地下金屬礦山連續(xù)采礦技術(shù)研究

地下金屬礦山連續(xù)采礦技術(shù)研究

1地下金屬礦山連續(xù)大量采礦技術(shù)研究發(fā)展階段地下金屬開采的連續(xù)大規(guī)模開采技術(shù)是國(guó)內(nèi)外采礦界普遍關(guān)注的一個(gè)前沿性研究課題。其主要經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在該技術(shù)可以改善井下工人的作業(yè)環(huán)境和工作條件;可以實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械化、連續(xù)化作業(yè),提高采場(chǎng)的綜合生產(chǎn)能力;可以縮短采場(chǎng)的回采周期,有利于深部地壓的控制和管理;可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高強(qiáng)度的集中強(qiáng)化開采,降低采礦成本,提高開采的經(jīng)濟(jì)效益;可以提高回收率,減少礦產(chǎn)資源的損失浪費(fèi)。因此,它對(duì)于未來21世紀(jì)礦山向開采范圍深部化、規(guī)模大型化、操作自動(dòng)化、生產(chǎn)連續(xù)化、管理現(xiàn)代化方向發(fā)展具有重要的意義。我國(guó)從“六五”～“九五”連續(xù)4個(gè)國(guó)家五年發(fā)展規(guī)劃中,該課題始終被列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行理論研究和科學(xué)試驗(yàn)。在我國(guó),地下金屬礦山連續(xù)大量采礦技術(shù)的研究發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)主要階段:即采場(chǎng)振動(dòng)出礦、采場(chǎng)連續(xù)大量采礦、區(qū)域無(wú)間柱連續(xù)大量采礦階段等。“六五”期間,進(jìn)行了以采場(chǎng)(溜井)振動(dòng)出礦為重點(diǎn)的試驗(yàn)研究,形成了以振動(dòng)放礦理論為核心的理論成果;研制成功了一批各種型號(hào)和規(guī)格的振動(dòng)放礦機(jī),并投入工礦企業(yè)使用,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,促進(jìn)了我國(guó)采礦技術(shù)的進(jìn)步。在“七五”和“八五”科技攻關(guān)中,在采場(chǎng)的連續(xù)采礦工藝技術(shù)方面進(jìn)行了大量的理論、設(shè)備及工藝技術(shù)工業(yè)試驗(yàn)研究,首創(chuàng)了連續(xù)采礦采場(chǎng)運(yùn)搬作業(yè)線,即采場(chǎng)輕型組合式振動(dòng)出礦機(jī)-移動(dòng)式分節(jié)振動(dòng)運(yùn)輸列車-原礦振動(dòng)條篩-采場(chǎng)溜井。研制成功了采場(chǎng)振動(dòng)連續(xù)出礦運(yùn)礦作業(yè)機(jī)組,實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)連續(xù)采礦,標(biāo)志著我國(guó)連續(xù)采礦技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。“九五”期間,研究探索了區(qū)域連續(xù)采礦工藝技術(shù),提出了以礦段為回采單元的連續(xù)采礦工藝技術(shù),即“無(wú)間柱連續(xù)采礦”技術(shù),并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn),取得了理論研究和工業(yè)實(shí)踐的重要成果。筆者重點(diǎn)介紹該項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)試驗(yàn)和研究成果。2礦段位置及礦段工業(yè)試驗(yàn)在銅陵有色金屬(集團(tuán))公司鳳凰山銅礦進(jìn)行。試驗(yàn)在-360m中段的Ⅱ號(hào)礦體,Ⅱ號(hào)礦體沿走向長(zhǎng)500～650m,厚5～60m,平均厚度20～25m,礦體傾角為75°～85°。-360m水平37線有一破碎帶切割破壞礦體,礦體在-240m水平有分支復(fù)合現(xiàn)象。礦石堅(jiān)硬穩(wěn)固,但水平節(jié)理較發(fā)育,局部礦段比較破碎,穩(wěn)固性有所降低。礦體上盤為花崗閃長(zhǎng)巖,易風(fēng)化,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-300mⅡ號(hào)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11.5萬(wàn)t,銅礦石品位0.93%。3采礦工藝和采場(chǎng)充填技術(shù)在成功地實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)放礦和采場(chǎng)連續(xù)采礦后,下一步的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山區(qū)域連續(xù)采礦工藝,即實(shí)現(xiàn)“無(wú)間柱連續(xù)采礦”。研究高效率、高回收率的無(wú)間柱連續(xù)采礦工藝,不僅對(duì)我國(guó)采礦技術(shù)總體水平提高具有重大意義,而且對(duì)鳳凰山銅礦生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展也有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的采礦方法將階段劃分為礦房和礦柱的二步驟回采方案存在著以下無(wú)法解決的技術(shù)難題。(1)所留間柱形態(tài)一般不很規(guī)則,而且因承壓變形甚至破壞,給后期回收帶來很多問題,如工藝復(fù)雜,安全性差,采礦效率低,作業(yè)成本高。(2)由于間柱回收滯后,階段作業(yè)長(zhǎng)期不能結(jié)束,致使井下作業(yè)線越拉越長(zhǎng),形成多中段作業(yè),給礦山生產(chǎn)管理帶來很多困難。井巷工程、風(fēng)水管線及設(shè)備的維護(hù)工作量大,而且礦柱回收困難,回收率低,造成大量礦產(chǎn)資源浪費(fèi),直接影響井下開采的經(jīng)濟(jì)效益。為了變革傳統(tǒng)的采礦方法,“九五”期間,提出了“地下金屬礦無(wú)間柱連續(xù)采礦工藝技術(shù)與裝備研究”這一國(guó)家科技攻關(guān)課題。其主要技術(shù)思想是:將礦體劃分為階段,再將階段劃分為礦段;以礦段為回采單元,礦段間不留間柱;采切、回采、充填三大工序分別在相鄰的3個(gè)礦段中平行進(jìn)行;礦段回采采用采場(chǎng)連續(xù)工藝,礦段回采結(jié)束后,隨即轉(zhuǎn)入快速充填;3個(gè)礦段的作業(yè)相互銜接,階段采礦工作連續(xù)推進(jìn)。由于連續(xù)采礦是以礦段為回采單元進(jìn)行的采礦,礦段間不留礦柱,故稱為“無(wú)間柱連續(xù)采礦”。4非均質(zhì)連續(xù)開采法的回采工藝4.1工藝方案及采場(chǎng)充填方案實(shí)施的總體方案是:將階段劃分為礦段,以礦段為回采單元,不留間柱。采用下向平行深孔側(cè)向崩礦(礦段中部拉切割槽)。無(wú)二次破碎水平的組合式振動(dòng)出礦機(jī)底部結(jié)構(gòu)。用分節(jié)式振動(dòng)運(yùn)輸列車運(yùn)搬礦石。崩礦過程中,靠充填空區(qū)一側(cè)留臨時(shí)隔離礦壁,待本礦段出礦工作將結(jié)束時(shí)再一次崩礦,強(qiáng)化出礦,并隨即快速充填空區(qū)。采切、回采、充填工序在3個(gè)相鄰礦段間平行進(jìn)行,相互銜接,采礦工作面在階段上連續(xù)推進(jìn)。根據(jù)上述技術(shù)思路,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原有礦塊劃分及已有工程的布置情況,采用如圖1所示的無(wú)間柱連續(xù)采礦方案。試驗(yàn)礦段長(zhǎng)45m,高48m,分為2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)的主要結(jié)構(gòu)是:第二分區(qū)(原9號(hào)礦房30m)設(shè)計(jì)采用振動(dòng)出礦的平底式底部結(jié)構(gòu),用改進(jìn)完善的振動(dòng)連續(xù)作業(yè)機(jī)組出礦。為降低充填成本,一分區(qū)采用自行研制成功的復(fù)合型高水速凝材料跟隨快速充填;二分區(qū)采用全尾砂充填。第一礦段回采結(jié)束,即可轉(zhuǎn)入第二礦段回采。4.2開采工藝(1)側(cè)向擠壓崩礦切割方案采用CD-90型鉆機(jī)鑿巖,孔徑165mm。采用深孔柱狀藥包側(cè)向擠壓崩礦方案。先以切割天井為自由面,采用深孔爆破分次擴(kuò)槽的方式形成切割槽;再以切割槽為自由面,采用側(cè)向崩礦方式先崩落一分區(qū)礦石,待一分區(qū)出礦完畢準(zhǔn)備充填時(shí),開始二分區(qū)的崩礦出礦。(2)種不同形式的底部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)礦段設(shè)計(jì)分為2個(gè)作業(yè)區(qū)進(jìn)行回采,因此設(shè)計(jì)采用了2種不同形式的底部結(jié)構(gòu)。一分區(qū)為漏斗底部結(jié)構(gòu),采用T4G出礦,二分區(qū)設(shè)計(jì)為無(wú)二次破碎水平的振動(dòng)出礦底部結(jié)構(gòu),采用振動(dòng)連續(xù)作業(yè)機(jī)組出礦。(3)我會(huì)的在一分區(qū)崩礦出礦后跟隨用高水尾砂固結(jié)充填采空區(qū),形成具有一定強(qiáng)度(大于1.5MPa)的充填體。二分區(qū)采用全尾砂充填。(4)臨時(shí)采場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器主要監(jiān)控對(duì)象是臨時(shí)礦壁和一分區(qū)充填體及上盤圍巖。采用的主要手段是位移監(jiān)測(cè)和巖音監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器是SIR-2系統(tǒng)或RS-1614系統(tǒng)。其目的一方面監(jiān)測(cè)采場(chǎng)大量崩礦期間臨時(shí)礦壁地壓顯現(xiàn)情況,評(píng)價(jià)它的穩(wěn)定性;另一方面監(jiān)測(cè)充填體在地壓和爆破震動(dòng)沖擊作用下自身的穩(wěn)固性,評(píng)價(jià)充填體的可靠性。5連續(xù)開采設(shè)備的開發(fā)5.1出礦作業(yè)程序工業(yè)試驗(yàn)采場(chǎng)連續(xù)出礦、運(yùn)礦作業(yè)工藝系統(tǒng)的布置如圖2所示。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——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)。5.2續(xù)大量采礦試驗(yàn)中研制成功的發(fā)展采場(chǎng)出礦運(yùn)礦連續(xù)作業(yè)機(jī)組主要設(shè)備是在第二階段的采場(chǎng)連續(xù)大量采礦試驗(yàn)中研制成功的。本次試驗(yàn)回采礦段二分區(qū)的出礦、運(yùn)礦連續(xù)作業(yè)設(shè)備是采用經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)完善,其內(nèi)在性能、外型尺寸和聯(lián)結(jié)密封結(jié)構(gòu)等都得到優(yōu)化的新一代定型機(jī)型。(1)組合振動(dòng)出礦機(jī)目前以振動(dòng)電機(jī)作振源的振動(dòng)出礦機(jī),一般將振動(dòng)電機(jī)直接反向安裝固定在振動(dòng)臺(tái)板上,其不足之處是:由于焊接工藝的差異和激振力的過于集中,容易引起臺(tái)板斷裂現(xiàn)象;安裝不方便,電機(jī)的緊固螺栓容易松脫掉落。為了克服上述缺點(diǎn),本次試驗(yàn)采用電機(jī)座與臺(tái)板聯(lián)結(jié)的安裝方法,使振動(dòng)電機(jī)正向水平置于臺(tái)板下方的安裝結(jié)構(gòu)。這種安裝結(jié)構(gòu)激振力在臺(tái)板上分布范圍更合理,振動(dòng)出礦效果更好,電機(jī)便于安裝、維護(hù)和更換。這種組合式振動(dòng)出礦機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)采場(chǎng)放出礦石的適應(yīng)性大,大塊通過能力強(qiáng);動(dòng)力分布均勻,因而對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度要求相對(duì)較低;兩部分電源各自獨(dú)立,出礦時(shí)可同時(shí)啟動(dòng),亦可單獨(dú)啟動(dòng),互不干擾;組合式振動(dòng)出礦機(jī)單臺(tái)重量輕,加工、運(yùn)輸與安裝容易,檢修方便。實(shí)際證明采用這種組合式機(jī)型是一種既能滿足出礦工藝要求,又經(jīng)濟(jì)可靠的結(jié)構(gòu)方案。(2)列車的安裝和道路設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步提高列車的性能,具體設(shè)計(jì)改進(jìn)有:槽體由梯形斷面改為矩形斷面,并增大了槽體的剛度和強(qiáng)度;彈性元件采用自行試制成功的金屬橡膠復(fù)合彈簧,并改變了彈性元件的布置形式,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了彈性系統(tǒng)結(jié)構(gòu),基本消除了設(shè)備開機(jī)過共振的橫向擺動(dòng),縮短了過共振時(shí)間,有效降低了工作噪音;機(jī)架由原帶行走輪卡軌器定位安裝結(jié)構(gòu)改為固定式安裝,既簡(jiǎn)化了定位結(jié)構(gòu),又使列車的安裝定位更方便、可靠;激振電機(jī)由槽體下改為安裝于槽體兩側(cè),最大限度降低了列車的高度。實(shí)踐證明,經(jīng)改進(jìn)完善的新一代機(jī)組設(shè)備,整體結(jié)構(gòu)更為完善,工作性能更為穩(wěn)定可靠。6主要研究成果6.1主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(1)采區(qū)綜合生產(chǎn)能力根據(jù)實(shí)際日糧845t/d;(2)礦區(qū)的連續(xù)采礦能力技術(shù)生產(chǎn)能力554t/h,實(shí)際平均出礦能力(按實(shí)際出礦時(shí)間計(jì)):185t/h;(3)采區(qū)開采連續(xù)成本1.05元/t;(4)返回給工作的成本4.55元/t;(5)大生產(chǎn)率(0.65～1.1m)5%,其中大于1.1m的為2.1%;(6)礦石損失率9.15%;(7)礦石貧化率8.17%;試驗(yàn)研究取得的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),達(dá)到或超過科研規(guī)劃的考核指標(biāo),經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。6.2采礦工藝技術(shù)變革為連續(xù)出礦采場(chǎng)提供了重要的技術(shù)保障(1)將礦體劃分為礦段,實(shí)現(xiàn)了以礦段為回采單元,不留間柱的連續(xù)采礦工藝目標(biāo)。突破了把礦體劃分為礦房、礦柱分兩步驟回采的傳統(tǒng)模式,從根本上避免了傳統(tǒng)工藝中礦柱回采所造成的大量礦石損失;避免了因兩步驟回采帶來的作業(yè)線越拉越長(zhǎng),形成多中段作業(yè),給生產(chǎn)管理帶來困難的被動(dòng)局面。該項(xiàng)成果不僅創(chuàng)新了采礦工藝技術(shù),而且變革了回采方案的結(jié)構(gòu)要素。(2)變革了回采工藝,首創(chuàng)在礦段內(nèi)分區(qū)回采新技術(shù),既滿足了連續(xù)采礦工藝的要求,又創(chuàng)造了跟隨快速高能力充填的條件,協(xié)調(diào)了采切、落礦出礦、充填三大工序的關(guān)系。(3)研究了深孔爆破破碎與定向致裂技術(shù),創(chuàng)新了大直徑深孔施爆工藝,使崩礦質(zhì)量大大提高,一次崩礦量大,崩落礦石塊度均勻,大塊產(chǎn)出率低。為采場(chǎng)連續(xù)出礦、有效降低礦石的二次貧化與損失提供了重要的技術(shù)保證。(4)研究成功采場(chǎng)連續(xù)出礦工藝系統(tǒng)和全套設(shè)備。其主要特點(diǎn)是:采場(chǎng)不設(shè)專用的二次破碎巷道,大幅度降低了底柱高度,變革了出礦工藝過程;新一代振動(dòng)連續(xù)出礦運(yùn)礦機(jī)組,強(qiáng)化了連續(xù)大量采礦過程。該機(jī)組設(shè)備是經(jīng)過3次改進(jìn)完善、優(yōu)化設(shè)計(jì)的新一代機(jī)型。該機(jī)組設(shè)備以機(jī)械振動(dòng)原理為依據(jù),直接采用電能,能耗低,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作性能穩(wěn)定,機(jī)組生產(chǎn)能力大,大塊通過性強(qiáng),充分體現(xiàn)了連續(xù)強(qiáng)化回采的技術(shù)特點(diǎn)。全套設(shè)備為我國(guó)自行研制,其造價(jià)低,維修工作量小,有利于降低作業(yè)成本和推廣應(yīng)用。7、地下水開發(fā)階段2013年至今(1)在成功研究和推廣應(yīng)用振動(dòng)放礦技術(shù)、采場(chǎng)連續(xù)采礦工藝技術(shù)后,區(qū)域無(wú)間柱連續(xù)采礦及裝備的試驗(yàn)成功,標(biāo)志著我國(guó)連續(xù)大量采礦進(jìn)入了第3個(gè)研究發(fā)展階段。后續(xù)研究目標(biāo)將是實(shí)現(xiàn)全礦的連續(xù)大量采礦。(2)實(shí)現(xiàn)無(wú)間