竖井开拓法及适用条件

发布时间:2024-09-04

竖井开拓法及适用条件

一、引言

在采矿工程领域，竖井开拓法作为一种经典且广泛应用的采矿方法，其重要性不言而喻。该方法以其高效、灵活的特点，特别适用于地下深埋及倾斜至急倾斜矿床的开采。本文旨在详细阐述竖井开拓法的概念、适用条件、主要布置方案，并深入探讨为何在实际操作中优先选择下盘竖井开拓方案。

二、竖井开拓法概述

2.1 定义与原理

竖井开拓法，顾名思义，是从地面向下掘进垂直井筒以开拓矿床的方法。这种开拓方式的核心在于利用竖井作为主要的矿石与人员升降通道，结合水平或倾斜的巷道系统，实现对地下矿体的全面开采。竖井不仅承载着矿石运输的重要任务，还肩负着通风、排水、供电等多重功能，是地下矿山开采的“生命线”。

竖井开拓法有三种步骤方案。同学们请看，这是一个典型的竖井开拓法的方案图。在这个开拓方案中，以竖井从地表通达矿体。利用主井也就是运输井来提升矿石能源和设备，也是通过副井进入到地下。在每一个中段有井底车场和中段运输巷道以及通风井，还有溜井等开拓巷道。井下上面这两个中段的矿石通过溜井下放到最底下集中运输水平，然后进入矿仓，通过破碎站之后，通过卸矿站在专用的箕斗里面提升到地表。2.2 适用条件

竖井开拓法适用于多种类型的矿床，尤其是地平面以下倾斜及急倾斜矿床（倾角一般大于40°至45°），以及埋深较大的缓倾斜甚至水平矿床。这些矿床因埋深较大、倾角较陡，采用露天开采难度较大或经济上不划算，因此竖井开拓法成为首选。此外，对于矿体形态复杂、开采条件多变的矿床，竖井开拓法也能通过灵活的巷道布置实现有效开采。

三、竖井开拓法的主要布置方案

竖井开拓法的布置方案多种多样，但总体可归纳为以下几种类型：下盘竖井开拓法、上盘竖井开拓法、侧翼竖井开拓法以及穿过矿体的竖井开拓法。每种方案各有其优缺点和适用条件，需根据具体矿床条件和开采需求进行选择。

3.1 下盘竖井开拓法

3.1.1 方案概述

下盘竖井开拓法是指在矿体下盘岩石移动带范围以外布置竖井的一种方案。该方案通过主井（运输井）和副井（辅助井）的组合，实现对地下矿体的开采。在每个中段，均设置有井底车场、石门、主要运输巷道等开拓巷道，以确保矿石和设备的顺畅运输。同时，为了提高提升效率，通常会设置一个主提升水平，将各中段产出的矿石集中至此进行破碎和提升。

下盘竖井开拓法，即在矿体下盘岩石移动带范围以外布置竖井。根据阶段标高分别确定各阶段井底车场、石门及主要运输巷道通达矿体。该方案优点在于对竖井井筒的保护条件好，因为它处于下盘岩石移动大范围以外，无需留保安矿柱。但其缺点是随着开采深度的增加，石门长度也会增加，尤其是在矿体倾角较小的情况下，如倾斜矿体，问题更为明显。通常情况下，这种方法最适合用于开拓埋藏地平面以下及倾斜矿体，对于倾角大于70度的下盘地形构造和岩层条件适合挖掘井筒时更有利。

现在我们来看看这个方法的方案图。请大家看一下这张图，它是下盘竖井开拓法的方案示意图。图中包含三个矿体，1、2、3这三个矿体可以明显看出是急倾斜矿体。为了开采这三个矿体，我们将主竖井设计在下盘延长移动带范围以外。如何判断是否超出下盘延长移动带之外？ϒ是下盘延伸移动角，根据其范围确定主竖井的设计范围。在每个中段设计石门，包括石门一中断、二中段、三中段和四中断。沿着矿体垂直进入，再开凿中段运输巷道。在矿体走向两侧，即井田两侧，设置通风井。然后在上方三个中段中，通过溜井将矿石下放到最底层运输水平，再通过最底层运输水平进入矿仓，提升到地表。

3.1.2 优点分析

下盘竖井开拓法的显著优点在于对竖井井筒的保护条件好。由于竖井布置在矿体下盘岩石移动带范围以外，远离了开采过程中可能产生的地压变化和岩石移动，因此无需设置额外的保安矿柱来保护井筒安全。这不仅降低了开采成本，还提高了资源回收率。此外，该方案在矿体倾角较大时尤为适用，因为此时石门长度相对较短，开采效率更高。

3.2 上盘竖井开拓法

3.2.1 方案概述

与下盘竖井开拓法相对应的是上盘竖井开拓法。该方案将主竖井布置在矿体上盘岩石移动带以外，并通过竖井掘进石门通达矿体。然而这种方法在实际应用中相对较少见，仅在特殊情况下才会采用。

同样，我们来看一下这个上盘竖井的方案布置图。与之前介绍的下盘竖井开拓法不同的是，从这张图中可以看出，我们将竖井设计在矿体的上盘，同样也需要设计在岩层移动带范围以外的β，即上盘岩层移动角。为什么通常情况下要把下盘的竖井布置在下盘移动带以外呢？大家可以回去查一查上盘岩层移动角和下盘延伸移动角哪个角大一些。通常情况下，下盘岩层移动角比上盘岩层移动角要大。因此，如果β更小，那么石门的长度就会更大，导致整个工程量更大。因此，在正常情况下，上盘竖井开拓法只在特殊情况下才被考虑使用。

3.2.2 适用条件

上盘竖井开拓法主要适用于以下几种情况：

第一种情况是受地表地形限制，下盘和侧翼缺乏布置工业场地；第二种情况是根据矿区内部和外部的运输联系，选矿床或尾矿库只宜布置在矿体的上盘方向，此时上盘竖井运费最少，避免反向运输；第四种情况是下盘岩层地质和水文地质条件非常复杂，例如存在断层、破碎带或含水层等不宜条件。在这种情况下，不宜采用掘进竖井。因此，在以上这些特殊情况下面，才会考虑将其布置在上盘。

3.2.3 优缺点分析

上盘竖井开拓法的优点在于，在某些特殊情况下，如地表地形限制或运输需求特殊时，能够灵活应对，确保开采活动的顺利进行。然而，其缺点也较为明显。首先，由于竖井布置在上盘，距离矿体较近，容易受到开采过程中地压变化和岩石移动的影响，因此需设置较大的保安矿柱来保护井筒安全，这降低了资源回收率并增加了开采成本。其次，上盘岩层移动角通常较小，导致石门长度增加，工程量和开采难度也随之增大。

3.3 优选下盘的原因详述

首先，从地质力学角度来看，下盘岩层往往比上盘岩层更为稳定。在地下开采过程中，由于地应力的重新分布和开采活动的扰动，矿体及其周围岩体会发生一定程度的移动和变形。而下盘岩层由于距离矿体较远且受到上方岩层的支撑作用，其移动变形相对较小。因此，将竖井布置在下盘可以有效降低井筒受地压影响的风险。

其次，从经济效益角度来看，下盘竖井开拓法有助于降低开采成本和提高资源回收率。如前所述，由于无需设置保安矿柱保护井筒安全，可以最大限度地回收矿石资源。同时，较短的石门长度也意味着更低的开拓成本和更高的开采效率。

最后，从工程实施角度来看，下盘竖井开拓法更容易实现机械化、自动化开采。由于竖井位置相对稳定且易于维护管理，可以更方便地安装和使用各种先进的采矿设备和监测仪器。这不仅提高了开采效率和安全性还降低了工人的劳动强度。

3.3 侧翼竖井开拓法

3.3.1 方案概述

侧翼竖井开拓法是将竖井布置在矿体走向一侧的侧翼岩石移动带范围以外的一种方案。该方案同样通过主井和副井的组合以及各中段开拓巷道的布置，实现对地下矿体的开采。侧翼竖井开拓法适用于矿体长度较短或地表地形有利于在侧翼布置工业场地的情况。

大家可以看看这张图。这个轮廓线的范围就是矿体范围，这个方向是矿体的走向。主井布置在矿体的一侧，沿每个中段掘进中断运输巷道。中断运输巷道和石门合并成一条巷道。由于主井在这个位置，所以所有矿石都要从这个方向往主体方向运输。因此所有尾矿石只有一个方向运输。如果把竖井布置在矿体的上盘或下盘，那么矿石运输时会往中间运输，因此是双向的。这样布置在上下盘时，运输工作量较小。

3.3.2 优缺点分析

侧翼竖井开拓法的优点在于能够充分利用地表地形条件，在矿体侧翼布置工业场地，降低开采成本。同时，该方案在矿体长度较短时较为实用，因为此时石门长度相对较短，开采效率较高。然而，其缺点也不容忽视。由于竖井布置在侧翼，矿石运输需单向进行，限制了掘进和回采的强度。此外，在回采过程中，工作线也只能单向推进，增加了开采难度和复杂性。

3.4 穿过矿体的竖井开拓法

3.4.1 方案概述

穿过矿体的竖井开拓法是指竖井直接穿过矿体进行开采的一种方案。然而，在实际应用中，这种方案由于需要设置大量的保安矿柱来维护竖井稳定，导致矿石损失较大且开采成本高昂，因此非常少见。

家从这个图可以看得出来，主井穿过了矿体是吧？这个是矿体的一个倾斜面。那么当竖井穿过矿体的时候，大家可以看得出来，这一节矿石是不是必须保留？也就意味着这一节矿石或者矿体这个范围的矿体只能是永久损失，不可能回收。对于我们矿产资源回收来讲，这种保安矿柱的量是比较大的，因此会造成我们的矿石损失也是比较大的。因此，在我们目前的这种金属矿以及贵重金属矿里面是非常少见，所以一般都不用了，但是从理论上讲，有这么一种方案的存在。

3.4.2 优缺点分析

该方案的优点在于能够直接利用竖井贯穿矿体进行开采，减少了石门等开拓巷道的工程量。然而，其缺点远大于优点。首先，由于竖井穿过矿体，必须保留大量的保安矿柱以确保井筒稳定，这导致矿石损失巨大且资源回收率低下。其次，竖井穿过矿体还可能导致开采过程中的安全隐患增加，如地压变化、岩石移动等都会对井筒安全构成威胁。

四、竖井开拓法的实施要点

在实施竖井开拓法时，需注意以下几个要点以确保开采活动的顺利进行：

1. 地质勘探与工程设计：在开采前需进行详尽的地质勘探工作，了解矿体形态、产状、岩性、构造等地质条件，为工程设计提供准确依据。同时，需根据矿床条件和开采需求合理设计竖井位置、井口标高、井筒直径等参数。

2. 井筒施工与支护：井筒施工是竖井开拓法的关键环节之一。在施工过程中需严格控制施工质量，确保井筒垂直度、圆整度等满足设计要求。同时需加强井筒支护工作，采用合适的支护材料和支护方式以抵抗地压变化和岩石移动对井筒的影响。

3. 中段开拓与运输系统：中段开拓是竖井开拓法的重要组成部分。需根据开采需求合理布置井底车场、石门、主要运输巷道等开拓巷道，并安装相应的运输设备以确保矿石和设备的顺畅运输。同时需加强通风、排水、供电等系统的建设以维护井下作业环境的安全稳定。

4. 安全管理与监测：竖井开拓法涉及深井作业和地下开采等高风险环节，需加强安全管理和监测工作。需建立健全的安全管理制度和应急预案以应对突发事件的发生；同时需加强井下作业人员的安全培训和教育工作以提高其安全意识和应急处理能力；此外还需加强井下作业环境的监测和预警工作以预防安全事故的发生。

五、结论与展望

竖井开拓法作为一种经典且广泛应用的采矿方法，在地下深埋及倾斜至急倾斜矿床的开采中发挥着重要作用。通过对文档内容的梳理、润色与扩写，本文详细阐述了竖井开拓法的概念、适用条件、主要布置方案及实施要点，并深入探讨了优选下盘竖井开拓方案的原因。未来随着采矿技术的不断进步和开采需求的日益多样化，竖井开拓法将继续发挥其独特优势并不断创新发展以适应新的挑战和机遇。