大型礦山企業建設的創新和發展

劉育明

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

大型礦山企業建設的創新和發展

劉育明

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

簡要敘述了我國大型礦山建設面臨的一些挑戰和要求,如貧礦開采、露天轉地下、深井開采、難采礦床開和環境保護等。重點提出了地下礦山充填法、自然崩落法推廣應用和綠色礦山建設等方面創新與發展的方向。

貧礦開采;深井開采;難采礦床;自然崩落法;綠色礦山

1 我國礦山建設面臨的挑戰和要求

經過幾十年的開發,許多礦山已從淺部走向深部開采,隨著勘探深度的增加,新發現了許多埋藏深的礦床。

(1)貧礦越來越多,需要采用更加經濟的方式進行開采。我國金屬礦產資源以貧礦為主,富礦少。全國鐵礦平均品位僅為33%,低于世界平均水平11個百分點。我國主要的銅礦基本上均屬于低品位礦床,如德興銅礦、冬瓜山銅礦、銅礦峪銅礦、普朗銅礦等,目前一些大的銅礦的品位均在1%以下,許多僅為0.4%～0.7%。銅礦峪銅礦690m以下礦石的平均品位為0.67%,普朗銅礦礦石品位平均為0.522%。金川(鎳礦)的Ⅲ礦區、Ⅳ礦區均是貧礦。對這些礦體厚大、品位低的礦床必須尋求安全、高效、低成本的開采方法。

(2)大型露天礦將更多的轉向地下開采。這一類的礦山主要有江銅的永平銅礦,大冶銅山口銅礦,武鋼的大冶鐵礦,未來其它一些鐵礦也將轉入地下開采。

(3)礦床開采越來越深,超千米深的礦床越來越多,生產規模越來越大。未來10年中,我國一些金屬礦山將逐步向1000～2000m深井發展,如冬瓜山銅礦、金川二礦區、凡口鉛鋅礦等礦山的開采深度已接近或超過1000m。遼寧本溪大臺溝鐵礦,礦體賦存深度在1200～2000m之間,資源量在35億t以上,礦石開采規模將達1500萬t/a以上。萊蕪礦業公司在山東濟寧新發現的特大型鐵礦,預計資源量約10億t,埋藏深度為1020～2200m,礦石開采規模將達2000萬t/a。盡管過去的十多年(從“九五”開始),我國礦山科技工作者為深井開采做了大量的科研工作,取得了大量的成果,但由于礦山開采深度受局限,一些問題如巖爆、地溫等不明顯,反映的問題并不全面。這些問題的難點是:

礦床埋藏深,地應力高,巖爆傾向嚴重,高地應力和巖爆,將大大降低采場的穩定性,巷道的支護要求更高,對類似金川這樣極為破碎的礦巖,其支護難度更大。

地溫高,按地溫梯度,一般每下降100m,地溫增高2～4℃,因此千米深井地溫可達40～50℃,當礦體埋藏深度達到1500m時,溫度將達到60～70℃,甚至80℃,高地溫將給井下通風和降溫帶來很大的技術難題。

深井開采使得豎井提升高度大,提升鋼絲繩本身重量大,必須提高設備的生產能力、自動化控制程度和安全可靠性。目前國內主井的提升速度最大為12m/s左右,但國外先進礦山一般為18m/s左右。提升技術涉及到深井提升設備開發、深井提升控制系統研究、深井提升罐道研究、深井提升鋼絲繩研究、深井提升容器研究等。

超過千米的深井將給充填帶來巨大的難題,垂直1000m以上的充填輸送容易產生離淅,而且鉆孔磨損極大。

(4)難采礦床的高效、經濟開采依然是礦山的難題。我國難采礦床較多的類型是大水礦床或水體下礦床,主要有馬鋼集團姑山礦業公司的白象山鐵礦、河北馬城鐵礦、三山島金礦新立礦區等。白象山鐵礦區內地表水系十分發育,溝渠縱橫交錯,礦體上部連續分布有強含水層。馬城鐵礦第四系為強含水層,直接和礦體頂板相連。三山島金礦新立礦區屬于海底采礦。

(5)國家對環保的要求越來越嚴格,礦山可持續發展是礦業開發追求的目標。我國是一個人多地少的國家,過去粗放型的開采對環境破壞很大,主要表現在地表塌陷,尾礦庫和廢石場占地巨大,廢水不經處理就排放,嚴重破壞了礦區生態環境。

2 礦山建設的創新與發展

大型礦山的建設應遵循環保、安全、高效、節能、可持續發展的原則。

2.1 充填采礦法在鐵礦山的推廣應用

充填采礦法和崩落采礦法是兩種截然不同的采礦方法,各自有著鮮明的特點。在傳統的認識里,崩落法一般生產成本低,而充填法生產成本高。對于這方面應從整體投資和綜合效益去考慮。充填法的生產成本很大部分取決于水泥的成本,也就是水泥的添加量和水泥的價格是主要因素。作為普遍應用的空場嗣后充填法(一步驟膠結、二步驟非膠結)和上向分層充填法(只有分層膠面為膠結充填),膠結量只占10%～50%,其水泥消耗量是較少的,因而其采礦成本也是較低的。而且充填法解決了大量的尾礦處理問題,尾礦庫占地少,安全程度高,對鐵礦來說,可能沒有細粒級的漿體尾礦需要在地表堆存,只需堆存少量的粗顆粒的甩尾廢石;另外,充填法的礦石貧化損失比無底柱分段崩落法小得多,由于原礦品位高,選礦的回收率也相應會有一定的提高。因此比較充填法和崩落法,除計算采礦的直接投資和成本外,還應計算尾礦庫的征地費用、尾礦庫的建設投資、尾礦庫區和開采地表影響區(塌陷區和地表巖體移動區)的移民及地表設施搬遷費用和補償費用、環境補償費和恢復的費用、井下排水費用,還應計算礦石損失貧化引起的經濟效益。相比之下,充填法的綜合經濟效益不一定比崩落法差,甚至優于崩落法。同時充填法的環境效益和社會效益是毋庸置疑的。環境保護要求的提高和土地使用的稀貴,將轉變鐵礦不敢采用充填法的觀念。

充填法是開采大水礦山等難采礦床的必選方法。為了保護地表,防止巖體移動,就必須采用充填法對采空區進行充填。充填法在有色礦山已普遍采用,但在鐵礦山的應用還只剛剛起步,目前已真正采用充填法的鐵礦山還較少,如張馬屯鐵礦、草樓鐵礦、業莊鐵礦、馬莊鐵礦等,但正在建設之中的采用充填法的礦山很多,如白象山鐵礦、會寶嶺鐵礦、李樓鐵礦、馬城鐵礦等。

在充填工藝上,目前傳統的自流輸送仍然占主導地位。膏體泵送工藝也已逐步推廣,如金川的二礦區、云南的會澤鉛鋅礦等采用了膏體泵送工藝。立式砂倉放出高濃度砂漿也取得了較大的進步,如中國恩菲工程技術有限公司研發的立式砂倉放砂工藝使砂倉放砂濃度達到78%～82%。

2.2 貧礦資源的自然崩落法開采

自然崩落法是用普通的回采方法采出階段內某個水平的一個礦石薄層,使階段內的礦體失去支撐,礦巖在重力作用下崩落,將崩落的礦巖從階段水平放出,使其上部的礦石繼續破裂,并借助重力作用崩落。隨著崩落開始后更多的巖石被放出,崩落在礦體中或礦塊中向上擴展,直至覆蓋巖石崩落,并產生地表塌陷。破碎的礦石則通過位于拉底水平之下的生產水平(或叫出礦水平)鏟出,之間通過聚礦槽或漏斗連接。

和傳統的無底柱或有底柱分段崩落法相比,自然崩落法除了拉底和形成底部結構需要鑿巖爆破外,其余的礦巖不需鑿巖爆破,因此大大減少了炸藥消耗量和采切工程量,生產效率高,勞動強度大大降低,因而采礦成本低,它是在生產成本上唯一能與露天開采相媲美的地下采礦方法。此外,由于自然崩落法的放礦是高中段均勻下降放礦,其礦石貧化率和損失率比無底柱分段崩落法小。

自然崩落法在國內外已經是非常成熟的工藝,不僅用于軟巖礦山,而且更多地在用于硬巖礦山(見表1)。

國際上采用自然崩落法的大型或特大型礦山越來越多。正在籌建的自然崩落法礦山主要有:

智利:丘基卡馬塔礦,露天轉地下,生產規模為12萬t/d;美國:賓漢姆礦,Resolution礦(11萬t/d);印尼:自由港Grasberg礦,計劃于2016年開始生產,16萬t/d;菲律賓:Didipio礦;澳大利亞:Argyle,Telfer,MountKeith,CadiaEast,MtLyell等礦;南非:Dabswana礦。

我國目前唯一大規模采用自然崩落法的礦山是銅礦峪銅礦,一期工程主要采用電耙出礦,生產規模為400萬t/a,它的二期工程將達到600萬t/a,全部改為鏟運機出礦工藝。正在建設中的普朗銅礦,其最大生產規模將達到1250萬t/a。

2.3 深井開采的工藝技術和裝備

遼寧本溪的大臺溝鐵礦、山東濟寧鐵礦,其礦床賦存深度都在1200～2000m(2200m),是迄今為止發現的幾個最深、最大的鐵礦床,資源量均在10億t以上,預計的礦石生產規模將在1500～2000萬t/a以上,這些礦床不僅埋藏深,而且規模特別大,其生產規模和深度將進入世界特大型礦山的前列,它們的開發必須做好以下幾項工作:

表1 國內外部份自然崩落法礦山的情況

(1)應選擇先進、可靠、高效的采礦方法和優化的工藝參數。

(2)應選擇先進、高效大型的采礦設備,包括鑿巖臺車、鏟運機及輔助設備。國際上目前最大的鏟運機為載重25t的電動鏟運機,21t的柴油鏟運機。

(3)應采用大型的有軌運輸設備或無軌運輸設備。目前國內最大的底側卸式礦車有中國恩菲開發的20m3的礦車。國際上目前井下最大的卡車為72 t(美國亨德森礦)。有條件時中段運輸可采用膠帶運輸。

(4)應采用大型的提升系統,提高單套系統的提升能力。根據中國恩菲最近的設計,在提升高度為1700m左右時,單套系統的提升能力可達到750萬t/a(按年工作330d計)。斜井膠帶提升同樣是有益的選擇,銅礦峪600萬t/a規模采用斜井膠帶提升,國際上采用斜井膠帶提升的實例很多,如美國的亨德森礦。

(5)建立微震監測系統可能是今后深井開采預測地震活動和巖爆必不可少的手段。智利特尼恩特礦是一個埋藏較深的礦床,巖爆傾向嚴重,該礦采用微震監測系統監測地震,井下共設立55個站,對防止巖爆起著重要的作用,當出現里氏2.5～3級地震時就必須向上報告。

(6)采用先進的充填和通風降溫工藝和設備。

2.4 數字與自動化技術的應用

有條件的礦山應加強數字化礦山的建設,積極建設遠程遙控和自動化采礦試驗采區,提高礦山的自動化控制水平。

云南弛宏鋅鍺股份有限公司(即會澤鉛鋅礦)在礦山自動化方面發展很快:實現了選礦廠自動化控制;長距離膏體泵送充填遠程控制;提升系統自動化;井下風機和水泵遠程控制;井下采用了集群無線泄露系統;實現了礦山自動化系統的信息集成,總調度中心可利用多媒體技術來指揮生產,領導可實時了解生產實際情況。

此外,井下人員定位和報警、電機車有軌運輸自動化都是易于實現的。

加拿大、智利、瑞典、芬蘭、澳大利亞、南非、印尼等礦業發達國家都已建立了遠程遙控和自動化采礦試驗采區,而這些試驗采區以在自然崩落法的礦山為多。

2.5 綠色礦山建設

建設無廢或少廢礦山、環境友好型礦山、花園式礦山是當今礦山建設的基本要求。礦山在設計階段就要很好地規劃,盡量做到少占地,不破壞或少破壞地表,關鍵是要盡可能采用充填采礦法進行開采,使尾礦和廢石盡量回填采空區。不能充填的尾礦和廢石應盡量資源化,尋找資源利用途經。應提高選礦回水利用率,進行廠前濃縮脫水;在有條件的地方推廣應用尾礦干堆或膏體堆存,減少尾礦庫占地和提高回水率。井下排出的水應加以利用,用于選廠生產或綠化。尾礦庫和廢石場應及時進行綠化或復墾,對含硫較高的廢石場的雨水應進行酸性水中和處理。廠區的建設應和周邊的環境相協調,不能破壞周邊環境和景觀,而應為美化周邊環境做貢獻。將旅游和礦山建設結合起來,形成工業旅游點。

3 結 語

隨著世界經濟的發展,特別是我國經濟的快速發展,國內市場對主要金屬的需求在不斷增長,支撐著我國礦業資源開發的持續快速發展。近20年,特別是近10年來,隨著經濟的發展、科技的進步,我國礦山建設發生了重大的變化,取得了巨大的成就,勞動生產效率普遍提高。礦山生產規模越來越大,200萬t/a規模以上的地下礦山已越來越多,年產千萬噸級的地下礦山也正在建設或規劃之中。裝備水平越來越先進,采礦設備在朝著大型化、現代化、連續化、自動化方面發展,國產無軌采礦設備也有很大的進步。除了國內礦山的開發外,許多大公司已走向國外進行礦產資源開發。

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2010-03-05)

劉育明(1964-),男,湖南衡山人,教授級高級工程師,碩士,第六屆中國有色金屬學會采礦學術委員會副主任委員,主要從事礦山設計和研究,Email:liuym@enfi.com.cn。