 3 ． 1 斜坡道的位置选择 根据无轨斜坡道的作用， 无轨斜坡道可以直通 地表， 也可以不直通地表， 仅在地下各主要阶段或各 维普资讯 5 5 2 采矿技术 分段间互相连通。锡铁山矿的斜坡道是作为主要运 输斜坡道 运送矿石 来使用 的， 因此按直通地表设 计。一般情况下， 斜坡道应布置在矿体下盘距矿体 3 0～ 5 0 r n 。但 由于锡铁山矿的工业场地受地表地形 所限布置于矿体上盘 矿体下盘的地表地形为高山 地形 ， 斜坡道硐 口也只能布置在矿体上盘。经过 现场踏勘， 初步确定了一个硐口位置， 但经初步揭露 后 ， 岩石情况不理想 。为此改变 了无轨斜坡道原定 的硐口位置， 重新选择， 新定的位置硐口开挖成硐容 易， 避免了增加不必要的支护量， 降低了造价。 3 ． 2 无轨斜坡道的断面规格选择 无轨斜坡道断面规格 的确定方法与一般的井巷 断面的确定方法相类似， 主要与所通过的无轨设备 的规格、 大小有关 ， 也与车速及有无行人等要求有 关。 有色金属采矿设计规范 Y s J 0 1 9 9 2 中规 定 无轨运输巷道应按通过的无轨设备外形尺寸确 定断面， 设备与巷道支护之间的间隙不得小于 0 ． 6 m， 人行道宽度不得小于1 ． 2 m。国外一般将设备的 宽度加上0 ． 9 ～ 1 ． 2 r n 即为巷道总宽， 将设备的高度 加上0 ． 6 ～ 0 ． 7 5 r n 即为巷道的高度， 在转弯处， 一般 还要加宽0 ． 3～ 0 ． 5 r n ， 同时在弯道处要限制车速。 瑞典有色矿山无轨斜坡道断面参数确定见表 1 。 表 1 瑞典有色矿山无轨斜坡道有关参数 无轨车辆运行 速度 v k in ／ s 单 车 道 双 车 道 车辆顶距拱顶 最小距离 m 无行人时车辆距 巷道两帮间距 有行人时人员距巷道帮距离 无行人时车辆距 偶然有行人 经常有行人 巷道两帮间距 互，仃 堕 星里鲞堕塑堕堕 偶然有行人 经常有行人 05 5 1 0 1 02 0 2 04 0 4 0 6 0 0 ． 3 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 0． 4 0． 6 0． 8 1 ． 0 1 ． 2 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0． 5 0． 3 0． 4 0． 5 0． 6 0． 7 0． 9 1 ． 2 1 ． 5 1 ． 8 2． 1 0． 1 0． 2 0． 3 0． 4 0． 5 0． 3 0． 4 0． 5 0． 6 0． 7 无轨车辆在实际运行过程 中， 车速是变化的 ； 对 于某些设备铭牌上标明的最高车速在实际运行中并 不能常时达到。所 以我们在设计中车速按 1 0～1 2 k m ／ h计， 以此确定无轨斜坡道的断面。 金川公司二矿区主斜坡道断面主要考虑到允许 用 5 0 t 拖车直接运送 1 0 6 5 ／ 2 0 0旋 回破碎机最大件 下井， 允许有5 0个座位的大客车运送工人到达分段 道。故将断面确定 为锁 口段 2 7 ． 9 4 r n ； 正 常段 1 9 ． 8 2～ 2 2 ． 5 1 r n ； 会让段 3 1 ． 8 4～ 3 4 ． 8 7 r n ； 辅助工 程段 1 9 ． 8 2 r n 。 酒泉钢铁公司镜铁山矿黑沟矿区斜坡道断面 单线砼支护时， 净断面为1 5 ． 8 4 rn ， 掘进断面2 0 ． 4 4 r n ； 双线砼支护时， 净断面 3 1 ． 1 4 r n ， 掘进断面 3 9．1 2m 。 锡铁山矿的主斜坡道主要任务是运输矿石和废 石 ， 大部分人员和材料均通过 3 0 5 5 r n主平硐经竖井 下放到3 0 6 2 rn以下各中段， 无大件设备下放深部。 因此， 决定锡铁山矿斜坡道断面的主要因素就是运 输矿岩的地下汽车的选择。经过对国内生产地下汽 车厂家的了解， 从汽车性能参数、 价格等方面进行分 析 ． 最终选用了南 宁重型机器厂生产 的 D K一2 0型 地下汽车， 并根据 D K一 2 0 型地下汽车的技术参数， 配置了锡铁山矿斜坡道的断面 井颈段 掘进 2 0 ． 2 5 r n ， 井颈段 净 1 4 ． 7 6 rn ； 正常段 掘进 1 6 ． 9 5 r n ， 正常段 净 1 4 ． 7 6 r n ； 会车段 掘进 3 4 ． 6 0 r n ， 会车段 净 2 8 ． 7 7 rn 。 3 ． 3 无轨斜坡道的坡度及弯道曲率半径参数 斜坡道的坡度应根据服务年限、 用途、 运输量、 设备类型和爬坡能力等确定。根据选定的 D K一 2 0 型地下汽车 ， 它 的最大爬坡 能力 能达到 2 5 ％左 右， 但这仅仅是在短程坡道上为克服高差而允许的最大 坡度， 以此来决定斜坡道的坡度是不现实的。 有 色金属矿山井巷工程设计规范 Y S J 0 2 1 9 3 中规 定 “ 无轨斜坡道 的坡度 ， 应根据斜坡道 的用途 、 类 型、 运输量及服务年限确定。 ” 其中又规定“ 主斜坡 道 运 输矿岩 的大型矿 山， 车辆行车 密度 大 ， 运 量 大 、 运距长 ， 坡度 7 ％ ～ 1 0 ％” 。从国内设计的斜坡 道来看， 无论是输送矿石的主斜坡道还是运送设备、 人员、 材料用的辅助斜坡道， 其坡度基本小于 1 7 ％。 坡度太大不但使无轨设备运行速度减慢， 影响车速 和效率， 而且轮胎及机器磨损大， 排出的废气量也大 大增多 ， 增大 了矿井 的污染程度 。井下无轨斜坡道 的最佳坡度是根据开拓费用和矿石 的运输费用来决 定的。而增大坡度造成的成本提高、 效率降低往往 被提高坡度后减少 的开拓费用所掩盖。表 2列出了 适合于 3 2 0 r n 深度的运行速度 、 运输距离和运输能 力 、 成本与坡度的关 系。 从表 2中可得 出结论 ， 坡度增加 ， 运行速度 、 运 维普资讯 朱文志， 等 锡铁山矿斜坡道的设计 5 5 3 行距离和运输能力减小 。同时 ， 总掘进体积 、 巷道维 护费用、 道路建筑费用也减少。而小时运营费 工 资、 折旧费、 燃料费、 轮胎费、 维修费 则随坡度的增 加而增加。无论从运输能力 、 单位矿石运输 费用 ， 还 是从单位斜坡道掘进时运输费用来看 ， 斜坡道最佳 坡度均为 1 0 ％ 表 2 运行速度、 运输距离及运输能力与坡度的关系 芬兰矿山的经验证 明 ， 斜坡道 的坡度在汽车运 矿时， 不宜大于 17 1 4 ． 2 8 ％ ， 辅助运 输时， 不宜 大于 15 2 0 ％ 。英 国矿 山实践证 明， 在一定 的 距离内， 大部分柴油 自行设备的工作坡度可以达到 16 1 6 ． 6 ％ 而运行不 出问题 。澳大利亚冈波德 矿用汽车运矿， 斜坡道坡度 19 1 1 ． 1 1 ％ 。南非 芬什矿采场直通地表斜坡道坡度 1 2 。 。 国内矿山 金川龙首矿采用 自卸汽车运矿 ， 斜坡 道坡度 1 0 ％ ； 广东凡口铅锌矿盘区辅助斜坡道坡度 2 0％ ～2 5％ 。 根据设计要求， 锡铁山矿斜坡道主要担负矿山 扩建过渡初期 2 8 8 2 m 中段 的开拓 、 探 矿和采切 工 程 ， 并且负担 2 9 4 2 m中段 1 5 0 0 t ／ d 4 51 0 t ／ a 的 矿石运输和辅助材料 的运输任务。过渡后期待 3 0 6 2 m中段生产能力消失 以后 ， 斜坡道担负现有混 合井延深到 2 8 2 2 m水平满负荷提升能力 1 2 0 0 1 5 0 0 t ／ d矿石 以外的所有矿石 3 0 0 0～ 3 3 0 0 t ／ d 、 废石运输任务 。 由此看来， 该斜坡道属于运输矿石的主斜坡道 ， 其坡度按照设计规范要求和国内外无轨斜坡道的坡 度统计 ， 合适的坡度应在 8 ％ ～1 0 ％左右。 斜坡道弯道处的曲率半径及线路的坡度原则上 参照露天公路设计的规范要求。由于井下使用的无 轨设备底盘低， 重心低， 因此与露天公路的设计的要 求还有不同之处。弯道的曲率半径一般根据所选择 的无轨设备要求 、 线路的型式及斜坡道 的用途来确 定。D K一 2 0型地下汽车最小转弯半径 外侧 9 ． 2 m， 但本斜坡道属运输矿石的主斜坡道， 考虑运行速 度等原因， 将转弯半径定为 2 5 m。根据国内外有关 资料， 多数斜坡道的弯道处坡度都在 1 0 ％左右。 针对该主斜坡道 的布置形式及会车段错 车道的 布置， 最终确定了以下原则 1 间隔 2 0 0 m左右布置一条错车道 ， 错 车道 段的坡度定为 0 ％ ～ 3 ％ ； 2 从 3 0 6 5 m硐 口至 2 8 8 2 i n水平基本为直线 式布置， 正常段的坡度定为 1 0 ％ ～ 1 1 ％； 3 2 8 8 2～ 2 8 2 2 m这段斜坡道采用了螺旋式 斜坡道布置形式， 将弯道段的坡度定为 6 ％， 正常段 定为 1 2 ％ ， 错车道段 的坡度定为 3 ％。虽然正常段 的坡度似乎偏大， 但在汽车运行过程中大量的弯道 和错车道段的低坡度可以改善汽车的磨损。 3 ． 4 无轨斜坡道的路基路面处理 地下无轨设备在运行时的机械磨损、 轮胎腐蚀 、 割裂、 机械故障和运输效率与道路状况有很大关系。 若斜坡道路况不好， 首先是轮胎磨损快， 其次是机件 损坏快。这种情况与地面公 路汽车运 输是相 同的。 在井下出矿和运输的费用 中， 轮胎费占到 4 0 ％左 右 ， 甚至高达 5 0 ％。 目前 ， 井下 无轨斜坡道道 路常 用砼路面或碎石砼、 碎石沥青、 沥青砼路面。 根据本矿斜坡道的特点， 它属于运量 大的运矿 主斜坡道， 运输距离最远近 3 ． 6 k m 。而采用砼路 面， 可以提高车速， 减少对轮胎的损耗 ， 降低对路面 的维护费用和地下汽车的运营费用。因此最终采用 了砼路 面结构 路面采用 C 3 0砼 ， 厚度为 2 0 0 mm， 路 面铺筑在 爆破的浮石全部清除 的岩石路基上 ； 斜坡 道曲线段 的外侧超高， 横 向坡度取 4 ％ ； 曲线段超高和加宽部 分与正常行车线之间的超高缓和段取5 m； 每隔6 m 留砼伸缩缝 ； 道路两侧设水沟。 4 结 语 目前 ， 青海锡铁 山矿的斜 坡道设计 已完成并进 入施工掘进阶段 ， 从 目前 现场反馈来 的情况看 ， 在掘 进过程中地下汽车运输废石性 能 良好 ， 证明坡度选 择是合适的。由于与各生产中段都有辅助铲运机道 下转第 5 5 5页 维普资讯 范凯， 等 李子垭南二井平硐全封闭穿越溶槽设计 5 5 5 槽与地面贯通； 假设溶槽全部充水直到地面， 平硐处 的水压为 P p g h 2 MP a 1 式 中 P 一水压 ， MP a ； JD 一水的密度 ， 取 1 0 0 0 k m ； g 一重力加速度 ， 取 1 0 m ／ s ； 一 水深 ， 取 2 0 0 IT I 。 因此平硐必须考虑承受 2 M P a 的水压， 故选用 圆形断面更为理想 。 根据“ 基础矩形法” _ 1 计算 ， 平硐净半径 r 取 1． 8 5 IT I 。 平硐与岩石浇筑为一个整体， 平硐可以只考虑 侧压 水压 的影响； 平硐顶底两点压力差为 0 ． 0 4 6 M P a ， 可以认为， 平硐壁四周的水压相等， 受均匀水 压。因此， 对平硐壁厚及结构设计的计算可以使用 圆筒立井的相关公式。 由于无法明确 与 的关系， 故选用厚壁圆通 上U 公式 拉麦公式 计算平硐壁厚 ， 平硐材料设计强 度 ， 取 2 0 0 N ／ mm ； 设计安全系数 ， 取 1 ． 7 ， 经计 算得平硐壁厚 h 为 4 2 7 fi lm， 考虑安全因素， 取 6 0 0 F i l m 。 3 ． 2 平硐结构设计 1 圈筋。按厚壁圆筒公式 J ， 圆环的最大径 向应力发生在外壁， 按构造要求配筋， 选用 1 6锰 q b l 8 3 0 0 ， 由于 h6 0 0 m lT l ， 考虑壁 的内外表面 留 5 0 m m， 壁中均匀布置 3圈， 因此圈筋可选用 1 6锰 q b l 8 2 5 0 ， 巷 向间距 3 0 0 fi l m。共 4 331 2 9圈 ， 每圈由二或三部分组成， 搭接长度 1 5 0 m m， 采用现 场 1 0 m m高双侧连续焊缝焊接。 2 纵筋。由于最大切向应力发生在圆环内 壁， 纵筋按构造要求配筋， 选用 1 6 锰 q b 2 0 沿每圈主 筋均匀布置 4 O根 ， 共 1 2 0根， 根 与根对接 ， 搭接长 1 0 0 m m， 双侧帖角焊接， 焊缝高 1 0 m il l 。 3 箍筋。选用 q l O Q 2 3 5圆钢， 每圈4 0根， 与 圈、 纵筋间绑扎 ， 平硐布筋见图 2 。 上接第 5 5 3页 相连通， 较好的解决了施工通风问题。但是， 如果能 在充分掌握了解地下汽车的运行性能的基础上， 将 斜坡道的坡度提高 1 0 ％左右就可以降低 1 0 ％ ～ 1 5 ％的投资造价， 对于目前市场经济条件下的矿山 投资方是一笔不小 的收益。因此 ， 对于 国内斜坡道 图 2 平硐布筋 3 ． 3 平硐壁稳定性验算 根据圆环稳定的基本条件公式 ] P R 8 3 3 0 0≤ 1 1 5 2 0 0 P a 2 式中 为纵向弯曲系数， 取 0 ． 9 6 。 满足圆环稳定的基本条件 ， P 2 MP a 3 O“ t 2 I． , k R 2 p 1 6 MP a 4 【 斗 J 2 、 3 、 4 式都满足圆环稳定条件， 圆环安 全 、 稳定 、 可靠。 4 结 论 平硐采用圆形断面全封闭穿越溶槽 ， 平硐整体 性好， 强度高， 防水性能好， 后期使用也安全可靠； 平 硐采用钢筋} 昆 凝土支护和两端锚杆联合支护， 平硐 稳定可靠； 在来水一侧布置引水道， 结合“ 排、 引、 堵、 防” 的排水思路确保了此段平硐施工及使用的 安全。 参考文献 [ 1 ] 煤矿矿井采矿设计手册 编写组． 煤矿矿井采矿设计手册 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 8 2 7 9 9 ． [ 2 ] 张荣立， 何国纬， 李铎． 采矿工程设计手册[ M] ． 北京 煤炭 l 出版社 ， 2 0 0 3 1 5 4 6～1 5 4 9 ． 收稿 日期 2 0 0 6～ 0 5 3 0 作者简介 范 凯 1 9 7 8一 ， 男， 陕西汉中人， 主要从事煤矿 生产技术 管理 工作 。 的设计来说， 目前最重要的是收集掌握最新的国内、 国外无轨地下设备 的运营费用与斜坡道坡度的线性 关系， 找到无轨地下设备的运营费用与斜坡道坡度 的最佳交汇点是发展斜坡道开拓技术关键所在。 收稿 日期 2 0 0 6 0 5 3 0 作者简介 朱文志 1 9 7 2一 ， 工程师 ， 从事采矿设计工作。 维普资讯