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(kuò)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(duì)21世紀(jì)礦山向開采縱深化、規(guī)模大型化、設(shè)備機(jī)械化、操作自動(dòng)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(guò)程(如切割、落礦、裝載、運(yùn)搬)在同一空間內(nèi)平行連續(xù)作業(yè);二是在礦巖堅(jiān)硬的礦山,如金屬礦,在礦體、階段或礦塊的回采過(guò)程中落礦、出礦、運(yùn)礦三大工序各自具有相對(duì)獨(dú)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(gè)層次。連續(xù)開采主要包括4個(gè)層次的內(nèi)容。1.1高效、低生產(chǎn)智能化采場(chǎng)充填技術(shù)礦房的連續(xù)回采是指在采場(chǎng)的回采過(guò)程中落礦、出礦、礦石運(yùn)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(chǎng)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(jì)的采場(chǎng)連續(xù)出礦和連續(xù)運(yùn)搬設(shè)備。其目的是實(shí)現(xiàn)高效率、高能力的落礦、出礦、運(yùn)礦的采場(chǎng)連續(xù)回采。這個(gè)層次下一步研究的重點(diǎn)將是大塊的控制管理和出礦、運(yùn)礦設(shè)備的改進(jìn)和完善。1.2步驟回采開采模式它是指在礦體(床)的開采過(guò)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(chǎng)回采推進(jìn)順序(前進(jìn)式或后退式),開拓、采準(zhǔn)形式以及有利于采場(chǎng)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(yùn)輸?shù)V石的連續(xù)運(yùn)送,是指井下礦石的轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸、提升等環(huán)節(jié)。研究的主要內(nèi)容有:連續(xù)運(yùn)送礦石的方式、運(yùn)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(lái),該層次的研究無(wú)重大突破,國(guó)外很多礦山用特殊的膠帶運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)了地下開采礦石的連續(xù)運(yùn)送。1.4續(xù)開采層全工藝過(guò)程的連續(xù)化是指掘進(jìn)、落礦、出礦、搬運(yùn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的連續(xù)化作業(yè),是最高層次的連續(xù)開采,目前,這個(gè)層次在軟巖礦中的研究和應(yīng)用發(fā)展迅猛,已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)開采全工藝過(guò)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(jī)、沖擊式采礦機(jī)、鉆孔射流采礦等已開始投入試驗(yàn)階段,這一領(lǐng)域具有廣闊的前景,它對(duì)于硬巖中實(shí)現(xiàn)非爆破采礦具有重大的意義。2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1試驗(yàn)研究及試驗(yàn)設(shè)備1984年,澳大利亞芒特艾薩礦掘進(jìn)了一條長(zhǎng)1154m,斷面5.9m×3.7m的斜巷,采用美國(guó)羅賓斯公司研制的連續(xù)采掘機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,停工檢修時(shí)間多,滾刀磨損較快,加之機(jī)體龐大,價(jià)格昂貴,難以普遍推廣應(yīng)用。美國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)工程師公司開發(fā)的用于連續(xù)開采的自動(dòng)鉆爆系統(tǒng)是一模塊式機(jī)組。它包括:回轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機(jī)、裝藥缸和風(fēng)動(dòng)沖擊器,此系統(tǒng)的主要特點(diǎn)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(jìn),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(jī),擺動(dòng)式裝載機(jī)高效率的兩大關(guān)鍵是借助擺動(dòng)尖刃凸緣使散料流態(tài)化。該機(jī)配備有寬大的膠帶運(yùn)輸機(jī),可以接納較大塊度的物料,并能把來(lái)自工作面礦堆的物料準(zhǔn)確地向卡車、礦車或膠帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載。擺動(dòng)式裝載機(jī)生產(chǎn)能力可達(dá)408～906t/h。此外,該裝載機(jī)還配備有履帶行車及遙控系統(tǒng)。Snake蛇式轉(zhuǎn)彎膠帶運(yùn)輸機(jī)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(diǎn)是:該機(jī)可轉(zhuǎn)30°～90°彎,并能適應(yīng)底板高低稍有變化的條件。運(yùn)輸機(jī)的車架為雙輪胎式,每節(jié)車架長(zhǎng)18m。運(yùn)輸機(jī)配有貯帶機(jī)構(gòu),膠帶伸縮范圍可達(dá)60m。南非在開采含金礫巖型薄礦脈時(shí),試制了液壓沖擊式連續(xù)采掘機(jī)。該沖擊器安裝在沿工作面運(yùn)行的刮板式運(yùn)輸機(jī)的導(dǎo)軌上,沖擊功4kN·m。試驗(yàn)期間共采出礦巖1.95×104m3。另外,南非還試驗(yàn)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(yàn)表明,在水射流中添加細(xì)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(yàn)階段。前蘇聯(lián)對(duì)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(jìn)行的。即以振動(dòng)出礦機(jī)及其后續(xù)的運(yùn)輸機(jī)(包括特殊膠帶運(yùn)輸機(jī)和分節(jié)式振動(dòng)運(yùn)輸機(jī))為主體構(gòu)成的連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)。如在強(qiáng)制階段崩落法的連續(xù)采礦作業(yè)試驗(yàn)中,采用的連續(xù)作業(yè)機(jī)組是DB?型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)出礦機(jī)、K?└П型帶式運(yùn)輸機(jī)、??型自行式轉(zhuǎn)載機(jī)、I>A?型振動(dòng)溜口和機(jī)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(dòng)出礦機(jī)、BP-80型振動(dòng)運(yùn)輸機(jī)和ВГ-400型振動(dòng)篩所組成的KBB-2機(jī)組。實(shí)踐證明,此類連續(xù)作業(yè)機(jī)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(qiáng)度的實(shí)際需要。2.2中國(guó)地下礦產(chǎn)連續(xù)開采技術(shù)的研究我國(guó)從“六五”～“九五”4個(gè)國(guó)家5年發(fā)展規(guī)劃中,該課題始終列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,現(xiàn)將研究成果做一簡(jiǎn)要概述。2.2.1垂直走向上的采礦場(chǎng)試驗(yàn)“七五”期間,在銅陵有色金屬公司獅子山銅礦分別以振動(dòng)運(yùn)輸列車和原礦車帶式運(yùn)輸機(jī)為主要連續(xù)運(yùn)礦設(shè)備的兩條連續(xù)作業(yè)線進(jìn)行了試驗(yàn)。著重介紹了前者的情況。試驗(yàn)在獅子山銅礦西礦段-120m水平的15號(hào)礦塊進(jìn)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(hào)礦塊垂直走向布置,試驗(yàn)所采用的采場(chǎng)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(jī)鉆鑿垂直下向平行深孔,側(cè)向崩礦,底部結(jié)構(gòu)為無(wú)二次破碎水平的平底式結(jié)構(gòu)。共安裝了3臺(tái)輕型組合式振動(dòng)出礦機(jī),漏斗間距為10m,振動(dòng)運(yùn)輸列車由11節(jié)組成,總長(zhǎng)度40m,在溜井口上部安裝了原礦振動(dòng)條篩。出礦時(shí),采場(chǎng)原礦經(jīng)大出礦口的組合式振動(dòng)出礦機(jī)放到振動(dòng)運(yùn)輸列車上,在運(yùn)輸槽的激振動(dòng)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(dòng)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(jìn)入溜井,到下部運(yùn)輸水平由振動(dòng)裝礦車運(yùn)至主井礦倉(cāng)。實(shí)踐證明,由輕型組合式振動(dòng)出礦機(jī)出礦,移動(dòng)式振動(dòng)運(yùn)輸列車運(yùn)礦,原礦振動(dòng)條篩集中處理大塊所組成的采場(chǎng)出礦、運(yùn)礦連續(xù)作業(yè)線取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。采場(chǎng)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(wàn)t,采場(chǎng)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(duì)以振動(dòng)運(yùn)輸列車為主體的連續(xù)作業(yè)線進(jìn)行了研究與完善工作。試驗(yàn)采場(chǎng)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(jiān)硬穩(wěn)固。礦房長(zhǎng)54m,高60m,寬6～16m,礦量13.54×104t,如圖2。采場(chǎng)上部鑿巖硐室寬9～14m,鑿巖用CD—360型高風(fēng)潛孔鉆機(jī),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(tái)雙臺(tái)板組合式振動(dòng)出礦機(jī),放礦口尺寸為2.2m×1.9m(寬×高)。溜井設(shè)在采場(chǎng)中央位置,采場(chǎng)南北兩端由4臺(tái)和7臺(tái)振動(dòng)運(yùn)輸列車組成了兩條運(yùn)輸作業(yè)線,對(duì)中央溜井給礦,通過(guò)溜井口的振動(dòng)條篩將大塊運(yùn)至二次破碎硐室,用YS—50型液壓碎石機(jī)集中破碎;溜井下部用振動(dòng)出礦機(jī)向礦車裝礦,運(yùn)至礦倉(cāng)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:采場(chǎng)綜合生產(chǎn)能力813t/d,振動(dòng)出礦機(jī)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(yàn)再次證明,采用大直徑深孔采礦技術(shù)與先進(jìn)的全套國(guó)產(chǎn)連續(xù)出礦裝備、具有回采強(qiáng)度高、出礦能力大、成本低、作業(yè)安全、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。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(jìn)展。2.2.3采場(chǎng)地質(zhì)概況“八五”期間,北京礦冶研究總院在安慶銅礦進(jìn)行了以CJDY-1200原礦車架帶式運(yùn)輸機(jī)為主體的連續(xù)出礦系統(tǒng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采場(chǎng)在安慶銅礦1#礦體9#采場(chǎng),采場(chǎng)位于1#礦體西傾伏端,-324m水平至-384m水平之間,采場(chǎng)寬15m,長(zhǎng)為礦體厚約60m。礦體上盤緊靠F1斷層,并以F1斷層作為采場(chǎng)上盤端部邊界,采場(chǎng)圍巖多為蝕變閃長(zhǎng)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(zhǔn)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(dòng)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(gè)底部連續(xù)出礦系統(tǒng)為:采場(chǎng)的助流振動(dòng)條篩—固定格篩—振動(dòng)給礦機(jī)—溜礦井。試驗(yàn)采場(chǎng)主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:采場(chǎng)綜合生產(chǎn)能力1061t/d;采場(chǎng)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(jì)效益顯著。2.2.4試驗(yàn)研究和試驗(yàn)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(wú)間柱連續(xù)大量采礦”技術(shù)(見圖4)。工業(yè)試驗(yàn)在鳳凰山銅礦-360m中段的2#號(hào)礦體,傾角為75～85°,平均厚度20～25m。礦石堅(jiān)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(zhǎng)巖,屬中等穩(wěn)固;下盤為灰?guī)r,較穩(wěn)固。試驗(yàn)礦段選定在-360m至-300m2#礦體的原8號(hào)礦柱與9號(hào)礦房。礦段沿走向長(zhǎng)45m,高48m,寬為礦體的厚度,平均為14m。礦體傾角75°以上。設(shè)計(jì)采礦量11.5×104t,銅礦石品位0.93%。試驗(yàn)礦段長(zhǎng)45m,高48m,分為兩個(gè)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(jìn)行快速充填,分區(qū)間預(yù)留5.5m寬的臨時(shí)礦壁。該礦壁待二分區(qū)崩礦、出礦結(jié)束時(shí),一次崩落,并組織快速放出。采場(chǎng)出礦振動(dòng)機(jī)組連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)由3臺(tái)FSZ—Ⅱ型振動(dòng)出礦機(jī)、7節(jié)HZY型分節(jié)振動(dòng)運(yùn)輸列車、原礦振動(dòng)條篩和溜井下部裝載及中段運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備組成。其出礦運(yùn)礦作業(yè)程序是:采場(chǎng)崩落礦石→大出礦口的振動(dòng)出礦機(jī)放出→振動(dòng)運(yùn)輸列車→溜井口的振動(dòng)條篩→合格塊度到溜井(不合格礦石進(jìn)行二次破碎)→XL—20型7t架線式電機(jī)車→主井礦倉(cāng)。由此實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)出礦、運(yùn)礦、篩分和處理大塊的連續(xù)作業(yè)。試驗(yàn)取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo):采場(chǎng)綜合生產(chǎn)能力845t/d(按實(shí)際工作日算),采場(chǎng)連續(xù)出礦能力554t/h(技術(shù)生產(chǎn)能力);實(shí)際平均出礦能力185t/h,采場(chǎng)振動(dòng)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(yàn)研究取得了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。3中國(guó)連續(xù)開采技術(shù)的發(fā)展方向我國(guó)地下金屬礦山連續(xù)開采技術(shù)在以下幾個(gè)方面仍需要繼續(xù)發(fā)展。1低層次開采模式目前我國(guó)連續(xù)出礦、運(yùn)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(duì)低層次的開采模式,偏重設(shè)備的研制和試驗(yàn)是正確的,但向高層次模式發(fā)展,必須加強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(wú)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(yàn)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(qiáng)無(wú)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(jìn),實(shí)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(yùn)輸系統(tǒng)是今后連續(xù)開采發(fā)展的大趨勢(shì)。3礦山安全生產(chǎn)機(jī)理目前,我國(guó)部分地下礦山已實(shí)現(xiàn)了礦房或礦體(床)的連續(xù)回采,但隨之而來(lái)的許多新的巖石力學(xué)問題還沒能得到解決,這對(duì)礦山的安全生產(chǎn)無(wú)疑是一個(gè)潛在的隱患。從采礦方法而言,連續(xù)開采的根本是地壓?jiǎn)栴},主要是研究其機(jī)理,探明時(shí)空分布及轉(zhuǎn)移規(guī)律等。今后應(yīng)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、相似材料模擬等手段加強(qiáng)連續(xù)采礦工藝的巖石力學(xué)研究,并在礦山建立觀測(cè)站和觀測(cè)網(wǎng),采用多種手段對(duì)圍巖(或充填體)應(yīng)力、位移和穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè),對(duì)巖體的穩(wěn)定性狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。4回采效率不高目前,我國(guó)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(jìn),實(shí)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(yùn)輸系統(tǒng)是今后