地下矿山开拓
9.3 矿山设备建设
地下矿山所需设备可分为三类：地面设备，竖井提升设备和地下设备。主要上在开拓阶段完成对于矿山设备的建设，由于时间紧迫，工期短，必须加快建设，故而在建设之前必须使用关键路径法（CPM）或项目评估和审查技术（PFRT）（见第4.5节）对其仔细规划。接下来我们将研究矿山所需的三种设施，重点讨论竖井设施建设。
9.3.1 地面设备
地面设备由为矿山提供必要的服务的各种设施组成。主要包括运输通道和停车场，各种交通设施，供电设施，供水设施，维护设施，矿石加工厂，矿山散装储存设施以及废弃、废水和废石处理设施。与地下设备不同之处在于地面设备包括井筒锁口盘和工程围栏，井架，矿仓和卷扬机房。在煤矿开采中,整个组装与起重操作称为翻斗机。其作用是当装满矿石的矿车进去，由翻斗机作用将车厢中的矿石倾卸进入矿仓中。通常来说，地面设备最显眼的结构是井架，它装有卷扬机天轮、钢丝绳和运输皮带等运输设施，矿仓和提升设施在特殊情况下也安装在井架上。对于提升系统的设计将在本章后面讨论。
在坡道或通道中运用几乎不同的设施来提升运输材料。 然而，如果条件允许在通常情况下，矿井多采用皮带运输的方式运输矿石材料，运用皮带运输将消除提升设施大大简化了地面设备。皮带运输通道几乎呈水平，并不需要提升机。
9.3.2 竖井设备
竖井设备包括用于处理矿石、煤或废石及相关废料的设施以及工人和物资的运输工具。 它通常还包括用于通风、排水、供电和通信的系统。在设计井筒布局时必须将必要设施考虑在内，设施位于井内或井筒附近。 由于大多数矿山需要至少两个井筒，故上述的某些设施可以设置在井筒之间。 在开拓阶段初期，井筒向下掘进和早期地下水平开挖阶段，可由主井提供通风以及其他功能。新鲜空气由连接到地表上的通风机的安装在井中的风筒提供运输。井下用隔板和垌室分割分配气流。
当两个井筒之间的巷道连接后，可以在井筒中布置永久性固定式设备，并将提升组件安装在井筒中。 对于箕斗运输，在钢丝绳上安装好箕斗。运输时将将矿石和废石提升出矿井。 此外，井筒中还采用罐笼用于提升。罐笼不只用于运输矿石材料等，亦可用于人员进出矿井。
图9.5 为不同矿山的主要开拓运输方案 （a）竖井提升 （b）斜井提升 （c）随着通道倾斜或下降
（d）平硐运输。
至今竖井矿山有几种方案，如图9.5所示包括竖井，斜井，平硐和斜坡，其应用可概括如下：
1.竖井提升。对于深水平（lt;300），垂直或陡倾斜（gt; 700）; 自然条件差的矿山; 运输量大; 工作寿命长。
2.斜井提升。适用于缓倾斜（300-700）矿山：自然条件较好; 低产或中产矿山; 缩短矿床的水平发展，并允许在下沉期间进行勘探。
3.拖运（输送机或卡车）倾斜或下降。 对于浅层或中深层水平沉积矿山; 良好至中等条件; 中度至高产; 工作寿命长; 可以安装绳索提升和铁路运输：对于使用卡车坡度限制在12％到14％之间，用传送带限制在16％（除非使用特殊设备）。
4水平运输（输送机，卡车，铁路等）。 对于浅层，露头，水平沉积或高度缓解区域的陡峭倾斜沉积; 适用于各种条件; 高产; 长寿。
9.3.3 地下厂房
前文提出在矿床中及其附近构建的二次和三次地下开发巷道。 这些是完成矿山层面或区域的开发和开采所必需的。 此外，还有一组专门的开口和设备，地下工厂，在主井处需要（1）水平巷道与垂直井筒相交。（2）发生水平位移和提升过渡。 这称为轴站。
此外，地下工厂可以包括各种装置，以使系统有效和安全地工作。 这些设施可能包括矿仓，装载箱，集水坑，配电设备，通风设备，地下维修设施以及为地下作业提供辅助服务的许多其他设施。
9.4 巷道建设
地下巷道的建造是专门和昂贵的。因此，近年来，为了降低成本，这一阶段的矿山开发变得越来越机械化和高效。在煤炭开采中，掘进巷道所产生的煤可以补贴掘进成本。在金属开采中，这很少发生，故而掘进巷道将更昂贵。井筒的延伸以及斜坡道和平巷的掘进通常由具有丰富经验的外包建筑公司，使用专业设备以及有经验的工程师来完成。如果采矿公司认为专家可以以较低的成本完成工作，那么其他开拓工程也可以外包。包括，大多数金属矿山的平巷和井筒，和大多数煤炭公司在煤层中所有的开拓工程等。下面的章节描述了一些周期和设备使用以及相关的发展成本。
总结了用于在地下开发和开采，煤和非煤，以及循环和连续开采的操作和设备的当前生产周期。但是，在许多方面的重点已经转向了更机械化的方法和更快速的挖掘程序。以下讨论考虑几个巷道的构造的独特方面; 注意连续方法通常只适用于：中岩层或中硬岩。
9.4.1.1 井筒
井筒向下延伸是所有开拓工程中最困难的一种; 受限于空间，重力，地下水和专门的程序使任务相当艰巨
因此，大多数矿山都将此项工作交由外包公司完成。使用传统的方法进行井筒的延伸。惯例：几乎所有直径大于16英尺（4.9米）的轴，以及在非常硬的岩石或在困难的地质条件下的大多数较小的轴。 另一方面，在许多软岩条件下，对于小于16英尺（4.9m）的直径，盲钻或垂直钻孔是很常见的。
通常在井筒延伸中，最重要的是设计方案，使得可以在井筒的延伸过程中可同时进行钻孔和扒渣操作。因此，通常使用下行方案延伸井筒（参见图9.6）。在大直径井筒的底部可以使用许多扒渣设施，包括仙人掌耙（如图9.6所示），翻斗，高架装载机和挖掘机。Russell（1982）提供了用于井筒底部的这些类型的装
图9.6。 使用下行方法进行井筒延伸。 资料来源：1983年采矿调查。经南非矿业商会约翰内斯堡许可。
机的一些容量。 可以用于煤矿上尺寸为18英尺times;30英尺（5.5米times;9.1米）的大椭圆形井筒，的53500至54500英尺（511,500至514,800英寸）段，而20英尺常规井筒通常花费52500至53500英尺 （58200〜511,500 / m）。 这些成本包括井壁费用，通常是混凝土，由Crooks（2000）提供。 硬岩作业的成本可能更昂贵，更可变。
在煤炭测量或类似地层中钻进长达16英尺（4.9米）的钻井中，现多采用盲孔方式并逐渐增加（Maloney，1993; 7eni，1995）。 在该方法中，在地面上设置钻机，并且液压马达驱动钻头。 钻井泥浆和空气提升系统用于使钻屑到达地面。 在良好的条件下，这种尺寸的轴在深度上限制到约1000英尺（300m），在良好的条件下，钻越更深，直径越小。常规使用盲孔技术来生产直径高达8英尺（2.4米）的长壁工作的泄油井（Maloney，1993; Zeni，1995）。这些与高压风扇一起使用，以在当今使用的大型长壁板中提供更好的通风。
通常在井筒延伸过程中中最重要的作业是围岩加固（通常使用钢筋混凝土对井筒壁面喷浆或者使用锚杆，锚索，锚网等支护），支护与地下水密切相关。在极其潮湿或水层中可能需要在井筒周围土壤灌注或冻结。在结构良好的地层中，竖井常常没有支撑。如果井下工人必须在开挖工作面工作或必须保证良好的通风，在凿井过程中通风是强制性的。
9.4.1.2斜坡，下降和坡道
下降通常以低倾斜角（lt;200°）沉降，使得其可以常规设备或使用隧道钻孔机钻孔。可以依据用途的不同采用常规设备建设出大部分斜坡和坡道。在煤矿中，斜坡通常以具有两个隔间的马蹄形状设备，上面的一个用于输送机，下面的用于轨道和人员。标准尺寸大约17至2英尺（5.2至6.1米）宽和13至14英尺（4.0至4.3米）高，在两个隔间之间有一个混凝土隔板（Emerick，2000）。对于煤矿这些巷道每呎（59800至513100每米）的长度（Crooks，2000）花费约53000至54000。
金属和非金属矿山的斜坡更加可变，具有螺旋和矩形构造。这些巷道的尺寸和曲线的设计必须与矿井中使用的设备匹配，并且必须为通风管道预留出空间。他们还必须允许安放其他公用设施和排水设施。在这些巷道中通常使用装载机和卡车，并且在其设计中必须首先考虑安全性。根据设备的爬升能力，坡度通常为12％至14％（Pond，2000）。坡道总是以常规设备建成，其中马蹄形状是常见的。
对下降的支护因地质条件而异。混凝土喷浆通常不使用，除非在最困难的条件。通常采用与沿着斜坡或斜坡的条件相匹配的螺栓（螺栓间经常啮合），喷射混凝土以及钢支撑亦经常采用，与沿斜坡或斜坡的条件相匹配。为了更快的完成巷道，通常将工程交给专业的拥有经验的公司承包。
9.4.1.3坡道
在一些用于金属和非金属矿山的采矿方法中，为了能得到更大的效益提高工作效率是必要的。 升降机通常放置在使用专门的循环或连续操作的停靠点附近。 机械设备通常向上推进，使用重力来下放废石等杂物。但是，工人操作条件十分艰苦，使得通过常规方法的提升非常困难并且必须避免。为了克服这些困难，通常使用两种机械化方法来改进该方法。第一个是攀爬罐，一个用于常规推进的履带式机器。 第二个是天井钻机，一种完全远程的使用机械化设备钻孔或钻孔的方法。
图9.7 提高驾驶由阿里马克爬罐在（a）垂直，（b）倾斜，和（c）大面积提高完成。
图9.8 执行扩孔操作的升钻机。.
图9.7显示了爬罐在垂直，倾斜和大面积升高中的使用。爬罐安装在轨道上并且可以机械地向上升高。缩放，支撑，钻孔和爆炸物装载操作都可以从平台执行。然后升高的爬罐被沿着升高轨道向下移动并且转入下面的平巷，以免受到爆破的影响。爬罐在1957年于瑞典引入（Engineering and Mining Journal，1992a），目前在世界各地广泛采用。
最终的提高开发方法是使用天井钻机。该装置已经应用了几十年，用于采矿作业中的升降机。天井钻机是一种紧凑的钻孔工具，其在两个不同的步骤中产生提升。首先，从隆起顶部的开口处钻出约9英寸（0.23m）的小直径孔到下面的现有开口。然后将铰削头附接到钻柱。并且通过向上铰接到上开口而将隆起钻孔到其最终直径。铰孔的过程如图9.8所示。通常使用这种方法（Hood和Roxborough，1992）在将直径达8英尺（2.4米）的井筒上扩建到直径为18英尺（5.5米）的井筒。
除了天井钻机之外，现在也使用盲钻工具来用于升降机。如果下部开口还不存在，则凸起的盲目镗孔是完美的。一个为称为BorPak的盲钻设备，实际上是一个微型隧道掘进机（微型隧道掘进机）其切割功能类似于一个标准的TBM（Engineering and Mining Journal, 1995b）。
9.4.1.4 平巷，石门，平硐和巷道
所有平巷，石门，平硐和巷道通过开拓建成。执行这种操作的传统方法是对所需部位进行钻孔和喷砂，将渣土装载到运输装置中，然后为新的工作面提供支撑和通风。 用这种方式推进巷道费时费力成本极高。 因此，可以尝试使用TBM，可用于适宜的岩石条件，并且可以克服在地下矿井中很多困难问题。TBM如图9.9所示。请注意，设备是一个巨大的机械设备不能轻易地转动或移动采矿操作。 因此，它在土木工程隧道中比在矿井中更常用。 Tilley（1991），Bullock（1994）和Alexander（1999）描述了TBM在采矿中的应用。 第9.4.2节介绍了TBM应用于采矿的案例研究。
9.4.1.5 坑道口和石门（煤）
煤矿坑道口和石门的开拓主要通过使用连续采矿机和传统煤矿运输设备的房柱式采矿方法的变化来进行。具体方法由第十章讨论。可以说，在煤矿中开拓这些巷道的过程与在金属或非金属矿山中的标准生产实践类似。
9.4.2 案例研究：在Stillwater矿山的TBM发展
自20世纪80年代以来，蒙大纳斯蒂尔沃特矿业公司一直在其铂族金属矿山中使用TBM。其他两矿也开始在这方面都在部分使用TBM。该矿床是主要成分是铂和钯（脊状结构），大约28米（45公里）长，1米（1.6公里）深。 该区域的岩石的抗压强度从9000至27,000磅/英寸2（60至190MPa）不等。 在这些矿井中使用的采矿方法包括机械化斜坡填充，分段充填，人工挖填，以及斯鲁施尔充填（Dyas和Marcus，1998）。
图9.9 隧道掘进机械
在斯蒂尔沃特一矿采用了Robbins TBM，一个直径三英尺（4.1米）。约160000英尺（48000m）侧下盘平巷掘进机。除了平巷掘进，使用Robbins天井钻机将直径增加到6英尺（1.8米）。Tilley（1991）报告了TBM和提高钻进速度，并且显示出巨大的潜力。另外一个称为东博尔德项目的矿山，使用两个由建筑和隧道服务公司制造的直径为15英尺（4.6米）的隧道掘进机。这些机器被设计成具有200英尺（60米）的一个相对较短的转弯半径来帮助克服采
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