我国金属矿开采技术发展趋势.pdf

第61卷 第1期有 色 金 属矿山部分2009年1月 我国金属矿开采技术发展趋势 李红零,吴仲雄 广西大学资源与环境学院,广西 南宁530004 摘 要从采矿设备、 矿床无废开采、 深井开采、 复杂难采矿体开采、 露天与地下联合开采、 连续采矿等方面 分析我国金属矿山开采技术的发展趋势。 关键词金属矿山;开采技术;发展趋势 中图分类号TD853 文献标识码A 文章编号1671 - 41722009 01 - 0008 - 03 The Development Trend of Chinese M etalM ineM in ing Technology L IHongling,WU Zhongxiong College of Resource and Environment, GuangxiUniversity,Nanning 530004, China AbstractThe development trend of Chinesemetalminemining technology are analyzed from the aspectsof themin2 ing equipment, ore depositswastelessmining, deep wellmining, complex refractory deposits, open2pit and underground u2 nion mining, continualmining and so on. Key wordsmetalmine; exploit technology; development trend 作者简介李红零1980 - ,男,硕士研究生 金属矿产资源是人类赖以生存和发展的基础。据统计, 我国95的能源和80的工业原料来源于矿产资源,其中 金属矿产资源占有非常重要的地位 [1]。金属矿的开采强度 大幅提高,开采技术不断进步。现阶段我国部分矿山采掘设 备实现了大型化、 自动化和智能化,采矿工艺实现连续或半 连续化,矿山生产与管理广泛应用了计算机技术。今后随着 科学技术的突飞猛进,采矿技术将向设备更加完善可靠,生 产率不断提高,采矿系统不断完善,生产更加安全,矿产资源 开采更加注重生态环境和谐的方向发展 [2]。 1 设备大型化、 智能化 露天矿牙轮钻机的穿孔直径一般为310～380 mm,而直 径559 mm的牙轮钻机已投入生产。挖掘机的斗容达40 m3, 超大型的已达83 m3。矿用汽车发展到300 t级, 236 t和280 t的汽车已投入使用,无人驾驶汽车也已使用。矿用电机车 发展到粘重480 t,交直流电机联动机组驱动。倾角 30 的 大倾角运输机已在露天矿使用。全球卫星定位系统已广泛 用于钻机、 挖掘机及矿用汽车等移动设备的定位、 监控与运 营。 露天矿采矿设备的主要发展方向是研制采用先进技术 特别是电子控制系统、 更加灵巧可靠、 造价较低的设备。 地下矿载重25 t的电动铲运机已下井运营,遥控铲运机 又逐步微型化。120 t七轴大型井下卡车已开始取代45 t和 65 t卡车。国外采矿业比较发达的国家的井下钻机基本上 实现了中深孔全液压化、 深孔大直径高气压化,全液压钻进 技术正向大直径深孔方向发展。我国普遍使用的仍然是2O 世纪6O、7O年代推广的钻机产品,其中YGZ - 90钻架和YQ - 100潜孔钻架仍是大多数矿山的主要钻孔设备。广泛采用 锚喷车、 装药车、 撬毛护顶车、 材料车、 运人车等无轨辅助车 辆。遥控铲运机、 遥控凿岩台车和无人驾驶汽车在地下矿山 试运行,已开发了凿岩机器人、 装载机器人。 地下采矿装备的主要发展方向一是装备无轨化、 液压 化、 自动化程度高。并采用了无人驾驶、 机器人作业等新技 术。二是装备技术性能成熟,可靠性高。三是装备配套,机 械化程度高。地下采矿装备从凿岩、 装药到装运全程实现机 械化配套作业 [3]。 2 金属矿床无废开采技术 矿床开采给矿产资源和生态环境带来的负面效应主要 有4大危害源资源损失、 地表塌陷、 排放废石、 排放尾砂赤 泥 [4]。矿床无废开采模式遵从工业生态学的观点 ,以采矿 活动为中心,将矿山人文环境、 生态环境、 资源环境和经济环 境相互联系起来,构成一个有机的工业系统;在采矿过程中, 以最小的排放量获取最大资源量和企业经济效益;在采矿活 动结束后,通过最小的末端治理使矿山工程与生态环境融为 一个整体。因此,无废开采模式包括3项基本要素资源效 率高;废料流出量小;地表不受破坏 [4]。通过对矿床综合开 发理论与实践的分析,采矿科技人员提出建立无生态危害的 无废采矿系统的3种途径 [3,5] 1 建立无废采矿工艺,即尽可能少地采出废石或直接在 原地回收有用成分。如采用地下溶浸、 溶化、 熔炼、 地下气化 等物理、 化学工艺等开采技术。 2 采矿废料的综合利用。如用作生产建筑材料,筑路、 充填采空区、 土地复垦和贫瘠土地改良,回收有用成分,生产 矿物化肥,用作其它工业部门的原料或添加剂等。 3 将采选过程中的废料全部或部分堆置贮存在井下 矿房或露天采场的采空区以供将来利用。 目前在矿业发达国家回收低品位铜、 金矿石、 铀矿等已 广泛采用溶浸技术,我国也有部分铜、 铀、 金、 银等矿山开始 规模化应用有色金属的溶浸采矿。溶浸采矿技术大致可分 第1期李红零等我国金属矿开采技术发展趋势9 为钻孔溶浸技术和矿堆溶浸技术两大类。目前,溶浸采矿技 术研究发展的方向主要包括布孔工程、 布液和集液工艺、 溶 浸范围/边际控制、 溶浸液与溶浸机理、 控制和监测系统、 输 送和防腐防渗技术及萃取工艺研究等。 金属矿床开采的3大固体废料源为废石、 尾砂矿和赤 泥 [4]。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和赤泥胶结充填等固体废料充填工 艺和技术,能够实现矿山废料资源化和减量排放,达到资源 与环境、 安全、 经济协调发展的综合目标。 我国尾矿数量巨大,据统计约有60亿t,尾矿中金属量 约为10～15 ,有的高达20以上。除铁和各种金属外, 尾矿中绝大部分为非金属元素,这些非金属元素是其它行业 的宝贵资源。要实现尾矿的综合利用,除了要提高选矿回收 技术、 实现尾矿中非金属材料的工业化应用外,在采矿方面 应加强尾矿的开采方法及其工艺技术研究。尤其是大规模 的开采工艺技术的研究,要重点研究尾矿开采设备、 设施及 其配套系统,实现尾矿的高效开采。同时还要加强尾矿开采 过程对尾矿坝稳定性影响的研究,要建立尾矿坝稳定状况监 测系统,研究预测预报方法,确保尾矿开采的安全 [3,6]。 采矿引发的环境破坏已成为不可忽视的严峻问题,无废 开采技术也因此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。 3 深井采矿技术 随着浅部资源的逐渐消耗,矿床开采将向深部发展,安 全高效的深井采矿技术的重要性将显突出。深井采矿,技术 界尚无明确、 统一的概念,一般认为,由于矿床埋藏较深而使 生产过程出现一些在一般矿床开采时不曾遇到的技术难题 时的矿山生产,即为深井采矿。我国现阶段的金属矿山的开 采深度一般都不超过700～800 m,目前国内通常将深度超过 1 000 m的矿山称为深井采矿。 深井开采是一个复杂的系统工程,不只是地下采矿技术 的简单延伸。在面临高应力、 高温、 高井深的“ 三高 ” 特殊条 件下,深井开采除了要面对浅部开采的所有问题外,还需解 决诸多关键技术问题采场地压的控制、 冲击地压的防治、 深 井提升运输、 热害治理和深井的通风排水等。需要攻关的研 究课题有深井围岩应力分布状态的特征及变化形式、 深井 冲击地压防治与监测监控技术、 深井作业环境的变化预测及 降温控温、 深井巷道的高效掘进与支护技术及装备、 深部井 巷布置方法和深井高产高效开采技术研究等等 [10]。 4 复杂难采矿体开采技术 [3, 7 ] 矿产资源中品位高、 开采条件好的矿床大多已经或正在 被利用,今后将面对的水文地质条件复杂、 难采的矿床越来 越多。这部分资源数量十分巨大,据统计我国这类复杂难采 铁矿石储量约85亿t。对于这类矿床采用什么样的采矿方 法、 开拓方式,如何经济有效地做好岩层变形控制、 巷道维 护、 排水疏干、 采空区处理以及地表设施保护等,将是该类矿 床能否实现安全、 经济、 高效开采的关键。要做到这点,迫切 需要开展如下的综合技术研究。 1 松散破碎矿体综合开采技术研究。该类矿床在形成 过程中或形成之后经历了剧烈地质构造运动,造成了矿体和 其周围岩体或矿体和其周围矿体的严重破碎构造。因此应 加强该类矿区的工程地质研究评价,研究矿、 岩体破碎状态 及在开采过程中的破坏模式及其可能产生的影响;研究该类 矿岩的采准巷道总体开采布局的优化;研究支护加固最优方 案、 与其相适应的采矿工艺配套技术;研究、 引进消化国外先 进高效采矿设备,并使其国产化;研究矿床开采经济效果,寻 求高效开发利用方案。 2 富含水层矿体或大水层体覆盖下矿体开采综合技术 研究。这类矿床应首先弄清楚水体或水系与矿体之间尤其 是矿体在开采过程中的两者之间的动态关系。加强矿、 岩体 能量集聚与消散规律及其控制理论研究;加强岩层变形破坏 和涌水状况监测方法及预报系统研究;加强研究不同的采矿 顺序、 开拓和采准工程布置、 采场结构参数、 回采工艺技术等 对采场稳定性的影响状况和岩层移动控制技术;加强研究全 尾矿充填体快速脱水技术以及低廉、 高效的全尾矿浆料制 备、 贮存、 输送与充填方法和技术。 3 残留矿体开采技术研究。开发利用这类资源必须进 一步加强残留矿体合理开采方法和采场结构参数的优化研 究;加强采空区及残留矿体的探测技术研究;加强残留矿体 开采过程中的损失贫化控制技术研究;加强残留矿体开采过 程中地压控制技术研究;加强境界外矿体开采的工艺技术研 究;加强开采境界外矿体对采场边坡稳定性影响的研究;加 强露天矿边坡和残留矿体开采过程中的岩层变形监测预报 系统研究,确保露天边坡的稳定性和该类矿体开采的安全 性。 5 露天开采及露天地下联合开采技术 我国现阶段金属露天矿山虽不多,但露天采矿产量较 大,其中约80的矿石为露天开采。露天开采工艺与装备技 术也得到了迅速发展。采矿工艺实现了连续化或半连续化, 可移式破碎站的应用,使汽车运输始终处于最佳运距;陡坡 铁路运输的研究应用也取得了相当进展, 50‰～55‰ 坡度的 工业试验已经开展;振动给矿机转载站在深凹露天矿汽车一 铁路联合运输系统中得到较好的应用;高陡边坡加固技术已 得到成功应用。今后,我国露天矿开采技术研究的重点是 研究开采工艺的综合化,研究综合工艺的优化开采理论与设 计方法;开发更大粘重 480 t牵引机组等配套设备和设 施,研制更陡坡度 60 ‰铁路运输技术;研究开采工艺节能 技术;研究深部采场的通风技术等问题。 深部矿体露天转地下开采技术在国外有较系统的研究, 并且积累了较为丰富的实践经验,而国内无论是在基础理论 上还是在技术内涵、 适应条件的研究上均不太成熟,还处于 不断的探索之中。目前国内正在或即将要露天转地下开采 的矿山较多。因此,针对这些矿山开展全面系统的研究,寻 找露天转地下开采的合理方法和途径,将是我国采矿工作者 今后一段时间工作的重点之一。这方面的研究主要涉及露 天 地下联合开采工艺系统研究、 露天与地下合理开采范围 与条件的界定、 联合开采运输系统的衔接、 保持采场稳定的 开采隔离层厚度、 露天与地下采场爆破的影响关系、 岩体位 移的分析和预报、 以及露天一地下开采的排水、 通风防尘等 技术问题 [3]。 6 连续采矿技术 连续采矿技术的实质是以整个矿段作为大型采场,采矿 10 有 色 金 属矿山部分第61卷 作业分工序在不同的空间和时序上平行进行,但整体向前连 续推进 [10]。采矿界早在上世纪 60年代就开始了连续采矿 技术方面的研究,在连续硬岩切割采矿机研制、 振动放矿技 术与设备研究、 带式运输机研制等方面取得了一些重要成 果,并成功进行了工程化应用。目前业内研究的重点在于连 续硬岩切割采矿机,其机型由于使用的切割刀盘价格昂贵且 寿命短,使生产成本极高而工作效率难以提高。同时,机体 庞大也是一个问题,限制了其在形态复杂的矿体和薄矿体中 的应用。此外,要想真正实现连续采矿的高效高产,除了采 场作业的连续生产之外,提升系统、 外部运输系统和管理调 度系统的优化配套也是必不可少的。目前连续采矿技术在 国内外的发展从工艺技术、 设备配套、 控制技术等方面均日 臻成熟。已经开始进入推广使用阶段。相信这一极具吸引 力的新技术将在地下采矿生产中做出越来越大的贡献 [8]。 7 矿山的数字化、 智能化与无人化采矿 21世纪是各种现代技术飞速发展的世纪,“ 数字化 ” 、 “ 智能化 ” 已成为知识经济的重要标志。信息、 定位、 通讯和 自动化技术的迅速发展和应用,深刻地影响和改变着传统的 采矿工业,遥控采矿、 无人工作面甚至无人矿井等已在加拿 大、 瑞典、 美国、 澳大利亚等国成为现实 [3]。我国也正在朝这 方面发展,自动化调度系统、 采矿设备的自动化控制、 智能化 全球定位系统等现代技术也已在一些矿山得到推广应用,并 取得了很好效果。但总体水平同国外发达国家相比,差距还 很大 [9]。 21世纪也是一个充满挑战和想象力的世纪。随着时间 的推移,现有的各种类型的采矿方法都有可能遭遇面目全非 的变革,无人矿山、 海底采矿、 太空采矿等等都将成为现实。 采矿业将以一个与更需要我们想象力才能描绘的形象伴随 人类的文明而向前发展 [10]。 参 考 文 献 [1] 国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.矿产资源科学与 工程[M ].北京科学出版社, 2006. 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[10] 范雪强.采矿科技的发展方向[J ].有色金属工业, 2005 12 ; 66 - 67.□ 上接第4页 断裂判据为 max{σx,σy}Œ[σT]7 τ maxŒ [τ]8 式中,[σ]、[τ] 分别为岩体的抗拉强度和抗剪强度, MPa。 矿体单轴抗拉强度 σT 2103 MPa,抗剪强度 τ 12117 MPa,泊松比v 0127,下盘千糜岩单轴抗拉强度 σT 0187 MPa,抗剪强度 τ 5196 MPa,泊松比v 01223,综合取上覆 废料的平均容重γ1 700 kg/m3。计算结果表明 1 当采场中间留间柱,矿房顶板的有效支撑厚度为1315 m时,顶板中产生的最大主应力拉应力为2103 MPa,正好 等于矿体的抗拉强度。单个矿房顶板最大剪应力小于千糜 岩的抗剪强度,不会产生剪切破坏。所以,当- 385 m中段 1′03采场矿房留设中间间柱,顶板厚度在1315 m时,矿房顶 板处于临界平衡状态。 2 当采场中间不留间柱,矿房顶板的有效支撑厚度为 15 m时,顶板中产生的最大主应力拉应力为2103 MPa,正 好等于矿体的抗拉强度。单个矿房顶板最大剪应力小于千 糜岩的抗剪强度,不会产生剪切破坏。所以,当- 385 m中段 1′03采场矿房不留设中间间柱时,顶板厚度在15 m时,矿房 顶板处于临界平衡状态。 3 结论 1 由于1′03采场发生顶柱垮塌,造成1′03采场- 335 m 中段以上的空区直通地表,大量的废石、 废渣填充空区,对井 下安全生产已造成严重威胁。- 385 m中段1′03采场矿柱 为8 m,同时应在采场中间增加6 m矿柱。 2 由于留设的房间矿柱需要长期负载以保护矿房顶板 的稳定性,容许的安全系数应大于115。因此,矿房回采后必 须对其进行充填,以减小矿柱的暴露高度,达到增加稳定性 的目的,采场的充填高度应该大于15 m。 3 考虑到采矿过程中爆破作用的影响,推荐的顶板安全 厚度为15 m 包括- 335 m中段底柱的有效支撑厚度112 m 。 参 考 文 献 [1] 蔡美峰主编,何满朝,刘东燕副主编.岩石力学与工程[M ].北 京 科学出版社, 2004. [2] 刁心宏,冯夏庭,于培言,等.空场采矿法采场顶板破坏模式识 别专家系统[J ].中国有色金属学报, 2002, 111 157 - 161. 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