叶义成采矿概论-地采概述.ppt

矿床地下开采简介,武汉科技大学 资源与环境工程学院 叶义成 教授13554277834 E-mail : ,1 矿床的特性与分类,1 矿床的特性与分类,矿床采(矿)掘(进)工作的总体称为开采。根据矿床开采的不同空间位置，分为露天开采、地下开采、露天和地下联合开采三种。,1 矿床的特性与分类,图1-1 露天开采示意图,露天开采是用露天坑道在地面进行准备和采矿工作。,1 矿床的特性与分类,图1-2 地下开采示意图,地下开采是从地表掘进一系列井巷通达矿体，进行准备和采矿工作。,1 矿床的特性与分类,图1-3 露天与地下联合开采示意图,露天与地下联合开采则指矿体的上部用露天开采，下部用地下开采。,1 矿床的特性与分类,1.1 矿床的种类 1.1.1 矿石与废石 在现代技术经济条件下，在质和量的方面能满足国民经济需要的矿物集合体、称为矿石。矿石的天然集合体称为矿体。矿体周围的岩石称为围岩。凡位于倾斜至急倾斜矿体上方或下方的岩石称为上盘与下盘围岩，位于水平或微倾斜矿体顶部或底部的岩石称为顶板或底板围岩。 一个或数个矿体及其围岩，包括围岩周围地层，构造等地质特点的整个含矿地段，称为矿床。,1 矿床的特性与分类,矿体周围的岩石，以及夹在矿体中的岩石(夹石)，不含有用成分或含量过少，当前不宜作为矿石开采的则称为废石。 矿石和废石的概念是相对的，是随着国民经济的发展，矿山开采和矿石加工技术水平的提高而变化的。一般地讲，划分矿石和废石的界限取决于下列因素：国家的社会制度及所规定的技术经济政策；矿体的埋藏条件；采矿和矿石加工的技术水平；地区的技术经济条件等。,1 矿床的特性与分类,1.1.2 金属矿石的种类 含金属成分的矿石，称为金属矿石。根据所含金属的不同种类，金属矿石分为贵金属矿石(金、银、铂等)、有色金属矿石(铜、铅、锌、铝、镍、钨、钼、锡等)、黑色金属矿石(铁、锰、铬)、稀有金属矿石(钽、铌等)和放射性矿石(铀、钍等)。 根据金属矿石所含金属品种的数目，又分为单一金属矿石和多金属矿石。 按金属矿石所含金属矿物的性质，矿物的组成和化学成分，其分为自然金属矿石、氧化矿石、硫化矿石和混合矿石。金属以单一元素存在于矿石中的矿石，称为自然金属矿石，如金、银、铂等。氧化矿石的矿物化学成分为氧化物、碳酸盐及硫酸盐，如赤铁矿Fe2O3、红锌矿ZnO、软锰矿MnO2、赤铜矿CuO和白铅矿PbCO3等。,1 金属矿床的特性与分类,硫化矿石的矿物化学成分为硫化物,如黄铜矿CuFeS2、方铅矿PbS、闪锌矿ZnS、辉钼矿MOS2等。矿石中含有两种以上矿物时叫混合矿石。矿石中有用成分的含量，称为品位。矿石的品位常用百分数表示，对于黄金等贵金属矿石，用一吨矿石中含若干克有用成分(g/t)来表示。 根据矿石品位的高低，金属矿石分为富矿和贫矿。如磁铁矿，品位超过55%的为平炉富矿；品位在50%55%之间的为高炉富矿；品位在30%50%的为贫矿。,1 矿床的特性与分类,1.2 矿石和岩石的性质 矿石和岩石(以下简称矿岩)的性质中，影响矿床开采较大的有：硬度、坚固性、稳固性、结块性、氧化性、自燃性、含水性及碎胀性等。 1.2.1 硬度 矿岩抵抗工具侵入的性能叫硬度。矿岩硬度取决于矿岩的组成，即取决于矿岩颗粒的硬度、形状、大小、晶体结构以及颗粒间胶结物的情况等。硬度愈大，凿岩愈困难。矿岩的硬度影响矿岩的破碎方法和凿岩没备的选择，也影响劳动生产率、材料消耗和采矿成本。,1 矿床的特性与分类,1.2.2 坚固性 矿岩的坚固性也是一种抵抗外力的性能，但它与矿岩的强度是两种根本不同的概念。强度是指矿岩抵抗压缩、拉伸、弯曲及剪切等单向作用力的性能，而坚固性所抵抗的外力，是一种综合外力，即矿岩抵抗机械破碎、炸药爆炸等综合作用的力。 坚固性的大小常用坚固性系数 f 表示。它反映矿岩的极限抗压强度、凿岩速度、炸药消耗量等值的大小。尽管它不够全面，但仍为一重要的特性数据，被广泛采用。国内通常还用矿岩极限抗压强度来表示，即,式中 R-矿岩极限抗压强度，98.1kPa。,1 矿床的特性与分类,1.2.3 稳固性 稳固性是指矿岩在空间允许暴露面积的大小和时间长短的性能。影响矿岩稳固性的因素十分复杂，它不仅与矿岩的成分、结构、节理状况、风化程度以及水文地质条件等有关，还与开采过程中所形成的实际状况(如巷道布置方向及其形状、开采深度等)有关。 稳固性和坚固性既有联系，又有区别。一般在节理发育、构造破碎地带，矿岩的坚固性虽好，但其稳固性却大为下降。因此，不能将二者混同起来。,1 矿床的特性与分类,矿岩的稳固性对井巷的维护方法，采矿方法的选择和地压控制的方法，均有很大的影响。根据矿岩的稳固程度，分为极不稳固的、不稳固的、中等稳固的、稳固的和极稳固的五类。 极不稳固的是指掘进巷道或采矿时，不允许有暴露面积，否则会产生片帮和冒顶现象。在掘进巷道时，须用超前支护方法进行维护。 不稳固的允许有较小的不支护的暴露面积，一般在50m2以内。 中等稳固的是指不支护的暴露面积为50200m2。 稳固的允许不支护的暴露面积为200800m2。 极稳固的指不支护的暴露面积在800m2以上。,1 矿床的特性与分类,1.2.4 结块性 采下的矿石遇水和受压后连结成块的性质，称为结块性。一般使矿石结块的因素有：矿石中含有粘土质物质，受湿受压后粘结成块；例如，高硫矿石遇水后，由于表面氧化形成硫酸盐薄膜，受压后连接成块。 1.2.5 氧化性 硫化矿石在水和空气的作用下，变为氧化矿石的性质，叫做氧化性。采下的硫化矿石，在井下或地面储存时间过长就要氧化。氧化后的矿石会降低选矿的回收率。,1 矿床的特性与分类,1.2.6 自燃性 矿岩(高硫矿石、含碳岩石等)在空气中氧化，并放出热量，经过一定时间后，温度升至着火点而自燃，会引起地下火灾。矿岩的自燃与其矿物的物理化学性质、氧化速度和通风条件等有关。具有自燃性的矿岩，对其储存和采矿法的选择有特殊的要求。 1.2.7 含水性 矿岩吸收和保持水分的性能，叫含水性。含水性随矿岩的孔隙度和节理而变化。它对放矿、运输、箕斗提升及矿仓储存等均有不利的影响。,1 矿床的特性与分类,1.2.8 碎胀性 矿岩破碎后体积增大的性能称为碎胀性。矿岩碎后的体积与其原体积之比，称为碎系数(或松散系数)。碎系数的大小主要取决于破碎后矿岩块度的组成和块度的形状。一般坚硬矿岩的松 散系数为1.21.6。,1 矿床的特性与分类,1.3 金属矿床的特征与分类 矿床是由一个或多个矿体所组成。矿床特征表现在单个矿体的特征，及其组合特征上。 1.3.1 金属矿床的埋藏要素 金属矿床的埋藏要素是指矿体的走向长度、厚度、倾角、延伸深度和埋藏深度等。 矿体的延伸深度是指矿体上部界限至下部界限的垂直距离或倾斜距离，分别称为垂直高度和倾斜长度(简称垂高和斜长)。埋藏深度则指从地表至矿体上部界限的垂直距离（图1-4）。,1 矿床的特性与分类,图1-4 矿体的延伸深度和埋藏深度 1-矿体；h-埋藏深度；H-延伸深度(垂直高度)。,1 矿床的特性与分类,1.3.2 金属矿床的分类 金属矿床的矿体的形状、厚度及倾角，对于矿床开采有直接的影响。因此，一般将金属矿床按矿体形状、厚度和倾角进行分类。 A按矿体的形状分类 (1) 层状矿体 这类矿体图1-5(a)规模较大，赋存条件(倾角、厚度等)稳定，有用矿物成分组成稳定，分布较均匀。多见于沉积型黑色金属矿床。,1 矿床的特性与分类,图1-5矿体形状 (a) 层状矿体；(b) 脉状矿体；(c) 网脉状矿体； (d)-透镜状矿体；(e)-块状矿体；(f)-巢状矿休。,1 矿床的特性与分类,(2) 脉状矿体 这类矿体主要由热液和气化作用，将矿物质充填于地壳裂隙中生成图1-5(b)、(c)。矿脉与围岩接触处有蚀变现象，矿体赋存条件不稳定，有用成分分布不均匀，有色、稀有及贵金属矿床多属此类。 (3) 块状矿体 这类矿体主要是由于充填、接触交代、分离和气化作用所形成。矿体大小不一，形状呈不规则的透镜状、矿巢、矿株等产出；矿体与围岩的界限不明显。某些有色金属(铜、铅、锌)矿床属于此类图1-5(d)、(e)、(f)。 在开采脉状体和块状矿体时，要加强探矿工作，以充分回收矿产资源。,1 矿床的特性与分类,B按矿体倾角分类 矿体按倾角分为水平矿体和倾斜矿体，倾角在5以下为水平矿体，倾角为530为缓倾斜矿体，倾角为3055为倾斜矿体，倾角大于55为急倾斜矿体。 C按矿体厚度分类 矿体厚度指矿体上盘与下盘间的垂直距离或水平距离。前者叫垂直厚度或真厚度(图1-6中a)，后者叫水平厚度(图1-6中b)。开采急倾斜矿体时，常用水平厚度，而开采倾斜矿体、缓倾斜矿体和水平矿体时，常用垂直厚度。,1 矿床的特性与分类,图1-6 矿体的厚度 1-矿体上盘；2-矿体下盘；3-矿体；-矿体的倾角。,矿体按厚度分为五类：极薄矿体(厚度小于0.8m)、薄矿体(厚度为0.84m)、中厚矿体(厚度为415m)、厚矿体(厚度为1040m)和极厚矿体(厚度大于40m)。,1 矿床的特性与分类,1.3.3 矿床的特性 金属矿床的地质条件较为复杂，对矿床开采有较大影响的因素有以下几个方面。 A矿体赋存条件不稳定 B矿石品位变化大 C构造复杂 D矿岩的坚固性大 E矿床含水性,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.1 矿床开采单元的划分 2.1.1 矿田和井田 划归一个矿山企业开采的全部矿床或其一部分称为矿田；在一个矿山企业中，划归一个矿井(坑口)开采的全部矿床或其一部分，称为井田。矿田有时等于井田，有时包括数个井田。 井田的大小是矿床开采中的重要参数。在倾斜和急倾斜矿床中，井田尺寸一般用沿走向长度和沿倾斜深度或垂直深度表示；在水平和微倾斜矿体中，则用长度和宽度表示。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.1.2 阶段和矿块 (1) 阶段和阶段高度 在开采缓倾斜、倾斜和急倾斜矿床时，在井田中每隔一定的垂直距离，沿走向掘进一条或几条与走向一致的主要运输巷道；上下相邻两个主要运输巷道之间的开采范围，称为阶段(图2-1)。阶段高度是指相邻上下两个阶段运输巷道底板之间的垂直距离(图2-1中h)。 影响阶段高度的主要因素有：矿体的倾角、厚度、走向长度，矿岩的物理力学性质，采用的开拓方法和采矿法，阶段开拓、采准、切割和回采时间，每吨矿石所摊的基建和经营、开拓和采准费用，矿床的勘探类型等。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,图2-1 阶段和矿块的划分 I-已采完阶段；-正回采阶段；-开拓、采准阶段；-开拓阶段； H-矿体垂直埋藏深度；h-阶段高度；L-矿体走向度； 1-主井；2-石门；3-天井；4-排风井；5-阶段运输平巷；6-矿块。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,增大阶段高度可减少阶段的数目，节省开拓、采切工程量及费用，降低每吨采出矿石所摊的开拓、采准和切割费用。 增大阶段高度，可以减少阶段矿柱矿量，因而可使回采阶段矿柱所造成的损失和贫化相对减少。 但是增加阶段高度会使采矿准备和回采工作中产生许多技术上的困难。如掘进很长的天井较困难；在矿岩不稳固时，回采工作不安全，而且会使天井掘进费用、材料和设备运到采场的费用等增加。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,(2) 阶段高度的确定 选择合理的阶段高度应符合的条件是：阶段高度的基建费和经营费分摊数额应是最小；能及时准备新阶段；能保证安全作业。阶段高度的值变化较大，一般根据矿床的埋藏条件，矿岩的稳固性和采矿法的要求等主要因素确定。当开采缓倾斜矿体时，阶段高度一般为2025m；当开采倾斜、急倾斜矿体时，阶段高度常为4060m，甚至达80120m。 (3) 矿块 将阶段中的矿体沿走向每隔一定距离划分的矿段，称为矿块(图2-1中6)，矿块为矿井生产的基本单元。关于矿块的结构参数，将在采矿方法各章中分别论述。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,图2-2 盘区和采区的划分 I-开拓盘区；-采准盘区；-回采盘区； 1-主井；2-副井；3-主要运输巷道；4-盘区运输巷道； 5-采区巷道；6-采区；7-切割巷道。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.1.3 盘区和采区 (1) 盘区 在开采水平和微倾斜矿体时，如果矿体的厚度不超过允许的阶段高度，则在井田内不再划分阶段。此时沿井田范围，每隔一定距离用运输巷道划分的开采范围，称为盘区(图2-2)。盘区的宽度主要取决于矿床的开采技术条件，所采用的采矿法以及所选用的运矿机械。 (2) 采区 在盘区中的矿体沿走向每隔一定距离划分的矿段，称为采区(图2-2中6)。采区也是矿井生产的基本单元，其结构和参数将在有关采矿法中论述。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.2 井田中的开采顺序 2.2.1 井田中阶段的开采顺序 井田中阶段的开采顺序有上行式和下行式两种。下行式的开采顺序是先开采上部阶段，后开采下部阶段，上行式则相反。 在生产实际中，一般多采用下行式开采顺序。因为这种开采顺序有很多优点：节省初期投资；缩短基建时间；在逐步向下的开采过程中能进一步探清深部矿体；生产安全条件好；适用的采矿法多。 上行式开采顺序仅在某些特殊条件下(如下部有国家急需的富矿)采用，需经国家主管部门批准。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.2.2 阶段中矿块的开采顺序 按开采工作相对于主要开拓巷道(主井、主平硐)的推进方向,阶段中的矿块开采顺序可分为三种。 (1) 前进式开采 当阶段运输平巷掘进结束后，从靠近主要开拓巷道的矿块先开始开采，向井田边界依次推进(图2-3中)。 (2) 后退式开采 在阶段运输巷道掘进到井田边界后，从井田的边界矿块开始，向主要开拓巷道方向依次开采(图2-3中)。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,(3) 混合式开采 初期用前进式开采，后期为后退式开采，或同时用前进式与后退式混合开采。混合式开采生产管理比较复杂，只有在特殊条件下(开采过程中发现新矿体)使用。双翼开采图2-3中(a)可以形成较长的回采工作线，获得较高的产量，从而可以缩短阶段开采的时间，有利于地压控制，在生产实际中使用最广泛。单翼开采图2-3中(b)使用很少。侧翼开采图2-3中(c)，只有在受地形条件限制，井田走向长度不大等情况下使用。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,图2-3 阶段中矿块的开采顺序 I-前进式开采；-后退式开采 (a)双翼开采；(b)单翼开采；(c)侧翼开采。 1一主井；2一风井。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.2.3 阶段中相邻矿体的开采顺序 阶段中若有多个彼此相距很近的矿体，当开采其中某一矿体时，将影响邻近的矿体。这时确定各矿体间合理开采顺序，对生产的安全和资源的充分回收，都有重要意义。其开采顺序主要有： (1) 矿体倾角小于或等于围岩的移动角时，应选用从上盘向下盘逐一开采的顺序图2-4(a)，即先采位于上盘的矿体，其采空区的下盘围岩不会移动，因此不会影响下盘矿体的开采。如采用相反的顺序，将会使矿体处在矿体工采空区的上盘岩石移动带之内，影响矿体的开采图2-4(b)。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,(2) 矿体倾角大于围岩移动角，两矿体又相近时，无论先采那个矿体，都会因采空区围岩移动而相互影响图2-4(c)。这时，相邻矿体的开采顺序应根据矿体之间夹石层的厚度，矿岩的稳固性所选用的采矿法和技术措施而定。一般选用先采上盘矿体后采下盘矿体的开采顺序。如夹石层厚度不大，又采用充填法时，也可采用由下盘向上盘的开采顺序。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,图2-4 相邻矿体的开采顺序 (a)、(b)矿休倾角小于或等于岩石移动角； (c)矿体倾角大于岩石移动角， -矿休倾角；-下盘岩石移动角；-上盘岩石移动角。 、-相邻两条矿脉。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.3 井田的开采步骤 2.3.1 井田的开采步骤 井田开采可分为开拓、采切和回采三个步骤，这些步骤反映了不同的生产阶段(见图2-1，图2-2)。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,(1) 井田的开拓 在井田内从地表掘进一系列的井巷通达矿体，使地面与矿体构成一个完整的提升、运输、通风、排水、供水和动力输送等系统，以便把人员、动力、设备、材料和新鲜空气送到井下，并将井下的矿石、废石、水和污浊空气等送到地面，这项工作称为井田开拓。为开拓井田而掘进的巷道称为开拓巷道。 (2) 矿块的采切 在已完成开拓的阶段中，掘进巷道将阶段矿体划分成矿块，并解决矿块的人行、通风、运输等问题，这项工作称为采切工作。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,采切工作量的大小常用采切比表示。采切比指从矿块中每采出一千吨(或一万吨)矿石所需掘进的采切巷道米数，它可以用下式进行计算：,(2-1),式中 L矿块中采切巷道的总长度，m； T矿块中采出的矿石量，t。 (3) 矿块的回采 在做好采切工作的矿块中所进行的大量的采矿，称为回采工作。它一般包括崩矿，出矿和地压控制等三项主要作业。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.3.2 三级矿量 为了保证矿山持续、均衡地进行生产，按照我国矿山历年所积累的经验，在矿山生产管理中，各个开采步骤互为超前的关系是用获得一定的矿量来实现的。因此，将生产矿量按开采准备程度划分为开拓矿量、采切矿量和备采矿量三级，称为三级矿量。,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,(1) 开拓矿量 开拓矿量是设计可采工业储量的一部分，凡按设计所规定开拓系统中的井巷已开凿完毕，形成了完整的开拓系统和采准工作以前所需进行的生产探矿工程，在此范围内所控制的矿量，称为开拓矿量。 (2) 采准矿量 采准矿量是开拓矿量的一部分。在开拓矿量的基础上，全部完成采矿法所规定的采准井巷工程的矿量，称为采准矿量。 (3) 备采矿量 备采矿量是采准矿量的一部分，在采准矿量基础上，全部完成了采矿法所规定的切割巷道的矿量，称备采矿量,2 矿床开采单元的划分及其开采顺序,2.3.3 开采步骤之间的关系 开拓、采切和回采三者之间的正常关系，应该是以保证矿山持续、均衡生产，避免出现生产停顿，产量下降等现象为原则。 矿山在基建时期，上述三个步骤是依次进行的；在投产后的正常生产时期，应贯彻“采掘并举，掘进先行”的方针，按照国家规定的标准，必须保证开拓超前于采切，采切超前于回采，使矿山达到持续正常生产的目的。超前的值，一般用保有的三级矿量指标来保证。根据我国现有规定(有色金属矿山)，三级矿量的保有期限定额(按年产量计)为：开拓矿量三年以上，采准矿量12个月以上；备采矿量6个月以上。在特殊情况下，可灵活应用这一规定，但必须采取切实有效的措施，并报请上级主管部门批准，以保证矿山连续而均衡地生产。,矿石的损失贫化 及其对矿床开采的要求,3 矿石的损失贫化和对矿床开采的要求,3.1 矿石损失和贫化的概念 3.1.1 矿石损失和贫化的概念 在矿床开采过程中，由于某些原因造成一部分工业储量的矿石未采出或采下的矿石未能完全运出地表而丢失。凡在开采过程中造成矿石在数量上的减少，叫矿石损失。 矿石损失分为非开采损失与开采损失。非开采损失是指与开采无关的损失，即由于地质构造与水文地质条件等引起的矿石损失，以及为保护井筒和地表建筑物所留的保安矿柱的损失。开采损失指与开采有关的(或开采过程中发生的)矿石损失。,3 矿石的损失贫化和对矿床开采的要求,开采损失又分为未采下损失与采下损失。未采下损失是指在开采范围内无法开采或开采不经济的边缘矿体、平行矿脉和矿块内永久性矿柱所造成的损失，以及崩矿时未崩下的矿石损失。采下损失是指已采下而残留在采场中不能放出的矿石损失和运输过程中的矿石损失。 在开采过程中损失的工业储量与原工业储量之比率，称为矿石损失率。而采出的纯矿石量(工业储量)与原工业储量之比率，叫做矿石回收率。损失率和回收率都用百分数(%)表示。,3 矿石的损失贫化和对矿床开采的要求,在开采过程中还有矿石贫化。矿石贫化是指采出矿石的品位比原矿石品位降低。它有两种表示方法：凡混入采出矿石中的废石量与采出矿石量之比率，叫废石混入率；凡因混入废石和高品位粉矿的流失而造成矿石品位降低的百分率，叫做矿石贫化率。,3 矿石的损失贫化和对矿床开采的要求,3.1.2 矿石损失和贫化的原因 (1) 造成矿石损失的原因：因地质破坏或矿床产状复杂，致使开采时无法全部采出；因崩矿不完全，或因留下的矿柱无法回采而造成部分工业矿石的损失；或在出矿时残留在下盘的碎矿和粉矿放不干净；在覆盖岩石下放矿时，因混入废石过多，品位太低已无工业价值，不得不将其抛弃形成矿石损失等。 (2) 造成矿石贫化的主要原因是：在采矿过程中混入了废石；或高品位的粉矿被丢失，使采出矿石品位下降；也有矿床在开采过程中，有用成分氧化或被析出等。,3 矿石的损失贫化和对矿床开采的要求,3.1.3 降低矿石损失与贫化的措施 为了充分利用地下资源，减少因矿石损失与贫化所引起的经济损失，提高矿产原料的数量和质量，应该针对产生矿石损失与贫化的原因，采取有效的措施。 (1) 加强地质测量工作，为采矿设计和生产提供可靠的地质资料，以便正确确定采掘范围，减少废石混入量和矿石损失量。 (2) 选择合理的开拓方法，尽可能不留或少留保安矿柱。 (3) 选择合理的开采顺序，及时回采矿柱和处理采空区。,3 矿石的损失贫化和对矿床开采的要求,(4) 选择合理的采矿法及其结构参数，改进采矿工艺。 (5) 改进采场底部结构，推广振动出矿设备和无轨出矿设备，加强出矿管理，以提高矿石回收率，