地下金属矿山连续采矿技术研究

地下金属矿山连续采矿技术研究

1地下金属矿山连续大量采矿技术研究发展阶段地下金属开采的连续大规模开采技术是国内外采矿界普遍关注的一个前沿性研究课题。其主要经济优势体现在该技术可以改善井下工人的作业环境和工作条件;可以实现矿山机械化、连续化作业,提高采场的综合生产能力;可以缩短采场的回采周期,有利于深部地压的控制和管理;可以实现大规模、高强度的集中强化开采,降低采矿成本,提高开采的经济效益;可以提高回收率,减少矿产资源的损失浪费。因此,它对于未来21世纪矿山向开采范围深部化、规模大型化、操作自动化、生产连续化、管理现代化方向发展具有重要的意义。我国从“六五”～“九五”连续4个国家五年发展规划中,该课题始终被列为国家重点科技攻关项目,投入了大量的人力、物力和财力进行理论研究和科学试验。在我国,地下金属矿山连续大量采矿技术的研究发展经历了3个主要阶段:即采场振动出矿、采场连续大量采矿、区域无间柱连续大量采矿阶段等。“六五”期间,进行了以采场(溜井)振动出矿为重点的试验研究,形成了以振动放矿理论为核心的理论成果;研制成功了一批各种型号和规格的振动放矿机,并投入工矿企业使用,产生了巨大的经济效益和社会效益,促进了我国采矿技术的进步。在“七五”和“八五”科技攻关中,在采场的连续采矿工艺技术方面进行了大量的理论、设备及工艺技术工业试验研究,首创了连续采矿采场运搬作业线,即采场轻型组合式振动出矿机-移动式分节振动运输列车-原矿振动条筛-采场溜井。研制成功了采场振动连续出矿运矿作业机组,实现了采场连续采矿,标志着我国连续采矿技术的发展进入了新的阶段。“九五”期间,研究探索了区域连续采矿工艺技术,提出了以矿段为回采单元的连续采矿工艺技术,即“无间柱连续采矿”技术,并进行了工业试验,取得了理论研究和工业实践的重要成果。笔者重点介绍该项技术的工业试验和研究成果。2矿段位置及矿段工业试验在铜陵有色金属(集团)公司凤凰山铜矿进行。试验在-360m中段的Ⅱ号矿体,Ⅱ号矿体沿走向长500～650m,厚5～60m,平均厚度20～25m,矿体倾角为75°～85°。-360m水平37线有一破碎带切割破坏矿体,矿体在-240m水平有分支复合现象。矿石坚硬稳固,但水平节理较发育,局部矿段比较破碎,稳固性有所降低。矿体上盘为花岗闪长岩,易风化,属中等稳固;下盘为灰岩,较稳固。试验矿段选定在-360m至-300mⅡ号矿体的原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11.5万t,铜矿石品位0.93%。3采矿工艺和采场充填技术在成功地实现了振动放矿和采场连续采矿后,下一步的研究目标是实现矿山区域连续采矿工艺,即实现“无间柱连续采矿”。研究高效率、高回收率的无间柱连续采矿工艺,不仅对我国采矿技术总体水平提高具有重大意义,而且对凤凰山铜矿生产持续发展也有重要的现实意义。因为传统的采矿方法将阶段划分为矿房和矿柱的二步骤回采方案存在着以下无法解决的技术难题。(1)所留间柱形态一般不很规则,而且因承压变形甚至破坏,给后期回收带来很多问题,如工艺复杂,安全性差,采矿效率低,作业成本高。(2)由于间柱回收滞后,阶段作业长期不能结束,致使井下作业线越拉越长,形成多中段作业,给矿山生产管理带来很多困难。井巷工程、风水管线及设备的维护工作量大,而且矿柱回收困难,回收率低,造成大量矿产资源浪费,直接影响井下开采的经济效益。为了变革传统的采矿方法,“九五”期间,提出了“地下金属矿无间柱连续采矿工艺技术与装备研究”这一国家科技攻关课题。其主要技术思想是:将矿体划分为阶段,再将阶段划分为矿段;以矿段为回采单元,矿段间不留间柱;采切、回采、充填三大工序分别在相邻的3个矿段中平行进行;矿段回采采用采场连续工艺,矿段回采结束后,随即转入快速充填;3个矿段的作业相互衔接,阶段采矿工作连续推进。由于连续采矿是以矿段为回采单元进行的采矿,矿段间不留矿柱,故称为“无间柱连续采矿”。4非均质连续开采法的回采工艺4.1工艺方案及采场充填方案实施的总体方案是:将阶段划分为矿段,以矿段为回采单元,不留间柱。采用下向平行深孔侧向崩矿(矿段中部拉切割槽)。无二次破碎水平的组合式振动出矿机底部结构。用分节式振动运输列车运搬矿石。崩矿过程中,靠充填空区一侧留临时隔离矿壁,待本矿段出矿工作将结束时再一次崩矿,强化出矿,并随即快速充填空区。采切、回采、充填工序在3个相邻矿段间平行进行,相互衔接,采矿工作面在阶段上连续推进。根据上述技术思路,结合现场原有矿块划分及已有工程的布置情况,采用如图1所示的无间柱连续采矿方案。试验矿段长45m,高48m,分为2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。采场的主要结构是:第二分区(原9号矿房30m)设计采用振动出矿的平底式底部结构,用改进完善的振动连续作业机组出矿。为降低充填成本,一分区采用自行研制成功的复合型高水速凝材料跟随快速充填;二分区采用全尾砂充填。第一矿段回采结束,即可转入第二矿段回采。4.2开采工艺(1)侧向挤压崩矿切割方案采用CD-90型钻机凿岩,孔径165mm。采用深孔柱状药包侧向挤压崩矿方案。先以切割天井为自由面,采用深孔爆破分次扩槽的方式形成切割槽;再以切割槽为自由面,采用侧向崩矿方式先崩落一分区矿石,待一分区出矿完毕准备充填时,开始二分区的崩矿出矿。(2)种不同形式的底部结构试验矿段设计分为2个作业区进行回采,因此设计采用了2种不同形式的底部结构。一分区为漏斗底部结构,采用T4G出矿,二分区设计为无二次破碎水平的振动出矿底部结构,采用振动连续作业机组出矿。(3)我会的在一分区崩矿出矿后跟随用高水尾砂固结充填采空区,形成具有一定强度(大于1.5MPa)的充填体。二分区采用全尾砂充填。(4)临时采场监测仪器主要监控对象是临时矿壁和一分区充填体及上盘围岩。采用的主要手段是位移监测和岩音监测。监测仪器是SIR-2系统或RS-1614系统。其目的一方面监测采场大量崩矿期间临时矿壁地压显现情况,评价它的稳定性;另一方面监测充填体在地压和爆破震动冲击作用下自身的稳固性,评价充填体的可靠性。5连续开采设备的开发5.1出矿作业程序工业试验采场连续出矿、运矿作业工艺系统的布置如图2所示。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——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。5.2续大量采矿试验中研制成功的发展采场出矿运矿连续作业机组主要设备是在第二阶段的采场连续大量采矿试验中研制成功的。本次试验回采矿段二分区的出矿、运矿连续作业设备是采用经进一步改进完善,其内在性能、外型尺寸和联结密封结构等都得到优化的新一代定型机型。(1)组合振动出矿机目前以振动电机作振源的振动出矿机,一般将振动电机直接反向安装固定在振动台板上,其不足之处是:由于焊接工艺的差异和激振力的过于集中,容易引起台板断裂现象;安装不方便,电机的紧固螺栓容易松脱掉落。为了克服上述缺点,本次试验采用电机座与台板联结的安装方法,使振动电机正向水平置于台板下方的安装结构。这种安装结构激振力在台板上分布范围更合理,振动出矿效果更好,电机便于安装、维护和更换。这种组合式振动出矿机的主要优点是:对采场放出矿石的适应性大,大块通过能力强;动力分布均匀,因而对设备的结构及强度要求相对较低;两部分电源各自独立,出矿时可同时启动,亦可单独启动,互不干扰;组合式振动出矿机单台重量轻,加工、运输与安装容易,检修方便。实际证明采用这种组合式机型是一种既能满足出矿工艺要求,又经济可靠的结构方案。(2)列车的安装和道路设计为了进一步提高列车的性能,具体设计改进有:槽体由梯形断面改为矩形断面,并增大了槽体的刚度和强度;弹性元件采用自行试制成功的金属橡胶复合弹簧,并改变了弹性元件的布置形式,进一步简化了弹性系统结构,基本消除了设备开机过共振的横向摆动,缩短了过共振时间,有效降低了工作噪音;机架由原带行走轮卡轨器定位安装结构改为固定式安装,既简化了定位结构,又使列车的安装定位更方便、可靠;激振电机由槽体下改为安装于槽体两侧,最大限度降低了列车的高度。实践证明,经改进完善的新一代机组设备,整体结构更为完善,工作性能更为稳定可靠。6主要研究成果6.1主要技术经济指标(1)采区综合生产能力根据实际日粮845t/d;(2)矿区的连续采矿能力技术生产能力554t/h,实际平均出矿能力(按实际出矿时间计):185t/h;(3)采区开采连续成本1.05元/t;(4)返回给工作的成本4.55元/t;(5)大生产率(0.65～1.1m)5%,其中大于1.1m的为2.1%;(6)矿石损失率9.15%;(7)矿石贫化率8.17%;试验研究取得的各项技术经济指标,达到或超过科研规划的考核指标,经济效益十分明显。6.2采矿工艺技术变革为连续出矿采场提供了重要的技术保障(1)将矿体划分为矿段,实现了以矿段为回采单元,不留间柱的连续采矿工艺目标。突破了把矿体划分为矿房、矿柱分两步骤回采的传统模式,从根本上避免了传统工艺中矿柱回采所造成的大量矿石损失;避免了因两步骤回采带来的作业线越拉越长,形成多中段作业,给生产管理带来困难的被动局面。该项成果不仅创新了采矿工艺技术,而且变革了回采方案的结构要素。(2)变革了回采工艺,首创在矿段内分区回采新技术,既满足了连续采矿工艺的要求,又创造了跟随快速高能力充填的条件,协调了采切、落矿出矿、充填三大工序的关系。(3)研究了深孔爆破破碎与定向致裂技术,创新了大直径深孔施爆工艺,使崩矿质量大大提高,一次崩矿量大,崩落矿石块度均匀,大块产出率低。为采场连续出矿、有效降低矿石的二次贫化与损失提供了重要的技术保证。(4)研究成功采场连续出矿工艺系统和全套设备。其主要特点是:采场不设专用的二次破碎巷道,大幅度降低了底柱高度,变革了出矿工艺过程;新一代振动连续出矿运矿机组,强化了连续大量采矿过程。该机组设备是经过3次改进完善、优化设计的新一代机型。该机组设备以机械振动原理为依据,直接采用电能,能耗低,设备结构简单,工作性能稳定,机组生产能力大,大块通过性强,充分体现了连续强化回采的技术特点。全套设备为我国自行研制,其造价低,维修工作量小,有利于降低作业成本和推广应用。7、地下水开发阶段2013年至今(1)在成功研究和推广应用振动放矿技术、采场连续采矿工艺技术后,区域无间柱连续采矿及装备的试验成功,标志着我国连续大量采矿进入了第3个研究发展阶段。后续研究目标将是实现全矿的连续大量采矿。(2)实现无间