上海外经集团控股有限公司 上海 200032
摘要：井下开拓方案确定是一个不断优化的过程，为保证厄立特里亚某金矿在地采项目建成后能够高效、经济、安全运行，并达到设计生产能力和预期的经济效益，提出了两种开拓方案并建立相对应的三维立体模型，运用经济参数对两个方案进行比选，获得最优方案。结合矿区工程地质、水文地质、环境地质及选择施工作业设备，提出了适应该斜坡道施工工艺流程，为斜坡道基建施工提供技术支撑。研究证明该方法在开拓系统的比选及应用中具有一定的参考价值。
关键词：三维模型；开拓方案；施工工艺；斜坡道
Comparison and application of ramp development scheme in a gold mining project
FAN Zhicai
China SFECO Group，Shanghai 200032
Abstract：The determination of underground development plan is a process of continuous optimization order to ensure the efficient，economic and safe operation of a gold mine in Eritrea，and achieve the designed production capacity and expected economic benefits，Two development schemes are put forward，and the corresponding three-dimensional model and membership structure model are established.Then the two schemes are compared and selected by using economic parameters，and the optimal scheme is obtained.Combined with the engineering geology，hydrogeology，environmental geology and the selection of construction equipment in the mining area，the paper puts forward the construction process suitable for the ramp，so as to provide technical support for the infrastructure construction of the ramp.The research proves that this method has a certain reference value in the comparison and application of development system.
Key words：three-dimensional model；development plan；construction technology；Ramp
0引言
地下矿山开拓系统确定是采矿设计中至关重要的环节，关系到建设期的总投资、基建工程量、建设周期、运行成本及管理、生产工艺及设备选择、乃至生产期的生产效率及安全都有着密切的联系，因此矿井的开拓方案的重要性是不言而喻的[1-2]。矿山的开拓系统往往与矿区的地形地貌、各厂区之间的位置关系、矿体产状、埋藏深度、地下涌水等因素有关，同时与生产期的运输、提升、通风、供水及排水等其他系统密切相关，合理的开拓系统是矿山企业高效、安全生产的前提和保证。如何选择好一个合理、经济的开拓系统，是建设单位和设计单位始终关注的重点，往往通过多方案比选得到。
随着三维数字设计和5G通讯技术的不断发展，可视化和远程控制是矿山今后发展的趋势，这使得三维模型被广泛运用。目前国内外应用成熟的矿业类三维软件有Surpac、Datamine、Dimine、3Dmine等，这些软件为矿山三维设计及方案优化提供了基础平台[3-4]。
本文以非洲东部国家厄立特里亚某金矿为例，利用Surpac三维软件分别对两种开拓方案建立三维模型，运用经济参数比较，得出最佳的开拓方案。同时结合矿区开采技术条件及施工设备，提出了适应该开拓方案的施工工艺技术及流程，为矿山后续基建和生产提供技术支撑。
.png)
图1矿体三维模型
1工程概况
该金矿矿体走向长度大于650m，矿体赋存于糜棱岩中，矿体直接顶板为流纹岩、糜棱岩，直接底板糜棱岩、变质沉积岩。岩石坚固性系数大于5，属于软弱～半坚硬工程地质岩组。矿区工程地质与环境地质类型中等，水文地质类型简单。矿区保有资源储量8771.19kt，金平均品位3.71g/t，金金属量32.52t，矿体三维模型见图1。矿体走向近南北向（5°），倾角70～85°，局部反倾。矿体赋存标高920～680m，垂高240m。矿体厚度2～30m。矿体分布最宽处100m，最窄处2m，地表地形起伏较大，最高点与最低点高差将近400m。
2 开拓运输方案选择
2.1方案描述
根据现场建设条件及矿体赋存条件，可供选择的开拓方案有主斜坡道方案和罐笼竖井+辅助斜坡道方案，详细描述如下：
方案Ⅰ：主斜坡道方案
采场采下的矿石通过铲运机装至地下运矿卡车，再通过斜坡道直接运出地表至选矿厂。斜坡道口布置在地下开采移动界线以外，作为全矿矿、废石运输的通道，同时作为辅助进风通道。斜坡道井口地表高程820m，服务最低标高600m，长度2351.8m，坡度12%，断面12.65m²的三心拱布置。斜坡道通过联络道与各无轨运输中段连接，巷道底板铺C25混凝土路面，厚度200mm，靠矿体下盘采用折返式布置，按相关规定设错车平巷，基建期掘至700m中段，生产期随生产中段的下移而下延。
方案Ⅱ：罐笼竖井+辅助斜坡道方案
罐笼竖井和辅助斜坡道井口位置均选择在露天采场西南侧、岩石移动范围之外。罐笼竖井净直径Φ5.5m；回风竖井净直径Φ4.0m；辅助斜坡道净断面8.45m2。罐笼井作为矿、废石运输的主要通道，同时兼作为进风通道。在矿区南部错动范围外掘进竖井作为回风通道，井内安装梯子兼做安全出口。井下运输采用集中有轨运输，采用10t蓄电池电机车牵引1.2m3侧卸式矿车，轨距600mm，巷道断面6.07 m²。
2.2方案比较
从开拓总工程量、方案投资、年经营成本、建设期设备配置、建设周期等各指标对比，比较结果见表1所示。
表1开拓运输方案综合比较表
.png)
从表1中得出，开拓总工程量：方案Ⅱ（98072.18m3）>方案Ⅰ（92464.27m3）；基建总投资：方案Ⅱ（11516.87千美元）>方案Ⅰ（7170.94千美元）；年经营成本：方案Ⅱ（2746.05千美元）>方案Ⅰ（960.00千美元）；五年期投资估值：方案Ⅱ（25247.13千美元）>方案Ⅰ（11970.94千美元）。
从开拓总工程量、方案基建投资、年经营成本和五年期投资估值方案Ⅰ都优于方案Ⅱ。
方案Ⅰ优点：坑内矿石运输合理，矿石和废石可从地下直接运输到选厂，不需二次倒运；基建工程量少；初期投资省；生产运行管理简单；经营成本低，施工简单；措施工程少等。缺点：无轨巷道断面大，总工程量大；井下无轨设备需风量大，通风效果不佳。
方案Ⅱ优点：通风效果好；井筒一次建成，有利井下排水。缺点：基建工程量大；基建投资高；下部连接运输各个中段运输石门长；矿石提升至地表后需要二次转运至选厂；生成期管理较复杂；经营成本高；建设过程复杂，措施工程多，基建投资大。
综上所述，每个方案互有优缺点，但对于本矿的规模和矿体赋存特点而言，方案Ⅰ较方案Ⅱ在总开拓工程量、矿山年经营费用、管理方便等存在一定优势，且方案Ⅱ根据选用的采矿方法同样需设置设辅助斜坡道，矿石和废石通过罐笼井提出地表后，需通过汽车二次转运，不利于矿山生产，因此推荐方案Ⅰ，即斜坡道开拓运输方案，斜坡道长度2351.8m，坡度12%，净断面12.65m²，推荐方案三维效果图见图2。
.png)
.png)
图2推荐方案开拓系统三维效果图
3斜坡道方案施工及应用
鉴于该金矿矿体走向、长度，矿体赋存于糜棱岩中，矿体直接顶板为流纹岩、糜棱岩，直接底板糜棱岩、变质沉积岩，矿区工程地质与环境地质类型中等，水文地质类型简单的实际地理地质环境，我们就斜坡道方案涉及到的断面、施工工艺等进行了明确，以期更好地实现矿山早日生产。
3.1斜坡道断面确定
确定斜坡道断面的主要因素有：1）斜坡道中运行设备尺寸；2）斜坡道穿过岩层的性质、低压大小和方向；3）斜坡道运输能力；4）施工技术及装备等；5）遵循相关的安全规程规范；6）其它因素，如满足通风机风速校核要求、施工过程中的工作的舒适性等。上述因素中，作业设备尺寸起决定性作用。
该矿山地下开采选择的设备有UK-15T型地下卡车，外形尺寸长×宽×高（mm）：7490×2100×2350；ACY-2C型地下柴油铲运机，外形尺寸长×宽×高（mm）：6816×1770×2100；Atlask4凿岩台车，外形尺寸长×宽×高（mm）：10735×1220×2010；Boltec S锚杆台车，外形尺寸长×宽×高（mm）：10020×2115×2100。根据前述确定斜坡道断面的主要因此，经综合分析对比确定斜坡道断面宽×高（mm）：4200×3400的三心拱，净断面12.65㎡。斜坡道断面尺寸见下图3。
.png)
图3 斜坡道断面图
3.2斜坡道施工工艺
斜坡道掘进工艺依次为凿岩、装药、爆破、通风、出渣和支护[5]。①凿岩：选用3台Atlask4凿岩台车，孔深3m，孔径45mm，掘进进尺10m/d。②装药与爆破：选择charmec mc605装药台车，装药速度4m3/min，ANFO炸药自动添加系统，采用导爆管起爆工艺。③通风：选用11kw局扇+风筒净化作业工作面，排出有毒有害气体及粉尘。④出渣：采用2台ACY-2C型（2m³）地下柴油铲运机配合3台UK-15T型地下卡车出渣。⑤斜坡道支护：采用喷砼支护和喷锚网联合支护，喷砼支护是在巷道壁上喷射50mm混凝土，喷锚网联合支护为喷射厚50～80mm的混凝土，锚杆间距1.0m×1.0m，梅花形布置，采用管缝锚杆或砂浆锚杆，锚杆长度2.5～3.0m，锚杆外径20mm，管缝锚杆管壁厚3mm。Boltec S锚杆台车安装锚杆和网片，HPH-74喷射机 喷射混凝土至50mm。锚网（钢丝网）采用冷拔钢丝，钢丝网直径6mm，材质Q235，网孔尺寸150mm×150mm。
斜坡道掘进一个循环所需的时间：①Atlask4凿岩台车凿岩工作用时120～150分钟；②charmec mc605装药及爆破工序用时60～90分钟；③通风时间30分钟；④每循环出渣用时120～150分钟；⑤支护作业用时120～150分钟，主要包括撬顶、冲洗粉尘和Boltec S锚杆台车安装锚杆和网片。
地下无轨辅助设备包括JY-5型底盘多功能服务车、洒水车、平地车、井下人员运输车等其它设备。多功能服务车用于材料运输、管线安装及更换、线路维护、设备转移等辅助工作；洒水车用于斜坡道洒水降尘；平地车用于平整斜坡道路面；井下人员运输车为地下作业人员和管理人员交通工具。
在基建施工阶段，工作面的爆破、支护和通风是施工过程的技术难题，文章对这三种工艺进行详细描述及说明。
1）爆破工艺技术流程
斜坡道施工采用光面控制爆破，周边眼（光爆眼）少装药量或间隔装药，以实现光面控制爆破的效果，爆破工艺流程见图4。药量沿炮孔全长均匀分布，孔口用炮泥密实充填以保证炸药破坏力充分作用于受爆岩石，炮泥堵塞长度不小于200mm。施工时，根据工程所揭露的岩性特征，对光爆参数进行调整，控制好线装药量密度。如果局部区域节理裂隙发育，应适当增加导向空孔，岩石越破碎越要多打眼少装药，把爆破对围岩的影响降低到最低程度，保证巷道断面的成形质量。
.png)
图4光面爆破施工工艺流程
2）支护工艺技术流程
根据工勘资料揭露的岩性，参考类似矿山，该矿斜坡道支护形式分不支护、喷砼支护和喷锚网联合支护三种，占比分别为30%、40%和30%。
其中喷砼支护适用于Ⅱ级围岩中，喷射混凝土强度等级不低于C25，喷射混凝土厚度为50mm，养护时间不低于7天。喷砼支护的主要工艺流程见下图5。
.png)
图5 喷砼支护施工工艺流程图
喷锚网联合支护适用于Ⅲ级和Ⅳ及围岩中，选择管缝锚杆或砂浆锚杆，锚杆长度2.5～3.0m，锚杆外径20mm，管缝锚杆管壁厚3mm，喷射混凝土强度等级不低于C25，喷射混凝土厚度为50mm和80mm，养护时间不低于7天。喷锚网联合支护的主要工艺流程见下图6。
.png)
图6 喷锚网支护施工工艺流程图
3）通风工艺技术流程
通风是确保施工顺利进行的重要内容之一，必须保证掘进时通风系统的合理性和有效性。该斜坡道基建掘进长度约1200m，施工中通风相对困难，属于通风困难类型。施工采用混和式的通风方式，压入风机11kw，Φ500mm的软质风筒，风机距工作面30m，风筒距工作面不大于5m；抽出风机两级轴流式风机30kw，Φ800mm的软质风筒，风机应距工作面15m。掘进工作面通风示意图见下图7。
.png)
图7工作面通风示意图
3.3预期应用效果
矿山引进国际先进的无轨设备进行斜坡道机械化连续施工，并配合Surpac、MineSchedule和Ventsim三维数字软件等，实现了网络动态化施工管理，施工进度可实现三维可视化，进度实施实时动态调整，保证了井下作业人员少、工作环境佳、作业安全等目的。采用斜坡道开拓方式比其它开拓方式缩短基建时间1年以上，为矿山早日实现生产奠定坚实基础。
4 结论
（1）通过三维建模能准确统计开拓方案中各个井巷工程中的工程量，大幅度降低人工统计工作量及误差，并能为下步工作提供大量基础数据和数值模型；
（2）该金矿开拓方案通过技术经济进行比选和论证，推荐斜坡道开拓方案，该开拓方案技术可行、投资省、基建时间短、安全性好等优点。
（3）在推荐方案施工过程中采用先进的设备及工艺流程为施工过程中的凿岩、装药与爆破、通风、出渣和支护等技术提供技术保障，同时为该矿早日实现地下开采提供技术支撑。
（4）采用无轨斜坡道开拓方案，当斜坡道掘进到一定深度并揭露矿体后，其掘进可与中段生产同时进行，这样可缩短矿山基建周期1年以上，节省基建投资400多万美元，实现早生产，提高企业效益。
参考文献：（References）：
[1]周礼.黄山南铜镍矿深部采矿方法及生产系统优化研究[J].矿业研究与开发，2020，40（10）：1-7.
[2]柳志森.苍山铁矿开拓系统及采矿方法优化[J].金属矿山，2009，397（7）：39-42.
[3]郭明明.李洁慧.地下矿山开采系统三维数字优化设计[J].现代矿业，2016，568（8）：20-22.
[4]吴涛，刘炳锋，林吉飞，等.三维设计方法在地下矿山开拓设计中的应用[J].工矿自动化，2015，41（1）：119-123.
[5]杨佳，任斌，张娣.无轨设备在黄金地下开采中的应用-以贵州锦丰矿业有限公司为列[J].黄金，2010，41（7）：49-53.