吴少龙
安徽海螺建材设计研究院有限责任公司 安徽省芜湖市 241070
摘要：随着西部大开发及“一带一路”战略的深化推进，西部高寒高海拔地区矿产资源的开发正全面有序开展，一大批矿山工程已建成、在建或规划中，而高寒高海拔矿山具有低压缺氧、低温干燥、强风、水文地质条件差、生态环境脆弱、外部协作能力差等特性，在资源开发过程中面临诸如工作环境恶劣、劳动强度大、设备工作效率折减、边坡安全、冰冻、供电系统散热等很多困难和问题。
关键词：高寒；高海拔地区；矿山工程；设计
一、高寒高海拔矿山定义及特性分析
1、高寒高海拔矿山定义
地理学上的高原是指海拔500m以上，起伏较小、顶面平缓、面积辽阔的高地；医学上的高原是指海拔3000m以上，能激发机体产生生物效应的环境及高度。按照国际通行的高海拔区域划分标准，分为高海拔区、超高海拔区和极高海拔区域3类，具体如下：1）1500～3500m为高海拔区域；2）3500～5500m为超高海拔；3）5500m以上为极高海拔。高寒地区一般指全年日平均温度小于或等于10℃，积温1800～2000℃的低温地区，高寒地区大致分为以下3种类型：1）高海拔河谷地区和高纬度地带的平原地区，如雅鲁藏布江和黑龙江北部地区；2）高原盆地，如藏北高原、柴达木盆地等；3）高山山地，如西藏、新疆等高山地域。高寒高海拔矿山是指位于1500m海拔以上，且同时具有高寒地区特征的矿山工程项目。
2、高寒高海拔矿山特点分析
2.1低压缺氧
根据我国470多个高山气象台站（海拔高度在800m以上）历年（10年以上）气象资料统计分析，得出压力经验公式1。
式中：pH表示海拔高度为H的大气压力，用绝对压力表示，Pa；H表示海拔高度，m。气压高低主要取决于海拔高度，随着海拔增加大气压降低，氧分压也是如此，高原地区大气中的含氧量和氧分压也较低，从而引起人体器官组织供氧不足，产生功能或器质性变化。
2.2寒冷、干燥、强风
气温随着海拔高度增加而递减，海拔高度为H的当地气温可利用气温梯度公式计算（公式2）。
式中：tH表示海拔高度为H的当地历年平均气温，℃；th表示相邻气象台站的历年平均气温，℃；gt表示该地区的气温梯度，C°/100；h表示相邻气象台站的海拔高度，m。
空气的绝对湿度随海拔高度增加而递减，海拔高度为H的当地空气绝对湿度可利用湿度梯度计算式计算（公式3）。
（3）
式中：eH表示海拔高度为H处的当地空气绝对湿度，g/m3；eh表示相邻气象台站的历年平均绝对湿度，g/m3；ge表示绝对湿度梯度，g/m3/100，可查气象资料。
高原气温随海拔高度增加而减低，且日温差大，低温使机体代谢率增强，耗氧量增加；高原的空气对流、辐射、传导及蒸发所散失的热量比平原多，使机体代谢率增高，耗氧量随之增高。高寒地区多风且风速可达30m/s，大风速增加人体对流散热，增加寒冷程度，是高原冻伤发生的重要因素之一。大气中的水分随海拔高度增加而减少，海拔3000m大气中水分相约为平原的1/3，海拔愈高气候愈干燥。高原空气稀薄，大气密度降低，空气净化，单位面积所接受的紫外线量比平原地区高，加之白雪反射，紫外线辐射强度也大幅度增加。
二、设计要点思考
1、开采方式选择
影响开采方式的因素主要包括矿床地质条件、外部开采环境、技术可行性及项目经济效益等4个关键因素。对于高寒高海拔矿山，应首先重点考虑矿山外部环境的要求，通过对建设区域的地方规划定位、当地环境保护要求、当地居民对项目建设的反应、外部水电交通及通讯情况等信息分析，初步判断矿山可允许的开采方式，并将环境保护和生态保护放在项目开发的首要位置；其次才是根据矿床规模、矿床空间形态、矿山水文地质及环境地质等矿床条件信息，深入分析论证开采方式。
高寒高海拔地区同时具有低压缺氧、寒冷干燥、生态脆弱、水文地质条件差、外部协作条件不好等共性特征，在矿山开采方式选择时应首先处理好生产作业条件和脆弱的高原环境之间的矛盾。此外，在同等技术经济情况下，应优先选择机械化程度高、劳动强度小、利于规模化开发的露天开采方式。
2、矿山设备选型
据调查，高海拔地区劳动时间率平均为66.3%，且劳动强度较于平原地区增加23.6%，因此高海拔地区矿山项目应按“多机械、少人工”的原则，全面提高各类作业的机械化程度和自动化程度。由于高海拔地区气候环境的影响，矿山设备效率大幅度降低，为保证矿山生产的顺利进行，在设备选型计算时需考虑负荷折减问题，并考虑增加设备的备用系数。高寒高海拔矿山采矿设备因动力源的不同，设备的效率折减情况不同。
由相关数据可知，电力设备的能力损耗较其他方式低，蒸汽动力损耗最高。因此在高寒高海拔区域的矿山设备选型时，应注意以下事项：（1）尽量采用以电作为动力源的装备，减少能耗，节约成本。（2）设备选型计算时应充分考虑各类设备的效率折减情况，确保设备的生产能力。（3）尽量考虑设备的大型化、机械化和自动化，减少操作人员，降低劳动强度。
3、露天矿山设计
高寒高海拔露天开采矿山设计应重点关注开拓系统及设计参数的可靠性、设备的机械化和自动化程度、矿山边坡稳定等问题。露天矿山道路分为一级道路、二级道路、三级道路，其最大允许纵坡分别为7%、8%、9%，对于高海拔矿山的道路按照不同海拔高度和公路等级有不同的纵坡折减要求，具体参数见表2。但对于厂外道路折减后的最大纵坡值如小于4%时，应采用4%；对于露天矿山道路折减后的最大纵坡值如小于4.5%时，应采用4.5%。此外，在寒冷、冰冻、积雪等高寒露天矿山各级道路的合成纵坡（超高圆曲线段，超高横坡和纵坡之和）不得大于8%。
露天矿山设备是改进露采工艺、提高经济效益、扩大资源利用等方面的关键因素，露天设备主要包括穿孔、铲装、运输等主体设备和诸如平地机、洒水车、装药车、加油车等其他辅助设备。在高寒高海拔矿山应尽量采用大型设备、电动力源设备，尽量提高设备机械化和自动化程度，进而减少劳动定员，降低劳动强度，降低矿山运行成本，提高矿山运行效率。高寒高海拔地区露天矿山边坡揭露的岩体暴露于昼夜循环、四季更替的大温差循环的环境下，经受剧烈的冻融循环，边坡稳定性影响因素比常温地区更多、更复杂。寒区岩体经受自然冻融循环过程后，其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。因此，高寒高海拔地区的岩石边坡工程要重点考虑冻融循环对边坡岩石物理力学性质的改变及对边坡稳定性的累加叠加影响。
结束语
（1）在对高原高海拔矿山和高寒矿山定义分析的基础上，提出了高寒高海拔矿山的定义。
（2）在数据统计分析的基础上，汇总并分析了高寒高海拔矿山工程所具有的低压缺氧、低温干燥、强风、生态环境脆弱、水文地质条件差、外部协作能力差等共性特征，并统计分析了我国西部高寒高海拔矿产资源开发现状。
（3）从开采方式选择、设备选型、矿山工艺设计，以及总图布置、土建工程、给排水系统、供配电等方面探讨了高寒高海拔矿山项目在设计环节的注意要点，并总结出诸如优先选择露天开采工艺、优先选用电动力设备并充分考虑损耗、注重环保等设计理念。
参考文献：
［1］龚剑．高海拔矿山掘进面粉尘运移规律及通风除尘系统优化［D］．北京：北京科技大学，2015．
［2］申梦飞．高海拔条件矿山充填质量控制研究［D］．北京：北京科技大学，2015．
论文作者:吴少龙
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第23期
论文发表时间:2019/7/22
标签：矿山论文; 高海拔论文; 地区论文; 设备论文; 海拔高度论文; 绝对湿度论文; 高原论文; 《建筑模拟》2019年第23期论文;