缓薄矿体采矿方法及其工艺现状及发展.pdf

专 论 I MP化I矿物- 9 加 I 2 0 0 9年第 5期 文章绩号 1 0 0 87 5 2 4 2 0 0 9 0 50 0 3 2 0 4 缓薄矿体采矿方法及其工艺现状及发展。 王幼珠， 叶义成 ， 吕 垒， 贺 义 武汉科技大学资源与环境工程学院冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉4 3 0 0 8 1 摘要 从采场结构 、 工艺参数 、 工艺设备等方面， 总结 了缓薄矿体 的采矿方法及其工艺演变过程 、 现状及存在 的主 要 问题 。在此基础上 ， 针对 目前我 国采矿工业的技术装备和采矿环境条件 ， 分析了缓薄矿体采矿方法、 回采工艺、 设备 配套等方面的发展趋势 ， 并探讨 了盘区组合机械化采矿法的应用研究及工艺配置特点 。 关键词 缓薄矿体 ； 采矿方法； 盘区组合机械化采矿方法 ； 发展趋 势 中圈分类号 TD T DS 0 3 文献标识码 B 0 引言 缓倾斜、 薄矿体是指倾 角在 5 ～3 0 。 、 厚度 在 0 ． 8 ～4 m 的矿体。在我国生产矿山中， 缓薄矿体 开采矿山占有较大的比重。缓倾斜、 薄矿体， 由于 其本身的赋存特征 ， 采矿方法多采用壁式崩落法 ， 房柱法 及 全 面 法 等 。其 中 以壁 式 崩 落 采 矿 法 为 主 ， 其次 是房柱 采矿法 ， 全 面法 及充填法 均 占有 一 定的比例。而当前 ， 我国开采缓薄矿体主要存在 的问题[ 】 [ 】 是 矿床赋存条件复杂、 矿 山规模小 、 机械化 程 度低 、 贫 化 损失 大 、 采矿 成本 高 ， 这是 大 规模开采 缓薄 矿体 时需 首要研 究解决 的 问题 。 l 缓 薄矿体 采矿 方法现 状 1 ． 1采矿方 法及 其演 变 8 0 ～9 0年代 ， 随着采矿技术及设备的进步， 各类采 矿 方 法在 矿 山应 用 比重 发 生 了较 大 的 变 化 。留矿法 和充 填法仍是 有色金属 矿 山主要 采用 的采矿 方法 。而崩 落法 ， 由 5 0年代 近乎 “ 零 ” 的 比 例 跃 为 主 要 的 采 矿 方法 ， 在 矿 山 应 用 中 占据 了 2 0 ％的比例。房柱法、 全面法和壁式崩落法等在 缓薄矿体上得到 了较大的应用 ， 并取得了较为显 著的效果。 作为传统的采矿方法， 空场法仍是矿 山， 特别 是缓倾斜矿体 目前主要 的采矿方法。同时 ， 也出 现了一些新型的组合采矿方法 ， 如房柱全面矿块 空场法、 垂直分条采矿法、 前进式普通全面法等， 这些采矿方法的应用大大地改善了矿 山生产效 率 ， 提高了作业环境的安全性 ， 使矿山的生产建设 发展到一个更高的水平。 国外的缓薄矿体开采中， 美国以房柱法为主， 加拿大多使用充填采矿法 ， 法 国则多为房柱采矿 法 。 1 ． 2典 型采矿 方法及 实践 针对缓薄矿体的赋存特征， 我 国对其采矿方 法进行了大量的实践研究 ， 取得了较显著的效果。 a ．山东王村铝土矿的壁式崩落法 矿体平均厚度 2 ． 4 m、 矿体倾角 9 ～1 8 、 平均 1 3 。 ， 采用人工底柱壁式崩落法； 阶段高度 4 0 m、 分段斜长 即矿块 斜长 4 0 ～5 0 m、 矿块 走 向长 度一 般 为 3 0 0 ～4 0 0 m。 人工底柱长壁崩落法以最少 的采准、 切割工 作量为基准 ， 减少矿柱的数量 。即将传 统的长壁 法中的装矿巷道和运输巷道合二为一 ， 省略所有 联络道和安全道 ， 切割只留 1条切割上山。为解 决安全及通风问题 ， 上阶段矿房回采后 ， 用人工底 柱保留好下平巷， 作为下阶段矿房 回采时的安全 通道和排风巷 ， 从而实现单平巷采准， 单上 山切 * 收稿 日期 2 0 0 90 1一O 5 作者简介 王幼珠 1 9 8 5 ～ ， 女 ， 籍贯为福建泉州 ， 采 矿工程专业 在读硕 士； 通讯地址 湖北省武汉科技 大学校本部 4 2 8信箱 ； 邮 编 4 3 0 0 8 1。 3 2 专 论 l MP化 I矿 物 与加 I 2 0 0 9年第 5期 割 。 该法通过人工底柱的方式， 减少了一条采准 巷道和数条联络 、 安全道的掘进， 极大地简化了采 矿方法 ， 节约 了大 量 的掘进 费用 。同时 ， 不 需要 留 矿柱 ， 节约了矿产资源 ， 避免了矿柱回采时的不安 全 因素 3。 b ．河西金矿的垂直分条采矿法 河西金矿 1 6 缓倾斜似层状薄矿体， 走向约 2 0 m、 延深 1 0 0 m、 垂直厚度 2 ～4 m、 水平厚度 4 ～ 9 m、 倾角约 2 7 。 ， 采用垂 直分条采矿法。矿块 垂直矿体走向布置 ， 阶段高度 3 0 m、 矿块 长度为 切 割上 山斜长 ， 为 5 2 m， 矿 块 宽 度 为垂 直 分条 宽 4． 5 m 。 该采矿方法充分利用相邻矿体回采盘区的阶 段出矿巷道 ， 在拉低水平矿体下盘沿矿体走 向全 长施工 一条 电 动铲 运 机 出矿 沿 脉 ， 通 过 布 置在 该 盘区西部脉外溜井将矿石运出。回采工作以切割 上 山为 凿岩爆 破 自由 面 ， 采 用 凿 岩 机进 行 浅 孔爆 破 ， 因 矿 体 厚 度 较 薄 ， 故 用 全 面 前 进式 一 次 性 推 进 。该 法具有 的 优点 为 a ．极 大减 轻 了工 人 的 劳动强 度 ， 提 高 了 回采 工 效 ； b ．减 少 了工 人 在 暴露空 区作 业 的时 间 ， 安 全性 好 ； c ．采 切 工 程 量大大减少， 经济效益显著 ； d ．降低了损失贫 化指标 。 因此， 对于围岩稳 固的缓倾斜薄矿体 ， 垂直分 条采矿法 是一 种 比较合 理 的采矿 方法 【 4 J 。 C ．房柱 全面矿 块 空场 法 陕西羊坪湾金矿 的矿床的厚度较薄 0 ． 7 3 ～ 6 ． 9 m， 平均 2 ． 2 9 m ， 倾角较缓 1 5 ～5 0 。 且变化 较大， 有些地方还出现波状起伏， 该矿属于缓倾斜 薄矿脉型。房柱全面矿块空场法的阶段斜长一般 为 4 0 ～6 0 m， 矿块 或 采场 走 向长度 一般 为 3 0 ～6 O m， 区段 或盘 区 间柱 一般 2 --6 m， 阶段矿 柱 6 ～ 8 m， 矿房斜长 1 0 ～1 2 m， 间柱宽 2 ～3 m。 该方法的特点是在区段内沿倾向划成矿房和 矿柱 ， 待矿房 回采结 束后 ， 在区段一侧开掘切割 槽， 并由此沿走 向进行矿 柱全面 回采 即连续矿 柱 ， 采 下的矿 石在 空场 下进 行 电耙 出矿 。 该改进型的房柱全面矿块空场法完全不同于 一 般房柱法 ， 它具有以下优点[ ] a 采用多矿房、 多矿柱集中同时 回采 ， 可 以 提高采场生产能力 ， 并有利于空区地压的控制 ， 从 而使采矿作业安全 ， 改善劳动条件。 b 可以提高矿石质量， 降低矿柱损失。 c 矿房 回采完后 及时回采矿柱 ， 从 而提高 了资源的利用率。 此外 ， 在金 山金矿 、 田庄铝土矿 、 铜山铜矿和 龙桥铁矿等还进行了分条采矿法 、 改进 的房柱法 和分段空场法的应用研究 ， 并取得了较好的效果。 1 ． 3存 在 问题 缓倾斜薄矿体的开采技术受到地质条件的限 制， 发展较为缓慢 。常规用于缓倾斜薄矿体开采 的单一壁式崩落法、 房柱法及全面法等 ， 都存在许 多的 不足【 】 a ．壁式崩落法应用 中， 回采工序复杂、 工效 低 、 材料消耗高 ， 由此带来采矿成本高； b ． 房柱法和全面法矿柱损失较大 ， 矿石 回采 率较 低 ， 资源 利用程 度低 ， 生产 安全性较 差 。 因此， 在选择缓薄矿体开采方法时， 应根据矿 体赋存条件 ， 从技术上人手， 使采矿方法能够在最 大程度上满足最优化条件 ， 一定程度上简化采矿 工序 ， 降低矿石损失率及贫化率， 提高生产能力 ， 降低采矿成本 。 2缓 薄矿体 回采 工艺及 设备 a ．落矿 方式 目前 ， 我国用于缓薄矿体落矿的方法 主要是 浅孔落矿和中深孔落矿。主要通过浅孔凿岩机、 凿岩台车等设备进行凿岩和浅孔爆破 ， 从 而有效 地控制矿块块度。 b ．采场 矿石运 搬 对于缓薄矿体开采， 主要通过电耙将矿石耙 至 溜矿 斗颈 至 溜井 ， 在 运 输 巷道 用 矿 车或 铲 运 机 等运至主井 ， 而后提升至地面； 也有通过矿石 自重 进行运搬。 c ． 采场地压管理 根据矿体及围岩的性质， 缓薄矿体开采的地 压管理方式主要是通过支护或者充填来进行 。较 先进的支护方法有水压支柱护顶无矿柱连续推进 3 3 专 论 I MP化I矿物与加I 2 0 0 9年第 5期 帷幕隔离快速充填法、 削壁充填法等。 d ．装载设备配置 装载运输设备主要有电耙、 铲运机、 振动出矿 机及无轨辅助运输设备等。 当前 ， 地下无轨矿山除 了装备采、 装、 运主体 采矿设备外 ， 还采用辅助设备与之配套 ， 从而发挥 了主体设备效能[ 6 l 。作为一种快捷安全 的地下 输送方式 ， 无轨设备的应用， 促进 了无轨采矿技术 的发展 ， 改革了传统的采矿工艺 ， 发展了无轨采矿 方法和采矿新工艺 ； 使得工艺、 设备配套化， 机械 化水平得到提高 。 e ．主要 问题 由于矿体赋存条件的局限性， 采场结构方式 较为繁琐； 自动化程度不高 ， 依靠人工作业， 生产 效率低； 不能合理地确定生产设备的配套关系， 依 赖于引进 国外 的先 进技 术 ， 不 能形 成 自己独立 的 研究体系， 发展上具有一定的局限性 。 因此 ， 针对存在的种种问题， 应该趋向于改进 采 掘方 法 ， 简化 采 场结 构及 采矿 工序 ； 自主研 发 ， 发 展综 合 配套 ， 优化 设 备 性 能 ， 提 高设 备 的可 靠 性 、 耐久性 和适应 性 ， 采用 遥控技术 、 机械手 、 机器 人技 术 、 自动 控制 技 术 [ ， 以便 有 效地 减 轻 工 人 的劳 动强度 ， 提 高劳动生 产率 ， 形成 盘区组合机 械 化开 采技术 。 3 缓 薄矿体 开 采方法研 究趋势分 析 当前， 根据国内外缓薄矿体开采技术的现状 及发展 形势 ， 我 国缓 倾斜 薄 矿体 开采 技 术研 究 的 主要 内容包 括 a ．完善 回采 工 艺 ， 推广 高 效 率 采 矿方法； b ．根据采场规模 ， 研制和选用相应规格 采掘设备； C ．进一步完善护顶技术； d ．试验推广 充填采 矿法 ， 有 效保 护生态环 境 。 3 ． 1采矿 方法研 究 地下矿山缓薄矿体开采技术 ， 特别是矿岩条 件复杂的缓薄矿体的开采技术研究是我国地下矿 山采矿技术研究的重要内容。但由于采矿方法实 践应用的不可重复性 ， 针对某一具体矿床而言 ， 采 矿方法的模 拟研究 不失为一种较经济适用的方 法。采矿方法的模拟研究的前提需要有较系统的 矿床模型。 3 4 以湖北鄂西铁矿为例 ， 该矿属典型的缓倾斜、 薄矿体， 矿体地处高山地区， 埋藏深度大 、 赋存条 件复杂、 矿体薄、 夹石多。由于矿体薄、 夹石多， 分 采分爆技术要求高； 同时， 要求采场结构简化 ， 机 械配套利用率高， 因此， 探讨盘区组合机械化采矿 法 ， 研究其结构特点， 最大限度的满足开采要求成 为该类矿体开采的主要研究课题之一。 研究采用盘区组合机械化采矿法的主要技术 路线 如图 1 所示 。 图 1 缓 薄矿体 开采研 究技术 路线 在研 究过程 中 ， 其 技术关键 有 a ． 在矿床“ 缓” 、 “ 薄” 的赋存条件下， 采场生产 能力小 ， 生产成本较高。要提高采场出矿能力 ， 必 须使用高效的出矿设备， 而要充分发挥设备的工 效 ， 需改变采场结构， 因此需要研究盘区组合采场 的结构形 式 。 b ． 有 效的选别 开采技术 。高 强度 开采使 用较 大的设备与薄矿层的矛盾突出， 必须努力寻求降 低 矿石贫 化率 的有 效途 径 。因 此 ， 必 须 研究 采 用 控制爆破技术和实施选择性爆破作业 ， 从而降低 矿 石贫化 率 。 c ． 采动损害的控制难度大。矿床倾角缓 ， 面 积大 ， 采矿 强度 大 ， 当 出现 较 大采 空 区的 时候 ， 将 伴随较大的应力集中与地压活动 ， 采动损害的控 制难度大 ， 需结合 回采工艺及顺序研究控制采动 损害的技术措施。 3． 2回采工 艺 针对缓薄矿体的赋存条件 ， 其 回采工艺的主 要 研究 内容有 a ． 优化采场结构参数和回采顺序 。主要指通 过数值模拟作为研究手段， 考虑矿岩介质， 模拟回 专 论 I MP化I矿物与加I 2 0 0 9 年第 5期 采过程 中的采、 充、 崩过程， 在确定最优 回采顺序 的基础上 ， 建立采场结构参数优化模型 ， 优化选择 采矿 的结构尺寸 ， 并进行稳定性分析 。 b ． 提高矿石品位 和矿柱的回收利用率 ， 减 少 损失率[ 。主要通过缩短井下生产作业线 ， 减少 巷道服务年限， 节俭巷道维护费用 ， 保证在采空 区 稳定的基础上进行 回收利用 ， 从而达到降低生产 成本 ， 提高企业经济效益。 c ． 提高 出矿效率。主要包括改善爆破质 量 ， 提高矿石块度合格率 ； 实行机械设备的配套化 ， 提 高设备的运行效率 ， 减少设备的空置率等。 4 缓薄矿体开采发展趋势 针对 目前我国采矿工业的技术装备和采矿环 境条件， 缓薄矿体 的采矿方法研究与实践 的方向 主要 有 以下 几方 面 a ． 进一步发展组 合式采矿方案 ， 实现优 势互 补。 ． 作为一种新型的采矿方法 ， 针对组合采矿方 法的探讨 ， 能够切合当前矿 山的采矿方法的演变 、 应用 、 设备 、 工人素质 等生产实际 ， 克服单一采矿 方法的不足， 实现优势互补 ， 一定程度上提高了矿 山的整体效益。 b ． 无轨设备 的进一步普及 、 提高和成套化应 用 。当前 ， 我 国无轨采 矿设备品种不全 、 规 格不 齐 ， 特别是针对小 型缓薄矿体开采特点的 国产设 备在可靠性和质量上与国外产 品有一定差 距 ； 目 前应该以引进国外先进的无轨配套设备 的技术为 基础 ， 提高我国无 轨采矿设备的设计水平和制造 水平 ， 通过科技攻关 ， 形成我国地下无轨采矿设备 的自主研制开发能力 ， 实现井下无轨采矿成套设 备的国产化和产业化 ， 以降低 矿山成本和提高我 国矿 山的整体装备技术水平 。 c ． 向机械化 、 连续化方 向发展。使各 项采矿 作业连续和集 中， 能够有效的缩短采矿工 艺的循 环时间， 降低生产作业 的分散性 ， 提高劳动效率 ， 实现规模生产 。 d ． 采用现代设计方法设计[ 加 ] 。应用计算机 仿真技术 、 有限元技术 、 多体动力学理论和技术 、 C A D技术 、 A NS Y S技术等现代设计方 法和手段 分析和设计 ， 确定系统最优方案， 从而提高设计质 量和可靠性。 5 参考文献 [ 1 ]伍衡 山 ， 招 国栋 ， 李超 ． 等 ． 倾 斜 脉状 薄矿体 开采方法 的研究 【 J ] ． 矿业工程 ， 2 0 0 3 ， 4 4 ， 2 2 2 4 [ 2 ] 吴超 ， 富崇彦 ． 薄层缓倾 斜铝土矿合理采剥工 艺参数优化[ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 6 ， 1 2 6 1 6 ～l 9 [ 3 ]齐清 ， 陈金锋 。 邱慎前 ． 人工 底柱 长壁 式崩 落 法的 开采 实践 [ J 】 ． 中国矿业 ， 1 9 9 9 ， 8 6 4 5 ～4 7 [ 4 】王来军， 薛田喜． 陈涛． 等 ． 缓倾斜 薄矿体采矿方法的研究[ J ] ． 黄金科学技 术 ， 2 0 0 3 ， 5 3 4 4 4 7 [ 5 】王索银 ， 张旭宇 ． 缓倾斜 薄矿体采 矿方法探讨 [ J ] ． 甘肃冶金 ， 2 0 0 7 ， 2 1 3 3 ～3 5 [ 6 ]赵昱东． 地下 无轨矿 山辅助设 备 车辆 综述 [ j ] ． 矿业快 报 ， 2 0 0 7， 2 2 4 ～7 [ 7 ] 杜建荣 ． 地下矿无轨辅助运输的发展 [ J ] ． 煤 ， 2 0 0 5 。 1 5 4 1 ～ 4 2 [ 8 ]王宁 ． 缓 倾 斜投薄 矿脉 采场结 构 参数 和 圆采顺 序优 化研究 [ J ] ． 金属矿 山， 1 9 9 9 ， 2 1 2 ～1 6 [ 9 ]金小田。 金世伦 ， 谢世禄等 ． 缓倾斜 矿体保 安矿柱回收的可行 性研究 [ J ] ． 化工矿物与加工 ， 2 0 0 4， 5 3 1 ～3 3 [ 1 O ]战凯 ． 地下金属矿山无轨采矿设 备发展趋势【 M] ． 采矿技术 ， 2 0 0 6 ． 9 3 3 4 ～3 8 S t a t u s a n d d e v e l o p me n t o n mi n i n g me t h o d s a n d t e c h n i q u e s f o r g e n t l y i n c l i n e d a n d t h i n o r e b o d y W AN G Yo u z hu， YE Yi c h e n g， LV Le i ．HE Yi C o l l e g e o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Hu b e i ， W uh a n 43 0 081；Hub e i Ke y Abo r a t o r y f o r Ef f i c i e n t Ut i l iz a t i o n a n d Ag g l o me r a t i o n o f Me t a U u r g i e M i n e r a l Re s o u r c e s ， Hu b e i ， Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r ma i n l y s u mms ] T iz e s t h e d e v e l o p me n t o f mi n ． i n g me t h o d s a n d t e c h n i q u e s f o r g e n t l y i n c l i n e d a n d t h i n o r e b o d y，a n d i t s de v e lo p me n t s t a t u s a n d e x i s t i n g p r o b l e ms i n wo r k i n g s t r u c t u r e ， t ec h n i e a l p a r a me t e r s 。e q u i p me n t a n d s 0 o n ． On t h e b a s is o f a b o v e ， t h e p a p e r ana l y z e d t h e d e v e l o p me n t t e n d e n c y o f t h e mi n i n g me t h o d s ， d r a wi n g t ech n iq u e a n d equ i p me nt c o ll o c a t i o n a n d d i s c u s s e d t h e c h a r - a c t e r s o f a p p l y i n g r e s e a r c h a n d t ech n i q u e col l o c a t io n a bou t p a ne l com- b i n a t i o n mech a n i z e d mi n i n g me t h o d，wh i c h a i ms a t i t s mi n i n g e q u i p me nt a n d t h e p r o c e s s t e c h n i c a l con d i t i o n s ． Ke y wo r d s g e n t l y i n c l i n e d a n d t h i n o r e b ody ；mi n i ng me t h o d s ； p a n e l comb i n a t io n me c h a n i z e d mi n i n g me t h o d； d e v e lo p me n t t end e n c y 3 5