地下金属矿山连续开采技术研究综述

地下金属矿山连续开采技术研究综述

随着地下采矿规模的不断扩大和采矿深度的增加，技术的难度非常复杂。连续开采技术是解决这些难题的有效途径之一。它对21世纪矿山向开采纵深化、规模大型化、设备机械化、操作自动化、生产连续化、管理现代化方向发展具有重大意义。1地下金属矿山连续工艺“地下矿山连续开采”这一概念随着现代矿山技术的发展逐步完善。“地下矿山采矿连续工艺”依矿岩软硬程度的不同有2种形式:一是在硬度不大的矿岩如煤矿、钾盐等矿床开采中的采掘全工艺过程(如切割、落矿、装载、运搬)在同一空间内平行连续作业;二是在矿岩坚硬的矿山,如金属矿,在矿体、阶段或矿块的回采过程中落矿、出矿、运矿三大工序各自具有相对独立的作业条件,各工序间的相互协调,在不同的空间平行作业,由此组成高效率的连续开采工艺系统。地下金属矿山连续工艺仅仅指矿块(矿房)回采工艺的连续性,只是连续开采的一个层次。连续开采主要包括4个层次的内容。1.1高效、低生产智能化采场充填技术矿房的连续回采是指在采场的回采过程中落矿、出矿、矿石运搬工艺的连续作业。研究的主要内容有适合于连续回采的采矿方法及采场结构,高效率、低大块率的凿岩、落矿技术,高效耐用和经济的采场连续出矿和连续运搬设备。其目的是实现高效率、高能力的落矿、出矿、运矿的采场连续回采。这个层次下一步研究的重点将是大块的控制管理和出矿、运矿设备的改进和完善。1.2步骤回采开采模式它是指在矿体(床)的开采过程中,不留或少留矿柱,尽可能采用一步骤回采的开采模式。研究的主要内容有:开采方式(上行或下行),采场回采推进顺序(前进式或后退式),开拓、采准形式以及有利于采场安全的地压管理和控制技术。这一层次还有巨大的发展空间。1.3矿的分拣运输矿石的连续运送,是指井下矿石的转载、运输、提升等环节。研究的主要内容有:连续运送矿石的方式、运送设备及配套设备的研制等。该层次为地下开采矿石的后处理工艺,近几年来,该层次的研究无重大突破,国外很多矿山用特殊的胶带运输机实现了地下开采矿石的连续运送。1.4续开采层全工艺过程的连续化是指掘进、落矿、出矿、搬运、运输等过程的连续化作业,是最高层次的连续开采,目前,这个层次在软岩矿中的研究和应用发展迅猛,已实现大规模工业开采全工艺过程的连续化。在硬岩开采中的研究难度较大,但如连续采矿机、冲击式采矿机、钻孔射流采矿等已开始投入试验阶段,这一领域具有广阔的前景,它对于硬岩中实现非爆破采矿具有重大的意义。2国内外研究现状2.1试验研究及试验设备1984年,澳大利亚芒特艾萨矿掘进了一条长1154m,断面5.9m×3.7m的斜巷,采用美国罗宾斯公司研制的连续采掘机。该机结构复杂,停工检修时间多,滚刀磨损较快,加之机体庞大,价格昂贵,难以普遍推广应用。美国机械设计工程师公司开发的用于连续开采的自动钻爆系统是一模块式机组。它包括:回转冲击式凿岩机、装药缸和风动冲击器,此系统的主要特点是使用一种新型的炸药,装药量少,不用雷管起爆。因此,钻孔、装药、爆破和出矿作业可以不断重复,设备不必驶离工作面。目前该系统仍需做一些改进,其存在的主要问题已经解决。加拿大CMS连续采矿公司研制的CL系列装载机,摆动式装载机高效率的两大关键是借助摆动尖刃凸缘使散料流态化。该机配备有宽大的胶带运输机,可以接纳较大块度的物料,并能把来自工作面矿堆的物料准确地向卡车、矿车或胶带运输机转载。摆动式装载机生产能力可达408～906t/h。此外,该装载机还配备有履带行车及遥控系统。Snake蛇式转弯胶带运输机是加拿大DME公司研制的一种连续采矿设备。胶带宽1～1.2m,带速3m/s。主要特点是:该机可转30°～90°弯,并能适应底板高低稍有变化的条件。运输机的车架为双轮胎式,每节车架长18m。运输机配有贮带机构,胶带伸缩范围可达60m。南非在开采含金砾岩型薄矿脉时,试制了液压冲击式连续采掘机。该冲击器安装在沿工作面运行的刮板式运输机的导轨上,冲击功4kN·m。试验期间共采出矿岩1.95×104m3。另外,南非还试验了用高压水射流技术采矿,即用磨料水射流切槽,用脉冲水射流钻孔和劈裂岩石。试验表明,在水射流中添加细磨料,破岩能力可以提高10倍左右。目前这一方法仍处于试验阶段。前苏联对地下矿连续开采技术的研究是以“采矿连续作业组”为核心进行的。即以振动出矿机及其后续的运输机(包括特殊胶带运输机和分节式振动运输机)为主体构成的连续作业系统。如在强制阶段崩落法的连续采矿作业试验中,采用的连续作业机组是DB?型统一标准的振动出矿机、K?└П型带式运输机、??型自行式转载机、I>A?型振动溜口和机组操纵系统。而在端部出矿的分段崩落采矿法中采用的是由??-2型振动出矿机、BP-80型振动运输机和ВГ-400型振动筛所组成的KBB-2机组。实践证明,此类连续作业机组生产效率高,能力大,性能可靠,能很好的满足矿床开采强度的实际需要。2.2中国地下矿产连续开采技术的研究我国从“六五”～“九五”4个国家5年发展规划中,该课题始终列为国家重点科技攻关项目,现将研究成果做一简要概述。2.2.1垂直走向上的采矿场试验“七五”期间,在铜陵有色金属公司狮子山铜矿分别以振动运输列车和原矿车带式运输机为主要连续运矿设备的两条连续作业线进行了试验。着重介绍了前者的情况。试验在狮子山铜矿西矿段-120m水平的15号矿块进行,矿体厚度62m,倾角50°左右,矿体中有14m厚的夹层,矿岩均很稳固。15号矿块垂直走向布置,试验所采用的采场顶板宽13m,阶段高40m(如图1)。矿块上部-80m水平为大空区,用KY—120钻机钻凿垂直下向平行深孔,侧向崩矿,底部结构为无二次破碎水平的平底式结构。共安装了3台轻型组合式振动出矿机,漏斗间距为10m,振动运输列车由11节组成,总长度40m,在溜井口上部安装了原矿振动条筛。出矿时,采场原矿经大出矿口的组合式振动出矿机放到振动运输列车上,在运输槽的激振动力作用下,矿石被连续不断的输送到溜井口上部的条筛上,大块由振动条筛输送到专用二次破碎硐室集中处理;合格块度则直接进入溜井,到下部运输水平由振动装矿车运至主井矿仓。实践证明,由轻型组合式振动出矿机出矿,移动式振动运输列车运矿,原矿振动条筛集中处理大块所组成的采场出矿、运矿连续作业线取得良好的技术经济指标。采场大块产出率2.9%,矿石贫化率6.3%,矿石损失率8.1%,采切比19.5m/万t,采场出矿技术生产能力828t/h,作业成本2.48元/t。2.2.2大直径深孔采矿技术“八五”期间,中南工业大学在铜陵凤凰山铜矿对以振动运输列车为主体的连续作业线进行了研究与完善工作。试验采场位于凤矿2#矿体北端,倾角85°,平均厚度10m,矿体上盘为花岗岩,f=6～8,矿石为含铜磁铁矿或赤铁矿为主,f=16～26,坚硬稳固。矿房长54m,高60m,宽6～16m,矿量13.54×104t,如图2。采场上部凿岩硐室宽9～14m,凿岩用CD—360型高风潜孔钻机,钻凿孔径165mm的下向孔,侧向挤压崩矿方案落矿。采用了二次破碎水平的平底式底部结构,安装了5台双台板组合式振动出矿机,放矿口尺寸为2.2m×1.9m(宽×高)。溜井设在采场中央位置,采场南北两端由4台和7台振动运输列车组成了两条运输作业线,对中央溜井给矿,通过溜井口的振动条筛将大块运至二次破碎硐室,用YS—50型液压碎石机集中破碎;溜井下部用振动出矿机向矿车装矿,运至矿仓。技术经济指标为:采场综合生产能力813t/d,振动出矿机组技术生产能力325t/h,矿石贫化率8.3%,出矿成本0.93元/t。工业试验再次证明,采用大直径深孔采矿技术与先进的全套国产连续出矿装备、具有回采强度高、出矿能力大、成本低、作业安全、适应性强的特点。特别是在大孔崩矿,连续出矿设备的可靠性及生产能力等方面均有较大进展。2.2.3采场地质概况“八五”期间,北京矿冶研究总院在安庆铜矿进行了以CJDY-1200原矿车架带式运输机为主体的连续出矿系统试验研究。试验采场在安庆铜矿1#矿体9#采场,采场位于1#矿体西倾伏端,-324m水平至-384m水平之间,采场宽15m,长为矿体厚约60m。矿体上盘紧靠F1断层,并以F1断层作为采场上盘端部边界,采场围岩多为蚀变闪长岩;下盘靠矿体有一矽卡岩带,节理裂隙发育,较为破碎。采准主要包括底部结构与凿岩硐室(见图3)。底部结构主要包括皮带巷道、堑沟凿岩巷道、二次破碎巷道、振动出矿口及溜矿井。爆破采用小断面拉槽与大孔侧崩联合落矿方案。整个底部连续出矿系统为:采场的助流振动条筛—固定格筛—振动给矿机—溜矿井。试验采场主要的技术经济指标为:采场综合生产能力1061t/d;采场平均出矿能力1708t/d;回采直接成本4.16元/t;大块产出率1.9%;采矿损失率8.5%;矿石的贫化率2.6%,经济效益显著。2.2.4试验研究和试验效率“九五”期间,铜陵凤凰山铜矿研究探索区域连续大量采矿工艺技术,提出以矿段为回采单元的连续大量采矿工艺技术,即“无间柱连续大量采矿”技术(见图4)。工业试验在凤凰山铜矿-360m中段的2#号矿体,倾角为75～85°,平均厚度20～25m。矿石坚硬稳固,而水平节理发育,局部矿段比较破碎。矿体上盘为花岗闪长岩,属中等稳固;下盘为灰岩,较稳固。试验矿段选定在-360m至-300m2#矿体的原8号矿柱与9号矿房。矿段沿走向长45m,高48m,宽为矿体的厚度,平均为14m。矿体倾角75°以上。设计采矿量11.5×104t,铜矿石品位0.93%。试验矿段长45m,高48m,分为两个宽度不等的作业区,先采15m宽的一分区,一分区崩矿、出矿完成后,跟随采用高水尾砂胶结料进行快速充填,分区间预留5.5m宽的临时矿壁。该矿壁待二分区崩矿、出矿结束时,一次崩落,并组织快速放出。采场出矿振动机组连续作业系统由3台FSZ—Ⅱ型振动出矿机、7节HZY型分节振动运输列车、原矿振动条筛和溜井下部装载及中段运输等设备组成。其出矿运矿作业程序是:采场崩落矿石→大出矿口的振动出矿机放出→振动运输列车→溜井口的振动条筛→合格块度到溜井(不合格矿石进行二次破碎)→XL—20型7t架线式电机车→主井矿仓。由此实现采场出矿、运矿、筛分和处理大块的连续作业。试验取得了良好的技术经济指标:采场综合生产能力845t/d(按实际工作日算),采场连续出矿能力554t/h(技术生产能力);实际平均出矿能力185t/h,采场振动连续出矿成本1.05元/t;回采作业成本4.55元/t,大块产出率5%,采矿损失率9.15%,矿石的贫化率8.17%,试验研究取得了十分明显的经济效益。3中国连续开采技术的发展方向我国地下金属矿山连续开采技术在以下几个方面仍需要继续发展。1低层次开采模式目前我国连续出矿、运矿技术和设备得到迅速发展,但采矿方法和工艺没有大的突破,对低层次的开采模式,偏重设备的研制和试验是正确的,但向高层次模式发展,必须加强工艺与设备的合理配套、适合连续工艺设备的合格块度标准优化、连续工艺的合理应用范围、作业集中程度的优化确定等问题理论研究,创造与连续采矿技术相适应的连续采矿理论基础。2无矿体连续开采技术的应用和研究各地大小规模的工业试验都集中在矿房的连续回采,而没有更深层次的研究。因此,应加强无矿体连续开采技术的研究。采用不留矿柱、一步骤快速推进,实现高阶段、大矿段连续回采,并建立与之相适应的连续运输系统是今后连续开采发展的大趋势。3矿山安全生产机理目前,我国部分地下矿山已实现了矿房或矿体(床)的连续回采,但随之而来的许多新的岩石力学问题还没能得到解决,这对矿山的安全生产无疑是一个潜在的隐患。从采矿方法而言,连续开采的根本是地压问题,主要是研究其机理,探明时空分布及转移规律等。今后应通过计算机数值模拟、相似材料模拟等手段加强连续采矿工艺的岩石力学研究,并在矿山建立观测站和观测网,采用多种手段对围岩(或充填体)应力、位移和稳定状态进行全面监测,对岩体的稳定性状况进行预测预报。4回采效率不高目前,我国地下金属矿山除崩落采矿法外,大都采用留房间矿柱的二步骤回采,矿柱损失大,回采效率不高。变革现在开拓系统与回采顺序,采用不留矿柱,一步骤快速推进,实现高阶段、大矿段连续回采,并建立与之相适应的连续运输系统是今后