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我国金属矿山地下采矿的技术进步 3 张世雄 1 ,褚洪涛 1, 2, 3 1. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430070; 2.国家金属采矿工程技术研究中心, 湖南 长沙 410012; 3.长沙矿山研究院, 湖南 长沙 410012 摘 要我国金属矿山产品需求旺盛,采矿技术进步明显加 快。综述了金属矿山在地下开采、 数字矿山建设等方面,尤 其是在胶结充填采矿、 连续采矿、 废料充填、 深井采矿、 复杂 难采矿床采矿、 溶浸采矿等方面所取得的重大技术进展,这 些进展推进了采矿行业的技术进步,为矿山在不利开采技术 条件下提高效率、 扩大产能发挥了重要作用。 关键词金属矿山;充填采矿;深井采矿;溶浸采矿;数字矿山 中图分类号 TD85 文献标识码A 文章编号 1005 - 27632009 03 - 0001 - 05 Progress in M i n ing Techn ique of Underground M etalM ine i n China Zhang Shixiong1, Chu Hongtao1 ,2,3 1. School of Resource and Environment Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan, Hubei 430070, China; 2. National Engineering Research Center etalMining, Hunan 410012,China; 3. Changsha Institute ofMining Research, Changsha, Hunan 410012, China AbstractThe demand for metallic mineral products keeps ris2 ing, and the progress in mining technology has been accelerated obviously in China. This paper summarizes the great technologi2 cal advances in underground mining, construction of digital mine, construction of digital mine, especially in cemented filling mining, continuous mining, waste material filling, deep mining, the mining technique for complex refractory deposits and solution mining etc. , in China’smetalmines . These technologicalprogres2 ses have promoted the technological progress in China’s mining industry, and have played an important role to improve efficiency and increase production capacity under the unfavorable techno2 logical conditions of exploitation in China’smining enterprises . KeyW ordsMetalmine,Miningwith filling,Deep mining, Solu2 tion mining,Digitalmine 我国已进入矿产资源消耗的高峰期,矿山企业 面对不利的资源禀赋特点和巨大的矿产品自给缺 额,需要不断地通过科技攻关解决技术难题,促使金 属矿山采矿技术在胶结充填采矿、 连续采矿、 无废采 矿、 深井采矿、 复杂难采矿床采矿、 溶浸采矿、 数字矿 山建设等方面取得了重大技术进展,推进了采矿行 业的技术进步,为矿山企业在不利的开采技术条件 下提高效率、 扩大产能发挥了重要作用。 1 胶结充填采矿技术 随着回采和充填工艺逐渐完善,采装设备配套 成型,适合不同矿床开采条件的各种胶结充填采矿 法,如分层充填法、 分段充填法和阶段充填法等显示 出高回收率、 低贫化率的优点,提高了采场产量和劳 动生产率,应用前景日趋广泛。目前,正在从有色、 黄金矿山向铁矿推广,如白象山铁矿、 诺普铁矿、 草 楼铁矿等正在设计采用充填采矿法。 1. 1 盘区高分层充填采矿技术 传统分层充填采矿工艺的分层高度一般在2～ 3 m左右,生产能力和生产效率较低。 凡口铅锌矿盘区机械化高分层充填采矿法,盘 区沿矿体走向布置见图1 ,盘区内划分为矿房、 矿 柱。第一步回采矿房,回采后尾砂胶结充填;第二步 回采矿柱,回采后尾砂充填。采场分层高度达到 4. 5～5 m,运用上向凿岩采矿工艺、 分层采场一次微 差爆破与界面控制爆破技术,从凿岩到出矿全盘大 型无轨机械化配套作业,实现分层充填采矿法集中 强化采矿,标准盘区 3 个采场的生产能力达到 840 t/d,显著提高了生产能力和生产效率。 1. 2 点柱充填采矿技术 点柱式充填采矿法实质上是房柱采矿法和充填 采矿法的结合,兼有房柱法生产能力大和充填法有 效控制地压的优点。主要适用于厚度大于8 m以上 的缓倾斜或倾斜厚大矿体,矿山要求较大的生产规 模,矿石价值较低或品位相对较低,可避免二步骤回 ISSN 1005 - 2763 CN 43 - 1215/TD 矿业研究与开发 第29卷 第3期 M I N I NG R 上向中深孔挤压充填体爆破,放矿形成采空区后立 即进行胶结充填。台车凿岩,铲运机出矿和运料充 填,推卸式铲运机充填接顶,实现了采、 出、 充作业全 盘无轨机械化。 图3 分段胶结充填采矿法 1. 4 高阶段大直径深孔嗣后充填采矿技术 由高效率的落矿技术与阶段嗣后充填工艺相结 合,既发挥了充填采矿法的优点,又能实现高效率、 大规模地下采矿。 采用大孔距小抵抗线爆破、 小断面VCR法掏 槽、 倒梯段侧向崩矿、 水孔排水气囊和水孔装药工 艺,在安庆铜矿成功应用120 m高阶段大直径深孔 采矿工艺。通过铲运机平底出矿,遥控铲运机回收 残矿,采空区嗣后高浓度尾砂胶结充填等工艺的集 成,使采场综合生产能力达到1039 t/d,大量出矿期 间平均生产能力达2418 t/d,采矿工效达67. 4 t/工 班,主要技术经济指标接近国际先进水平。 2 连续采矿技术 2. 1 振动机组连续作业强化开采技术 “ 八五 ” 期间,中南工业大学在凤凰山铜矿对以 振动运输列车为主体的连续作业线进行了研究。采 用二次破碎水平的平底式底部结构,安装5台双台 板组合式振动出矿机,溜井设在采场中央,采场南北 两端由4台和7台振动运输列车组成两条运输作业 线,对中央溜井出矿,通过溜井口的振动条筛将大块 运至二次破碎硐室,用YS - 50液压碎石机集中破 碎;后用振动出矿机向矿车装矿。技术经济指标为 2 矿 业 研 究 与 开 发 2009, 293 采场综合生产能力813 t/d,振动出矿机组技术生产 能力325 t/h,矿石贫化率8. 3。 2. 2 原矿车架带式输送机为主体的连续出矿技术 “ 八五 ” 期间,北京矿冶研究总院在安庆铜矿进 行了以CJDY - 1200原矿车架带式输送机为主体的 连续出矿系统试验研究。底部结构包括皮带巷道、 堑沟凿岩巷道、 二次破碎巷道、 振动出矿口及溜矿 井。试验采场主要技术经济指标为采场平均出矿 能力1708 t/d,采场综合生产能力1061 t/d,采矿损 失率8. 5 ,矿石贫化率2. 6。 2. 3 无间柱连续大量采矿工艺技术 “ 九五 ” 期间,凤凰山铜矿试验以矿段为回采单 元的无间柱连续大量采矿技术。试验矿段矿体倾角 75以上,宽为矿体厚度,平均为14 m。上盘为花岗 闪长岩,中等稳固;下盘为灰岩,较稳固。试验矿段 分为两个宽度不等的作业区,先采15 m宽的一分 区,随即用高水尾砂胶结料快速充填。分区间预留 5. 5 m宽的临时矿壁,待二分区崩矿与出矿结束时, 该矿壁一次崩落,快速放出。采场出矿振动机组连 续作业系统由振动出矿机、 分节振动运输列车、 原矿 振动条筛、 溜井下部装载及中段运输等设备组成,实 现了采场出矿、 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连续出矿技 术生产能力为554 t/h,实际平均出矿能力为185 t/h,采场综合生产能力为845 t/d,大块产出率为 5 ,采矿损失率为9. 15 ,矿石贫化率为8. 17。 3 固体废料充填 金属矿床开采的固体废料主要为废石和尾砂。 近年来,研究开发并推广应用了高浓度全尾砂充填、 自然级配废石胶结充填等固体废料充填工艺和技 术,实现了矿山废料资源化和减量排放。 20世纪90年代初,高浓度全尾砂胶结充填技 术在凡口铅锌矿试验成功,随着全尾砂脱水工艺、 活 化制备技术、 高浓度泵压输送和自流输送技术等方 面相继取得重大进展,加速了其推广应用。 铜绿山铜铁矿和南京铅锌银矿采用仓式沉密脱 水新工艺,成功发展了全尾砂膏体泵送充填技术和 结构流自流充填工艺,尾砂利用率达到95以上。 高浓度充填料井下增压输送工艺及装备中的挤压输 送装置采用全新的无阀结构,借助料浆的自然压头 实现挤压输送,实现了我国现有分级尾砂充填系统 的低成本技术升级。 自然级配废石胶结充填技术以矿山废石作为充 填材料,利用采空区落差条件,通过充填料分流输送 和自淋混合新工艺,将充填效率提高到传统胶结充 填工艺的15～25倍,水泥耗量下降50～70。 另外,利用氧化铝厂赤泥的潜在活性,研制了成 本低廉,性能优良的赤泥胶结充填材料,改善了充填 料的流动性能,有利于充填接顶。 4 深井采矿技术 4. 1 深部开采条件重构理论与技术 开采条件重构指通过一定的技术和工程,改造 原有开采技术条件,创造合适的开采环境。在凡口 铅锌矿研究开发的高地应力卸荷、 钢纤维混凝土支 护、 排热通风等理论与技术,为深部矿床实现高效采 矿创造了条件。 1高地应力卸荷。在回采过程中,通过采场 局部弱化技术和合理的回采顺序,调整围岩应力分 布状态,使应力集中部位向深部转移。在开挖结构 的近表层形成低应力卸荷圈,在围岩深部形成应力 集中的自承载圈。一方面使自承载圈岩体处于三向 应力状态,提高矿岩强度,降低岩体破坏的可能性, 发挥围岩自支承能力;另一方面,由于大部分载荷和 应力集中由自承载圈承担,为卸荷圈岩体的稳定提 供了保障。自承载圈和卸荷圈相辅相成、 互为依存, 可显著提高开挖结构的稳定性,为高应力条件下大 规格采场实现安全高效采矿创造了条件。 2钢纤维混凝土支护技术。钢纤维混凝土良 好的强度、 韧性和吸收变形能的能力,优异的抗冲 击、 抗疲劳能力,能阻滞基体混凝土裂缝发展,提高 破裂后的韧性和耐久性,可有效地防治深部开采高 地应力条件下的岩爆发生。 3高温矿井排热通风技术。开发出基于空气 与岩石热交换原理的高温矿井排热通风技术,以及 复杂通风网络智能优化技术和通风环境分析软件。 该技术在复杂的高温矿井条件下,充分发挥上部巷 道的调热机能,使空气到达井下作业面时温度最低。 基于空气与岩石热交换原理的深井排热降温技术与 制冷降温技术相比较,可降低能耗70。 4. 2 矿山安全保障技术 近年来,在岩爆倾向性评判、 全数字微震监测和 岩体失稳预报等理论与技术研究方面取得显著成效。 1岩爆倾向性多因素综合评判方法。采用正 态Fuzzy集的贴近度理论和模糊识别间接法,建立 3 张世雄,等 我国金属矿山地下采矿的技术进步 了岩爆倾向性多因素综合评判模型及其评价指标 体系。 2地压微震监测与震源定位。在凡口铅锌矿 建立了国内矿山第一套64通道现开通16通道 全数字微震监测系统,实现了微震信号的实时监测、 信号的远传输送、 实时分析和处理,以及可视化三维 立体显示等功能,为地压灾害的实时监测和预报提 供了技术支持。研究采用高桥法和单纯形法相结 合,对微震事件进行高精度空间定位,实际震源空间 定位误差小于5 m。 3岩体失稳声发射预报方法。通过实验发现 岩体的破坏具有两个声发射参数前兆特征声发射 事件数出现相对平静期;微震事件的强度分形维值 和时间序列的关联维值出现降低并趋向最小。根据 这两个监测特征,可以做出可能出现岩体失稳灾害 的预报,据此建立起基于微震监测技术的地压灾害 双特征预报方法。通过实时提取可能发生破坏性地 压灾害的声发射事件的前兆信息,实现经验和理论 方法相结合的地压灾害预报预警。 5 复杂难采矿体采矿技术 5. 1 破碎难采矿体采矿技术 对丰山铜矿东部破碎难采矿体,研究开发出非 均质矿体矿块崩落采矿技术。采用分区拉底工艺, 抑制夹石的混入和放出;采用小断面超前光面爆破 工艺,以及喷、 浇、 锚网与壁后注浆联合支护技术,构 建整体承载结构,解决了极其破碎岩层中的巷道掘 进与支护问题。为丰山铜矿在低品位、 岩石非均质、 形态复杂、 夹石比例大的破碎难采矿体中成功使用 矿块崩落法创造了条件。 5. 2 复杂条件下采矿工艺 铜绿山铜矿在一次回采后留下大量条柱残矿, 这些残矿柱受到一次采矿爆破的影响,完整性受到 破坏,均处于地压集中区,在承压过程中易遭受二次 破坏;且矿柱受松散充填料包裹,采矿条件恶劣。为 此,研究开发了上向梯段胶结充填采矿法。在较安 全的小空间内作业,回采作业从拉底层开始自下而 上分层进行,实行采一充一的循环作业工序。为了 提高采场自撑能力,回采工作面以梯段方式推进。 回采时先将超前落矿槽挑高,然后对落矿槽两侧底 部进行扩采,使采空区形成一个近似拱形的梯形断 面。扩采宽度视矿柱宽度而定,保留两侧矿壁,沿矿 柱采场全宽扩采。 6 原地溶浸采矿工艺 铜矿峪铜矿成功地实现了3. 5万t氧化铜矿石 的原地溶浸采矿,开发形成了“ 孔网布液,静态渗 流,注浆封底,综合回收 ” 的一整套技术,填补了我 国地下溶浸采矿技术的空白。采场爆破矿石的块度 80小于196 mm。 武山铜矿进行的钻孔原地溶浸采矿试验,试验 矿块矿量1. 5万t,平均品位1. 2 ,氧化率63。 注液孔间距6～8 m,经过5 a的系统试验,探索出适 应于原地钻孔浸出的生产工艺与技术参数。该技术 的试验成功,使列为表外矿的400多万t氧化矿得 到利用,扩大了可采资源量。 寿王坟铜矿上部塌陷区损失的矿石量达500万 t以上,加上未采贫矿、 边角矿及氧化矿,共有残矿 650万t。通过塌陷区残留矿石就地细菌浸出试验, 形成了“ 就地布液,细菌浸出,耙道收液,湿法提铜 ” 综合工艺,为地下铜矿山的残矿回收提供了宝贵经 验。工业试验指标见表1。 表1 溶浸采矿工业试验指标 矿山名称 浸出液浓 度g/l 浸出率 集液率 萃取率 电积率 综合回收 率 铜矿峪铜矿2. 18977. 879299. 599. 570 武山铜矿2. 56885959853. 8 寿王坟铜矿68. 1193. 4899. 599. 563 7 数字矿山技术 国外矿山企业的信息化已与其它行业站在了同 一水平,实现了矿山生产过程的可视、 可控、 可调和 高效率、 高安全性与决策的科学化。我国目前仍处 于数字矿山建设的起步阶段。 7. 1 资源开采环境与可视化模型 资源开采环境与可视化模型是数字矿山建设的 基础。目前,我国已利用大型矿山工程软件,在凡 口、 冬瓜山、 安庆等多座矿山建成了资源开采环境与 可视化模型。 7. 2 矿山井下/井上综合通讯技术 已研究开发出适宜于井下/井上综合通讯系统 的成熟通讯技术,如基于泄露通讯机制的井下/井上 综合通讯技术、 基于光纤的有线综合通讯技术、 基于 IEEE802. 11. b通讯协议的无线综合通讯技术等。 7. 3 生产调度与过程控制技术 下转第8页 4 矿 业 研 究 与 开 发 2009, 293 3结构面的连通性是评价岩体工程性质的一 个重要指标,与岩体的综合抗剪强度关系密切。一 般二维假定计算得到的连通率大于三维连通率,所 得到的岩体抗剪强度也小于岩体实际的综合抗剪 强度。 参考文献 [1]黄润秋,等.复杂岩体结构面精细描述及其工程应用[M ].北 京科学出版社, 2004. [2]江智明,杨天鸿,等.边坡岩体结构面调查及渗透特性分析 [J ].露天采煤技术, 1999, 2 16～17. [3]刘艳章.岩体结构面分布的分形特征及岩体质量评价研究 [D ].武汉武汉科技大学, 2004. [4]范留明,黄润秋.一种估计结构面迹长的新方法及其工程应 用[J ].岩石力学与工程学报, 2004, 231 53～57. [5 ]杜景灿,等.节理岩体二维和三维连通特性对比分析[J ].岩 石力学与工程学报, 2004, 6 1824～1831. [6 ]肖建勋,程远帆,王利丰.岩体结构面连通率研究进展及应用 [J ].地下空间与工程学报, 2006, 2 2 325～328. [7 ]王国欣.不连续面三维网络在RQD中的应用研究[ J ].岩石 力学与工程学报, 2002, 12 1761～1764. [8 ]方 涛,柴军瑞,胡海涛,等. Monte Carlo方法在岩体裂隙结 构面模拟中的应用[J ].露天采矿技术, 2007, 1 7～9. [9 ]王 旭,晏鄂川,柴军瑞,等.基于结构面网络模拟的桥基岩 体空间状态分析[J ].岩土力学, 2006, 27 4 601～604. [10]陈剑平. X2检验假设分布有效性的岩体工程应用[ J ].长春 地质学院院报, 1996, 7 332～335. [11]李建斌,等.岩体硬性结构面精测及量化处理[J ].成都理工 学院报, 2001, 282 144～147. 上接第4页 生产调度与控制过程建立在综合通讯系统平台 上,实现对人员与设备跟踪定位、 设备运行状态控 制。视频监视系统与虚拟现实系统实现对采矿的生 产调度与过程控制,这是数字矿山建设的高级阶段。 7. 4 矿山综合安全监控与预警系统 系统采用传感器采集各种数据,通过井下/井上 综合通讯平台进行数据传输,在主控中心采用专门 的分析及预警软件对数据进行分析,及时预警。 8 结 语 安全高效的深井采矿技术的重要性日显突出, 信息技术的发展将为采矿工艺和技术的发展带来突 破。数字信息技术在采矿工艺优化、 采矿工程设计、 生产调度、 设备智能化、 灾害预报及无人采矿系统等 方面的应用得到长足发展。无废采矿技术已纳入我 国中长期科技发展规划。无废、 少废采矿工艺技术 的创新及其技术的工程化集成配套,将成为我国矿 山技术的主要发展方向。 参考文献 [1]周爱民.有色矿山采矿技术新进展[J ].采矿技术, 2006 3 1～7. [2]周爱民.建国以来我国金属矿采矿技术的进展与未来展望 [J ].矿业研究与开发, 1999, 4 1～4. [3]周爱民.基于工业生态学的矿山充填模式与技术[D ].中南 大学, 2004. [4]周爱民.矿山废料胶结充填[M ].北京冶金工业出版社, 2007. [5]周爱民.中国充填技术概述[ J ].矿业研究与开发, 2004, 24 5 1～7. [6 ]古德生,李夕兵.有色金属深井采矿研究现状与科学前沿 [J ].矿业研究与开发, 2003, 5 1～5. [7 ]古德生,李夕兵,等.现代金属矿床开采科学技术[M ].北京 冶金工业出版社, 2006. [8 ]黄志伟,古德生.我国矿山无废开采的现状[J ].矿业研究与 开发, 2002, 22 4 9～10. [9 ]战 凯.地下金属矿山无轨采矿装备发展趋势[J ].采矿技 术, 2006, 63 35～38. [10]孙恒虎,黄玉诚,杨宝贵,等.当代胶结充填技术[M ].北京 冶金工业出版社, 2002. [11]郭金峰.论地下矿山无废料开采技术的研究[J ].金属矿山, 2001, 3 12～14. [12]李冬青.我国金属矿山充填技术的研究与应用[J ].采矿技 术, 2001, 12 16～19. [13]褚洪涛.我国金属矿山大水矿床的地下开采采矿方法[ J ]. 采矿技术,2006, 63 49～52. [14]戴克俭.地下开采技术的新进展[J ].中国钼业, 1999, 5 15～18. [15]董振民,范庆霞,金闯.大间距集中化无底柱采矿新工艺研究 的进展[J ] .采矿技术, 2003, 1 10～13. [16]郭树林,金家瑞,孙立明.地下金属矿山采矿技术进展及研究 方向[J ].黄金, 2003, 1 17～21. [17]张传信,郭金峰,远 洋.我国冶金矿山复杂难采矿体开采技 术现状与展望[J ].采矿技术, 2006, 3 8～10. [18]王李管,曾庆田,贾明涛.数字矿山整体实施方案及其关键技 术[J ] .采矿技术, 2006, 3 493～498. [19]吴爱祥,韩 斌,古德生,等.国内外地下金属矿山连续开采 技术研究的发展[J ].矿冶工程, 2002, 3 7～10. [20]牛京考.回眸50年展望新世纪 黑色冶金矿山科学技术 回顾与展望[J ].金属矿山, 1999, 3 1～7. 8 矿 业 研 究 与 开 发 2009, 293