第49章
帕拉博拉地下矿山工程
Keith Calder, Peter Townsend, and Frank Russellt
49.1 概述
49.1.1 位置
帕拉博拉矿业公司窗体顶端
帕拉博拉矿业公司经营着一个南非的露天矿山，该矿位于南非北部省份约翰内斯堡东北方向大约560公里处，有选矿厂，冶炼厂和炼油厂。该矿的露天矿坑边缘的高度在海拔400米左右。该地区的气候为亚热带气候，年平均降水量为480 mm。
窗体底端
49.1.2 历史
帕拉博拉矿业公司成立于1956年，是力拓（原RTZ）和纽蒙特矿业公司的合资企业，它开发了被称为Loolekop的山丘周围的铜矿资源，那里有8世纪时期冶炼的考古学证据。
窗体底端
露天矿山的建设是从1963年开始的，到1966年才开始加工矿石。为了实现在采矿业中形成规模经济，该矿随后开始扩张，在冶金厂的允许规模下，加工能力的增加到了目前的82000吨/天的矿石产量和135000吨/年的矿石产量，而铜的品位下限则从最初的0.30%降低到0.10%。露天矿的生活区域同样在扩大，最终在20年间扩大了接近原来的两倍。
目前的采矿计划要求在2003年停止露天矿作业。虽然矿体还在最终矿坑的底部，但剥离比阻止了进一步的露天采矿。地下开采是帕拉博拉矿业公司继续运营该矿的唯一可行的替代方案。
从19世纪80年代中期开始，帕拉博拉矿业公司就对地下开采矿的可行性进行了各种研究，最终在1996年进行最后可行性研究，同年开始地下采矿的项目。
窗体底端
49.2地质、水文和矿石储量
帕拉博拉铜矿体是一个椭圆形的，纵向倾斜的火山筒。该通道沿长轴和短轴测量分别是1400米和800米。矿体的开采深度与探明的储量都在地表以下1800米。矿体中心的铜的品味大约为1%，并随着与边缘废石的接触，品位在逐渐下降。在可行性研究分析中确定的最佳边界铜的品位为0.8%。以0.68%为铜品味下限，有2亿4500万吨的可采储量。
与0.57%品味下限的4亿6700万吨开采储量的铜矿相邻的是一个低于30000吨/ 天储备基地。该矿石可用于采矿，并构成矿山扩建或扩大生产率的资源基础。该矿的品味下限是以品味为0.31％的铜计算的。
矿化由三种主要岩石类型组成。渗透和带状碳酸盐形成的矿体核心是由磁铁矿丰富的黑云碳酸岩与少量的磷灰石、白云石、粒硅镁石、橄榄石、金云母组成。该地存在具有急倾斜的东北趋势的贫瘠矿脉，占了总共2.45亿吨资源的大约8％。
49.3岩土工程信息
碳酸岩的平均单轴抗压强度为120 MPa，根据矿物自身的性质，它的值在90到160MPa之间变化。辉绿岩是一种坚硬的脆性岩石，单轴抗压强度为320 MPa。由于毗邻主要断层，辉绿岩局部风化，强度显著的减少，约为80 MPa。
原位应力状态被假定为流体静力平衡，约等于38兆帕的覆盖层的荷载。作为数值和分片分析进行的一部分，进行了水平应力比为0.75与1.5极限值之间的参数研究，以确定解决方案是否对应力状态的固有假设敏感。
碳酸岩的结构主要是近似垂直的结合。这些接头是开放的或者有填充弱的材料。这有三组急倾斜的倾向，大约是010°（倾向290°），3l0°（倾向040°），和050°（倾向140°）。平坦节理有与垂直结构不同的形态，粗糙的有限连续性的波浪形。有两组定向，大概是20°/ 160°和45°/350°。为了分片分析的目的，岩石结构被理想化为三个主要部分。
辉绿岩中的裂缝是密集的和区域状的。在塌陷区域中，辉绿岩中的断层主要通过是否靠接近主断层而划分。
在矿山设计中，矿体根据形成的初级裂缝是否大于2立方米分为少连接和良好连接的区域。岩石质量等级（RMR）值是从核心样本估计的（表49.1）。
表 49.1 岩石质量
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区域 |
平均RMR |
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少连接 |
70 |
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良好连接 |
57 |
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平均矿体 |
61 |
49.4 采矿
49.4.1 摘要
地下矿山利用机械化的矿块崩落在露天矿坑下开采矿石。目前正在开采的底切水平是在地表以下1200米，大约在最终基坑底面以下460m，那里是矿山的最高水平。生产水平，其中包含的放矿漏斗和其他基础设施，都在正在发展的底切水平以下18米。
在矿山发展的早期，预计大部分的崩落的材料由于太大而不能由矿石提取设备处理，将通过使用乳化爆破和非爆破技术，由专门的设备来钻孔和破碎过大的材料。11辆有14吨有效载荷的柴油铲运机（LHD）将废石从放矿漏斗处直接运输到矿区的北部边缘地带的布置着四台破碎机的矿洞。平均运输长度为175米。
破碎机将矿石放到牺牲输送机上，输送机把矿石运到另一个水平段。工作能力为2000吨/小时倾斜输送机可以把矿石递送到两个5000吨容量的生产井筒仓。矿石将通过四个载重32吨的箕斗提升到矿厂。所有主要的地下设备、全自动化的生产服务以及岩石运送都可以通过控制室的远程遥控系统监测和控制。
地下工程有四个竖井系统，包括通风竖井。第一个开挖的是开拓竖井，这是为了探索更深处的矿石，从露天矿台阶30下挖到地表以下890m。在项目批准之后，该竖井被加深到生产水平，以所允许的开挖速度使得两个竖井的下挖同时就位。开拓竖井一般比较小（直径为4.80m），配备两台载重6吨的箕斗和一个可容纳27人的罐笼。该竖井具有4000吨/天的提升能力，将继续生产到2000年底，之后它将作为一个紧急出口来使用。
在1999年第三季度完工的混泥土衬砌的开采竖井达到了地表以下1280m。竖井间距为72m，直径为10m的工作竖井有86m高的钢筋混凝土井架和装备了在固定导轨上运行的大型单层罐笼以及一个在导绳上运行的可容纳20人辅助罐笼。主笼有35吨有效载荷，可容纳155人，它容许以12米／秒的速度提升。而辅助罐笼只容许以8米/秒的速度提升。
生产竖井直径为7.4米，有106米高钢筋混凝土井架。该竖井配备了四台在导绳上运行的载重32吨的箕斗。最大提升能力约为42000吨/天。该竖井的第一台破碎机和运输系统都在2001初投入使用。所有的主提升系统都是使用塔式集成电机摩擦提升机。两台矿石提升机分别由5500千瓦的电动机提供动力。两个竖井都设在露天矿坑的外面，超出了矿洞的限制。所有起重机都完全实现了自动化，可以从地面控制室操作。
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风流通过生产竖井和维修竖井进入，并通过直径为5.76米，92米深的通风竖井排出。两个1250千瓦的回风通风风扇安装在露天矿台阶28。目前只有一个风扇正在运行，每秒可排气340立方米。两个风扇通过通风竖井每秒可排出总共500立方米的风量。两台850瓦的增压风机已安设在地下，将使风量达到600立方米/秒，通过生产和维修竖井排气，使工作区域处于正压通气的压力下，最大限度的减少粉尘和热量到进入工作区域。一个18兆瓦的制冷设备向临近主竖井的空气冷却器提供冷却水。对地下工作区的进气冷却，以抵消地下环境50°C高温的岩石温度以及由柴油设备产生的热量。
接近矿山工作面的生产水平以及正在建造的主要地下基础设施，包括车间和办事处，都在支承应力区域外。
目前从露天开采的82000吨/天的产量的矿石都在集中器中处理，其由破碎，研磨和浮选回路组成。浓缩物在具有135,000吨细铜年处理量的常规炉和转炉中熔炼。最后的工艺是阳极铜的电改性以产生阴极铜。当地下矿开采时，剩余加工厂容量将用于通过研磨的改变来增加总体回收率，增加在浮选回路中的停留时间，并降低精矿品位。
作为地下工程可行性研究的一部分，环境影响评估（EIA）已完成。结论是，“在不影响矿山财产的情况下，推行发展地下开采刻不容缓。”强调减少水的消耗，减少了废物的排放，减少气体排放，这是研究中的关键问题。
49.4.2底切设计
底切的设计和实施是开挖矿洞的关键机制。帕拉博拉的底切的设计特点：
· 一种先进的底切由提前开放的放矿漏斗提供“应力阴影”来保护生产水平的发展。
· 一个狭窄的底切有4米高。这被认为足以引起崩落，同时在最小化使用高级底切的挖掘期间必须移除的膨胀材料的量。
· 在主要顶点上倾斜。这将改变底切的形状，从而影响下面的放矿漏斗的建设。
由此产生的设计是如图49.1和图49.2所示。利用树脂灌浆，网格和喷浆混凝土的组合支持底切开发，同时考虑当底切区域被放大时将发生的大应力变化。
图49.2 底切设计
49.4.3生产水平
最佳放矿漏斗间距是（1）获得良好的拉伸和恢复特性之间的平衡，（2）保持具有适合于设备尺寸和类型的布局的放矿点结构的强度。偏移人字形布局主要依据铲运机可操纵的功能，以及通过用拖拉电缆来实现使用电动铲运机的可能性。
窗体底端
窗体顶端
针对设计的17米的放矿漏斗间距作为粗矿石的孤立放矿漏斗特征的函数。放矿口是具有倾斜壁的矩形，并且在间距为34m的生产设备之间偏移。如果需要改进放矿特性，则需要小范围的改进。钟形布置留下了大量的支柱，用于支撑和保护放矿漏斗结构。已经进行了数值模拟用来检查放矿漏斗的完整性和加固。生产水平将为4.5times;4.2米，并且放矿漏斗横截面足够长，以允许6.5立方米的铲运机装载而不触碰。设计如图49.3所示。
通过树脂灌浆的顶部支护，锚杆支护和混凝土支护的组合支持生产水平的开发。钢筋支护可布置在岩层较弱的放矿漏斗处。
生产水平
图49.3 生产水平计划
49.4.4 装载
铲运机将在放矿漏斗处装载矿石，在接近矿洞北边的外围的破碎机处卸载矿石。初期，铲运机是通过手动操作的，但在从地面上的控制室来对半自动化的铲运机的操作逐渐增加。二次破碎设备可以通过南部边缘的两台服务设备进入生产区。地下设备的活动可以通过自动调度系统从中央控制室进行监控和指挥。铲运机将根据矿山管理系统信息库生成的生产计划来被派往放矿漏斗和破碎机。
49.4.5破碎机和输送水平
四个破碎站每个都有两个倾斜槽，能同时让两台铲运机倾倒矿石。倾斜槽还配备一个最大孔径为1.4米的粗格。过大的岩石可以通过从地表的控制室远程控制的一个液压凿岩机来破碎。矿石通过2300毫米颚式破碎机可以破碎至200毫米（1700吨），每台破碎机下方共有750吨的活存储容量，矿石将通过牺牲输送机输送到倾斜9°的主输送机上(能让生产竖井深度降低117m），并排放到生产竖井的两个储存箱中。倾斜的运输通道不会用作矿井工作的进气道，因为在发生火灾的情况下会有灰尘和有毒烟雾吸入的危险。风流将直接排放到回风系统中。
49.4.6横向发展
机械化的无轨方法被用于所有矿山开采，采矿承包商正在将其用于采矿。主要的基础设施建造将在2001年第二季度完成，到2003年年底可以开发173个放矿漏斗和346个采矿点。钻井使用电液压缸的双臂台车，和5.7吨的柴油铲运机，辅以40吨装载能力的卡车长途运输。一组辅助设备包括岩石锚杆，喷射机，剪刀式升降机，多用途车辆和路面平地机。倾斜的掘进如果超过25米长，如矿石通道，风流通道和安全通道，都会增加钻孔工作量; 较短的掘进通常会减少钻孔量。
49.4.7稀释控制
估计的可采储量包括与矿洞周边成85°拉伸角的所有围岩，这些是品位低的矿石，而不是废物。为了最大限度的减少任何进一步的稀释，计划以不超过200毫米/天的速率均匀的开挖所有放矿漏斗。将使用与铲运机标记相关联的调度系统的洞穴管理系统来确保以所需要的速率来开挖洞穴。
49.4.8洞高
帕拉博拉的设计矿柱高度约为460米，但根据与坑壁的交点而变化。这与大多数矿山相比是比较高的; 然而，在这些操作中，洞高有时受到矿体构造和放矿漏斗寿命的限制。 反过来，放矿漏斗寿命被认为和由邻接应力产生的损伤以及由于不良二次喷砂而非操作期间磨损所造成的损害相关。可以通过使用高级底切和可改变的二次破碎设备来使损伤最小化，让相对较高的洞高不会对操作造成影响。
49.4.9可开挖性
由于矿石质量高于任何其他的崩落采矿，进行了广泛的研究，这更加确定了底切区域将使用崩落法。在可行性研究时，这是最受行业接受的用以预测崩落能力的模型。该图（图49.4）包括绘制岩石强度（通过采矿岩石质量等级（MRMR）测量）与水力半径的图。
过渡
图49
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