深部矿山采矿方法和开采工艺的基本发展趋势.pdf

1獬 乏 部 矿 集 矿 方 法 和 ／ 的基本发展趋 近 1 5 年来 ． 在世界采矿科学研究和采矿 实践 中已愈加关注复杂的地质力学条件下的 金属矿床深部开采问题 。分析各种专利资料 和有关文献可以得出以下几种看法。 1 、 据 已公布的资料 ， 分析 了 1 7 “ 2座开采 深度 为 5 0 0 3 5 0 0 m矿 山的采矿 活动， 其 中 4 5 的矿山开采深度 已达 8 0 0 m， 这些矿山的 特点是采用 空场采矿法 房柱法、 阶段矿房 法、 分段平巷法 开采， 有 1 6 座矿 山还广泛采 用分段崩落法和阶段崩落法 在开采深度超 过 1 2 0 0 m 的矿山， 主要采用胶结充填的全面 矿房法和分层充填法。加拿大采矿工业的特 点是当开采深度达 2 0 0 0 m 时趋 向于用 矿房 法取代分层采 矿法 。在开采深度达 1 2 0 0 2 4 0 0 m 时， 有些矿 山在采用端部放 矿的分段 崩落法中积累了丰富经验 如加拿大克雷蒙 特铜矿 、 赞 比亚穆富利拉铜矿 。图 1 所示为 几种主要采矿方法 已达到的技术经济指标 。 2 、 金属矿床现代开采方法的特点是力求 简化采准、 切割和 回采系统 ， 在采用 自行式设 备充分实现主要和辅助生产过程全盘机械化 的基础上提高采 虽 度 研 究专利资料可知 ， 独联体 、 美 国、 加拿大 、 德 国、 日本 、 法 国等国 的大部分专利都符合这个原则。技术文献资 料的分析表明， 在采用某些采矿方法综合完 成多工作面采准和回采作业时才可有效地使 用 自行式设备 ， 这些采矿方法包 括 空场 法 房柱法、 平底柱矿房法 、 采空区充填采矿法 房柱法、 全面分层法和矿房法 、 崩落法 端 部放矿的阶段崩落和特别是分段崩落法 、 联 合采 矿法 如充填与崩落的联合采矿法 。 3 、 随着更深矿床的投入开采， 采矿和矿 物原料加工条件 E l 趋复杂 。有许多矿床其矿 体厚度不断减小， 矿石品位不断下降。 采矿方 移 ‘ 番 取 决 于 地 的变化 地质力学条 件 的变化系指岩体的绝对应力值增大 ， 裂隙 减少， 机械强度加大和弹性变形量增多。因 此， 岩体易于发生动态破坏， 顶板岩体和各类 矿柱帮壁易于发生冒落 地压显现条件和形 态的变化要求在开采工艺中采用一些可以控 制岩体应力状态形成和以局部方式预防支承 负荷对巷道不利影响的要 索 开采顺序和顶 板控制 、 卸载 、 卜 部切顶 、 下 ； 采动方法等 诎 ’ c 圉 l 用不同采矿方法时 1 矿房法 I 2 分段崩落法} 3 一阶段崩蓿法 I 全面分 层 充填法I 5 一嗣后充填的房柱法 在深部开采条件下 ， 充填采矿法 或崩落 法或这两种采矿方法联合开采方案可限制采 矿结构要素 中应力集 中程度的增长和 自行式 设备在矿山的广泛使用。 4 、 采 空区充填采 矿法的使用显著增多 。 根据俄 罗斯科学院矿物综合开发问题研究所 的预测 ， 近 1 O 年 内这类采矿法采矿量在黑色 冶金矿山占 1 5 ～2 O ， 而在有色冶金矿山 3 维普资讯 将超过 5 0 。这对保证可 靠地控制地压 尤 其是易出现冲击地压的岩体 、 充分提高金属 回收率和防J J J i 表 陷落的必要性创造了先决 条件。采空区充填采矿法各种方案的开采工 艺都可综合利 用采矿生产废料 ， 不必或减少 矿山用地地表设置排土场和尾矿库 。 在地下采矿实践中阶段或分段落矿嗣后 充填房柱法 已得到相当广泛的应 用。矿房宽 1 0 1 5 m， 长 3 o 6 o m． 高 I O 6 0 m。俄罗斯 一 些地 下矿 山的劳 动生产率 为 4 ～8 m ／ 工 班 ， 其它国家 9个矿 山的平均劳动生产率为 4 7 ． 3 t ／ 工 班 。 矿石损失率波动范围很大 ， 介于 3 ％～ 2 3 ％之间， 贫化率变化介于 5 ％～2 0 ％之 间。 在二步骤矿房开采时矿石混入水泥造成一种 特殊危害。诺里 尔斯克矿冶公司五一矿在一 些 矿房 中因水泥 的混入导致矿石贫化率达 4 O 。 一步骤矿房用强度达 4 6 MP a 的胶结 充填料充填。芒特艾 萨矿的充填体 强度为 1 ． 0 ～ l1 ． 4 MP a 。垂直暴 露面达 3 7 m 仍很 稳 固。 二步骤矿房采后用千式 、 水砂和胶结充填 料充填。 分析房柱法专利资料表明， 完善这一工 艺的主要建议是 依靠减少采准一 切割工程量 降低采矿成本 ； 通过改变矿房顶板形成工艺、 完善底部结构和放矿工艺降低矿石损失率及 贫化率。 加拿大的 C P 1 0 1 2 5 6 4 号专利很值得 注意。 坎耐狄安工业有限公司提出了一种“ 火 山口” 崩矿法， 其实质如下 在矿房中 自上而 下钻凿直径 1 6 5 2 0 0 mm 的垂直平行深孔 ， 以 6 ～1 0 个孔径长度的孔段往下部拉底空间 落矿。在这种情况下 ， 可减少采 准_ 切割工程 量 ， 改善矿石破碎质量 ， 形 成完好 的矿房 帮 壁 ， 并且可降低充填料和顶板 冒落岩石对矿 石的贫化 。 5 、 近些年来 ， 就形成全面分层矿房法的 新观念开展了大 量活动。新工艺方案 旨在强 化 回采作业和降低采区地压。 在采用下向梯段式回采和上向梯段式 回 采的全面分层采矿法时， 有用矿物 回收率 很 高。 矿石损失率不超过 l ～3 ％ 见图 1 ， 贫 化率 7 ～1 3 。 回采工作面几何形状简单、 采空区无矿柱和全面回采可有效地控制下部 采动岩体 的 移动 。 采用俄罗斯科学院矿物综合开发问题研 究所提 出的采矿方案 图 2 可基本排除水平 分层充填采矿法的一些缺点 这种方案的实 质在于掘进斜坡道或螺旋形斜坡道和分层横 巷， 在盘区内划分几个分条 自下而上以梯段 进行全面分层回采。 在这种情况下 ， 分两个阶 段开采盘区。 梧盘区中部切割盘区， 至少形成 两个 回采作业线 ， 朝布置有斜 坡道的盘区矿 柱方向推进。而在第二阶段回采 已具有人工 { 雁 的矿 柱 崮 以菱彤回采作业线} 口 翟底部具有让压性 临时矿挂的圭面分层采矿法 a 分层回采 ； B 一矿柱网采} l 分层回采巷道} 2 分层横巷 } 3 一斜坡道 与分层 回采相 比， 用全面矿房采矿法方 案时可提高劳动安全程度 可减少巷道 冒顶 和片帮造成的工伤事故 和提高劳动生产率。 同时， 在开采地质力学条件复杂的水平厚矿 体时可能会增加放矿巷道和运输水平巷道 的 支护难度。在诺里 尔斯克 、 杰兹卡兹甘、 远东 和其它一些采选公司的地下矿山， 进 路问矿 柱常受破坏， 从而导致采下矿石在矿块底部 的损失。此外 ， 在开采深度很大 的情况下 ， 矿 体帮壁尤其在顶板岩体交界处常会发生矿石 冒落现象 。 有人提出在充填体中形成放矿和出矿水 平 的全面矿房采矿法方案 ， 主要用于开采水 平 、 缓倾斜或微倾斜矿体 。 以全面作业线不留 矿柱沿矿体全厚进行开采 。矿体采准包括于 维普资讯 矿块两翼沿矿体底板水平掘进通风一 运输平 巷和在矿体底板水平以下掘进运输平巷 图 3 。 在充填体中掘进出矿横巷贯通通风_ 运输 平巷。 在这种情况下， 出矿横巷与以前在充填 体中用移动式模板形成的进路相通 运输平 巷通过放矿溜井与通风一 运输平巷连通。 通风 一 充填水平包括主通风平巷 、 通风横巷和通风 一 充填平巷。 切割工程始于从 充填体侧沿矿房全宽掘 进进路 ， 并向矿房 以外往下一个矿房的矿体 扩展 ～ 2 m。然后 ， 从 中央进 路掘进 凿岩天 井 ， 先垂直掘进 ， 以便天井的一个帮壁沿行将 切割矿房的边界推进 ， 随后沿回采方向推进 天井的上部按出矿角度倾斜直至矿体 上盘 ， 然后又垂直掘进到通风一 充填水平 因此 ， 待 采矿房边界在矿体上盘水平与后一批矿房的 垂直边界回采方向一 卜 是啕合的。 露 ， 圉 3 截填体中形成通风一 出矿亦平的全面矿房法 1 运输 平巷 j 2 -- 出矿横巷 3 拄路； 通 充填巷 道 ； 5 一矿房{ 6 一凿岩天井； 分段 活动模扳 在进路之间在矿柱中进行凿岩爆破完成 矿房拉底。从凿岩天井钻凿水平扇形炮孔逐 层爆破 回采矿房 矿量， 用 K 0 2 5 型爬罐 在 天井中凿岩。用遥控铲运机从矿房中出矿和 清理 残矿 。 矿房底部的矿石完全 回采后 ， 安放和装 配分段移动模板 ， 其一端安装在充填体中形 成 的进路 内， 另一端则安装在 同一进路扩展 到相邻矿房的矿体内。然后用胶结充填料充 填， 待充填体 固结后达到要 求的强度时 回收 和拆卸模板以备下次使 用。 当沿着靠近人工充填体的矿房长侧切割 拉底巷道和掘进 1条中心进路 ， 再如前述 由 此进路掘进凿岩天井到通 风_ 充填水平时 ， 有 可能用这种采桂和回采顺序。 在此情况下 ， 可 从拉底巷道在矿房下部钻凿扇形垂直深孔 ， 而倾 斜部 分则从 凿岩天井钻 凿扇形水 平深 孔 分两阶段落矿。先爆破扇形垂直深孔往 切割槽落矿 ， 出矿后再爆破扇形水平深孔 开 采厚达 4 0 5 0 m矿体的一种方案值得注意， 其实质是 在矿房的垂直段与倾斜段的转折 处掘进 中间出矿水平 ， 沿靠近人工充填体的 矿房长侧掘进采准巷道形成两个相 同的出矿 水平 。无论矿房的垂直部分还是倾斜部分都 钻凿扇形垂直深孔和往切割槽分层落矿 。先 回收和充填矿房 的倾斜部分 ， 充填体达到要 求的强度后再回收栅充填矿房的垂直部分。 这种采矿方法方案可能将相对于采矿作 业线超前掘进的水平巷道萤减 少到 最低限 度 ， 从而可降低工 作面附近地 区地压动态显 现概率。也可改善通风条件 ， 降低单位采准一 切割工程量和巷道支护 ， 尤其是放矿巷道的 支护 费用 ， 并可缩短岩石顶板的暴露时间。 6 、 根据金属矿床开采技术和工艺的发展 预测， 随着开采深度的加大 ， 端部放矿的分段 崩落法的 比重将会显著加大 。在距地表深 5 0 0 8 0 g m的 7 8 个被统计的地下矿 山中有 l 6 个矿山采用了这种工艺 。 这种工艺的技术 经济指标很高 ， 结构简单和运用灵活， 可有效 地探明矿体边界 ， 因而 ， 可调 整分段高度 4 ～ 4 O re 和崩落高度 5 ～l O 0 0 m 。在这 种情况 下 ， 易于控制很大的地压 ， 甚至在开采极不稳 固的矿体时放矿也 比较安全。各个横巷 平 5 维普资讯 巷 的生产作业可平行进行 ． 因而 ， 可保证作 业集 中程度高和设备利用率高 。 端部放矿的分段崩落采矿法的各种方案 逐层崩落、 逐层超前崩落和大量崩落 ， 其主 要缺点是 矿石 损失贫化大 ， 可分别高达 5 ～1 5 和 1 5 ～3 0 ， 在很大程度上取决于 采矿方法参数。 加拿大克雷蒙特矿的“ 窄漏斗 放矿” 方案可显著改善回采指标。 在此方案中 成 7 0 。 角钻凿扇形孔的边缘炮孔。 此法也有其它一些方案可降低矿石损失 贫化 例如， 下部分段崩落矿石在上部分段崩 落矿石完全留矿下的放矿方案。也可利用其 它措施提高矿石 回收质量 ， 例如， 采用分隔拱 桥和各种结构的隔离垫层 。 独头巷道 的通风是这种工艺的另一个问 题 。瑞典基律纳和马尔姆 贝里耶特矿在实践 中找到了凿岩出矿横巷可用 的通风方案 图 出 l 基 律兰 闩和马 尔蜷 里 耶 辅矿端 部 放 矿 ． 的丹段崩落法通风方案 l 通风井 E 2 _ _ 预热空气i 3 通风机 { 1 一风筒 d 5 0 O ～1 2 O 0 } 5 一横巷 ； 6 污风 7 、 用各种类型的联合采矿法开采深部矿 床也很有发展前途 ， 例如 ， 在缓倾斜厚矿体的 开采 中， 先用胶结 充填法开采部分矿石形成 人工矿柱后 ， 再用崩落法开采人工矿柱 间的 矿石 图 5所示只是联合开采工艺方案之一 。 用这种 开采方 案时的开采方式如下 采 完一步骤矿房后用胶结充填料充填采空区形 成人工矿柱。胶结充填 达到要求的强度后 6 在二步骤矿房边界掘进采准_ 切害 4 巷道 ， 在矿 房 中钻凿炮孔， 用矿房 法开采人工矿柱旁边 缘部分的矿石． 这样， 人工矿柱和待采矿柱的 中央窨 { { ‘ } 敢r 啊 ． 、 a 一吲采 t 一 步 骤 矿厨 { -二 壤 矿． Ii } 和 丰 基 定 拱 顶 的形成力式 ． r r 用分段崩落法回采矿柱 1 一 人工矿柱 I 2 - 二 步骤矿房的凿岩巷道1 -步骤矿 房 I { 一临时 矿拄} 5 通风 充填 水平的巷 道 I 6 --探 孔； 7 一稳定平衡 拱的形成 I 落岩石 } 9 一临时矿拄的凿 岩出矿巷道 矿房顶板暴露面可达到或小于临界跨度 l面不会 冒落 从矿柱中央部分那一侧取矿房 边帮的倾角等于或大于顶板岩石动态 冒落的 内摩擦角。这可保证在 冒落岩石下提高矿柱 中央部分矿石的回收质量和完全程度 。 在薄和中厚矿体中可用垂直矿房边帮方 案进行 回采。 从人工矿柱顶板中掘进的巷遭采完矿房 后 ， 在顶板岩石中凿岩和崩落顶板 ， 其崩落量 要使人工矿柱之间出现稳定的帐蓬式拱顶。 往矿房采空区崩落的顶板岩石将形成完 整的人工矿柱底垫 ， 从而可提高其在地压再 分配期的支承能力。 崩落顶板岩石卸落后的矿桂中央部分可 维普资讯 进行 回采准备 ． 并可用崩落岩石下端部放 矿 的分段崩落法 图 5 G 回采矿石 。在放矿过程 中， 靠人工矿柱的侧表面形成支撑坡面支撑 人工矿柱 图 5 B 。 崩落拱顶和回采矿柱中央 部分后形成的空洞可用于堆置采掘废石。 8 、 在世界各国地下矿采矿实践 中计算机 已得到广泛应用。利用计算机编制计划和控 制采矿工程的发展 包括设计 以及监测矿山 地质和地质力学状况。在水平巷道和垂直巷 道 的掘进 中， 凿岩设备 已用微处理机解决各 种问题 判断工作面 f | 近空 间岩石 冒落危险 和快速加固工作面岩石 ； 连续监测工作面废 气浓度； 控制掘进方 向和钻具磨损 ； 自动调节 最优的凿岩速度 可从地面遥控的联合掘进机已在进行工 业试验。凿岩台车已广泛使用微处理机控制 系统。可 用微处理机确定凿岩 台车在工作面 的安装角度 ， 分析矿 山地质条件， 选择布孔方 式 ， 确定凿岩』 匣 序和控制凿岩深度。此外， 还 可缩短凿岩时间， 避免超爆所增加的费用和 提高作业安全。 微处理机已在干式 、 水砂和混 凝土充填 系统中得到 广泛应用， 也可用它控 制和监测压气管路系统 ， 检测钢筋聚合物锚 杆与岩石的粘结强度 澳大利亚设计了一种计算 机爆 破模型， 可用 以分析爆破结果和选择最优参数 为轨 道运输、 运输机运输和 自行式设备出矿 系统 研究了技术诊断 系统。可用微型计算机控制 列车路况、 带式运输机和运输材料的控制系 统 控 制大 气状 况对 深部 矿 山具有特殊 意 义。可利用微处理机调节矿山通风和为了人 类工程学和经济优化 目的各区段致冷系统的 分布 9 、 瑞典矿业界人士在评估了 8 O年代 采 矿工业的前景之后 ， 认为有必要制定一项提 高地下矿 山竞争能力的计划 故请求各有关 单 位 和大 学学者共 同努力 制 定了“ 采 矿业 2 0 0 0年规划” ， 以便为下个世纪 采爆工业 的 发展奠定基础 这项规划包括 1 2 个不 同的研 究领域、 采矿设备的设计和工业试验以及地 下采矿整个工艺系统。 规划的 目标是到 1 9 9 5 年采矿成本要降 低 5 0 ， 达到这个目的的主要途径是实现生 产过程的电气化和 自动化 另一些 目标是 研 制地下采爆作业 自动化装置以便从矿 山地表 控制采矿工艺过程 ； 支持瑞典采爆设备制造 公司； 提高矿 山现在应用的技术种工艺水平 ， 提高大学毕业生的质量 ； 改善矿山劳动条件 ； 扩大采矿规模， 提高设备利用率。 上述第一项和最后一项对达到降低成本 的目标具有决定性意义。瑞典的法律规定禁 止工人夜间在井下工作。工人离开矿井由调 度一 操作人员取代工人在地表完成凿岩、 装药 和爆破、 往矿石溜井出矿、 从集矿水平运矿和 从竖井往地表提升矿石等工作 。这相应地可 使每周的作业班数从 l 2个 班增加 到 l 8个 班， 从而可提高矿山生产能力和 自行设备 的 利用率 。规划的一个要点是矿 山完全过渡到 使用电力 。 WME 1 1 0 2 6 4 胡爱华 王维德 上接第 l 1 页 E R R的减少有任何 的影响。 在将这些结果应用到某一矿 山时 ， 应特 别注意一个事实 本研究采用的二维数值模 型假设了一非常长的矿脉。 因为长 ， 没有端部 效应 ， 所 以能够达到完全 闭合 。 另外 ， E R R方 法主要是针对由矿柱和应力升高区破裂岩爆 机制所引起的岩爆 ， 但没有直接应用于结构 面滑移型的岩爆 。 最后本研究指 出了建立岩爆灾害评估方 法 如 E R R 的重要性 ， 根据 经验将 E R R与 南非矿山之外的岩爆经历联系起来。美 国矿 业局正研究幸运星期五矿岩爆灾害评估方法 在科尔． 德爱伦矿区其它深部矿山的应用 。 WME1 l O 2 6 5 曹庆林 程成 7 维普资讯