缓倾斜难采矿体采矿方法优化研究.pdf

埔 米 诊 童 缓倾斜难采矿体采矿方法优化研究 ’ 昆 明理 工大学 ． 云南 昆 明 ， 6 5 9 3 垫墨壁 云南锡 业公 司 ， 云南 个 旧市 ， 6 6 1 4 O O 摘要 着重论述 了缓撷斜难采矿体开采的国 内外现状 ． 传统采矿方法的缺陷， 此项研 宄的发展 趋 势 ， 扭 转 日前被 动 局面 的迫切 性 ， 以厦 开展鹱 倾 斜难 采 矿体 采矿 方 法研 宄的 主要技 术 路 线厦 其 在 研 宄中的 实 施情巩争初步成果 关 蝴 堂 班 翌 l 国内外研究现状及 发展趋 势 我 国许多金属矿床和大 部分非金属矿床 都 属于 缓倾斜矿 床 ， 一直 采用 常规方法开采 ， 效果普遍不好 ， 尤其是 用传 统方 法开采 在我 国占有很大 比重 的中厚缓倾 斜矿 体时 ， 以及 开采厚度 虽然 不大 ， 但顶 板岩 石稳固性不好 的缓倾斜矿体时， 问题更多， 因此， 此类矿体 至今仍 被认为是 难采矿体 。前 者由于没有找 到更 有效 的开 采方法 ， 长期 来国 内不少矿 山 不得不采 用底 盘漏斗房 柱法 或底 盘漏斗分段 矿房法 ， 它虽然可提高开 采的安全性 ， 但 因在 底板 岩石 中 的采切工程 量大 ， 千 吨栗 切 比很 高 有 的高 达 3 0～5 0 r n ／ k t ， 开采 成本 很高 ， 矿块或采场生产周期长 。开采厚度小于 7～ 8 m的 矿 体时 ． 问题更严 重 。由于存 在 这些 严重缺 陷 ， 国外已很少 采用此类 方法 ， 而用其 它方法代替 。如葡 萄 牙的 内维 什一科 尔沃 N e r e C o r v o 铜矿 铜 品位 高达 8 ％ 一1 4 ％ 采 用横 向分层充填法 ， 法 国的拉让蒂 耶 L e , 1 - 岛 7 l i e r e 铅锌矿 采用 普 通房 柱 法 和充 填采矿 法 铅 7 ％， 锌 1 ％的富矿断层带部位 美国 的 斯托尔湖 s t a U 1 日 l c e 铜矿 铜 品位 4 ％ ， 还有 金、 银、 锌 ， 9 o ％产量用 充填法 回采 ， 我 国 的 一 些缓倾斜中厚矿床如黄沙坪铅锌矿、 青上 铜矿 、 柏坊铜矿等 也 采用充 填法 开 采。 目前 国内外 使用的各种充填法存在的问题主要是 生产 能力 低 和开 采成 本 高 ， 有 的 如 胶 结 充 填 采掘工 艺复杂 ， 充 填 系统 庞大 ， 技 术难 度 大 ， 中小矿 山不易掌 握 这些缺 点对 于矿 床 价值较贵或矿 石 品位较高 的矿 山并 不严重 ， 这些矿 山可 以产 品价值 高这一优势来抵消或 缓解充填法 的一些 缺点。但是 ， 我 国大多 数 缓倾斜 中厚矿 床价值 或 品位 都不 高 ， 对充 填 法难 以适应。 练上所述 ， 缓倾斜 中厚难采矿体 的开采 ， 存在 着效率 、 成本 、 安 全性 、 贫化损 失 之间 的 对立统一矛盾。房柱法效率较高， 成本较低， 但资源损失较大 ， 若不控顶或控顶效果不好． 安全条件 也会 恶 化 采用 充填 法 ， 矿 石贫化 系中国蔼萄牙目际合作项 目 3 8 世界采矿快报第 1 5 卷1 9 9 9 年第 1 1 ／ 1 2 期总第 4 5 8 期 维普资讯 损失较 小 ． 较 安 全 ． 但 充 填 作业 导 致成 本 升 高 ， 效率下降 其它采矿法也存在类似 题 国内外在开 采缓倾斜矿体方面共同的发 展趋势是 为 了克 服或缓 解常 规采矿 法 的诸 多 缺陷 ． 十分 注意研究 和采用高教 率、 高回收 率 的采矿方 法和工 艺 ． 以及高 效能 的采 掘设 备 ． 并与科学 管理 方法相 结合 ． 形成一个优化 的矿 山生产 系统 ， 大幅 度提高矿 山综 合生产 能力 ， 改善企 业总 体效益 由于发 达 国家 和 发展 中国家 国情 不 同 ． 生 产技术 水平相 差甚 远 ， 不 同国家 对于 上述发 展趋势所 瞄准 的主 攻方 向也有很大 区别 。发达 国家首先把主要 注意力放在发展 高教 能设备上 ． 通过实现 各 项主要采切工艺和辅 助作业 的高度机械化来 增加生 产安全性 、 提高效 率和 降低成 本。如 美 国的 白松 w t e P i n e 铜 矿 ， 是 一 个 有 4 6 年开采历史 的老矿 山 ． 从 1 9 7 3年后 ． 由 于实 现 了采 、 掘 、 碎 矿 、 运 输 设 备的配套更新 ， 全矿劳 动生 产率提高 了 2 0 ％， 经 营成本 降低 了 如 ％ 3 0 ％ 又 如欧洲 最大 、 世界第 6位 的 铅锌矿 山爱尔 兰 的塔拉 T a r a 铅锌矿率先采 用 卵 一8型遥控铲运机出矿且不 在围岩中掘 进采准巷道 的无 底 柱分 段充填法 ． 实现 了缓 倾斜 中厚矿 体的 高效率 矿 山全 员劳动生 产 率为 3 2 ． 5 L ／ 工班 、 大能力开采 近年来矿 山 生产矿 石 能力为 1 0 01 0 0 0万 t 。此 外 ． 本 课题 的国外合作伙 伴葡 萄牙的帕纳什凯 拉 P a n a s q u e i r a 钨矿 的情 况 也很好 地反 映 了 上述发展趋势 。该矿是 欧洲最重要 的产钨厂 家 ． 也是葡萄牙最 大 的钨 矿 ， 1 8 9 0年投 产 ， 长 期来 主要 采用 长壁法 ． 近年来改用房 柱法 ， 由 于主要作业 实现 了机械化生 产 ， 凿 岩用 A T H 1 2型电动／ 渡压 单机凿 岩 台车 配 R P H 2 O 0型 液压凿岩机 ， 装运采用 E i m o o 9 1 1 型电动铲运 机及 E i mc o 9 1 2 D型柴 油铲运机 ． 爆破用 装药 车 ， 全 员劳动生产 率从 5． 1 L ／ 工班提高到 6 ． 3 L ／ 工 班。该矿 只有 1 9 7人 其 中选厂 2 7人 ， 近年来 矿 石年产 量保 持在 1 05 0万 t 的高 水平上 ， 要不是 由于市场不景气 受到 限产 ， 产 世界采矿快报第 1 5 卷1 9 9 9年第 1 1 ／ 1 2期总第 4 锚期 量还 可以大 幅度提高 我国对矿 山先进设 备 的引 进 、 研 制 和推 广应用 ． 也一直 十分重视 ， 有关 主管 部门曾明 确提 出， 矿 山生 产 和建设 总的奋 斗 目标和 任 务 ． 是到 2 0 0 0年末 ． 大 中型 矿 山的开 采技术 和装备水平要逐步达 到 8 0年 代末和 9 o年代 初的 国外先 进水平 ． 一些重点矿 山要达 到 B 0 年代末 和 9 o年 代 初 的 国外 先 进 水 平 但 是 ， 正反经验告诉我们 ． 在实现 上述 目标 的具 体操作 上 ， 决不可能、 也不应该 盲 目照搬 照抄 发达国家 的做法 ． 而是必须结合国情 ． 从我 国 矿产资源条件和 矿山生 产现状 出发 ， 依靠 科 技进步 ． 实行国内攻关和 引进 技术相结 合 ， 研 究采用具有我 国特色 的 开采技术 ， 对于在 我 国 占有很大 比重 的缓倾 斜难采矿体 的开采更 是 应该如此 ， 由此 可 以看 出本课题 研 究 的重 要 性和迫切性。 2 缓倾斜难采矿体采矿 方法优 化研究的技术 路线 矿 山生产系统是一 个复 杂庞大 的多层 次 的动态平衡系统 ， 也是 一个 多 因素 且 对立 统 一 的多 目标决 策系统。对于具 有这种 系统属 性的一个老 矿 山的技 术 改造 或 新 矿 山的建 设 ． 仅仅强调采 矿方法 和工 艺技术 的改进或 者与此相反 仅仅强调 设 备现代化 ， 都是 不全 面的 ． 而必须依靠适 应缓倾 斜 矿体开 采 技术 条件 的方法 、 工艺 、 设备 、 人 员 与管理 等 基本 采掘要素 达到最佳状态 的科学 合理协调和配 合。因此 ． 本项试验研究 坚 决抛 弃 了 定 性 和凭经验决策为主的传统方法， 独辟蹊径， 在 认真 吸收和借 鉴国 内外难采矿 体的开采最新 理论 、 先进 的技术手段 和成 功 的实 践经 验 的 基础 上 ， 根据 合作试验 矿 山 即云 锡公 司松树 脚锡 矿缓倾斜 中厚 氧化矿 床 的特 点 ， 针 对传 统采 矿方法存 在 的主要 问题 ， 尤 其是安 全 问 题 ， 通过总结与完 善现有 的 、 开 发新 的围岩稳 定性监测 、 预报 技术和 采场地 压 管理与 控制 技术 ， 及通 过对 有关采 掘要素 或作 业 的优 ， - i 维普资讯 化 处理 ． 来研 究 一种建立 在合理 的采 矿方法 和开采工 艺基 础 上的、 既结 合合作矿 山实 际 又不局限于某 一具 体矿床条件 的以采场或 矿 块 为基本单元 的最优生产 系统 。 据 有关 资料统计 ， 地 下矿 山 的采 场劳 动 消耗量 占总劳动 消耗量 的 4 0 ％ 一5 0 ％， 采 场 成本约占矿 石成本 的 3 0 ％ ～5 0 ％， 采场事 故 约占矿 山事故 的 6 0 ％ ～7 0 ％， 采场 工人职业 病 发 病 率 约 占 矿 山职 工 发 病 率 的 7 0 ％ ～ 8 o ％ 因此 ， 本课题 的主攻方 向 自始 至终突 出了矿 山生产 基本单元 即采场或矿块 最优 生产 系统 的研究和推 广应用 ， 事实证明 ， 抓住 了这一点 ， 缓倾斜 矿体就 不再是难采矿体 了 3 技 术路线的实施及初 步成果 3． 1 采 用先进技 术 ， 优化 采矿方法 优 化采矿 方法和 开采工 艺是本项研究 的 重点 ． 也是技术难点 采矿 方法 及其 工艺过程 是组成 采场 或 矿块和 盘区 最优生产系统的核心 ， 其 中的一 些指标 既互 相 联 系 ． 又相 互 矛 盾 ， 例 如 效率 高 、 成本低的方法． 矿石贫化损失指标往往不 好 ； 反之 ， 要想降低贫化损失 ， 就要 在成本方 面付出更多的代价 ， 弄不好安全条件也会恶 化 。可见 ， 对立 的矛盾双 方 ， 传统的采矿方法 是很难 同时兼顾和协调统一的 。解决这些矛 盾 的关 键是要从 矿 山 系统全局 出发 ． 进行 多 目标决策 ， 不 能单纯着 眼于某一局部 ， 强调 或迁就某～侧 面 为此 ． 在课 题研究 中引入 了系统科 学理论 和最 优化技术 ， 通 过 系统 分 析 ， 找 出主要 矛盾 ， 在 强化地 压管理 与控 制 ， 提高作业安全性 的前提 下 ． 对一些 主要技 术 经济指标实行量化处理， 即以缓倾斜 矿床开 采总体效益 最佳 为 目标 函数 ， 把影响 开采 效 果的各种 主 要 因素 ． 如 矿岩 稳 固性 ， 矿 体 倾 角 ， 厚度 ， 矿石 品位 ． 贫 损指 标 ， 材 料消耗 ， 设 备效率 ⋯⋯等 ， 作为约束条件 ， 建立数学模 型 或模拟模型 ， 并在计算 机和 C A D工 作站上 运 行根据该模型 开发 的应 用软件 ， 寻求 问题 的 4 0 最 优解或次优 、 较 优解 ． 从而获得组成采场最 优生产 系统 的有关各采掘要素 的最 佳配 合方 式 。在此基础 上 ． 根据 合作矿 山 云 锡松矿 正在重点开发 的芦塘 坝新 区约 3 0个 缓 倾斜 难采氧化矿 体的实 际情况 ， 通 过 深入探 索研 究 ， 提 出了 6个 以上 的适合 于 此类 矿床开 采 的采矿方法 。经 过进一 步技术 经济 比较 ， 从 中筛选 出 3个 优化 方案 ， 逐 一作 出方 案设 计 并通过 了有关 专 家 的评 审 ， 按 照云锡 公 司下 一 步生产发 展 中、 长期 规 划和 当前 的生产 安 排 ， 以“ 超前切顶 、 锚杆护顶空场法” 作 为首选 方案 ， 作出施工设计 ， 在芦塘 坝某 矿体开辟 了 生产试验采场 。一 年多来 ， 试 验研 究 进展 比 较顺利 ， 可望能实 现 预期 目标 。与 该矿原 厢 有底柱分段 崩落 法 比较该 法有显 著 优势 ， 其 中尤为突 出的是 脉外 采准 工作 量少 ， 千吨采 切比及 贫化 率、 损 失率 低 ， 分 别 为 9 2 m ／ k t 、 8 ． 4 ％和 6 O ％ ， 采 矿 准备 周 期短 、 生 产 效率 高 ， 矿山总体效益好 。 3． 2 开展岩石力学研究 ， 提高 采矿 作业安 全性 深入开展 矿岩稳定 性预测预报和 采场 地 压监控技术研究 ， 大大提高了缓倾斜矿床开 采 的安全可靠性 课题 组充分 利用 试验采场矿 岩逐步被揭 露所提供的有利条件， 按计划有步骤地开展 了如下各项岩石力学研究工作 1 选择 有代 表性 的矿 段 ， 采集 大 量试 样 ， 系统地测定矿岩的有关物理力学性质 ． 获 得 了各种 岩体的有价值 的力学 参数 ； 2 以试 验采 场 为重 点 ， 全 面 开展 岩体 稳定性及结构 面调查 ， 对 岩体 按稳定 性进 行 分类 ． 为采矿方法 及其地 压监 控手 段 的选 择 和 有关参数 的优 化提 供了科 学依据 ； 3 在上述地质工 作和调查研 究 的基 础 上 ， 根据岩体 力学 性能测试 结果 ， 对矿岩力学 参数进行评 估 ． 并 用有 限元 、 边界 元等 方法 ． 对矿房 、 矿柱尺寸进行 计算 ， 为采矿方法及其 构成要索 的优选提供 了量化 手段 ； 凿界采矿快报第 B巷1 9 9 9 车第 J J 4 2期总第 艚舸 维普资讯 4 研究 完善 声 波法 和 声发射 技术 ， 分 别 对各类矿柱 的稳定性和采场顶板的大范围 冒落开展经 常性 监测 ， 根据总 结 出来 的某 些 岩体失稳规 律和 若干判 据 ， 提 出了缓倾斜 矿 床安全 开采的地压管理和监控方案 ； 5 已着手研制一种适合 于井下作业 恶 劣环境 的便携式地音仪 。为了提高其灵敏度 和 增加可靠性 ， 研 制过程 中 ， 综合应用了多种 传感器和应力应变 声、 光、 电等 测试监控技 术 ， 实验 室与现场 结合 ， 物理模 拟与计算机模 拟并举 ， 突破 了有关 的重点难点 ， 其 中最关键 是找到了顶板危岩开始位移 与实际 冒落 的时 闯差随下列 因素变 化 的分布规 律 ， 这 些 因素 是 岩块重量 、 体积 、 形 状 、 角度 或产状 、 滑 移 或构造弱面充填物的性质及其厚度等 3 3 引进优化技术， 提高缓倾斜矿床开采 的科学决策水平 在开 采系统设计和生产过程控 制及其经 营管理优化决 策方面 ， 本项研 究 有针对性 地 引人人工智能 A I 、 专家系统 E s 、 人工神经 网络 A N N 等先进技术并使它们 与决策 支持 系统 D S S 相 结合 ， 组 成 功能 优越 的智 能化 决策支持 系统 I D S S ． 并充分利 用 0 图形 处 理功 能 ， 对采矿方法选择 设计 、 生产 管理 与 经 营决策等进行 优化 处理 ， 使 主要 技术 经济 指标实现全 面优化 ． 同 时也提高 了企业 现代 化管理水平 。 优化处理的对象是 多 目标的复杂 而庞大 的采掘系统 ， 其特点和难点是各种 因素和多 种约束条件错 综复杂 ， 随机性大 ， 涉及 的信息 不完全 、 不准确 ， 甚至有错误 。处理这样复杂 世界采矿快报第 l 5 卷1 9 9 9 年第 1 1 ／ 1 2 期总第 4 5 8 期 的系统优化 问题 ， 不 能光靠传 统 的专 家系统 即 E s ， 而必须综 合 多种 优化 技 术 ， 尤 其 要借 助 A N N与 E s的推理 网络 之 间 的可 转换性 ， 将 两者有机地结合在一起 ， 充 分发挥 A N N在 并行处理、 联想记忆 、 自组织学习及分布式存 储和强有力 的容错 性等 方 面的特 有功 能 ， 来 解决在处理采矿方法选 择、 采场结构参 数、 回 采顺序 、 设 备匹配 、 施 工组织 管理决策等一系 列优化 问题 时所遇到 的知识获取 的“ 瓶颈” 问 题和知识 的“ 窄 台 阶” 问题 。这 是 妨 碍 ms S 有效获 取领域专家知识 的两只拦路虎 。 4绪 诸 本文所介绍 的研 究成 果只 是 初步 的、 阶 段性 的， 但其所 遵循 的技术 路 线、 主要思 路 ， 对于改进和完善 缓倾斜难采矿 床采矿方法及 其工艺 ， 提高企业现代 化管理水 平 ， 有重要参 考价值 。随着试验采场各项工程 的进一步 推 进 ， 研究工作将继 续深化 ， 研 究成果的水平还 会有所提高。我们 相信 ． 通过 国 内外 同行 专 家的共同努力 ， 实 现缓倾 斜难采 矿体 开采技 术的重大突破． 将指 日可待。 参考文献 1 陈孝华． 矿业系统工程基础 ． 成都 成都科技大学出版 社 。 1 9 8 7 2 陈孝华， 黄蓿曹 降低空场怯损失贫化率方法的研究 有 色盘属 ， 1 9 9 3 6 3 c h ∞ 【 i _ m ， We iY n g ， 。 u t 咖由 叩 呵 呵蛔 耻nml n e t * c o f o r衄 昭 m n g p r o d u e t i e n d l d ；B帕 H i g t h e 1 6 t h w0 蛐 n i 0。g l ， 1 9 94 5 3 8 螂 4 宦秉炼 ， 陈孝华． 缓倾斜中厚矿体采矿方法改进途径． 第 2 届全 国青年采矿学术会议{ 宅 文集 下 ， 1 9 9 4 4 - - - 6 4l 维普资讯