錦屏一級水電站大奔流溝料場溜井系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要：錦屏一級水電站大奔流溝料場自然岸坡較陡，開采高度高，順坡修筑道路難度大，運(yùn)輸成本高且安全隱患突出。施工中布設(shè)1號（上部增加3號溜井）、2號雙溜井及分段式運(yùn)輸系統(tǒng)。針對溜井運(yùn)行期間的堵井問題，采取溜井滿井連續(xù)運(yùn)行、控制入井毛料粒徑等措施進(jìn)行預(yù)防，提高了溜井運(yùn)行可靠性。結(jié)果表明：溜井系統(tǒng)運(yùn)行6 a來，1號溜井共輸送毛料487萬m3，2號溜井共輸送毛料98萬m3，滿足了水電站施工對砂石骨料生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：溜井系統(tǒng)設(shè)計(jì);溜井系統(tǒng)運(yùn)行管理;堵井處理;大奔流料場;錦屏一級水電站

中圖法分類號：U417.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.008

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0025 - 04

1 研究背景

溜井系統(tǒng)在礦山生產(chǎn)中運(yùn)用較早。20世紀(jì)60年代初期，在攀枝花蘭尖鐵礦生產(chǎn)中，首次規(guī)?；褂昧?條溜井作為垂直運(yùn)輸方式。溜井運(yùn)輸顯著特點(diǎn)是放礦生產(chǎn)能力大，成本較低。之后，溜井系統(tǒng)在中國地下開采和露天開采的礦山中得到了廣泛使用。國內(nèi)礦山采用的溜井（或溜槽）型式包括溜槽溜井、斜溜井、單段直溜井、分段控制式溜井和階梯式溜井等。考慮到維護(hù)與保養(yǎng)，使用數(shù)量一般為2個。

在水電站建設(shè)中也存在大量塊石料垂直運(yùn)輸。大型水電站建設(shè)需要大量砂石料，需布置人工骨料系統(tǒng)加工生產(chǎn)料場爆破后塊石。料場爆破后，一般采用汽車將塊石運(yùn)輸至砂石加工系統(tǒng)。隨著西南峽谷地帶水電站的開發(fā)，很難布置傳統(tǒng)的沿料場坡面汽車運(yùn)輸方案，且裝運(yùn)成本提高，運(yùn)輸效率和安全性難以保障。為此，一些大型水電站項(xiàng)目嘗試引入礦山開采中成熟的溜井系統(tǒng)，如龍灘水電站、小灣水電站等，料場毛料運(yùn)輸均設(shè)計(jì)為溜井系統(tǒng)。錦屏一級水電站工程地處高山峽谷[1]，決定了料場塊石運(yùn)輸布置難度大，故考慮設(shè)計(jì)溜井系統(tǒng)。

2 工程概述

錦屏一級水電站工程樞紐建筑物主要由混凝土雙曲拱壩（包括水墊塘和二道壩）、右岸泄洪洞、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及開關(guān)站等組成?；炷岭p曲拱壩最大壩高305 m，庫容77.65 億m³，電站裝機(jī)容量3 600 MW（6×600 MW）。由印把子溝人工骨料生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)提供壩體混凝土骨料528萬m³。該系統(tǒng)成品料生產(chǎn)能力約為1 600 t/h，毛料處理能力約為2 000 t/h。

錦屏一級水電站印把子溝人工骨料生產(chǎn)系統(tǒng)料源為大奔流溝砂巖料場。該料場自然岸坡為傾角55°～65°的順向邊坡，局部為直立狀陡崖。巖石主要為中-厚層塊狀砂巖、薄層砂質(zhì)板巖、厚層塊狀大理巖。料場布置成“L”形，開挖區(qū)順河長620 m，縱寬350～400 m。設(shè)計(jì)開采區(qū)開口線高程2 188.5 m，底部高程1 760 m。料場在開挖后形成高428.5 m的開挖邊坡，開挖后的成型邊坡整體綜合坡度近1∶0.56，料場底部寬度約130 m，平均長度約450 m。

大奔流溝料場可供開采的料場水平向厚度平均約120 m，高度達(dá)488 m，毛料的運(yùn)出較為困難。將毛料由開采面運(yùn)輸至粗碎車間可采用汽車運(yùn)輸和溜井運(yùn)輸兩種方案[2]。若采用交通洞形成汽車運(yùn)輸線路，需在山體內(nèi)修建約6.0 km的較高等級隧洞，不僅運(yùn)距長、土建工程量大，且后期道路維護(hù)、運(yùn)輸費(fèi)用都較高。若采用順坡下料，容易堵塞河道，且上下交叉作業(yè)安全隱患突出，同時將增加二次轉(zhuǎn)料運(yùn)輸費(fèi)用。

結(jié)合中國礦山（蘭尖鐵礦）、水利工程（龍灘水電站、小灣水電站等）的采運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，毛料采用溜井垂直運(yùn)輸不僅經(jīng)濟(jì)、安全，效率也更高。因此，大奔流溝料場采用溜井垂直運(yùn)輸毛料。同時，將粗碎車間布置在溜井下部洞室內(nèi)，半成品料采用膠帶機(jī)運(yùn)輸至3 km外的印把子砂石加工車間。

3 大奔流料場溜井系統(tǒng)布置

溜井運(yùn)行中出現(xiàn)的3類問題（溜井垮塌、溜井跑溜和溜井堵塞）需要通過前期完善溜井設(shè)計(jì)及后期加強(qiáng)運(yùn)行管理措施來解決。其中，溜井井身垮塌問題是溜井系統(tǒng)的主要問題，可引起堵井等問題的發(fā)生;且垮塌堵井對砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)的影響很大。因此，務(wù)必在溜井設(shè)計(jì)階段從溜井空間位置布置和溜井?dāng)?shù)量兩方面保證系統(tǒng)安全。

3.1 溜井?dāng)?shù)量確定

溜井運(yùn)輸在礦山開采中應(yīng)用較早、較普遍，一個礦山項(xiàng)目需要溜井的數(shù)量較多，溜井可以輪流使用。與之相反，水利工程應(yīng)用溜井運(yùn)輸較少，一般單個項(xiàng)目選擇1～2個料場，并且料場正常生產(chǎn)對項(xiàng)目順利實(shí)施至關(guān)重要。例如，龍灘水電站有麻村和大法坪砂石系統(tǒng)，料場均設(shè)置直溜井運(yùn)輸，即便如此，大法坪砂石系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)料倉與溜井配合使用的轉(zhuǎn)料方式以解決料場降段與設(shè)備檢修的關(guān)系[3]。麻村料場運(yùn)輸采用單溜井雙出料口方式以解決不同出料功能[4];而小灣電站孔雀溝石料場布置了雙溜井[5]?？紤]到塊料運(yùn)輸制約整個系統(tǒng)生產(chǎn)，即使大奔流料場配置單溜井配單出料口生產(chǎn)能力達(dá)2 500～3 000 t，但為確保溜井系統(tǒng)在檢修或意外條件時砂石系統(tǒng)正常生產(chǎn)，大奔流料場垂直運(yùn)輸仍選用雙溜井方案。

3.2 1號和2號溜井空間位置布置

為使盡可能多的毛料通過溜井運(yùn)輸，溜井順有用料的方向布置，盡量避開料場斷層、夾層等不利地質(zhì)條件，通過調(diào)整溜井空間位置使之布置于料場巖體較完整部位，以保證溜井井壁完整及使用期穩(wěn)定。在大奔流溝料場垂直水流向中部、順?biāo)?/3部位布置了2條微傾溜井：在料場南部（上游）布置1號溜井，北部（下游）布置2號溜井，兩井中心距離125 m。

溜井系統(tǒng)主要由溜井、儲料倉、卸料洞室、安全通道和井底交通運(yùn)輸洞組成。其中，溜井井口高程均為1 865 m，井底高程約為1 670 m，交通運(yùn)輸洞高程為1 663 m。

3.3 3號溜井布置

1，2號溜井井口高程1 865 m，其上料場尚有超過320 萬m³有用料，故在1號溜井之上高程1 940～1 865 m之間設(shè)置一段溜井（即3號溜井），水平向與邊坡6號降段支洞通過轉(zhuǎn)載洞段連接，其下與1號溜井頂口相接。

增加3號短溜井后，石料運(yùn)輸方式由原來的高程1 865 m以上全汽車運(yùn)輸改為高程1 940 m以下采用溜井運(yùn)輸和高程1 940 m以上汽車運(yùn)輸方式。同時，由于1，3號溜井間具有交通洞兼用于溜井檢修的作用，相當(dāng)于縮短溜井長度，增加下部1號溜井運(yùn)行的安全性。溜井系統(tǒng)布置剖面見圖1。

3.4 料場水平運(yùn)輸

除了溜井外，料場開采區(qū)內(nèi)側(cè)有交通洞螺旋上升至高程2 075 m，并通過11條支洞進(jìn)入料場開采區(qū)，用于運(yùn)輸料場表面剝離料、料場內(nèi)無用料以及施工材料。開采區(qū)內(nèi)采用汽車運(yùn)輸毛料至溜井上口。

4 溜井的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的溜井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（溜井深度、井身形狀尺寸、儲礦段等設(shè)計(jì)）可避免運(yùn)行過程中發(fā)生安全問題，關(guān)鍵是確定溜井深度和井身形狀尺寸。

4.1 溜井主要參數(shù)

結(jié)合大奔流溝料場的地形條件、石料開采和加工工藝特點(diǎn)，參照國內(nèi)外礦山及水利工程砂石系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了減少溜井壁磨損，防止堵料，料場采用近垂直溜井、底部帶儲料倉的結(jié)構(gòu)形式。

（1） 溜井直徑由下式確定：

D≥Kd_max

式中：D為溜井直徑，mm;K為溜井不同斷面的礦巖通過系數(shù)，4≤ K ≤8;d_max為礦巖最大塊度尺寸，m。

考慮到料場石料以最大塊度d≤1 000 mm布置爆破工藝參數(shù)，國內(nèi)外爆破后塊度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，爆堆中實(shí)際塊度800 mm≤ d ≤1 000 mm的大塊率一般占3%左右。大奔流溝溜井內(nèi)的石料主要是石英砂巖，石料顆粒間無黏結(jié)力，石料中不含金屬礦物，無氧化結(jié)塊，爆破后石粉內(nèi)含粉量低。因此，溜井設(shè)計(jì)參數(shù)中主要只考慮最大塊度的因素。參考國內(nèi)大量高溜井的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，放料最大塊度d為1 000～1 200 mm，溜井直徑一般都是最大塊度的6倍左右。因此，大奔流溝料場溜井直徑確定為6 m。

（2） 溜井深度。主要取決于料場的地形、地質(zhì)條件以及料場的賦存情況、運(yùn)輸方式等。1號溜井及其上3號溜井深度合計(jì)達(dá)270 m，基本貫通了豎向有用料層，其深度在水利工程料場開采系統(tǒng)中居于前列。

（3） 溜井傾角。主要取決于所溜放的礦石塊度、礦石顆粒組成、粉礦含率、礦體貯存條件、礦石及圍巖物理力學(xué)性質(zhì)等。一般只要傾角大于60°就可以滿足石料重力自溜條件。為使盡可能多的毛料通過溜井運(yùn)輸，溜井順著有用料的方向布置：1號溜井（含3號溜井）傾角采用77°;2號溜井據(jù)現(xiàn)場開挖揭露，地質(zhì)條件較差，由原垂直溜井調(diào)整為傾角87°40′。

（4） 斷面形狀及尺寸。為了方便施工，斜溜井可采用長方形。由于圓形受力條件好，垂直或接近垂直的溜井一般采用圓形。大奔流料場溜井接近垂直，均采用圓形斷面，溜井直徑確定為6 m。增大溜井?dāng)嗝娉叽珉m然對石料的溜放有利，但井壁的暴露面積也相應(yīng)變大，對井壁的穩(wěn)定性不利，同時也不經(jīng)濟(jì)。

（5） 儲礦段。為了減少溜井底部堵塞，增加貯料容量，應(yīng)擴(kuò)大溜井低部斷面做貯料倉。溜井儲礦段設(shè)計(jì)高度為25 m。溜井底部儲礦段直徑根據(jù)出料口數(shù)量和布置形式確定。因1，2號溜井底部均設(shè)一個振動出料口，因此儲礦段直徑取D=10 000 mm。

（6） 出料口結(jié)構(gòu)。為保證出料口順利放料、不發(fā)生跑礦現(xiàn)象，溜井出料口傾角選定為45°。出料口的寬度與溜放石料的特性、塊度及輸送設(shè)備規(guī)格型號和尺寸有關(guān)，一般大于最大毛料粒徑的3～5倍。大奔流溝料場溜放毛料的最大粒徑約1 000 mm，綜合考慮安全、生產(chǎn)能力、防止堵塞等因素，確定出料口尺寸為寬5.0 m，高5.0 m。出料口布置重型振動給料機(jī)向粗碎車間的旋回破碎機(jī)供料。溜井儲料段及出料口結(jié)構(gòu)見圖2。

4.2 井壁支護(hù)

為避免支護(hù)井壁的錨桿、鋼筋網(wǎng)片在隨料場開挖下降過程中進(jìn)入溜井引發(fā)堵塞，溜井井壁盡量不做支護(hù)。大奔流料場溜井所通過巖層主要為厚層狀青灰色變質(zhì)石英砂巖，巖石穩(wěn)固性較好，故考慮少支護(hù)。設(shè)計(jì)中僅考慮對施工過程中出現(xiàn)的少量斷層、裂隙、破碎帶采取局部噴護(hù)加固措施。

溜井儲料倉底部高程1 669.8 m以上約7 m范圍受下料沖擊磨損較大，采用C25鋼筋混凝土加鋼板襯砌支護(hù)，使用20 mm厚16Mn鋼板。出料口斜段用30 mm錳鋼板襯砌加強(qiáng)保護(hù)。

4.3 井口排水

如果大量水流（滲）入井內(nèi)，不僅影響溜井井壁的穩(wěn)定，而且當(dāng)溜井中的毛料含泥量高或含粉較高，易板結(jié)毛料乃至在外力（給礦機(jī)開動、爆破震動等）誘導(dǎo)時發(fā)生跑溜。為了施工運(yùn)行期卸料的方便，溜井口不設(shè)排水溝，僅在開挖降段時將井口四周地面抬高0.5 m形成擋水斜坎，斜坎坡度約10°，防止雨水流入溜井。

5 溜井運(yùn)行管理

由于水利工程料場不像礦山料場坑狀構(gòu)造易引起地表及地下水匯集，加之水利工程料場粉質(zhì)石料較少，并且采取了減少水流流入或滲透進(jìn)溜井的有效措施，溜井系統(tǒng)未發(fā)生跑溜問題。但溜井運(yùn)行初期，受現(xiàn)場條件制約和意外情況的影響，溜井運(yùn)行出現(xiàn)了數(shù)次堵井。

5.1 溜井運(yùn)行中的堵井問題

根據(jù)毛料來源不同，堵井可分為兩類情況。

（1） 細(xì)顆粒形成承載拱導(dǎo)致溜井堵塞。前期料場開挖下降至高程1 990 m期間，因在江邊截料平臺回采毛料至1號溜井，有用毛料和石粉、覆蓋層料等混雜，進(jìn)入溜井的細(xì)料（粒徑小于30 cm的料）較多，在系統(tǒng)間斷生產(chǎn)情況下，平均每周發(fā)生1次小型堵塞。在2010年加強(qiáng)進(jìn)井毛料管理并且保持溜井連續(xù)運(yùn)行后，基本未再發(fā)生堵塞。

（2） 超長條狀石導(dǎo)致的堵井。大奔流料場砂巖節(jié)理發(fā)育成條狀結(jié)構(gòu)，自然條件下或爆破時極易形成長條狀，因意外原因進(jìn)入溜井后導(dǎo)致堵井。堵井塊體一般直徑1 m，長2～3 m，個別長度甚至達(dá)到7～10 m。超長條狀石導(dǎo)致的堵井主要堵塞出料口。運(yùn)行初期，1號溜井（3號溜井）發(fā)生堵井3次，處理時間累計(jì)達(dá)50余天。這是因?yàn)?號溜井毛料填充過程中井口崩塌，且溜井處于低料位運(yùn)行，導(dǎo)致超徑大塊石進(jìn)入溜井，堵塞1號溜井出料口。超徑大塊石進(jìn)入溜井后，雖然1 865 m高程3號支洞清理出部分超徑大塊石，但仍有部分到達(dá)出料口發(fā)生堵塞。此外，2號溜井施工過程中也因井口發(fā)生垮塌而堵井。

5.2 堵井處理

對形成架空承載拱，將少量炸藥綁在鋼管一端，由溜井底部送入，利用爆破沖擊波震動破拱。然而，這種處理對底部井壁與放礦機(jī)造成一定損害。對溜井出料口堵塞的大塊石則采用鉆孔爆破解小后疏通。

5.3 預(yù)防堵井的措施

（1） 滿井運(yùn)行。無論在溜井下料過程中，還是附近料場爆破過程中，均應(yīng)保持溜井內(nèi)填滿毛料，防止爆破大塊石進(jìn)入溜井。溜井中塊石料可對井壁產(chǎn)生一定壓力，防止井壁垮塌。

（2） 控制入井毛料質(zhì)量。嚴(yán)禁超徑巖體或粉粒狀巖體進(jìn)入溜井。

（3） 不間斷運(yùn)行，尤其避免長時間停止運(yùn)行。細(xì)顆粒料停留時間長易結(jié)拱，在壓力作用下，泥、沙、水和石塊易牢固黏合在一起，形成穩(wěn)定的大段堵塞體。為避免承載拱形成，在不需要供料生產(chǎn)時也應(yīng)間斷開機(jī)運(yùn)行放料。

（4） 具備條件時應(yīng)對溜井井壁進(jìn)行檢查，對坍塌嚴(yán)重并可能導(dǎo)致失穩(wěn)部位井壁進(jìn)行必要加固。

6 結(jié) 語

大奔流溝料場溜井系統(tǒng)自2008年11月投料生產(chǎn)。至2014年11月，1號溜井共輸送毛料487萬m3，2號溜井共輸送毛料98萬m3，滿足了砂石加工生產(chǎn)需要。充分說明大奔流溝高陡料場布置2條獨(dú)立的直徑為6 000 mm圓形直溜井是合理的。同時，采用溜井滿井連續(xù)運(yùn)行、控制入井毛料粒徑等手段，避免了運(yùn)行過程中堵井的發(fā)生。因處理堵井費(fèi)工費(fèi)時且影響系統(tǒng)正常生產(chǎn)，有必要在溜井不同高程增加檢查兼處理支洞。此外，需對井口及地質(zhì)條件較差部位井壁進(jìn)行錨桿加強(qiáng)支護(hù)。

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（編輯：李 慧）