凡口铅锌矿采矿技术的创新与发展.pdf

I S S N 1 6 7 12 9 0 0 C N 4 31 3 4 7 ／ T D 采矿技术第 l 0卷第 3期 Mi n i n g Te c hn o l o g y，Vo 1 ． 1 0， No ． 3 2 0 1 0年 5月 Ma v 2 01 0 凡 口铅 锌 矿 采 矿 技 术 的创 新 与 发 展 张木毅 中金岭南公司凡口铅锌矿 ， 广东 韶关5 1 2 1 0 0 摘要 首先概述了凡 1 7 铅锌矿采矿技术发展的历程 ， 然后从采矿方法、 充填工艺、 采矿装 备 3个方面介绍 了凡 1 2 铅锌矿的创新与发展成果， 最后展望 了采矿技术、 采矿装备的发展 方向 。 关键词 凡 口铅锌矿； 采矿方法； 采矿装备 ； 充填工艺； 泡沫砂浆 0 前 言 金属矿产资源是人类赖 以生存和发展的重要物 质基础。我国近 2 0多年社会经济的高速发展对金 属矿产资源环境造成了空前的压力 ， 安全开采 、 资源 紧缺、 粗放利用 、 环境污染和生态破坏已成为制约我 国经济社会可持续发展 的瓶颈， 重要金属资源供需 矛盾十分突出。2 0 0 9年 ， 我 国经济面对金融危机的 局势仍然 实现 8 ％ 的增长 ， 但与之 相对应 的是铁 、 铜 、 铝、 铅 、 锌等大宗金属矿产品的供需矛盾 日益突 出。多年 以来 ， 铁 、 铜 、 铝、 铅 、 锌 的产 量分别 约有 7 0 ％ 、 7 0 ％ 、 4 0 ％、 5 0 ％、 2 0 ％依靠进 口矿产原料 ， 使 我国成为世界上最大的金属矿产品进 口国。 凡 口铅锌矿于 1 9 5 8年建矿， 1 9 6 8年投产 ， 投产 后随着采矿技术的进步， 劳动效率的提高 ， 矿山生产 规模也逐步扩大。从 1 9 6 9年至 1 9 7 8年 1 O年间， 年 采矿量从 5万多吨提高到 2 0多万 t ； 1 9 7 9年开始进 行年产 l 2万 t 金属量的技术改造 ， 至 1 9 8 5年 ， 年采 矿量提高到 5 5万多吨； 1 9 8 7年 ， 凡 口铅锌矿又进行 了 1 5万 t 技术改造 ， 至 1 9 9 0年， 采矿量提高到 9 0多 万 t ； 1 9 9 4年开始进行深部开拓工程 ， 现已形成年采 选矿石量 1 6 8万 t 、 年产铅锌金属 1 8万 t 的综合生 产能力。凡 口铅锌矿采用中央竖井 、 斜坡道开拓， 开 采深度 目前 已达 8 8 2 m， 斜坡道长度达 8 0 0 0 m，上 部中段高度为 4 0 m， 深部中段为 5 0 m， 从 1 9 6 8年至 2 0 0 9年 ， 采掘总量约 3 2 0 0多万 t 。 凡 口铅锌矿 1 9 7 7年以前 ， 主要采用普通充填法 和浅孔留矿法采矿 ， 生产效率不高 ； 1 9 7 7年开始使 用盘区充填法采矿， 采场生产能力比普通法提高了 l倍 ； 1 9 8 3年开始试验 F D Q采矿法 ， 采场 生产能力 是普通法的 3倍。与此 同时， 矿山开始全面推广使 用振动放矿技术 ， 至 1 9 9 0年全部取代了人工放矿。 目前， 盘区上向分层胶结充填法、 盘区机械化中深孔 采矿法所 占产量 比重达 9 0 ％以上。 采空区充填方面 ， 矿山地表建立 了4个充填站 ， 每个系统充填能力为 4 5 0 1 1 1 ／ h ， 年充填量 4 0万 m 。 充填骨料为磨砂 、 废石 和尾砂 ， 1 9 9 6年 以后推广应 用的盘区机械化细砂水砂非胶结充填 、 应用分级尾 砂进行分层胶 面充填两项 新技术 ， 取得 了更 好 的 效果 。 1 采矿方 法重大创新 1 ． 1 盘区机械化胶结充填采矿法试验研究 1 9 7 6年 ， “ 盘 区机械化胶结充填采矿法试 验研 究” 被列为冶金部重点科研项 目。试验分两阶段进 行， 第一阶段在4号矿体盘区进行， 盘区综合生产能 力达到 4 0 0 5 0 0 t ／ d ， 采场达到 1 3 0～1 7 0 t ／ d ； 第二 阶段 1 9 8 0年 7月在 一2 0 0 m盘 区进行试验， 盘 区采 矿量平均达到 7 5 9 t ／ d ， 出矿 7 1 6 t ／ d 。该方法可 以 充分发挥凿岩台车、 铲运机和服务 台车等现代化设 备的作用 ， 采场生产能力比普通法提高 1 倍以上 ， 成 本降低 2 8 ％ ， 能充分 回收利用开采技术条件复杂的 高品位矿体 ， 1 9 8 2年 5月通过中国有色金属工业总 公司的鉴定。 1 ． 2 凡口 VC R采矿法的试验研究 1 9 8 0年 7月“ 凡 口V C R采矿法的试验研究” 被 列为国家科委“ 六五” 重点科技攻关项 目。1 9 8 2年 至 1 9 8 4年 ， 在回采试验阶段 回采 了6个采场 ， 回采 矿量 2 0万 t ， 采场 出矿能力达到 7 3 3～1 000 t ／ d ， 采 场综合生产能力为 3 0 0 t ／ d以上 ， 为普通法的3倍以 上 ， 作业成本降低 3 0 ％ ～5 0 ％。该方法具有安 全、 高效 、 成本低的特点 。1 9 8 4年 l 2月 ， 国家科委和中 张木毅 凡口铅锌矿采矿技术的创新与发展 7 国有色金属工业总公 司联合组织了鉴定 ， 并命名 为 “ 凡 口大孔径深孔采矿法 即 F I Q法 ” 。此外 ， 在 该采矿项 目研究 中， 还研制了 D Q1 5 0 J型高风压潜 孔钻机 ， 冲击器和钎头 ， 凿岩脉杆器 ， C L H系列乳化 油炸药和 s B系列炸药， Y K一1 型遥控铲运机等。 1 ． 3 高阶段深孔采矿法和装备的研究 1 9 8 7年 l 2月， “ 高阶段深孔采矿法和装备 的研 究” 代号 7 53 l一 0 4一 O 1 被列为国家 “ 七五 ” 重 点科技攻关项 目。试验取得 了采场综合 生产能力 5 2 9 ． 6 t ／ d ， 每吨矿石作业成本降低 3 1 ． 6 ％的良好指 标。成功地采用了低能导爆索滑块式起爆药包的多 层梯段爆破和球形药包 的高阶段联合崩矿技术 ； 移 动式破碎机破碎大块 ； 动态计量衡的准确计量矿石 ； 仿制了高风压潜孔钻机和钻具等。该方法适合于矿 体和围岩比较稳固， 矿体形态规整的急倾斜厚大矿 体。突出优点是 生产能力大， 安全程度高； 成本低； 矿石破碎效果好 ， 块度均匀 ； 采切工程量小； 减少了 顶底柱矿量占有 比例 。当时， 该方 法标志着我国大 孔采矿法又有 了新的突破 ， 达到了世界先进水平。 1 ． 4 阶段深孔台阶崩矿采矿法研究 “ 阶段深孔台阶崩矿采矿法研究 代号 7 53 l 一 0 4一 O 2 ” 项 目， 于 1 9 8 6年 6月正式列为国家“ 七 五” 重点科技攻关专题 。1 9 8 8年 7月开始进行研究 和设计工作 ， 1 9 9 0年 5月正式进行工业试验。经过 5年的努力 ， 先后 完成 了基础研究 、 采场服 务车研 制、 磁 电感应起爆系统 、 阶段崩矿 回采矿房 、 回采 间 柱的回采工艺的工业试验。该方法平均出矿能力为 9 2 7 ． 5 t ／ d ， 铲运机出矿能力为 4 0 O～ 6 0 0 t ／ 台班。该 方法与 F D Q法相 比， 具有更大的采场生产 能力、 更 高的作业效率 。由于提高了炮孔利用率 ， 使用低成 本炸药 ， 进一步降低 了回采作业成本 ， 其 中凿岩爆破 成本比 F D Q法降低 2 5 ％ ～4 0 ％。采矿服务车的应 用明显提高了护顶及其他辅助作业的机械化程度和 作业率， 磁电感应起爆系统具有安全可靠、 施工方 便 、 成本低 、 起爆能力大等优点 ， 具有很大的适用性 和推广价值 。 1 ． s盘区上 向中深孔配套机械化采矿新工艺 1 9 9 1年至 1 9 9 2年 ， 在盘区采场 内进行 了“ 盘 区 上向中深孔配套机械化采矿新工艺” 研究， 使用了 自动接杆台车打上向中深孔炮眼， 装药台车装粘性 粒状铵油炸药 ， 导爆索两孔并联非电复式网路起爆 ， 分层集中爆破 、 铲运机出矿 ， 撬 毛台车处理松石、 铲 运机出矿等机械化作业 ， 与原盘区采场相比， 生产能 力提高 1 ． 5 2倍 ， 凿岩效率提高 1 ． 9倍 ， 二次爆破量 减少 6 0 ％。该工艺在凡 口生产 中应用取得了显著 的经济效益 。 1 ． 6 无底柱后退式崩落安全高效环保采矿法 自2 0 0 6年以来 ， 凡 口铅锌矿开展了无底柱后退 式崩落安全高效环保 采矿法 的研发 ， 并取得 了圆满 成功 ， 现 已大面积推广应用。该采矿法具有 以下主 要特点 1 具有高安全性。上部硐室顶板和边帮均采 用锚杆和铁丝网联合支护 ， 确保人员在上部硐室钻 凿炮孔和装药时的安全； 出矿人员不进入爆破空场， 只是在已经支护处理好的下部硐室处操作遥控铲运 机铲矿 ， 确保 了出矿过程的安全。 2 回采效率高。采用深孔或中深孔大规模落 矿技术和先进的出矿装备 ， 大幅度提高了采场 回采 效率 ， 减少 了辅助作业 ， 提高了劳动生产率。该采矿 法在 国内首次采用 T O R O一 3 0 1超视距可视遥控铲 运机出矿 ， 该 机 的遥 控距 离为 3 0 0 m， 铲 斗斗容 3 m ， 专门用于矿井恶劣环境和危险区域抢采矿产资 源。操作人员可以在安全地带 ， 通过视频对铲车进 行操作 ， 避免了工人直接进入危险区作业 ， 有效保护 作业人员 的人身安全 。采用 S O L O 55 V遥控破碎 台车处理大块 ， 操作人员可以在安全地带通过遥控 对破碎台车进行操作 ， 指挥台车进行大块破碎工作， 改变了大块处理采 用二次爆破的传统模式 ， 有效地 提高了作业人员的安全性。该破碎台车处理大块还 能避免二次爆破对采空区顶板和边帮造成的振动， 减少因二次爆破带来的空气污染。 3 实现了少废开采 ， 有利于环境保护 。充填 采场出矿完毕后形成 的巨大采空 区， 可以消化大量 的井下废石或选矿尾砂。不仅可以大幅减少废石提 出地表的成本 ， 缓解 了深部掘进废石的储存压力 ， 加 快了深部盘区采场 的采准施工进度 ， 而且可大幅度 地减轻井下采出废石或选矿尾砂堆积在地表而造成 的土地 占用和环境污染 ， 实现了少废开采 ， 有效地保 护了环境。 4 实现了采场空区三维信息有效获取和回采 指标可视化计算。率先运用空区三维精密探测系统 C M S C a v i t y m o n it o r i n g s y s t e m 及数字化软件工具， 形成 了采场空区三维精密探 测及 可视化技术 ， 建立 采空区三维可视化模型， 实现对采场空区三维形态 、 空间位置、 实际边界、 顶板面积及体积大小等空间特 性的有效获取 ； 依据采场相关设计资料 ， 在直观 、 准 8 采矿技术 确地建立采场顶底部硐室 、 矿岩分界面、 断层 、 采场 夹石及采场 回采单元等相关三维模型的基础上 ， 结 合探测获取的采空区三维模型， 实现采场 回采总量、 采下矿石量 、 采下废石量 、 存留矿量及贫化率和损失 率等主要回采技术指标的可视化精确计算 ； 以采场 空区三维模型为基础 ， 准确地形成采场二步骤 回采 设计 矿柱 回采设计 和采 空区充填等所必须的技 术依据 ， 有效地提高了矿山开采管理水平。 2 充填工艺技术的创新发展 2 ． 1 尾砂胶结充填工艺与材料试验研究 1 9 6 71 9 7 2年 ， 采用分 级粗 尾砂作 为充填 材 料 ， 在金星岭充填系统增设了冲击式流量计、 y 射线 浓度计和 电磁流量计等仪表 ， 对主要充填参数进行 自动控制。该方法成本低 ， 效率高， 实现了长距离管 道重力输送 ， 且充填面平整 ， 无需进行繁重的平场作 业 ， 充填作业时间缩短 5 0 ％ ， 节省尾矿坝增建费用 ， 减少污染 ， 效益十分显著。该方法于 1 9 8 2年 5月通 过中国有色金属工业总公司的技术鉴定 。 2 ． 2 高浓度全尾砂胶结充填新工艺和装备的研究 “ 高浓度全尾砂胶结充填新工艺和装备 的研究 代号 7 5 3 1 0 4 0 3 ” 项 目， 于 1 9 8 6年列为 国家 “ 七五” 重点科技攻关专题 。该项 目包括 全尾砂脱 水工艺和设备的研究 、 全尾砂放料试验与研究 、 高浓 度全尾砂胶结充填料搅拌工艺和设备的研究 、 高浓 度全尾砂胶结充填料管道输送试验研究 含材料试 验 、 仪表 自动检测 与微机综 合处理系统 的研 究 5 个子项 。试验分两个阶段进行 。第一阶段为单项小 型半工业室内可行性试验 ， 于 1 9 8 7年 7月完成 ， 并 提出了工业试验方案。第二阶段进行工业试验 ， 于 1 9 9 1年 4月完成。高浓度全尾砂胶结充填新工艺 与普通工艺相 比， 具有 以下优点 扩大尾砂使用范 围， 解决了充填料严重不足的问题 ； 减少了地表尾矿 坝的容量 ； 减少水泥用量 ， 降低 了充填成本； 全粒级 充填料具有良好的输送特性， 减少了堵管事故； 采场 脱水量少 ， 简化了采矿工艺 ， 提高了采矿效率等。 2 ． 3 泡沫砂浆充填新工艺 凡 口铅锌矿是我 国使用充填法较为成熟 的矿 山， 随着采场机械化程度及生产能力的提高， 其 回采 工艺对充填质量的要求也越来越高。伴随着无底柱 深孔后退式采矿法 的推广应用 ， 采场嗣后充填脱水 的问题严重影响该采矿法在矿房回采中的应用。为 此 ， 凡 口铅锌矿与广州大学于 2 0 0 9年联合进行了充 填新工艺 、 新材料的研究高性能泡沫砂浆充填。 泡沫砂浆系在常规砂浆 中掺入一定量 的泡沫 直径 2 O一 3 0 0 p m细密气泡群 并混合均匀形成 的 一 种新型轻质充填材料。因泡沫的混合掺入 ， 泡沫 砂浆一方面降低 了充填体容重， 从而 降低了充填体 固化后的内应力 ， 可有效提高充填体的稳定性； 另一 方面 ， 利用泡沫的浮力作用和润滑作用， 可有效降低 充填体在管道中的临界沉降速度 ， 从而实现高浓度 泡沫砂浆充填不堵管的 目标。总 的来说 ， 泡沫砂浆 充填主要具有如下优势 1 泡沫砂浆具有膏体充填浓度， 因此具有膏 体充填体特有的优点 ， 但不需要泵送系统 ， 简化了充 填工艺， 降低 了充填成本 ； 2 泡沫砂浆避免了采场水污染 ， 改善 了采场 作业环境； 3 泡沫砂浆避免了充填过程的分层离析 ， 提 高了充填体强度的均匀性和整体性， 并显著提高充 填接顶率。 目前 ， 高性能泡沫砂浆充填关键技术研究已完 成了泡沫砂浆物理力学 特性和充填体作用机理 ， 以 及泡沫砂浆强度与采场围岩最佳匹配等基础研究 ， 并 已开始进行工业试验研究 ， 取得 了良好 的阶段性 成 果 。 此外 ， 凡 口铅锌矿还在“ 八五” 期 间， 进行 了“ 顶 板矿体采矿方法的研究” 和” 机械化 中深孔留矿法” 等项 目的试验研究 ， 根据生产需要和矿石特性研究 与探索的安全高效采矿方法 ， 推广应用于生产后均 取得 了明显成效 。 3 采矿装备技术 的进步 与研 制 凡 口铅锌矿采矿生产效率的提高和生产规模的 扩大， 除了工艺技术不断创新外 ， 还有装备不断进步 的功劳。从 2 0世纪 7 0年代至 9 0年代 ， 凡 口铅锌矿 每一次生产规模扩大和工艺技术的创新 ， 都研 发和 引进 了大量性能优 良、 生产效 率高的大型凿 岩 、 掘 进 、 采矿 、 运矿 、 破碎、 充填 、 电气等现代化先进装备 与之配套 ， 使采矿机械 自动化程度大幅提高 ， 达到了 国内地下矿山的先进水平 ， 大大缩短了与发达 国家 地下金属矿山开采技术的差距 。 3 ． 1 采矿凿岩装备 凿岩除使用 国产风动凿岩机外， 引进 了国外先 进的凿岩车台 ， 以及配套撬毛台车和锚杆台车等先 进装备。掘进作业 除曾使用过 国产双机凿 岩台车 张木毅 凡 口铅锌矿采矿技 术的创新与发展 9 外 ， 还试制过立蟹爪爬式装岩车 、 转载斗车等。顶板 支护发展到锚杆支护 、 锚杆金属 网支护及喷锚 网联 合支护 。天井掘进全面应用 吊罐法 、 天井钻机钻进 法 、 深孔分段爆破成井法， 大大加快 了掘进速度。采 掘爆破均采用复合乳化炸药 ， 工作面大块采用进 口 破碎台车处理 。 3 ． 2 矿石装运方面 1 9 8 2年就采用 了高效率 的铲运机 出矿和振动 放矿机放矿 ， 先后从芬兰、 美国等 国家引进大型铲运 机， 这些铲运机对生产效率 的提高起到了举足轻重 的作用。对危险采场或残矿 回收， 使用遥控铲运机 出矿， 装运效率提高了5倍。 3 ． 3 自行研 制的 采矿设 备与 器材 2 O世纪凡 口铅锌矿 自行研制试用的采矿设备 、 器材有 C T C一1 0 2型双机采矿台车和装药器； A T一 2 0 0 0型天井钻机 ； B M 系列乳化粉状与弹塑炸药及 复合油相材料 ； W 一1型铲运机 ； WJ 一1型铲运 机； 0 ． 4 n l 电动铲运机 ； Y K一1型遥控铲运机 ； 1 0 ． 0 0 2 O一1 4层级半光面耐切割工程轮胎 ； C Z一1 5 0型高 压钻孔冲击器钻头 Y K P 4硬质合金 ； S P Y一1型数字 式频率制综合 远动装置 ； D Q 1 5 0 J型高 风压潜孔 钻 机 ， 冲击器和钎头， 凿岩稳杆器； C L H系列乳化油炸 药和 S B系列炸药。 3 ． 4 进口的主要采矿设备 凡口铅锌矿 1 5万 t 改造期 间进 口的主要采矿 设备有 H S一1 0 5 X型上 向接杆凿岩台车 2台、 HS一 1 0 5 H ／ V型上 向接杆凿岩 台车 1台、 N T 3 0 ／ N B B 1 5 0 型井下装药台车 2台 、 S I MB A 2 6 1型井下潜孔钻机 2 台、 B R O K 3 0 0 0撬 毛 台车 1台 、 H 6 9 5型锚索 台车 1 台， 这些设备在使用过程 中都得到逐步增加和更新 。 2 0世纪凡 口铅锌矿采矿技术的创新与发展 ， 在 工艺技术和主要技术经济指标方面都接近或达到了 国际先进水平 ， 为中国采矿技术取得新突破 ， 为中国 采矿事业的进步做出了突出贡献 。 4 发展展望 科学、 高效 、 安全 、 环保地进行矿产资源的开发 ， 最大限度地提高资源利用率 ， 是 当今矿产资源开发 技术的发展方 向， 也是保 障矿业乃至国民经济可持 续发展和国家安全的重大战略选择 。以铲运机为中 心 ， 配以各种凿岩、 运输和辅助车辆的无轨采矿技术 及工艺是当今地下采矿技术的发展趋势。一些采矿 发达国家正在极力利用遥控 、 无线 电通讯 、 仿真 、 计 算机管理信息系统、 实时监控等先进技术来控制采 矿设备和系统。近些年 ， 国外采矿设备大量应用计 算机工控技术 、 全球卫星定位技术和互联网通讯技 术等 ， 已成功开发 出了 自动识 别系统 、 自动定位系 统 、 故障现场诊断和远程诊断系统、 最优控制系统以 及管理专家系统等， 这些无疑也是将来我国技术攻 关 的一个方 向。 相对于国外发达的矿产资源开发和利用技术 ， 我 国金属矿产资源开发利用 目前仍然存在着很多不 足 ， 主要体现在 1 我 国采矿技术装备水平和信息化水平与矿 业 的发展要求不相适应 。我 国矿山整体装备水平落 后 ， 开采设计方法落后 ， 制约 了采矿工艺的发展 ， 计 算机辅助分析、 辅助设计 、 辅助测试及辅助制造系统 还没有形成 ， 适应 于高危环境 、 深井开采 的智 能化 遥控 装备的开发研究刚刚起步 ， 成熟产品几乎为 空 白， 严重危及到矿 山的生存与发展。 2 我 国大多数矿 山采 矿装 备仍停 留在 国外 2 0世纪 7 0年代水平 ， 仅少数重点矿山达 国外 2 0世 纪 9 0年代先进水平 ； 主要是装备种类多 、 型号杂、 不 匹配、 故障多、 效率低、 维修困难， 导致矿山平均规模 小、 技术水平低 ， 影响生产能力的发挥 。 3 我国基于计算机的信息化技术在矿产资源 的开发和利用上仍然有很长的路需要走。与国外同 行业相 比， 我国采矿 自动化水平还非常落后 ， 一是大 型采矿设备基本依靠进 口， 未能有效地将相关技术 和产品实现国产化 ， 受配件维修 限制不 能全面发挥 进 口设备 的优势 ； 二是井下作业面的结构信息、 地理 及地质信息 、 设备状态及位置信息不能实时获取 ， 因 此虚拟现实技术的应用受到限制。 参考文献 [ 1 ] 张木毅 ， 欧 阳仕元 ． 发展 书辉煌文 明铸 丰碑 [ J ] ． 矿业研 究 与开发 ， 2 0 0 8 ， 2 8 s 1～1 0 ． [ 2 ] 许春胜 ， 许毓海． 凡 口铅锌矿 1 8万 t 达 产的采矿对 策 [ J ] ． 采 矿技术 ， 2 0 0 7， 7 3 1 3一l 4 ． [ 3 ] 冯兴隆 ， 贾明涛 ， 王李管 ， 等． 地下金属矿 山开采技术发展趋势 [ J ] ． 中国钼业 ， 2 0 0 8 ， 2 ． E 4 ] 黄沛生， 罗周全． 凡口铅锌矿深部矿床开采方法的探讨 [ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 2 ， 5 ． [ 5 ] 陈坤锐． 凡17 1 铅锌矿充填工艺和技术发 展历程与展 望[ J ] ． 矿 业研究与开发， 2 0 0 8 ， 2 8 s 5 0～ 5 2 ， 7 0 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 2 作者 简介 张木毅 1 9 6 4一 ， 男 ， 广 东汕 头人 ， 教授 级 高级 工 程师， 硕士， 中国有色金属学会采矿学术委 员会委员， 从事采 矿工程研 究与管理 工作 ， E m a i l k b 6 3 1 0 2 7 0 1 6 3 ． c o m。