地下金屬礦山連續(xù)開采技術(shù)研究綜述

地下金屬礦山連續(xù)開采技術(shù)研究綜述

隨著地下采礦規(guī)模的不斷擴大和采礦深度的增加，技術(shù)的難度非常復(fù)雜。連續(xù)開采技術(shù)是解決這些難題的有效途徑之一。它對21世紀礦山向開采縱深化、規(guī)模大型化、設(shè)備機械化、操作自動化、生產(chǎn)連續(xù)化、管理現(xiàn)代化方向發(fā)展具有重大意義。1地下金屬礦山連續(xù)工藝“地下礦山連續(xù)開采”這一概念隨著現(xiàn)代礦山技術(shù)的發(fā)展逐步完善?！暗叵碌V山采礦連續(xù)工藝”依礦巖軟硬程度的不同有2種形式:一是在硬度不大的礦巖如煤礦、鉀鹽等礦床開采中的采掘全工藝過程(如切割、落礦、裝載、運搬)在同一空間內(nèi)平行連續(xù)作業(yè);二是在礦巖堅硬的礦山,如金屬礦,在礦體、階段或礦塊的回采過程中落礦、出礦、運礦三大工序各自具有相對獨立的作業(yè)條件,各工序間的相互協(xié)調(diào),在不同的空間平行作業(yè),由此組成高效率的連續(xù)開采工藝系統(tǒng)。地下金屬礦山連續(xù)工藝僅僅指礦塊(礦房)回采工藝的連續(xù)性,只是連續(xù)開采的一個層次。連續(xù)開采主要包括4個層次的內(nèi)容。1.1高效、低生產(chǎn)智能化采場充填技術(shù)礦房的連續(xù)回采是指在采場的回采過程中落礦、出礦、礦石運搬工藝的連續(xù)作業(yè)。研究的主要內(nèi)容有適合于連續(xù)回采的采礦方法及采場結(jié)構(gòu),高效率、低大塊率的鑿巖、落礦技術(shù),高效耐用和經(jīng)濟的采場連續(xù)出礦和連續(xù)運搬設(shè)備。其目的是實現(xiàn)高效率、高能力的落礦、出礦、運礦的采場連續(xù)回采。這個層次下一步研究的重點將是大塊的控制管理和出礦、運礦設(shè)備的改進和完善。1.2步驟回采開采模式它是指在礦體(床)的開采過程中,不留或少留礦柱,盡可能采用一步驟回采的開采模式。研究的主要內(nèi)容有:開采方式(上行或下行),采場回采推進順序(前進式或后退式),開拓、采準形式以及有利于采場安全的地壓管理和控制技術(shù)。這一層次還有巨大的發(fā)展空間。1.3礦的分揀運輸?shù)V石的連續(xù)運送,是指井下礦石的轉(zhuǎn)載、運輸、提升等環(huán)節(jié)。研究的主要內(nèi)容有:連續(xù)運送礦石的方式、運送設(shè)備及配套設(shè)備的研制等。該層次為地下開采礦石的后處理工藝,近幾年來,該層次的研究無重大突破,國外很多礦山用特殊的膠帶運輸機實現(xiàn)了地下開采礦石的連續(xù)運送。1.4續(xù)開采層全工藝過程的連續(xù)化是指掘進、落礦、出礦、搬運、運輸?shù)冗^程的連續(xù)化作業(yè),是最高層次的連續(xù)開采,目前,這個層次在軟巖礦中的研究和應(yīng)用發(fā)展迅猛,已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)開采全工藝過程的連續(xù)化。在硬巖開采中的研究難度較大,但如連續(xù)采礦機、沖擊式采礦機、鉆孔射流采礦等已開始投入試驗階段,這一領(lǐng)域具有廣闊的前景,它對于硬巖中實現(xiàn)非爆破采礦具有重大的意義。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1試驗研究及試驗設(shè)備1984年,澳大利亞芒特艾薩礦掘進了一條長1154m,斷面5.9m×3.7m的斜巷,采用美國羅賓斯公司研制的連續(xù)采掘機。該機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,停工檢修時間多,滾刀磨損較快,加之機體龐大,價格昂貴,難以普遍推廣應(yīng)用。美國機械設(shè)計工程師公司開發(fā)的用于連續(xù)開采的自動鉆爆系統(tǒng)是一模塊式機組。它包括:回轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機、裝藥缸和風動沖擊器,此系統(tǒng)的主要特點是使用一種新型的炸藥,裝藥量少,不用雷管起爆。因此,鉆孔、裝藥、爆破和出礦作業(yè)可以不斷重復(fù),設(shè)備不必駛離工作面。目前該系統(tǒng)仍需做一些改進,其存在的主要問題已經(jīng)解決。加拿大CMS連續(xù)采礦公司研制的CL系列裝載機,擺動式裝載機高效率的兩大關(guān)鍵是借助擺動尖刃凸緣使散料流態(tài)化。該機配備有寬大的膠帶運輸機,可以接納較大塊度的物料,并能把來自工作面礦堆的物料準確地向卡車、礦車或膠帶運輸機轉(zhuǎn)載。擺動式裝載機生產(chǎn)能力可達408～906t/h。此外,該裝載機還配備有履帶行車及遙控系統(tǒng)。Snake蛇式轉(zhuǎn)彎膠帶運輸機是加拿大DME公司研制的一種連續(xù)采礦設(shè)備。膠帶寬1～1.2m,帶速3m/s。主要特點是:該機可轉(zhuǎn)30°～90°彎,并能適應(yīng)底板高低稍有變化的條件。運輸機的車架為雙輪胎式,每節(jié)車架長18m。運輸機配有貯帶機構(gòu),膠帶伸縮范圍可達60m。南非在開采含金礫巖型薄礦脈時,試制了液壓沖擊式連續(xù)采掘機。該沖擊器安裝在沿工作面運行的刮板式運輸機的導(dǎo)軌上,沖擊功4kN·m。試驗期間共采出礦巖1.95×104m3。另外,南非還試驗了用高壓水射流技術(shù)采礦,即用磨料水射流切槽,用脈沖水射流鉆孔和劈裂巖石。試驗表明,在水射流中添加細磨料,破巖能力可以提高10倍左右。目前這一方法仍處于試驗階段。前蘇聯(lián)對地下礦連續(xù)開采技術(shù)的研究是以“采礦連續(xù)作業(yè)組”為核心進行的。即以振動出礦機及其后續(xù)的運輸機(包括特殊膠帶運輸機和分節(jié)式振動運輸機)為主體構(gòu)成的連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)。如在強制階段崩落法的連續(xù)采礦作業(yè)試驗中,采用的連續(xù)作業(yè)機組是DB?型統(tǒng)一標準的振動出礦機、K?└П型帶式運輸機、??型自行式轉(zhuǎn)載機、I>A?型振動溜口和機組操縱系統(tǒng)。而在端部出礦的分段崩落采礦法中采用的是由??-2型振動出礦機、BP-80型振動運輸機和ВГ-400型振動篩所組成的KBB-2機組。實踐證明,此類連續(xù)作業(yè)機組生產(chǎn)效率高,能力大,性能可靠,能很好的滿足礦床開采強度的實際需要。2.2中國地下礦產(chǎn)連續(xù)開采技術(shù)的研究我國從“六五”～“九五”4個國家5年發(fā)展規(guī)劃中,該課題始終列為國家重點科技攻關(guān)項目,現(xiàn)將研究成果做一簡要概述。2.2.1垂直走向上的采礦場試驗“七五”期間,在銅陵有色金屬公司獅子山銅礦分別以振動運輸列車和原礦車帶式運輸機為主要連續(xù)運礦設(shè)備的兩條連續(xù)作業(yè)線進行了試驗。著重介紹了前者的情況。試驗在獅子山銅礦西礦段-120m水平的15號礦塊進行,礦體厚度62m,傾角50°左右,礦體中有14m厚的夾層,礦巖均很穩(wěn)固。15號礦塊垂直走向布置,試驗所采用的采場頂板寬13m,階段高40m(如圖1)。礦塊上部-80m水平為大空區(qū),用KY—120鉆機鉆鑿垂直下向平行深孔,側(cè)向崩礦,底部結(jié)構(gòu)為無二次破碎水平的平底式結(jié)構(gòu)。共安裝了3臺輕型組合式振動出礦機,漏斗間距為10m,振動運輸列車由11節(jié)組成,總長度40m,在溜井口上部安裝了原礦振動條篩。出礦時,采場原礦經(jīng)大出礦口的組合式振動出礦機放到振動運輸列車上,在運輸槽的激振動力作用下,礦石被連續(xù)不斷的輸送到溜井口上部的條篩上,大塊由振動條篩輸送到專用二次破碎硐室集中處理;合格塊度則直接進入溜井,到下部運輸水平由振動裝礦車運至主井礦倉。實踐證明,由輕型組合式振動出礦機出礦,移動式振動運輸列車運礦,原礦振動條篩集中處理大塊所組成的采場出礦、運礦連續(xù)作業(yè)線取得良好的技術(shù)經(jīng)濟指標。采場大塊產(chǎn)出率2.9%,礦石貧化率6.3%,礦石損失率8.1%,采切比19.5m/萬t,采場出礦技術(shù)生產(chǎn)能力828t/h,作業(yè)成本2.48元/t。2.2.2大直徑深孔采礦技術(shù)“八五”期間,中南工業(yè)大學(xué)在銅陵鳳凰山銅礦對以振動運輸列車為主體的連續(xù)作業(yè)線進行了研究與完善工作。試驗采場位于鳳礦2#礦體北端,傾角85°,平均厚度10m,礦體上盤為花崗巖,f=6～8,礦石為含銅磁鐵礦或赤鐵礦為主,f=16～26,堅硬穩(wěn)固。礦房長54m,高60m,寬6～16m,礦量13.54×104t,如圖2。采場上部鑿巖硐室寬9～14m,鑿巖用CD—360型高風潛孔鉆機,鉆鑿孔徑165mm的下向孔,側(cè)向擠壓崩礦方案落礦。采用了二次破碎水平的平底式底部結(jié)構(gòu),安裝了5臺雙臺板組合式振動出礦機,放礦口尺寸為2.2m×1.9m(寬×高)。溜井設(shè)在采場中央位置,采場南北兩端由4臺和7臺振動運輸列車組成了兩條運輸作業(yè)線,對中央溜井給礦,通過溜井口的振動條篩將大塊運至二次破碎硐室,用YS—50型液壓碎石機集中破碎;溜井下部用振動出礦機向礦車裝礦,運至礦倉。技術(shù)經(jīng)濟指標為:采場綜合生產(chǎn)能力813t/d,振動出礦機組技術(shù)生產(chǎn)能力325t/h,礦石貧化率8.3%,出礦成本0.93元/t。工業(yè)試驗再次證明,采用大直徑深孔采礦技術(shù)與先進的全套國產(chǎn)連續(xù)出礦裝備、具有回采強度高、出礦能力大、成本低、作業(yè)安全、適應(yīng)性強的特點。特別是在大孔崩礦,連續(xù)出礦設(shè)備的可靠性及生產(chǎn)能力等方面均有較大進展。2.2.3采場地質(zhì)概況“八五”期間,北京礦冶研究總院在安慶銅礦進行了以CJDY-1200原礦車架帶式運輸機為主體的連續(xù)出礦系統(tǒng)試驗研究。試驗采場在安慶銅礦1#礦體9#采場,采場位于1#礦體西傾伏端,-324m水平至-384m水平之間,采場寬15m,長為礦體厚約60m。礦體上盤緊靠F1斷層,并以F1斷層作為采場上盤端部邊界,采場圍巖多為蝕變閃長巖;下盤靠礦體有一矽卡巖帶,節(jié)理裂隙發(fā)育,較為破碎。采準主要包括底部結(jié)構(gòu)與鑿巖硐室(見圖3)。底部結(jié)構(gòu)主要包括皮帶巷道、塹溝鑿巖巷道、二次破碎巷道、振動出礦口及溜礦井。爆破采用小斷面拉槽與大孔側(cè)崩聯(lián)合落礦方案。整個底部連續(xù)出礦系統(tǒng)為:采場的助流振動條篩—固定格篩—振動給礦機—溜礦井。試驗采場主要的技術(shù)經(jīng)濟指標為:采場綜合生產(chǎn)能力1061t/d;采場平均出礦能力1708t/d;回采直接成本4.16元/t;大塊產(chǎn)出率1.9%;采礦損失率8.5%;礦石的貧化率2.6%,經(jīng)濟效益顯著。2.2.4試驗研究和試驗效率“九五”期間,銅陵鳳凰山銅礦研究探索區(qū)域連續(xù)大量采礦工藝技術(shù),提出以礦段為回采單元的連續(xù)大量采礦工藝技術(shù),即“無間柱連續(xù)大量采礦”技術(shù)(見圖4)。工業(yè)試驗在鳳凰山銅礦-360m中段的2#號礦體,傾角為75～85°,平均厚度20～25m。礦石堅硬穩(wěn)固,而水平節(jié)理發(fā)育,局部礦段比較破碎。礦體上盤為花崗閃長巖,屬中等穩(wěn)固;下盤為灰?guī)r,較穩(wěn)固。試驗礦段選定在-360m至-300m2#礦體的原8號礦柱與9號礦房。礦段沿走向長45m,高48m,寬為礦體的厚度,平均為14m。礦體傾角75°以上。設(shè)計采礦量11.5×104t,銅礦石品位0.93%。試驗礦段長45m,高48m,分為兩個寬度不等的作業(yè)區(qū),先采15m寬的一分區(qū),一分區(qū)崩礦、出礦完成后,跟隨采用高水尾砂膠結(jié)料進行快速充填,分區(qū)間預(yù)留5.5m寬的臨時礦壁。該礦壁待二分區(qū)崩礦、出礦結(jié)束時,一次崩落,并組織快速放出。采場出礦振動機組連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)由3臺FSZ—Ⅱ型振動出礦機、7節(jié)HZY型分節(jié)振動運輸列車、原礦振動條篩和溜井下部裝載及中段運輸?shù)仍O(shè)備組成。其出礦運礦作業(yè)程序是:采場崩落礦石→大出礦口的振動出礦機放出→振動運輸列車→溜井口的振動條篩→合格塊度到溜井(不合格礦石進行二次破碎)→XL—20型7t架線式電機車→主井礦倉。由此實現(xiàn)采場出礦、運礦、篩分和處理大塊的連續(xù)作業(yè)。試驗取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟指標:采場綜合生產(chǎn)能力845t/d(按實際工作日算),采場連續(xù)出礦能力554t/h(技術(shù)生產(chǎn)能力);實際平均出礦能力185t/h,采場振動連續(xù)出礦成本1.05元/t;回采作業(yè)成本4.55元/t,大塊產(chǎn)出率5%,采礦損失率9.15%,礦石的貧化率8.17%,試驗研究取得了十分明顯的經(jīng)濟效益。3中國連續(xù)開采技術(shù)的發(fā)展方向我國地下金屬礦山連續(xù)開采技術(shù)在以下幾個方面仍需要繼續(xù)發(fā)展。1低層次開采模式目前我國連續(xù)出礦、運礦技術(shù)和設(shè)備得到迅速發(fā)展,但采礦方法和工藝沒有大的突破,對低層次的開采模式,偏重設(shè)備的研制和試驗是正確的,但向高層次模式發(fā)展,必須加強工藝與設(shè)備的合理配套、適合連續(xù)工藝設(shè)備的合格塊度標準優(yōu)化、連續(xù)工藝的合理應(yīng)用范圍、作業(yè)集中程度的優(yōu)化確定等問題理論研究,創(chuàng)造與連續(xù)采礦技術(shù)相適應(yīng)的連續(xù)采礦理論基礎(chǔ)。2無礦體連續(xù)開采技術(shù)的應(yīng)用和研究各地大小規(guī)模的工業(yè)試驗都集中在礦房的連續(xù)回采,而沒有更深層次的研究。因此,應(yīng)加強無礦體連續(xù)開采技術(shù)的研究。采用不留礦柱、一步驟快速推進,實現(xiàn)高階段、大礦段連續(xù)回采,并建立與之相適應(yīng)的連續(xù)運輸系統(tǒng)是今后連續(xù)開采發(fā)展的大趨勢。3礦山安全生產(chǎn)機理目前,我國部分地下礦山已實現(xiàn)了礦房或礦體(床)的連續(xù)回采,但隨之而來的許多新的巖石力學(xué)問題還沒能得到解決,這對礦山的安全生產(chǎn)無疑是一個潛在的隱患。從采礦方法而言,連續(xù)開采的根本是地壓問題,主要是研究其機理,探明時空分布及轉(zhuǎn)移規(guī)律等。今后應(yīng)通過計算機數(shù)值模擬、相似材料模擬等手段加強連續(xù)采礦工藝的巖石力學(xué)研究,并在礦山建立觀測站和觀測網(wǎng),采用多種手段對圍巖(或充填體)應(yīng)力、位移和穩(wěn)定狀態(tài)進行全面監(jiān)測,對巖體的穩(wěn)定性狀況進行預(yù)測預(yù)報。4回采效率不高目前,我國地下金屬礦山除崩落采礦法外,大都采用留房間礦柱的二步驟回采,礦柱損失大,回采效率不高。變革現(xiàn)在開拓系統(tǒng)與回采順序,采用不留礦柱,一步驟快速推進,實現(xiàn)高階段、大礦段連續(xù)回采,并建立與之相適應(yīng)的連續(xù)運輸系統(tǒng)是今后