葡萄牙帕纳什凯拉黑钨矿采矿系统的改进.pdf

S e r i e s No 2 8 4 F d m- y 2 0 0 0 金 属 矿 山 MF晴 L M I NE 总 第 2 8 4 期 2 0 0 0 阜第 2期 葡萄牙帕纳什凯拉黑钨矿 采矿 系统的改 宦秉炼 C ． D i n i s D a G a m a 岳 丽 五 j 再 葡萄牙里 斯本大 学 摘要葡萄牙 帕纳什凯 拉黑钨矿为徽倾斜极薄矿脉 ， 开采难度大 为进一步改善采矿方 法， 提 出了采用 变 错布置的永久矿柱代替目前的正变布置， 使用低尺寸采矿设备及改变部分回采工艺方案， 使生产蚊率 、 回收率及安 蛐 ⋯率 关键词 ， 璺 兰 堡 苎 型 ，毫 戮．贫 化效 率 移 ／ I mp r o v e me n t o n t h e Mi n i n g S y s t e m i n P a n a s q u e i r a Wo l f r a mi t e M i n e ， P r o t u g a l Hu ．衄 B i n g l i a n C Di n i s Da Ga ma Ku n mi n gU n i x r s i t y o y＆i e tc e a n dT e c h n o l o g y L i o n U n i t s ， 胁 Al a c t f l 1 g a l P a n a s q u e i r a w o l f r a mi t e d e p i t c o n s i s t s o f v e r y t h i n， e n t l y d i p l n g v e i n s wh i c h a r e v e r y h a r d t o r mo ． ee f f i d e ml y ． Tof u r t h e r mp mv e t h e n g ， s u g g est 。 dt o u s t a g g e r e d p i l l a r L a y o u ti t t p l a c e o ft h e e x i s t h a g o h o g o n a l 0 n e a n d a d o p t l o w p r o f i l e e q u i p me n t a n d t o c h g e p C ] a t S o f t h e mi n i n g r e c h o o l c 6 T s 。a 5 t o i mp r o v e t h e p md u c t io a e f g c i e c y． r e c o v e r y a n d e t y a nd t o r e d u c et h e d il u t io n a n d p r o d u c t i o n c o s t Ke r * n un d mi n i n g， Ve r y t h i n v e i n， Mi n i n g me t h o d ， S t a g g e r e d l a y o u t ， Di [ mi o n， E ffl de c y 帕纳什凯拉黑钨矿位于葡萄牙 中部 B e ． i r a B a i x a 省． S e r r a E s t r e l a山脉南翼 ， 矿区 面积约 3 4 I 2 。 矿区岩体主要是 由片岩组成 ， 由于深部花岗岩的侵 入而产生不同程度的变质， 并产生不同程度的矿化 石英脉。矿区有两组大断裂， 倾角均为垂直或急倾 斜， 一组走向近南北， 主要为泥质粘土充填； 另一组 为东西向和北东 一南西向， 主要为碳酸盐充填 ； 主要 节理、 层理基本与矿脉平行。 矿体由侵入 B e i 片岩的一群高温热液石英脉 组成， 多为水平或微倾斜 ． 倾角大多在 7 。 ～ l 2 。 。围 岩属前寒武或寒武纪地层。石英脉含多种矿物， 都 以大小不等的团块随机地分布在石英脉 中。该矿因 矿物标本丰富而世界闻名。在当前技术经济条件下 能进行工业回收的矿物为黑钨矿、 锡石、 黄铜矿， 另 外的主要矿物有毒砂、 黄铁矿、 闲锌矿、 磁黄铁矿等。 石英脉由一系列走向 倾 向类似 的透镜状矿脉 组成， 一个矿脉尖灭后， 附近又出现另外的矿脉。这 些成百上 千的矿脉， 厚度 0～ 1 ． 5 m， 平 均厚度 仅 0 ． 4 m， 属极薄矿脉。每个矿脉水平范围一般小于 1 5 0 m， 垂直相邻矿脉 的间距平均 6 m左右。 该矿采用竖井与斜井开拓 ， 各水平采 出矿石由 铲运机卸入盘 区溜井 由矿车转运刘新建成的盲竖 井 ， 由此提升到破碎站， 经破碎后 ， 通过立斜井 由皮 带运输机运往选厂。 该矿在 7 0年代末以前采用长壁采矿法回采 ， 后 引进了房柱法。由于矿脉极薄 。 为保证足够的作业 空间， 该矿多年来一直采用混采法 ， 即顶底板的部分 片岩都采出混入矿石。 该矿开采顺序分 4步 图 1 第 1步采用宽 B 5I n ， 高 H 2 ． 2m的 回采进路进行 开采。进路 间距为 1 6m1 6 E f t ， 形成 1 1m1 1m 的大方形矿 柱 图 l a 。第 2步从太矿柱中部 以同样 的进 路回 采， 形成 1 1 m3 m的条形矿柱 图 l b 。第 3步从 条形矿柱 中部 回采 ， 最终形成 3 m3 m 的永久矿 柱 图 l c 。第 4步清理采空区底板粉矿。 主 要 采 矿 设 备 为 M0 N MA TI C H1 5 0 D、 B OⅣ 哐RHl 2 63 8 2凿 岩 台车 ， I ． 卜 Ⅱ s ， r 3 ． 5 、 I ．瑚皿 盯 一2 D铲运机， 凿岩 台车凿每个炮孔时间仅 为 1 ． 5～ 2 mi n 孔 径 3 2～ 3 5 mm， 孔深 2 ． 2～ 2 ． 3m 中葡国际合作课题。 宦秉炼， 昆明理工大学资源开发工程系， 副教授， 博士生， 6 5 0 0 9 3云 南省昆明市文昌巷 l号。 1 9 维普资讯 总 第 2 8 4 期 金 属 矿 山 2 0 0 0 卑 第 2期 围 1 帕纳什凯拉黑钨矿采矿方法示意 每个工作面一次循环布置 2 8 个炮孔 图 2 ， 采 用契形掏槽回采。爆破顺序是从中央掏槽孔 向两边 依次微差起爆。根据开采跨度的限制 5 m 及掏槽 角 ≈4 9 。 的要求 ， 每循环进尺约 2 ． 2 m。同时根 据铲运机 的高度要求， 开采 高度为 2 ． 2～ 2 ． 3 m。 这样每个工作面一次循环采矿量约 7 0 t 。 圈2 炮孔布置 该矿现开采方法较长壁法效率高， 开采程序及 采场布置简单 ， 矿石回收率高。但 由于石英矿脉仅 O ． 3 ～O ． 5 r n ， 而开采高度为2 ． 2 -- 2 3m， 使废石混 入率达 8 1 ． 8 ％。 据 l 9 卯 年统计 ， 该矿年产量 4 3万 t ， 全矿总人数 1 9 7人， 采矿成本约 7美元／ t 。虽然该矿人数少 ， 但其 劳动力成本却占总成本的 4 6 ％， 因此， 其劳动生产率 的高低是决定矿山采矿方法的一个重要因素。 尽管该矿现有开采系统很先进 ， 但过高的贫化 率 8 1 ． 8 ％ ， 增加了出矿及矿石处理成本。为此根 据因矿生法的若干创新理论与实践 ， 提出了开采系 统与开采结构的改进措施。 1 开采系统的改进途径 1 ． 1 选别回采 由于石英脉很薄 、 易脆且充满节理 、 裂隙 结晶 面等弱面， 故选别 回采应先采上盘围岩， 再采矿脉。 这个方案虽可大大降低废石混入， 但需两个开采步 骤， 降低了生产效率 ， 增加 了劳动成本， 经详细 比较， 经济上不台理。 1 ． 2切槽式回采 先以窄巷道进路 宽 2 ． 5 m， 高 2 2 m 进行 回 2 n 采， 纵横进路 间距都 为 8m， 形成 5 ． 5m5 ． 51 2 1 的 方形矿柱 图 3 a 。再 切槽方式回采该矿柱 ， 最终 形成 3 m 3m的永久矿柱 图3 b 、 3 c 。 } 图3 切擅式矿拄回采 这种方法在我 国类似矿山是一种降低贫化的好 方法。但该矿采用的是高教凿岩台车 ， 无法在窄回 采进路中施展 ， 而出碴等作业也因空间太小 ， 铲运机 难以运行 ， 必须由劳动力消耗大的其它开采方法完 成。故该方案不适用于该矿 。 1 ． 3 降低采场高度 由于矿山废石贫化率高， 采选成本 中很大一部 分是用于处理这些废石。若减少采场高度即可减少 废石混入， 从而降低成本。 矿山现在设计的开采高度是根据所选择的铲运 机和综合劳动生产率来确定的。目前使用的铲运机 工怍高度是 1 ． 8 m， 开采高度为 2 ， 2 -- 2 ． 3 m， 机动 高度 0 ． 4 ～ 0 ． 5 m。 如用 F J 器T一1 A型铲运机代替现有的 E S T 2 D型。尽管前者的运矿能力只是后者的 3 7 ． 5 ％， 但采场高度可降低 0 ． 4 m， 即从 2 ． 2 m 降至 1 ． 8 m。 这样 ， 出碴量减少 1 8 ． 2 ％， 它们的实际敢率比 为 3 7 ． 5 ％ ／ 11 8 ． 2 ％ 4 6 ％ ， 也就是说 E } s T一1 A型铲运机效率略低于 E ft ／ 一 2 D型的一半。为补偿运矿效率的降低， 可使用两台 E HS r r 一1 A型铲运机同时作业。因采场空间四通 八达 ， 每循环工作面十多处， 两台同时作业时的相互 影响可忽略不计。表 1列出两方案的对比。 采 l E H S T I A与 E S T-2 1 3 铲运机开采经济对比 E ～ H 1 S A T 6 6 0 0 0 0 3 5 2 3 0 9 2 2 0 0 3 0 1 40 2 3 6 3 2 差值3 3 0 0 0 07 8 3 8 7 3 0 3 1 2 2 8 2 从表 1中可见， 改用 E H 一1 A型铲运机后 维普资讯 宦秉炼等 葡萄牙帕纳什凯拉黑鸽矿采矿系统的改进 2 0 0 0 年第2 期 每年将产生约 2 8 2 0 0 0美元的净收益 ， 即总成本降 低 7 ． 2 ％， 生产可变成本降低 l 6 ． 4 5 ％。 1 ． 4 变形采矿方案 如图4所示 ， 开采的第 1 步与原系统相 同， 形成 1 6 m1 6 1 2 2 的大矿柱； 第 2步是从大矿柱的四边同 时回采， 形成 3I T t 3I T t 永久矿柱和 5I T t 5 r ll 的中 部矿柱； 第 3步采用微差爆破 只把厚约 1 m的含脉 层从中部矿柱 中切采出来， 图4 b 、 4 c 所示 ， 约 1 ． 2 I T t 的片岩就留在采场而未混入矿石 ， 从而降低贫化率； 第 4步清理底板粉矿与原工艺相同。 厂 I b 躅 I - I 扛 躅 c 枉 田4 中部矿柱切檀式回采 此方案很容易实施， 因为它只改变了第 2步和 第 3步的回采方式 而不需附加任何新投资， 仍采用 现有开采设备 。此外， 回采 5 m5 m 中部切采矿 柱时， 由于有侧向自由面而不是掏槽回采 ， 故改进了 爆破效果。有关指标评述如下 1 效率。根据现场调查， 工作面每循环进尺 为 1 ． 5 ～ 2 ． 3 m， 此法在 4个柱体 回采 时需 2个循 环， 每循环进尺 1 ． 5 m， 为下限， 这会降低 一些生产 效率。但另两个因素有助于提高效率， 即 5 m5 m 矿柱回采时， 只需一次爆破循环 ， 并且岩矿爆破量仅 为原来的 4 5 ％。综合来看， 效率没有实质的差异。 【 2 回收率与贫化率。由于采场最终结构和永 久 矿 柱等 的参 数 不 变， 理 论 回收 率 也 不 变， 为 8 5 ． 9 4 ％。经计算 ， 废石与矿石比可降低 7 ． 7 8 ％。 3 成本。基于 1 9 9 7年的产量 ， 计算矿山总成 本可降低 2 ． 1 7 ％， 生产可变成本可降低 4 ． 9 6 ％。 2 现有开采结构的改进 2 ． 1 矿柱交错布置回采工艺 矿山现采用的永久矿柱布置为正交布置， 参见 图5 a 。显然中心 O附近的顶板是最危险的区域。 这个地方的支撑跨度为 S B i B i ． 现 Bl B 25 m， 则 S≈ 7 ． 1 m； 若 Bl B 2 6m， 则 S≈ 8 ． 5m。 矿山试验采用 6m跨度进路 时． 进路交叉区域的跨度已高达 8 ． 5 m， 这时出现顶 板垮塌。 这说明顶板保持稳定的最大跨度为 7 ． 1 m， 而不是 5 m。 但这时的支承机理是 比较复杂的， 因为 此区域顶板围岩是受两对相互垂直方 向的矿柱支 承。 为分 析顶板稳 固性， 我们考虑一模拟模型 ， 图 5 b 。 它由 1 个单元圆板和 4个支座组成 ， 圆板受到垂 直应力 包括 自身重力 、 4个支座的支承力及力矩 M 。 圆板厚度为潜在崩落片岩板块 的厚度。 为简化 起见， 可忽略 M。 图5 可以被看为两组双支座系统合 并而成 ． 见图 6 。 根据材料力学有关理论， 图 6 a中的 圆板能承受的最大应力 由下式计算 { 臣 ’ ‘ 1 日 【 ． b 围5 正交布置矿柱顶板稳固性模型 堕 ． 粤 一 ／ 2 d 9 ， ，十l ⋯ ’ 其中 为材料的抗拉强度。 对上式积分得 8 一 五 ， 令 8 ／ 3 z r ， 则 一 k t ／ S ， 同理图 6 b 能承 受的应力 C r n x 2 k t ／ S 。 奋 分 围 6 正交布置分解模型 当 a 、 b合并为 C 后 ， 两个分别沿 X、 Y轴方向的 张力 O “ 1 、 2 将产生合张力 ， 口 大于 1 、 2 ， 但不能 超过 ， 所以四支座系统可承受的最大应力 应 为 在X、 y方向分量之和 ～ 箬 co s a sin a ． 经研究 ， 我们拟采用交错布置 的永久矿柱 图 7 a 。 最大张应力出现在与 x轴成口角的方向。 我们 21 幸 维普资讯 总第 2 8 4期 金 属 矿 山 2 0 0 0年 第 2期 可用图 7 b近似地代替 7 a ， 则可承受的最大应力为 o “ n mx 2 等 唧 其中 S 由下式确定 B 2 一S ／ 2 B 1 ／ 2 S ／ 2 ， 而 口由下列方 程组 解出 学 、r n 卜 图7交错布 置矿柱模型 o， o 2 a y ／ t g a 设正交布置结构的安全性为 1 个单位 ， 当不改 变进路宽度， 即B1 B 1 、 B 2B 2 时 ， 交错布置的 安全系数为 S s i n fl∞s 口 一 一 一 s 2 s i n a 磊 ’ 当 B1B2B l B 25 0 m 时， 1 ． 2 5 5 ． 这表明， 同为 5 m的回采进路， 将永久矿柱由正 交布置改为交错布置将使安全系数提高 2 5 ． 5 ％． 这 也教我们进行的模拟试验所证实。 然而只是增加安全性对矿山意 义不是很大 ， 因 为矿山对现有安全性已相当满意。于是我们可以增 加进路宽度 ， 同时保持安全系数不低于现有结构的 安全性。令 一 一 ， B1 B25 ． 0 m， B 1 B 2 ， 可解得 B 1 B 25 ． 6 0m． 由此我们推出新 的开采系统采用的进路跨度． 建议为 5 ． 5 m， 永久矿 柱改为交错布置 ， 尺寸仍为 3m 3m。 2 ． 2 交错布置技术经济评价 2 ． 2 、 l 矿石 回收率 一 ． 一 f W B 2’ 其中， W 3 ． 0m， B BIB25 ． 5m， 故得 R 8 7 ． 5 4 ％， 对空场法来说 ， 这是相 当高了。尽管每 个矿柱承受的压力有所提高， 但不会有安全问题， 因 为前面已分析 ， 3 m 3 m 矿柱还有 较大的强度储 备 当然在现场 中万一 出现矿柱强度 问题， 可适 当 增加矿柱尺寸加以解决。 2 2 2 ． 2 ． 2 效率 有几个因素大大促进了效率的提高。 1 由于 回采进路增 大到 5 ． 5 m， 使每次崩矿 量增加。虽需增加 3 ～ 5个炮孔， 但增加的凿岩时 间可忽略， 因凿岩台车多半时问是用于移动 、 对位， 而每个钻孔凿岩只需 1 ． 5 ～ 2 rai n 。 2 由于较宽的工作面允许每次进尺更深。当 保持契形掏 槽角 。不变时， 每循环进尺 深度可从 2 ． 2 m提高到 2 ． 5 m， 经计算开采效率提高 2 5 ％。 3 该开采系统第 Ⅲ步、 第Ⅳ步开采因有多个 自由面， 将产生较好的爆破效果， 出碴量也减少。 同时， 应该说明， 也有对效率提高不利的因素。 主要是交错布置生产测量较麻烦 ， 工人在开始时不 习惯等。但总的来讲 ， 新系统的优点明显。 2 ． 2 ． 3 安全性 主要安全问题来 自顶板而不是矿柱强度， 这为 现场调查所证实。采用 5 ． 5 m跨度 回采进路和交错 永久矿柱布置时， 计算的顶板安全性系数为 1 ． o 3 7 ， 即安全性系数比原系统提高 3 ． 7 ％。 2 ． 2 ． 4 贫 化率 第Ⅳ步可部分地掏切回采厚度约 1 m的脉矿和 围岩， 从而降低贫化率。只是要顺便说明 ， 由于黑钨 矿团块易脆 ， 故不宜直接爆破掏采石英脉 ， 否则会产 生大量粉矿造成损失。 2 ． 2 ． 5 经济效果 1 降低了贫化 ， 可减少采选对废石的处理量； 2 较高的生产效率减少了单位矿石的劳动和 爆破器材的消耗量； 3 较高的矿石回收率也增加 了矿山收入。 总体估计新系统产生的经济效益 3 0万美元。 3 结语 研究 表明 帕纳什凯拉黑钨矿应用永久矿柱采 用交错布置， 进路跨度 5 ． 5 m， 同时采用低工作尺寸 的铲运机与凿岩台车， 可大幅度降低贫化率， 提高回 收率和安全系数。该采矿系统已被矿山接受。 建议矿山开展合理跨度试验研究工作 ， 为采矿 方法的改进提供可靠的参数。 参考文献 1 FM l n b， AC o rr e inD e a n d JRn 妇 E S ． T h e g } o f n 晒 4 ／v n e ， I ． ∞田d 。 f 『 n 怕m o r d h】g r 蕾s o n R o c k Md 曲， t i c m[ ＆蜘R o c k M H如 ， 1 9 8 7 收稿 日期 1 9 9 9 1 0 1 9 ● ● ● ● ● ， l 维普资讯