锡矿山采矿技术攻关与解难.pdf

I SS N 1 6 7129 0 o CN 4 31 3 4 7 ／ TD 采矿技 术第 1 0卷第 3期 Mi n i n g T e c h n o l o g y ，V o 1 ． 1 0， No ． 3 2 0 1 0年 5月 Ma v 2 01 0 锡 矿 山 采 矿 技 术 攻 关 与 解 难 张根 深 ， 肖迪 民， 曹明秋 锡矿山闪星锑业有限责任公司， 湖南 冷水江市4 1 7 5 0 2 摘要 锡矿山采矿工作者经过 6 0年的科技 攻关， 成功解决 了锡矿 山难采矿体开采面临 的诸 多采矿技 术难题 ， 所取得 的实践成果丰 富了采矿工程 学宝库。分 两个阶段 2 0世纪 后 5 0年和最近 l 0余年 介绍了锡矿 山采矿技 术科技攻关的过程及其科研成果 。 并提 出了 锡矿山未来将要面临的采矿技术创新问题。 关键词 采矿 方 法 ； 通风 防 尘 ； “ 三下 ” 采矿 ； 地 压控 制 ； 残矿 回采 锡矿山是一个超大型锑矿床 ， 至今 已有 1 1 0多 年大规模开采的历史。解放前 ， 矿商唯利是图， 见矿 采矿 ， 无正规采矿方法可言。解放后 ， 锡矿山采矿科 技工作者结合矿山生产实际， 在有关科研院所 的协 助下 ， 通过不断探索 ， 创 立 了由“ 普通 ” 、 “ 杆柱” 和 “ 人工壁柱” 房柱法构成的适应缓倾斜矿体开采的 房柱采矿法体系 ； 同时通过长期艰苦的科技攻关 ， 成 功解决 了诸多难采矿体 回采的技术问题 ， 极大丰富 了采矿工程学宝库。 1 2 0世纪后 5 0年 的科技攻关 1 ． 1 创立了房柱采矿法体 系 根据锡矿山缓倾斜中厚矿体的特点， 在沿用不 规则矿柱空场法的同时， 1 9 5 3年进行 了留规则矿柱 “ 普通房柱法 ” 的试 验， 经对采场构成要素 、 回采顺 序与作业方式等的全面论证 ， 1 9 5 4年该法被定型为 回采中厚矿体的基本采矿方法。1 9 5 8年开始南矿 东部薄 1 号 矿体 回采的试验研究 ， 先后试验的长 壁法、 宽进路扇形眼崩矿和房柱支柱法均不理想 ， 直 至 1 9 6 2年 1 1月开始试验 的“ 杆柱房柱法” 获得成 功而定型为薄矿体回采方法 。1 9 7 8年随着南矿 7～ 1 1 中段薄矿体回采条件的变化， 在总结上部中段回 采经验的基础上， 在 1 1中段进行了缩小采场跨度 、 两步回采的“ 杆柱护顶 、 砂浆充填采矿法” 的试验并 获得成功 ， 从而取代了“ 杆柱房柱法” 。1 9 6 5年在探 讨“ 三下” 采矿方法时 ， 自创两步回采 的“ 人工壁柱 房柱法” ， 1 9 6 6年开始试用于南矿6～ 7中段河床保 安矿柱的开采 ， 7 0年代 中期便在锡矿 山全面推广 ， 并相继试验成功中深孔采矿和块石胶结充填 、 喷锚 护顶高分层 回采等工艺 。至此建立起 由“ 普通 ” 、 “ 杆柱” 、 “ 人工壁柱” 房柱法构成的房柱采矿法体系。 1 ． 2创立棋盘式通风网络实现井下通风自动控制 锡矿山 1 9 5 1 年开始机械通风， 随后形成分区通 风系统 。根据缓倾斜矿体的特点， 1 9 5 6年陈秉勤创 新的棋盘式通风网络应用于南矿 ， 井下粉尘浓度大 大降低。1 9 5 8年 4月， 锡矿山在全国冶金矿 山中率 先达到粉尘浓度低于 2 m g ／ m 的国家卫生标准。随 着风 通风 、 水 喷雾洒水 、 密 密闭 、 管 加强管 理 、 查 检查 、 护 劳动保护 、 教 教育 、 革 技术 革新 8字综合防尘措施的落实， 井下工作面粉尘合 格率逐步提高 ， 1 9 6 4年达 8 3 ． 5 ％ 。为解决井下作业 点分散且生产条件变化频繁 、 通风系统管理与控制 困难 、 通风动力浪费与成本高等问题 ， 1 9 7 9年开始 使用微机进行南矿井下通风设备集 中监控和矿井风 量 自动调节的试验研究， 并获得了良好的效果 ， 从而 使南矿在 2 0余年内实现了通风 自动控制。 1 ． 3 首开国内金属矿 山“ 三下” 采矿之先河 由于客观和历史的原 因， 南矿地表分布有南炼 厂 、 1号竖井等重要建筑物， 且飞水岩河流经矿体上 部 ， 1 9 5 6年按规 定划定 了 5大保 安矿柱并列 为禁 区， 由此极大地限制了矿 山生产的发展 。1 9 5 7年， 锡矿山开始探讨“ 三下” 采矿课题， 1 9 6 5年自创两步 回采的“ 人工壁柱房柱法” ， 在试验初步获成功的基 础上 ， 1 9 6 6年即全面运用于 6～7中段河床保安矿 柱的回采 ， 直至 1 9 7 1年 出现地压活动才暂时停止， 从而开创 了我 国金属矿 山“ 三下” 采矿 的先例。随 后从 1 9 7 3年开始 ， 在长沙矿山研究院的协 同下 ， 进 行 了8～ 9中段河床保安矿柱的回采试验 ， 期 间开展 了采矿方法及工艺 、 试采区采场地压规律及其控制 方法的可靠性 、 地表及岩层移动规律和充填体控制 张根深， 等 锡矿山采矿技术攻关与解难 岩层移动的效果等方 面的研究 ， 历时 8年的试验研 究 ， 解决了南矿保安矿柱采矿方法 问题 ， 论证了“ 人 工壁柱房柱法” 的地压机理和胶结充填体的力学作 用 ， 探索出一种地压控制方案 ， 取得 的科研成果为国 内金属矿山首创 ， 1 9 8 1年获 国家冶金科研三等奖 。 1 ． 4持续地 压控 制研 究 为了保护南 矿地 表建 筑物和飞水岩河道 的安 全 ， 1 9 5 5年和 1 9 5 7年共开辟 了 3个地表采石场 ， 建 立了两个充填系统 ， 对一些老采空区进行了处理 ， 同 时在地表建立了岩移观测线进行岩移观测。随着大 规模采矿生产 的进行 ， 井下空场不断扩大 ， 岩石应力 日益集中， 以致 1 9 6 51 9 7 1 年间在南矿东、 中、 西部 发生了 3次大面积地压活动 ， 为此分别于 1 9 6 6年和 1 9 7 2年开展了充填歼灭战， 同时加 强了地压和岩移 的观测工作 。1 9 7 3年 ， 冶金 工业部将 “ 锡矿山南矿 地压规律及控制方法” 研究列为重大攻关项 目， 并 明确长沙矿山研究院和武汉冶金安全技术研究所协 同矿山工作。通过近 l 0年的综合研究 ， 得 出如下成 果 地压产生 、 发展及稳定 的客观规律 ； 大面积地压 活动时岩音频率、 矿柱破坏 、 顶板岩层下沉移动与破 坏及地表移动的特征 ； 处理采空区和改进采矿方法 是控制地压发生的基本措施。该项成果分别获湖南 省 1 9 7 8年 、 冶金工业部 1 9 8 1年 和 国家科技成 果奖 1 9 8 5年 。地压控制 的研究至今 已持续 了 4 O 多年。 2 最近十余年来的科技攻关 2 ． 1 最终解决了南矿薄矿体回采方案 随着开采的继续深移 ， 南矿 1 3中段 以下薄矿体 倾角大幅度变陡 达 4 0 。 ～7 O 。 ， 使用杆柱砂浆充填 采矿法回采存在着施工困难 、 作业不安全和技术指 标差等问题。经过几年的探索 ， 南矿于 1 9 8 9年提出 了斜交矿体走 向和沿矿体走 向布置矿块 的两种回采 方案 ， 后经广泛讨论于 1 9 9 1年确定使用沿矿体走向 布置矿块、 分层 回采 的“ 上 向连续采矿 法” 付诸试 验 ， 经 1 5中段 8 2 8 4采试验获成功， 从而最终解决 了南矿薄矿体回采方案问题。该试验于 2 0 0 2年结 束， 其成果经湖南省科技厅组织专家鉴定， 认定是我 国难采矿体采矿方法研究方面 的一项 突破 ， 整体技 术达到国内领先水平 ， 2 0 0 3年获 中国有色金属工业 科技进步二等奖。 2 ． 2“ 三下 ” 采矿 又有新 的 突破 6～ 9中段河床保安矿柱的成功开采 ， 为南矿一 号竖井、 办公室等保安矿柱开采提供了借鉴依据。 但南炼厂保安矿柱开采条件更加特殊 1 属典型的浅部“ 三下” 矿体开采 矿体距地 表仅 2 0～ 7 0 m； 地表有正在生产的锑冶炼厂 。 2 开采条件特别复杂 其周围矿体已采完， 使其成为孤岛且经历 了较长时间采矿的扰动 ； 周围 老采空区呈复杂的多层结构 ， 部分采空区充填未接 顶 ； 有多层矿体需要重复开采 ， 因而其开采难度更 大， 类似开 采条件 的“ 三下” 采矿 目前 国 内外 尚无 报道。 为实现南炼厂保安矿柱的安全开采 ， 长沙矿山 研究院与锡矿山合 作 ， 开展 了该保安矿柱开采及其 安全监控的试验研究。试验开采过程中采用 了创新 的“ 分区卸荷 ， 多 回次平 稳沉降” 地压控制方案 ； 实 施 了控制采场个数 和中部全胶结、 两翼半胶结等安 全技术措施 ； 利用地压监测 、 岩移观测 、 爆震测定等 安全监控手段确保 了井 下 回采和地表建筑物 的安 全 ， 得出了独特的岩体声发射和岩层移动规律 以及 爆破地震波质点振动衰减规律与爆破安全距离等研 究成果。该保安矿柱开采试验 至 2 0 0 7年 5月结束 时累计 回采采场 6 3个 ， 采出矿岩量 5 2 ． 0 9万 t ， 充填 空区 1 8 ． 2 9 1万 m ， 采矿回采率 9 2 ． 4 5 ％， 矿石贫化 率 4 ． 8 3 ％ ， 为企业创 经济效益 6 3 6 3 ． 6 6 7万元。至 此 ， 领先国内金属矿山“ 三下” 采矿的锡矿山保安矿 柱开采研究基本结束 。 2 ． 3难采残矿回采创新硕果累累 所有矿山开采都会残留一些矿石未采出。难采 残矿回采是当今采矿界面临的一个技术难题 。锡矿 山超百年的大规模开采， 在已结束回采的中段保留 有大量残矿。尽可能多的 回收这些残矿 ， 对延长矿 山寿命 、 持续稳产 、 提高企业经济效益都有好处。锡 矿山 1 9 5 6年开始残矿 回采 ， 直至 1 9 9 2年主要还是 回采那些条件好的大矿柱和边角扫尾矿体， 一些难 度大的残矿回采方案未解决 ， 以致年 回收残矿量仅 3～ 4万 t 。1 9 9 3年开始开展难采残矿 回采方案的科 技攻关 ， 探索 出部分类型的难采残矿回采方案 ， 2 0 0 2 年以后残矿回采年产量提高到 8一l 0万 t ， 最高达 1 3 ． 8万 t 。 1 9 9 3年 1 O月 ， 针对南矿 7中段 4 5～ 5 1采 冒落 区残留矿石 回收方案 的探索 ， 南矿相关 的采矿技术 人员创新提出“ 底盘漏斗 自然崩落放矿回收 冒落矿 石” 方案 。即在冒落采场底盘沿采场方 向布置耙矿 道 ， 耙矿道两侧交错掘放矿漏斗并扩喇叭口； 冒落矿 l 2 采矿技术 石经松动后在其 自重压力下 自然崩落至耙矿道， 再 从耙矿道将矿石耙 出。该方案在南 、 北矿 的实施效 果较理想 ， 该项科研成果于 2 0 0 2年获得锡矿山科技 进步二等奖。 1 9 9 8年 3月 ， 有关采矿技术人员综合运用两步 回采充填采矿法采场地压机理、 地下采矿应力转移 、 充填体强度及其力学原理等理论 ， 针对房柱法回采 采场留下 的盘 区间柱和房 间壁柱 回采 ， 创新 提 出 “ 上向小分层 回采窄厚残 留矿壁 ” 方案。即按垂高 2 ． 5 3 m将残 留矿壁划分为若干个小分层， 依次进 行上向回采 ； 首先沿矿壁径向 逆矿体倾 向 进行拉 底 ， 然后依靠爆破震塌的尾砂及选别 出矿留下 的废 石回填采空区， 在充填体上依次进行挑顶 ， 直至矿壁 回采结束 。该方案在南矿 6中段 1～5采残留矿壁 回采试验获初步成功后 ， 1 9 9 9年在南北矿全面推广 使用。该项科研成果 于 2 0 0 3年获得锡矿 山科技进 步特等奖 。 2 0 0 4年 6月 ， 南矿采矿技术人员针对南矿西 4 ～ 7中段部分 区域上下采场 已采并尾砂充填 间的 隔层残矿 回采问题 ， 经 分析与理论论证 ， 创新 提出 “ 普通房柱法 回采 上下采空 区间隔层残矿” 方案。 由于隔层残矿厚度一般小 于 6 m， 故采场宽度取 6 m， 矿柱规格取 4 m 4 m， 采场顶板留 2 m左右的护 顶。该方案经南矿 7中段 5 76 l 采采场顶板 5中 段 l 2采底盘 隔层残矿回采实践证实可行 ， 2 0 0 5年 开始已在南矿推广使用。该项科研成果 于 2 0 0 6年 获得锡矿 山科技进步二等奖。 实践证 明， 上述 3种难采残矿回采方案是可行 的， 实施后使锡矿山近几年残采产量得到了很大的 提高。截至 2 0 0 9年底， 运用上述 3种 回采方案 ， 已 采出残矿锑含量 1 ． 5万多 t ， 以锑金属原料市场价格 计算 ， 为企业创造经济效益近 2亿元。由于残矿 回 采成绩突出， 锡矿山 2 0 0 7年荣获国土资源部“ 资源 利用先进单位” 称号 。 2 ． 4 充填工艺得到较大改进 在南矿进入深部 中段采矿时 ， 由于尾砂胶结充 填系统存在砂浆输送浓度低等 问题 ， 造成 充填体强 度较低 ， 以致采矿过程中出现充填体跨塌和片帮 ， 不 但增大 了矿石贫 化， 而且带来 了安全 隐患 。为此， 2 0 0 4年对南矿使用尾砂胶结充填法 回采缓倾斜厚 矿体进行了一次系统 的总结 和技术论证 ， 对过去尾 砂胶结充填回采厚矿体存在的问题进行了全面的分 析， 同时对两步回采方案采场地压机理、 胶结充填体 的力学作用 、 地压控制基本模式 、 尾砂胶结充填体强 度要求 以及尾砂胶结充填成本等方面进行了论证并 得出了相应的结论。在此基础上 ， 确定 自行设计对 南矿深部充填系统进行易地调整改造。 南矿深部充填系统改造于 2 0 0 7年 4月竣工， 经 过一个月的调试， 2 0 0 7年 6月投人生产 ， 至今 已有 2 年多 ， 从运行情况看 ， 效果较理想。系统生产能力 大 ， 一班作业可完成 1 d的任务 ， 减少用工 1 1 人 ； 砂 浆输送浓度提高到 6 0 ％ ， 为原系统 的 2倍 ， 减少井 下排水 1 8 ． 8万 t ／ a ； 极 大提高 回水利用 ， 达 到 8 2 8 t ／ d ； 优化了环境 ， 杜绝 了尾砂和废水下河， 砂浆制备 站实现粉尘达标排放 ； 提高了装备水平 ， 运用充填新 技术和新设备， 实现了工艺 自动控制， 降低了员工劳 动强度； 大大节省 了生产费用 ， 在减少用工和井下排 水 ， 提高 回水利用等方面节省生产直接费用 1 2 6万 Y r _Ja 。 根据南矿深部充填系统改造的成功经验 ， 拟定 对北矿充填系统进行 同样的调整改造 ， 目前已完成 设计并开始土建施工 ， 预计在 2 0 1 0年下半年可建成 投产。到那时， 锡矿山的充填工艺技术将得到一个 较大的提高。 3 结 语 锡矿山房柱采矿法体系的创立和诸多难采矿体 回采方案等问题的解决 ， 是锡矿山几代采矿科技工 作者心血的凝 聚。科学技术永无止境， 锡矿 山矿山 生产中存在的技术难题同样难 以穷尽， 近期亟待解 决的问题还有 1 两侧采场未充填的残留矿壁的回采方案问 题， 应加速探索 ， 力争 2～ 3年内解决 ； 2 南矿浅部 5中段 以上残留矿体 含河床 的 回采， 该项 目虽有一定难度 ， 但意义重大不宜久拖 ； 3 残 留护顶矿层的回采 ； 4 在充填系统改造的基础上 ， 寻找进一步提 高砂浆输送浓度的途径 ， 以便提高胶结充填质量。 中、 长期应考虑解决或将遇到的问题有 1 北矿五窿道矿区安全开采问题 ； 2 条件复杂的其它类型的难采残矿回采 ； 3 南矿深部复杂型矿体的回采； 4 南矿深部开采所遇到 的其它 如地压 、 通 风等 问题。 科学技术是第一生产力 ， 技术创新是企业发展 下转第 1 0 2页 1 0 2 采矿技术 3 爆破安全与主要技术经济指标 3 ． 1 爆破震动速度 “ ⋯ m ／ 式中 Q 最大一段起爆炸药量 ， 取 l 1 1 9 6 ． 6 4 k g ； 测点至爆源的距离 ， m； K、 a 与地质地形条件有关的系数和指数 ， 经实测 ， 取 K1 0 0 ， O t 1 ． 7 。 本工程爆源距 6 井 4 0 0 m V 0 ． 7 4 c m ／ s [ ] 5 c m ／ s ， 安 全 ； 距居民点 5 0 0 m V 0 ． 5 1 c m／ s [ ]1 c m ／ s ， 安全。 3 ． 2空气冲击波距离 R ／ Q 0 ， m 式中 Q 。 总装药量， 取 4 5 2 2 9 ． 7 8 k g ； 与爆破作用指数和破坏状态有关的 系数。 上式是抛掷爆破时空气 冲击波的计算公式 ， 松 动爆破时 ， 一般不考虑空气冲击波 ， 实际可参照上式 估算加强松动爆破时的空气 冲击波 ， 本设计取 K x 1 。代入计算得冲击波安全距离 R 2 1 3 m。 3 ． 3爆破飞石的安全距离 大爆破时 ， 个别飞石的飞散距离受地形 、 风向和 风力、 堵塞质量 、 爆破参数等 的影响。本文按下式 计算。 吩 2 0 n W K I 式中 尺 厂__碎石飞散对人员的安全距离 ； n 爆破作用指数 ； 厂__安全系数 ， 一般选 1 ～1 ． 5 。 风大 、 顺风 、 抛掷方 向正对最小抵抗线应为1 ． 5 ， 山间或哑 口地形为 1 ． 5～ 2 。结合本工程的实际情 况 ， 为了安全起见 ， 本设计取 K ， 1 ． 5 。经计算 ， 飞 石最大距离 R ， 3 7 1 m。 3 ． 4 主要技术经济指标 结合实际的工作条件和同类爆破工程的实际经 验 ， 以及爆破工程的实际地形地质条件、 现场的实际 施工环境 ， 预计爆破主要技术经济指标见表 2 。 爆破施工是一项技术含量高且具有一定危险性 的综合性工作 ， 必须根据现场地形地质、 施工机具及 工程整体安排等条件进行合理设计和组织施工， 对 保证工程质量和施工安全都具有重要的意义。 表2 主要技术经济指标 对于本文所提出爆破设计方案 ， 无论从理论上 ， 还是参考类似工程实践经验， 皆可以用于解决东沟 钼矿基建剥离问题 ， 经严格的分段联网和防护 ， 预计 对爆破 区不会发生大 的破坏， 可以较好 的达到预期 的爆破效果 。 参考文献 [ 1 ] 郭进平 ， 等． 新编爆破工程实用技术 [ M] ． 北京 光 明 13 报出版 社 。 2 0 0 2 ． 上接第 1 2页 的动力， 且其只有起点没有终点 。锡矿 山在今后 的 矿山生产中必须解决好 以上问题 ， 这也是锡矿山年 青一代采矿科技工作者义不容辞的职责。 参考文献 [ 1 ] 张根深 ． 2 0世纪锡矿山采矿科学技术 发展简史 [ R] ． 冷水江 锡矿山闪星锑 业有限责任公司， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 杜德余 ． 矿 山爆破工程[ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 3 ] 刘金鹏 ． 采场 中深 孔爆破技 术试验研 究 [ J ] ． 世界 采矿快 报 ， 1 9 9 9 ， 8 ． [ 4 ] 齐金 释． 现代爆破理论[ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 5 ] 李翼琪 ， 等 ． 爆炸力学 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 6 ] 何广沂． 工程爆破新技术[ M] ． 北京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 0 ． 收稿 日期 2 0 0 9一l 1 一l 1 作者简介 高奎 1 9 7 2一 ， 男， 采矿工程师， 从事矿山技术 管理和研 究工作 。 [ 2 ] 肖迪民 ， 苏心德 ， 张根深． 锡矿山南矿难采残矿 回采 实践 [ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 7， 2 ． [ 3 ] 曹明秋， 肖迪 民， 段正龙． 锡矿 山南矿 6 1 采顶底柱残矿回采实 践[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 7 ， 2 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 7 作者简介 张根 深 1 9 5 1一 ， 男， 湖 南新邵人 ， 高级 工程 师， 中国有色金属学会采矿学术委员会委员， 主要从事采矿工程 技 术研 究工作 ， E m a i l x k s t h 1 6 3 ． t o m。