銅陵有色采礦技術與裝備水平創新實踐

魏建中,張 保,楊福波

(銅陵有色金屬集團控股有限公司, 安徽銅陵市 244000)

銅陵有色采礦技術與裝備水平創新實踐

魏建中,張 保,楊福波

(銅陵有色金屬集團控股有限公司, 安徽銅陵市 244000)

銅陵有色堅持采礦技術與裝備創新實踐,取得多項具有國內領先或國際先進水平的重大科研成果。介紹了安慶銅礦和冬瓜山銅礦采礦技術創新成果,簡述了銅陵有色公司井下采掘無軌化系列新產品的研發和使用效果;指出銅陵有色依靠科技進步,自主創新,引領和促進我國采礦技術和裝備水平的提高,對金屬礦業的發展和進步起到推動和示范作用。

采礦技術;采礦裝備;嗣后充填;無廢開采;無軌采礦

0 前 言

有色金屬 (采選冶及深加工)、化工、裝備制造是銅陵有色金屬集團控股有限公司三大主業,目前已擁有 10座有色金屬礦山。多年來,銅陵有色運用科技創新,創造了一項又一項采礦成果。曾經在國內首次采用水力沖運充填后崩落礦柱采礦法和人工假頂水平礦柱回采法,在國內第一次使用毫秒雷管新技術、新工藝,成功地進行過炸藥量為 240 t的坑下采礦落頂大爆破。1990年代,“地下礦山連續開采工藝及裝備”榮獲國家科技進步一等獎。2000年,“地下礦山高階段強化開采工藝綜合研究”獲國家科技進步二等獎。

在金屬礦山地下開采采礦技術與裝備水平方面,集團公司主力礦山安慶銅礦和冬瓜山銅礦進行了多項采礦技術創新實踐和有效探索。安慶銅礦率先在國內同行業中探索和實踐新模式辦礦,建成了以“三高”(采礦高強度、作業高效率、經濟高效益)、“三少”(礦山用人少、輔助設施少、企業包袱少)、“兩協作”(輔助生產專業化協作、生產后勤社會化協作)為標志的新模式礦山,成為 20世紀全國有色金屬礦山的楷模。

“九五”、“十五”期間,冬瓜山銅礦圍繞國內外深井開采未解決的技術難題,以采礦方法為核心,率先系統地開展了千米深井金屬礦床高效開采方法、開采環境監測與控制技術、生產過程管理等關鍵技術研究,經過 10多年的科技攻關,取得了多項具有國內領先或國際先進水平的重大科研成果,形成了有特色和擁有自主知識產權的深部開采理論和技術,為冬瓜山銅礦投產提供了技術條件,為實現10000 t/d的達產目標提供了技術保障。2008年,“復雜難采深部銅礦床安全高效開采關鍵技術研究”獲安徽省科技進步一等獎[1]。

銅陵有色始終堅持“自主創新、重點跨越、支撐發展、引領未來”的科技指導方針,著力打造科技創新體系、在國內外同行業中具有較強的競爭力,對中國金屬礦業的發展和進步起到了推動和示范作用。

1 安慶銅礦采礦技術創新與裝備國產化

1.1 高階段大直徑深孔嗣后充填采礦法

安慶銅礦著力推進采礦技術創新,大膽成功應用了高階段大直徑深孔采礦方法,采取強掘、強采、強出、強充,實現開采高效率。

安慶銅礦設計日采選 3500 t,礦體賦存標高 -180～-780 m,1#主礦體平均厚度 50～70 m,傾角為70°以上急傾斜礦體,礦體上盤為石灰巖,下盤為矽卡巖、閃長巖,礦石為磁鐵礦含銅、矽卡巖含銅及單鐵磁鐵礦,礦體形態規整,礦巖中等穩固以上。高階段大直徑深孔嗣后充填采礦法采場垂直礦體走向布置,分礦房、礦柱兩步驟回采,采場寬度均為 15 m,長度為礦體的厚度,階段高度為 120 m,采場布置上下兩層鑿巖硐室,分段高度為 60 m,采用塹溝式采場底部結構,雙側進路出礦。礦房一步驟回采,回采完采用尾砂膠結充填,礦柱為二步驟回采,采用尾砂和矸石充填。經過近 20 a的回采實踐,安慶銅礦技術人員與科研院校進行了回采技術研究,對采切、鑿巖、爆破、出礦、充填工序全面綜合考慮,每個工序均精心設計,按質按量施工,為下道工序創造良好的作業和技術條件,同時,重點進行了崩礦方式控制炮孔質量的爆破技術研究,形成了“VCR法切槽 -分段側向崩礦”的采場崩礦方式,對采場邊孔實施光面爆破、預裂爆破等控制爆破技術,有效地控制了爆破質量。實踐證明:高階段大直徑深孔嗣后充填采礦法是一種安全高效低成本、低勞動強度的采礦方法(見圖1),為安慶銅礦實現強化開采和新模式辦礦提供了技術保證[2]。

圖1 高階段大直徑深孔嗣后充填采礦法

1.2 采礦裝備國產化研究

安慶銅礦在關鍵環節上大膽引進先進的技術裝備,提高生產效率,先后從美國、瑞典等國家引進了Simba261鉆機、主井電控系統、ST—5C、ST—6C鏟運機,大大提高了裝備水平和自動化程度[3,4]。20多年來,安慶銅礦人均勞動生產率始終是其他礦山的 3～5倍,礦山人員始終控制在 900人以內,人均創利水平始終保持國內礦山領先水平。與此同時,該礦堅持引進與消化吸收相結合,推進國產化研究,目前鉆機國產化率達 90%以上,年節約成本 100萬元。在新的歷史發展時期,安慶銅礦正在實踐“高效利用資源,打造綠色礦山”的可持續發展主題。

2 冬瓜山深井大規模采礦技術創新實踐

冬瓜山銅礦床是一個特大深埋矽卡巖型銅礦床,具有深井 (1000 m)、高應力 (38 MPa)、高溫(39℃)、高壓大流量涌水 (水壓 7～10 MPa)、高含硫 (17.6%)、低品位、有巖爆和礦石自燃傾向等復雜開采技術條件和“四高一擾動”深井開采的基本特征,圍繞冬瓜山深井開采所面臨的重大關鍵技術問題,以“建礦模式新型化、生產規模經濟化、生產方法高效化、生產設備大型化、生產管理信息化、人員技能多樣化”的發展模式,以趕超國外深部開采先進技術,實現高效、安全、低成本、無廢開采和現代科學管理為目標;“九五”～“十一五”期間進行了十多年的聯合攻關研究和采礦實踐,在國內率先深入系統地開展千米深井金屬礦床高效開采方法、開采環境監測與控制技術、現代科學生產管理等關鍵技術研究,創立了一套適合深埋、高溫、有巖爆自燃傾向、特大型礦床高效安全無廢開采理論與技術。本文重點介紹高效采礦方法、高濃度全尾礦充填技術、微震監測技術。

2.1 暫留隔離礦柱階段空場嗣后充填采礦法

2.1.1 采礦方法研究的重要性

冬瓜山礦床Ⅰ號主礦體呈似層狀、透鏡狀產出,礦體走向 NE35°～40°,傾向隨圍巖產狀分別向北西、南東傾斜。走向長度 1810 m,平均寬度 400 m,平均厚度 34 m,礦體頂盤主要為大理巖,底盤主要為粉砂巖和石英閃長巖。礦體由含銅磁黃鐵礦、含銅矽卡巖、含銅黃鐵礦、含銅蛇紋巖、含銅磁鐵礦等構成。礦體構造簡單,節理裂隙不發育,礦巖堅硬,穩固性較好,f=8～16。冬瓜山深井開采成本高,采礦強度高,設計日產 1萬 t,為提高經濟效益,必須實行大規模強化開采。初步設計時,根據“采礦方法選擇專家系統”的優化選擇,初選階段空場嗣后充填采礦法[5]。該方法技術上可行,與冬瓜山礦床開采設計的指導思想基本一致,但仍難以滿足高效組織生產及保證穩定日產萬噸的生產能力、達到礦床安全高效大規模開采的要求。因此,對冬瓜山礦床開采進行采礦方法研究很有必要。

2.1.2 暫留盤區隔離礦柱的階段空場嗣后充填采礦法

通過深入分析研究,在采準系統、采場和盤區回采順序、采場結構參數等方面進行了優化研究。為保證持續穩定日產萬噸的生產能力,需要高強度的采礦方法。通過采礦方法經濟技術比較,選擇采用暫留盤區隔離礦柱的階段空場嗣后充填采礦法。用系統論的方法,對采準系統進行優化,簡化回采工藝和回采順序,使生產組織和管理相對簡單,并降低采切比。根據數值模擬優化結果,將原設計的盤區沿垂直走向布置改為沿走向布置,盤區長度為礦體水平厚度,寬度為 100 m,盤區之間暫留隔離礦柱,隔離礦柱寬為 18 m,在隔離礦柱內布置鑿巖、出礦水平穿脈和出礦溜井。采場長為 78 m(膠結采場)或82 m(尾砂采場),寬為 18 m,采場高度為礦體厚度。先采礦房,后采礦柱,礦房采用全尾砂膠結充填;礦柱采用全尾砂充填[6](見圖2)。

圖2 暫留盤區隔離礦柱大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法

2.1.3 大型無軌設備裝備實踐

冬瓜山銅礦采用了大批大型無軌設備組織生產,大孔鑿巖為 T-150或 Simba261高風壓潛孔鉆機鉆鑿下向垂直深孔,炮孔直徑為Φ165 mm,鑿巖效率為 40 m/臺班。中深孔鑿巖是 SimbaH1354電動液壓鑿巖臺車鉆鑿上向扇形中深孔,炮孔直徑為Φ76 mm,鑿巖效率為 90 m/臺班。掘進鑿巖是Boomer281電動液壓鑿巖臺車,出礦是 TORO-1400E電動鏟運機和 TORO-1400D柴油鏟運機,主運輸中段礦石運輸是 20 t電機車牽引軌距 900 mm、有效載重量為 17 t的 10 m3底側卸式礦車,廢石運輸是 20 t載重量的 MT2000坑內卡車,巷道 (硐室)支護是 Robolt 05M/S錨桿臺車,生產時配用 JY-5剪式平臺多功能服務車等,大大減輕了工人的勞動強度,大大提高了采礦效率,為實現冬瓜山大規模高強度開采提供了保障。目前,該礦利用自身技術優勢,加強了設備消化吸收研究,進行了多種設備備品備件國產化攻關研究和創新實踐,取得了良好的使用效果和經濟效益。

2.1.4 高效采礦方法實踐效果

冬瓜山銅礦 2004年試生產,2007年正式投產,至 2010年 4月,采準工程完成了 6個盤區的布置,累計完成掘進工程量 183.1萬 m3,其中開拓工程110.3萬 m3,探礦 11.6萬 m3,采切 61.2萬 m3。44個采場實現了采出礦,18個采場正在做采準工作;其中 19個采場完成充填,礦山作業量和產品產量穩步攀升,現在日出礦近 9000 t/d,即將實現達標達產目標 (10000 t/d);累計采出礦量 1140萬 t,累計生產銅料 91000 t。采場出礦生產能力達到 2400 t/d。采準工程量大大減少,采場的實際采切比為 610 m3/萬 t,達到了國內先進指標。礦石損失率為10%,貧化率為 8%。

生產實踐表明,首采地段采礦方法及采準系統布置,盤區隔離礦柱寬度和采場結構參數,能夠滿足大規模安全生產的要求,采用長進路雙采場塹溝式底部結構,有利于出礦進路布置和鏟運機作業,提高了大型無軌出礦設備效率。形成的采空區,采用高濃度全尾砂料漿充填,保證了回采區域開采的安全和日產 1萬 t特大型深井礦山的正常生產。目前,采區未發生大的地壓活動,采場作業環境安全穩定,取得了良好的社會效益和 40多億元的經濟效益。

2.2 全尾砂高濃度充填無廢開采技術

2.2.1 全尾砂高濃度充填技術

冬瓜山銅礦是我國第一座使用細粒級高濃度全尾砂進行大規模充填的大型地下深井金屬礦山。“十五”國家科技攻關在冬瓜山開展了“深井高濃度全尾砂充填無廢開采技術研究”,突破了極細粒級高濃度全尾砂漿的立式砂倉制備技術和深井開采全尾砂高濃度充填料漿自流管輸降壓的關鍵技術,實現了深部高大采場嗣后充填。

2004～2007年,經過 3 a充填站試驗和采場工業試驗,冬瓜山銅礦確定的全尾砂高濃度充填制備工藝是:冬瓜山建有 6套相同但相互獨立的充填砂漿制備系統,每座有效容積 1164 m3(貯存尾砂 2527 t)的立式砂倉,由選廠送來的 23%左右濃度的極細粒級全尾砂 (-20μm全尾砂約占 40%)自流至尾礦泵站,經尾礦泵站渣漿泵對應分配給立式砂倉貯存。當砂倉內沉淀的尾砂達到一定的高度后,通過添加一種新型助凝劑使全尾砂在砂倉內快速沉降濃縮連續造漿,直接制備出高濃度全尾砂料漿 (74%以上)。充填作業時,從立式砂倉底部放出高濃度全尾砂至攪拌槽,按試驗的配比要求加入水泥和其它輔料,在 2000 mm×2100 mm的高濃度攪拌槽充分攪拌后,成為濃度達 73%～74%的水泥砂漿自流輸送進充填鉆孔。為減少剩余壓頭,實現滿管輸送,采用分段鉆孔,第一段充填鉆孔由 +77.5 m至-280 m水平,經 -280 m水平約 1000 m長水平管道輸送后再經第二段 -280 m至 -670 m充填鉆孔下放到 -670 m及 -730 m充填水平,進入采場充填采空區[7]。

2.2.2 全尾砂充填能力及效果

充填站每套系統充填流量達到 80～120 m3/h,生產中可以根據實際情況選擇多套制備系統同時工作。冬瓜山全尾砂膠結月充填能力達到 7萬 m3,全尾砂月充填能力有 10萬 m3。目前已有 19個采場充填結束,6個采場正在充填,累計全尾砂膠結充填采空區 210萬 m3,全尾砂充填 15萬 m3。冬瓜山銅礦深井高應力礦床開采充分采納了國際上成功的充填經驗,實現了連續高濃度全尾砂充填采空區,控制深井巖爆地壓的災害,保證了安全高效開采。

2.3 基于微震監測的深井開采安全預警技術

2.3.1 冬瓜山微震監測系統

冬瓜山銅礦具有巖爆傾向的巖體主要分布于采場底板、礦柱和其他應力高度集中的區域。該礦引進了南非 ISS微震監測系統建立了冬瓜山深井開采微震監測系統[8]。

2.3.2 微震監測技術的安全預警作用

冬瓜山設計并構建的以微震監測系統為主的深井開采巖爆與地壓監測系統,微震監測系統于 2005年 8月 28日開始運行,已進行了近 5年的數據分析研究。平均每天記錄到大約 300個各種地下微震信號,目前已累積了相當的地震數據。從監測系統運行開始,礦山技術人員、科研單位研究人員監測和不斷地處理與分析礦山地震信號,在分析地震數據時,堅持將地震數據規律與礦山井下實際開采活動緊密結合,以探尋礦山開采活動對礦山地震活動影響的關系,從而研究礦山開采過程中的巖層活動規律,指導礦山安全生產。先后開展了基于微震監測的深井開采地壓活動規律研究,深井開采大規模地壓破壞與巖爆預測研究,實現了巖爆和地壓災害的網絡化實時在線監測。采用量化地震學原理研究了開采巖層的應力變形強度分布,評價了現有開采條件下盤區隔離礦柱和回采采場的地壓活動狀況及其穩定性[9]。

隨著開采區域的擴大,該微震監測系統將于2010下半年微震監測范圍擴大到整個礦體的開采區域,以全面監控礦山采掘活動引起的地壓活動,確保深井大規模開采安全。

3 無軌采掘設備研發

采礦工業機械化和自動化是提高礦山產量、提高勞動生產率、降低生產成本、改善礦山安全和生產條件的切實可行的手段,采礦技術的進步離不開采礦裝備的發展,銅陵公司正在踐行著通過采礦裝備水平的提高來推動采礦技術的進步。

安徽銅冠機械股份有限公司是銅陵有色金屬集團控股有限公司的下屬企業,是安徽省專業研究和生產井下采掘無軌化裝備的高新技術企業。針對國內高效、低能耗、無污染的井下無軌采掘設備,與長沙礦山研究院、北京礦冶研究總院等單位合作,經過多年的研制、試驗和使用,井下無軌設備形成了產業化、國產化。公司擁有 T系列高氣壓環形潛孔鉆機(有 T-100、T-150 2種規格鉆機)、T系列輪式全液壓鑿巖臺車、JY系列井下多功能服務車、JZC系列井下自卸車及 TCY系列井下鏟運機 (電動、柴油)等品種齊全系列多樣的主導產品 (見圖3和圖4)。其中 T系列潛孔鉆機填補了我國大直徑深孔采礦法鑿巖設備的空白,被授予國家級新產品;T系列輪式全液壓鑿巖臺車是吸收國內外最新技術,結合國內礦山生產特點,經過多年研究而研制成功的新型采掘無軌裝備。上述系列產品,在銅陵有色控股公司冬瓜山銅礦、安慶銅礦、中都礦建等單位得到成功應用;在全國二十余省市,廣東凡口鉛鋅礦、云南錫業、大紅山銅礦、紫金礦業、銅綠山銅礦等礦山分別使用了潛孔鉆機、井下鏟運機、井下運礦卡車、井下服務車等系列井下采掘無軌化裝備 50余臺套,設備使用效果良好,相關技術和作業能力達到國際同行業先進水平,可實現替代進口裝備,改變了井下采掘設備大量從國外進口的局面。

該公司“銅冠”牌 TT系列陶瓷過濾機作為國家重點新產品和安徽省名牌產品,集機電、微孔陶瓷板、自動化控制、超聲波清洗等高新技術于一體,且具有設計新穎、結構緊湊、性能優越、適應范圍廣、處理能力強、脫水效果好、節能顯著、運行成本低等優點,產品銷路一直看好。2009年,全年生產陶瓷過濾機 100余臺,成為我國陶瓷過濾機龍頭企業。

銅陵公司今后旨在有計劃、有目標地開展井下采掘無軌化系列新產品的研究開發及技術升級,提升該行業研發水平和創新能力,推動成果產業化,逐步改變相關設備大量依靠進口的格局,以帶動采礦 技術及其他行業同步發展。

圖3 T-150高氣壓環形潛孔鉆機

圖4 JY-5多功能服務車

4 結語與展望

(1)銅陵有色堅持采礦技術和裝備的創新實踐,取得了多項具有國內領先或國際先進水平的重大科研成果,對金屬礦業的發展和進步起到了推動和示范作用。

(2)在國內率先開展 1000 m深井特大型緩傾斜金屬礦床采礦方法研究,形成了暫留隔離礦柱深井緩傾斜金屬礦床大規模安全高效開采方法,豐富了深井開采理論。研發了立式砂倉流態化全尾砂高濃度連續充填新技術,突破了礦山無廢開采的技術瓶頸。開展了基于微震監測的深井開采安全預警技術研究,為指導礦山安全生產提供了決策依據。

(3)深井開采需要不斷深化采礦方法工藝技術研究、不斷深化深井開采巖爆地壓監測與巖層控制技術研究、不斷深化深井通風降溫和地熱防治技術研究、提升數字礦山信息化建設。礦山開采還要大力研發采掘設備,實現主要采礦設備國產化,努力提高我國礦山的裝備技術水平,推動采礦技術進步。

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2010-09-16)

魏建中 (1959-),男,工程師,研究生,主要從事礦山生產技術研究和管理工作。