矿房留矿堆浸采矿方法研究与应用.pdf

第6 l 卷 第2 期 有 色 金属 矿山 部分 2 0 0 9 年3 月 矿房留矿堆浸采矿方法研究与应用 谢建兵 2 ， 朱和玲 ， 张新光 ’ 1 ． 中南大学 资源与安全工程学院， 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 金诚信矿业建设集 团有限公司， 北京 1 0 0 0 8 9 ； 3 ． 洛钼集 团矿 山公司， 河南洛 阳4 7 1 5 4 2 摘要 矿房留矿堆浸采矿法是一种新型的采矿方法， 它集采矿工艺 包括采准、 切割、 凿岩爆破、 落矿筑堆、 部分 出矿和空区处理 和矿石浸出工艺 包括布液、 渗滤浸 出、 集液、 回收含富液并处理 于一体， 将留矿法和堆 浸法有机结合， 优势互补， 以克服两者的不足。通过可行性研究和采矿方法试验， 研究结果显示采用矿房留矿堆 浸采矿法能够省去矿石提升、 充填采空区， 提高浸出率以及减少环境污染， 具有重大的经济效益和环境效益。 关键词 留矿堆浸 ； 可行 性研 究； 工程应用 中图分 类号 T D 2 3 5 ． 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 0 9 0 2 0 0 0 4 0 3 The S t u dy a nd Ap pl i c a t i o n o f S t o p e Sh r i nk a g e a nd Le a c hi ng M i ni ng M e t ho d XI E J i a n b i n g ， Z HU He l i n g ， Z HAN G Xi n g u a n g ’ 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e ri n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a ， H u n a n 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． J C H X Mi n i n g C o n s t r u c t i o n G r o u p ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 9 ， C h i n a ； 3 ． Mi n g C o m p a n y o f Mo l y b d e n u m C o ． ， L t d ． ， L u o y a n g ， H e n a n 4 7 1 5 4 2 ， C h i n a Abs t r a c t S t o p e l e a c h i ng a n d s h r i n k a g e mi n i n g me t ho d i s a n e w mi n i ng me t ho d， whi c h c o mp ris e s c a v i n g a n d l e a c h i n g t e c h n o l o g y ． T h i s t wo i n t e g r a t e d mi n i n g me t h o d C an o v e r e o me t h e i r s h o r t c o mi n g s a n d a c h i e v e c o mp l e me n t a r y a d v a ma - g e s a n d a me t h o d o f s t o p e l e a c h i n g a n d s h ri nk a g e mi n i n g i s p rov i d e d ． T h r o u g h t h e f e a s i b i l i t y s t u d y a n d i n d u s t rial e x p e r i me nt ， s o me r e s u l t s a r e o b t a i n e d．Th i s n e w mi n i ng me t h o d C an d i s p e n s e wi th t he h o i s t i n g c o s t ， b a c k fil l i ng the g o a l， i n c r e as i n g t h e r a t e o f l e a c h i n g an d mi n i mi z i n g t h e e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n， S O t h e me t h o d me an s man y e n v i r o n me n t al a n d e c o n o mi c e ff e c t s ． Ke y wor d s s t o pe l e a c hi ng a nd s h r i nk a g e mi ni ng me t ho d； f e a s i bi l i t y s t ud y； I nd us t rial e x pe rime n t 0前言 传统的采矿理论严格划分堆浸法和留矿法， 认为他们分 属不同的采矿类型 ， 而本文提 出的 留矿堆浸 采矿法则是 对上 述两者的有机结合 与优势 互补 。留矿采矿 法是空 场法 的一 种， 是我国地下开采矿山中使用时间最早、 应用范围最广的 采矿方法之一 ， 特别 是 在黄金 矿 山及 铀 、 铜矿 的开采 中 占有 重要 比重 。但 随着高效率大 型采装运 输设备 的推广 ， 充填 技 术的进步， 及深部采矿的发展， 其效率偏低和采矿区处理滞 后的局限性使其无法适应未来采矿发展的要求。而堆浸法 是一项历史悠久、 却直到上世纪 7 0年代才兴盛起来的采矿 技术， 它是溶浸采矿法的一种， 是根据某些矿物的物理和化 学特性 ， 将工作剂注入矿堆 ， 通过化学浸出、 质量传递、 热力 和水动力等作用， 将矿物中的某些矿物从固态转化为流动状 态溶液、 熔融液、 气体或悬浮流体， 然后回收以达到开采 目的的采矿方法 ⋯ 。需要指 出的是它区别于原地浸 出采矿 ， 堆浸的作用对象是破碎矿石或废石堆， 而原地浸出则是作用 于天然埋藏条件下的矿体。传统的堆浸法多用于处理低品 位矿石 、 废石和残 留矿石 ， 且多采取 地表堆浸 的方 式 ， 此 举不 作者简介 谢建 兵 1 9 8 3一， 男 ， 助理工程 师， 主要 从事采矿工 艺与数 值仿真模拟等方 面研究 仅增加 了提升运输成 本 ， 污 染了地 表环境 ， 还造成 废石 堆处 理 困难 。本文就 是在这 种背 景下 ， 通过 分析 两者 的矛盾 ， 提 出了留矿堆浸采矿法， 并探讨两者互补的可行性。 1 方 法介绍 留矿堆浸采矿 法是先 利用 留矿法 崩落 、 破碎 矿 石 ， 放 出 约三分之一矿石 ， 以抵消因矿石碎涨性 而增加 的体 积和创造 凿岩空间， 其余矿石在矿房中就地筑堆， 完成筑堆工作后即 可安装布液和集液系统， 喷淋溶浸液在矿石堆上， 通过提取 富液达到回收金属的目的。在之前也有相应的开拓和采准、 切割工程。其工作流程如图 1 所示。 2可 行 性研 究 2 ． 1 理论依据 留矿法崩落破碎矿石， 却留下采空区； 堆浸法则提取富 液 ， 剩下废矿堆。可以设想 ， 将留矿法破碎的矿石供堆浸， 而 将堆浸后的废矿渣用于充填留矿法的采空区， 这就互相帮对 方解决了难题， 大大降低了生产成本。下面就分析两种采矿 方法的特点， 找出他们的互补性和相容性 ， 确定两者相结合 的可行性 。 1 留矿法贮矿时间一般比较长 大约 l～ 3年 ， 满足堆 浸矿石的时间要求。 第 2期 谢建兵等 矿房留矿堆浸采矿方法研究与应用 5 2 留矿法 的阶段高度与堆浸法的筑堆高度大致相同。 3 留矿法采用浅孔凿 岩 ， 孔距 、 排距 小 ， 大块 率低 ， 平均 块度能符合堆浸法 的要求。 4 堆浸结束后 留下的废矿堆经清洗及酸碱中和处理后 ， 可作为充填料充填采空区。 5 相对于地表， 地下采场中可维持稳定的温度、 水量及 p H值 ， 保证堆浸过程的顺利完成 。 以上五点 ， 可视为 留矿堆浸法可行的理论依据 。 图 1 留矿堆浸采矿法流程图 Fi g． 1 The mi n i ng pr o c e dur e 2 ． 2 适用条件 考虑 到地质条件 、 技术水平 、 经济效益和环境保护 ， 任何 一 种采矿方法都具有特 定的适用条 件。留矿 堆浸法 的基本 条件是矿石要有可浸性 ； 此外， 还有 以下几点 1 矿石和围岩不能有 自燃性 和结块性。 由于矿石 的堆 集时间往往比较长， 且堆浸过程也要求矿石保持良好的渗透 性 ， 不但要使矿石与溶浸液充 分接触 ， 还 要保证溶 浸液能在 矿石 中流动或渗流。同时 ， 围岩稳 固的倾斜 矿体 ， 以便 于放 矿 。 2 对于高低品位矿石均可， 关键在于矿石有可浸性 ； 尤 其是复杂难采矿体 ， 比如处 于工业品位 以上 ， 但氧 化程度高 或者化学成分复杂 ， 并含有有 害伴生矿物 的矿石 ； 以及处于 工业品位以下， 仍有 回收价值的矿石等其他采矿方法无法开 采的矿体。此外， 对于深部矿体开采也适用， 因为矿石堆筑 在采空 区， 可减少地压的影响程度。 3 水文地质条件较好 ， 矿 体周边有 隔水 层 ， 以减少溶浸 液的流失和对地下水的污染。但留矿堆浸法采用人工垫层， 则此条件可以适当放宽。 3 工程应用 实例 某矿体为接触交代矽卡岩型矿床 ， 埋藏距地表 5 4 0 m， 矿 体走向长 度达 1 5 0～ 2 0 0 m， 厚度 l 0～ 2 0 m， 倾角 为 7 O 。～ 8 0 。 ； 矿石平均品位偏低， 矿体与围岩接触明显， 上盘为白云 质大理岩 ， 下盘为花 岗岩 ， 矿岩均稳固 ，81 2 ， 矿石与 围 岩均无结块性和 自燃性 ； 地表水 系发达 ， 地区经济 以种植农 作物为主， 且经矿石可浸性试验， 结果表明矿石浸出率高。 3 ． 1 结构 参数 采场高度的确定， 主要是考虑到筑堆后矿堆的渗透性。 若阶段过高， 矿堆过厚， 溶浸液尚未渗到底部， 其溶解的氧就 已消耗殆尽 ， 达不到溶浸 的 目的 ， 还延长 了堆浸周期 ； 若阶段 过低 ， 不但开拓采准工程量增加 ， 还增加 了“ 切 割一崩矿一堆 浸” 循环的次数， 成本大大增加。经验值一般取筑堆后的高 宽比为 7 1 0 ， 我 国为 4 5 。采 场沿走 向布 置 ， 宽度 为矿体 厚度， 稳定性要求顶板暴露面积不大于5 0 0 m 时为安全， 故 走向长度取 4 0 m。矿房自上而下分层崩矿； 无间柱回采， 不 留底柱而用混凝土浇 3 0 0 m m人工假底 ； 留 3 m顶柱 ， 保护上 阶段回风平巷。采场结构见图2所示 [- I H 1 ． 运输平巷 2 ． 垫层 3 ． 顺路天井 4 ． 溜井 5 ． 矿石 6 ． 炮孔 7 ． 矿体 8 ． 通 风天井 9 ． 顶柱 l O ． 回风平巷 1 1 ． 浸后废渣 图 2 采矿方法图 Fi g ． 2 The wi n i n g me t h o d 3 ． 2采准与切割 运输巷道沿下 盘掘进 ， 以避免压矿 ； 传统 的留矿法 多采 用漏斗自重放矿的底部结构， 但留矿堆浸法除考虑出矿工序 外 ， 还必须为后续的堆浸工作做准备 ， 既要减少溶液 的渗漏 ， 又要利于富液回收 ， 比较 其他矿 山方 法和经验 ， 采用无底 柱 结构， 而在矿房中心两侧各砌一个溜井放矿； 进行拉底， 面积 与矿房一致， 高度取2 m， 同时在矿房中央打一通风天井， 与 上阶段 回风平巷相通 。 3 ． 3回采与筑堆 在崩矿前先在地板上 浇筑 3 0 0 m m混凝 土垫层 ， 作 为人 工假底支护和防止溶浸液渗漏， 同时在相邻矿房间构筑 3 0 0 8 0 0 mm厚 的混凝土隔墙 ， 以利于下一矿房开采 ； 与围岩两 侧则 喷射混凝土防止渗漏 ； 采用浅 孔凿岩机 打上 向炮孔 ， 考 虑到堆浸法对矿石块度的要求 块度在 一 5 0一一1 5 0 fi l m范 围内的矿石 占绝大多数 ， 且 粉矿量不能超过 2 0 ％ ～ 2 5 ％， 及 最好 能保持爆堆块度组 成分布均 匀合理。这就对凿岩 爆破 技术提 出了高要求 ， 设计可采用密集浅眼反向微差挤压爆破 落矿技术； 在矿房两侧架设顺路天井， 及堆砌溜井 ； 落矿后， 通过溜井放出约 1 ／ 3矿石， 以抵消因矿石碎涨性而增加的体 积 ， 平整矿堆 ， 如此循环 ， 直至整个矿房采完。新鲜风流从运 输平巷， 经顺路天井清洗工作面， 污风则从中央天井排至上 阶段回风平巷 。 3 ． 4 布液与集液 矿堆物料颗粒分布 均匀 ， 渗透性 良好 ， 因此 选择采用喷 淋布液系统 ， 溶浸液主要是通过分布在浸堆上的管路及管路 上的喷嘴喷淋 到矿堆 上。关 键 是要控 制三 度 即喷嘴 的网 度 ， 喷淋的强度和溶液 的浓度。矿堆 的顶部 结构为 敞开式 ， 即矿房上部的顶柱与矿石堆之间留有一个供布液用的空间， 高度为2～ 3 m 。淋浸设施与地表堆浸相似， 布液管路可经天 井进入矿堆， 其结构参数如图 3所示。当出矿完毕后， 即可 封闭溜井 口， 此时溜井可用作集液井 ， 安装集液装 置， 抽 出渗 6 有 色 金属 矿山 部分 第6 1 卷 流到井中的富液， 集液管路也通过天井到上一阶段平巷。 图3 布液管路布置图 Fi g． 3 The s y s t em o f t r a ns f us i o n pi pe l i ne l a yo ut 每个喷嘴所影响的淋浸半径， 通过试验确定； A 喷嘴组行间距； 6 喷嘴组列间距。 其满 足以下关 系式 Rc 0 ． 5 7 7 5 A1 ． 5 R c 参考 3 ． 5采空区处理 堆浸完毕后， 即用清水冲洗， 收回残液和有害物质， 其剩 下的废矿堆则作为充填料充填采空区， 回收布液和集液装 置， 封闭天井口， 即完成整个采矿工序。试验结果表明， 这种 充填料颗粒远大于尾砂颗粒 ， 强度高， 能有效控制地压活动， 充填效果好； 而且工序简单， 成本大大降低 ， 对地下水的污染 也降到最低 。 3 ． 6 技 术难点 试验过程取得 了重要成果 ， 显示 了留矿堆浸采矿法 的适 用性和优越性 ， 但要最大限度的发挥它的效益， 还有以下几 个技术难点有待解决。 1 留矿堆浸采矿法的崩矿过程是自下而上分层凿岩爆 破 ， 人员和设备在矿堆上作业， 这就压实矿堆， 形成人为压实 层， 弱化了溶浸液的渗流能力。文献[ 4 ] 中推荐采用的解决 办法是不采用分层 回采， 而用 中深孔或深孔爆破筑堆技术 ， 它虽然解决了压实层问题， 提高了筑堆效率， 但它却带来了 新的技术难题 矿石的大块率增加， 块度很难控制。本文认 为 ， 仍采用浅孔分层 回采以保证块度要求， 可在矿堆 中安装 一 定量的渗流管来解决压实层这一问题。如图4所示。 2 留矿堆浸采矿法的筑堆方式有封闭式和敞开式两 种[ 5 ] 。敞开式虽然便于安装布液和集液系统， 直接调整淋浸 点， 但由于其未与顶柱相接， 留有 2～3 I ll 的空区， 对地压控 制不利 ， 容易引起上部矿体开裂塌陷。传统的解决办法一是 1 ． 掺诋管 2． 长谬稀 e 管 3 ． 松散层 4 ． 压实层 图4 渗流管布置图 n g ． 4 T h e s y s t e m o f s e e p a g e p i p e l i n e l a y o u t 待堆浸完毕后， 强制崩落顶柱， 利用其碎涨性充填空区； 二是 采用比较先进的封闭式筑堆 ， 在矿房上部不保留敞开式空 间， 待浸松散矿石直接与矿房顶板接触， 淋浸液通过给液巷 向待浸矿石方向打的倾斜淋浸钻孔进行输送。 3 堆浸矿石的块度对金属的浸出率有很大影响， 从动力 学的观点来看 ， 在相同条件下， 矿石的粒度越小， 金属的浸出 速度越快。但是矿石粒度又不宜太细， 否则会影响溶浸液的 渗透速度， 不利于矿堆中液固分离， 严重时， 粉矿会阻碍溶浸 液在矿堆 中均匀 流动而影 响浸 出效率 。一般要 求矿石 块度 在 一 4 0 0 m i l l 占9 5 ％ ， 其中 一 2 0 0 mm占 8 0 ％[ 5 J 。而块度控制 的关键因素是爆破技术 ， 因此应加强爆破技术研究。 4结 论 1 留矿堆浸采矿法很好的解决了采空区处理这一难题， 大大减轻了矿石运输量； 同时又保证 了矿石的浸出率， 创造 了重要的经济效益。 2 留矿堆浸采矿法将传统的地表堆浸转为地下堆浸， 节 约 了大量土地 ， 净化 了周边环境 ， 具有重要的环境效益 。 3 留矿堆浸采矿法仍处于理论研究阶段， 需进行工业试 验以进一步优化采矿方案 ； 其对深部矿体开采和低品位或氧 化程度高的矿体开采具有重要的指导意义。 参 考 文 献 [ 1 ] 邹佩 麟 ， 王惠英 ． 溶浸采矿 [ M] ． 长 沙 中南工业 大学出版社 ， 1 9 90 ． [ 2 ] 赵英豪． 平底结构矿岩分运浅孔 留矿法在不规则厚大矿体 中的 应用 [ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 0 ， 2 0 3 1 11 2 ． [ 3 ] 李羽 ． 原地破碎浸 出采矿工 艺中有 关爆破 筑堆 问题 的探讨 [ j ] ． 铀矿开采 ， 1 9 9 2 ， 2 6 4 6 7 ． [ 4] 徐 国元 ， 刘敦文 ， 黄仁东 ， 等． 改善原地溶 浸工艺 中矿石破碎 质 量的力学 机理 [ J] ． 中南 工业大学 学报 ， 2 0 0 1 ， 3 2 5 4 5 3 4 5 6． [ 5 ] 徐 国元． 坚硬矿岩爆破 破裂行 为机理 的研究 [ D] ． 长沙 中南大 学 资源环境与建筑工程学院 ， 1 9 9 5 ． 口