賈家洼西鋁土礦采礦工藝選擇及優化研究?

甘懷營,段進超

(長沙有色冶金設計研究院有限公司, 湖南長沙 410019)

賈家洼西鋁土礦采礦工藝選擇及優化研究?

甘懷營,段進超

(長沙有色冶金設計研究院有限公司, 湖南長沙 410019)

根據三門峽賈家洼西鋁土礦礦層賦存條件及開采技術條件,提出了煤炭綜采工藝及液壓支柱護頂全面房柱采礦法,并通過分析該兩種方法的優缺點和適用條件,得出該兩種工藝均不適用,因此,在傳統的全面法及房柱法工藝基礎上進行優化研究,建議取消天井及溜井采準方式,采用無軌設備出礦提高礦塊生產能力,進行礦柱留設及爆破參數優化,以提高回采率,減少貧化指標。

鋁土礦;采礦工藝;綜采工藝;液壓支柱

0 引 言

目前國外鋁土礦山主要采用露天開采,在鋁土礦山地下開采方面沒有太多的經驗可供借鑒。國內目前鋁土礦山井下主要采用全面采礦法[1],留有大量礦柱,導致礦石回收率低、損失大,采場頂板和通風難以管理,另外采礦所用的工藝設備也比較落后,并且打鉆工人長期暴露在采場頂板下作業,安全性較差。對于價值較低的鋁土礦,目前國內外采礦工藝技術成果不多,近年來,一些科研設計單位和礦山企業對緩傾斜薄礦體的回采工藝進行了有益的探索和試驗[2-4],提出和試用了一些新的回采工藝,比較典型的綜合機械化回采工藝以及液壓支柱護頂全面采礦法。

根據賈家洼西鋁土礦開采技術條件,對以上兩種工藝的可行性進行比較研究,以確定賈西鋁土礦采礦方法工藝,并提出優化建議。

1 賈家洼西鋁土礦概況

賈家洼西區礦層厚0.5～18.47m,一般5m多,主要由鋁土礦組成,局部頂底或中間夾有薄層粘土礦。礦體平緩,平均16.2°。礦石組分簡單,主要由一水硬鋁石,次為伊利石和高嶺石構成。結構呈礫屑狀、砂狀、豆狀、鮞狀等,膠結緊密,較堅硬,不易破碎。礦石風化,顏色變淺,礫屑狀、砂狀礦石有時出現蜂窩狀構造,硬度略變小,不具松散特性。礦石中節理、裂隙不發育。礦石抗壓強度為64.3～127.5 MPa,屬于堅硬巖石,可見礦層穩固性良好。直接頂板多為粘土頁巖、炭質頁巖及砂質粘土巖,厚0.20～14.92m,平均2.10m,層薄,頁理發育,性軟、易碎,抗壓強度極低,穩固性差。礦層直接底板為鐵質頁巖,厚0.8～30.6m,一般7m左右,頁理比較發育,抗壓強度32MPa左右,硬度較小,風化易碎。

2 綜采工藝可行性研究

根據鋁土礦的賦存條件,多為層狀礦體,傾角較緩,連續性較好以及某些鋁土礦礦石硬度較低,f系數不高等物理力學性質,因此對于鋁土礦的開采方法,近年來有專家對比煤炭賦存條件,認為兩者之間相似度較高,因而提出采用煤炭的綜采工藝對鋁土礦進行回采。

綜采工藝主要存在以下優點:

(1)回采采場連續推進,不留礦柱(點柱),跨上山(斜井)開采,提高資源回收率。

(2)生產工藝比較先進,機械化裝備水平較高,大大提高開采強度。

(3)單個采場生產能力高,可減少同時生產采場數,進而大幅減少基建和生產時期的巷道工程量,礦山初期投資省,生產成本低。

(4)井下作業人員少,既降低了人工成本,提高了生產效率,同時降低了井下發生安全事故人員傷亡概率。

(5)采場控頂范圍小,采用液壓支架支護配合鉸接頂梁支護頂板,緊隨回采面推進,能及時支護采場上方不穩定直接頂板,不僅減少了圍巖混入對礦石貧化的影響,而且工人在安全的位置作業,降低了井下發生人員傷亡事故概率。

(6)生產集中,坑內用電負荷相對集中,簡化了供電系統。

同時也存在以下缺點:

(1)采用走向長壁式采礦法綜采工藝開采時,受采礦機采高范圍和液壓支架支護高度的限制,對礦體厚度變化的適應能力較差。

(2)鋁土礦回收對品位要求極高,其品位不僅體現在鋁元素含量,還體現在鋁硅比上,經研究,輕微的廢石混入都會帶來重大的鋁硅比波動,采用綜采工藝回采鋁土礦,貧化問題突出。

根據《煤礦開采學》[5],適于采用綜采工藝的條件為井型120萬t以上,煤層厚度1.5～4m之間,傾角小于15°,地質構造比較簡單等。隨著科技的發展及綜采工藝的普及,目前綜采適用條件有相應的變化,具體為:綜采機適用為礦體傾角小于40°,礦體傾角總體變化平緩;礦石硬度系數f≤4(局部f≤7);礦體賦存大體穩定、連續;地表允許崩落,且頂底板相對穩固,f＞1.2,開采后頂板能自然垮落充填采空區。

對比以上條件,賈西礦礦體賦存條件復雜,連續性較差,礦石硬度系數較大(f系數為6.6～42),屬堅硬巖石,采煤機切割困難,最主要的是礦區范圍及周圍有許多民房和田地,地表不允許陷落,因此綜采工藝在本礦不適用。

3 液壓支柱護頂全面房柱采礦法可行性研究

留礦柱的全面采礦法是回采緩傾斜薄礦體的一種傳統采礦方法,這種采礦方法具有回采工藝簡單、生產成本較低等優點,但也存在礦石回收率低、損失大、采場頂板和通風管理困難,以及頂板安全性較差等缺陷。2009年中國鋁業股份有限公司重慶分公司開展了《頂板不穩固緩傾斜鋁土礦低貧損安全高效開采技術研究》的技術開發,提出了液壓支柱護頂全面房柱采礦法[6]。利用液壓支柱代替自然礦柱,最大限度地回采礦石,是鋁土礦地下開采的一項新技術。

通過工業試驗,結果表明中鋁重慶分公司液壓支柱護頂全面房柱采礦法和普通的全面采礦法相比,回采率由80%提高到87.56%,提高了7.56個百分點,液壓支柱護頂全面房柱采礦法通過液壓支柱代替部分礦柱,加大了礦柱的間距,礦柱間距由普通采場的9m左右增大到12m左右,減小了礦柱的尺寸和數量,與普通采場相比,礦柱的數量減少了40%左右,而部分礦體較薄位置的礦柱尺寸可以由普通采場的直徑3m減小到直徑2m,在保障工作面安全的前提下,提高了鋁土礦的回采率,該方案工藝簡單,支護成本低,液壓支柱的回收利用率可以達到95%以上。

根據液壓支柱的適用條件,其適用于采高為0.55～3.5m的礦層,而賈西鋁土礦厚度比較大(超過4m),因此不適用于本礦。

4 賈西鋁土礦采礦方法工藝研究及建議

通過以上分析,賈西鋁土礦不適用綜采及液壓支柱護頂等采礦工藝,因此仍然選擇傳統的全面法和房柱法,可從以下幾個方面進行優化:

(1)采用天井溜井采準,施工困難,安全程度低。根據現場施工情況,615m中段運輸平巷布置在底板灰巖或厚層狀白云質灰巖中,向上掘進天井及溜井會穿過直接底板,直接底板為鐵質頁巖,頁理比較發育,巖石硬度較小,風化易碎,據巖石力學測定,抗壓強度較小,屬松軟巖石,成巷效果不好,掘進過程容易垮落,需要特殊手段進行支護,由此,會增加天井及溜井的施工難度及施工成本;此外,天井加溜井的采準方式底部結構工程量大,對脈外運輸平巷的破壞性大,影響脈外運輸巷的穩定性,也增加了支護量;中鋁重慶分公司鋁土礦溜井應用過程中出現了許多問題,如采場電耙耙礦效率低,放礦漏斗大量使用木材,使用過程中存在很大的安全隱患。因此建議取消天井及溜井采準方式,采用由中段運輸平巷掘穿脈至礦體,布置切割平巷與穿脈相連通,在切割平巷上設置漏斗或采用無軌設備進行裝礦的回采工藝。

(2)使用電耙出礦機械化程度低,礦塊生產能力有限。回采過程出礦設備直接影響礦塊生產能力,原設計使用單臺2DPJ30型電耙出礦,該型號電耙最大生產能力60～80t/d,機械化程度低,生產能力極其有限。因此建議極緩礦塊,直接采用鏟運機等無軌設備進采場出礦,以提高礦塊生產能力,鏟運機不能進入的采場,可以采用電耙和鏟運機聯合出礦工藝,同時采用一個采場雙作業面的工作組織形式進行生產。

(3)礦柱留設及爆破參數優化研究,以提高回采率,減少貧化指標。常規全面采礦法的貧化率為8%～10%、損失率為16%～18%,房柱采礦法的貧化率為8%～10%、損失率為18%～21%,但實際生產中需要加強貧化與損失的控制,因此需要對礦柱留設參數進行計算研究,在保證安全的前提下減少礦柱損失,提高礦塊回采率;同時,由于礦層直接頂板為粘土頁巖,層薄,頁理發育,性軟,易碎,表現出遇水膨脹的特點,抗壓強度極低,地下開采需支護或采用新型爆破落礦工藝控制頂板,防止冒頂塌落以減少廢石混入率,從而減小礦石貧化指標。

5 結 論

根據三門峽賈家洼西鋁土礦礦層賦存條件及開采技術條件,對采礦方法及采礦工藝進行研究,分析煤炭綜采工藝及液壓支柱護頂全面房柱采礦法的優缺點和適用條件,通過比較得出以上兩種工藝均不適用于賈西鋁土礦,進而對常規全面法及房柱法工藝進行優化研究,建議取消天井及溜井采準方式,采用無軌設備出礦提高礦塊生產能力,進行礦柱留設及爆破參數優化研究,以提高回采率,減少貧化指標。

[1]崔萍萍,黃肇敏,周素蓮.我國鋁土礦資源綜述[J].輕金屬, 2008(2):6.

[2]徐曉乾,向 龍,邵國君,等.瓦廠坪鋁土礦1102工作面綜采試驗相關影響參數的分析與探討[J].金屬礦山,2014(8): 37-40.

[3]張吉龍,姜立春.我國鋁土礦資源開采技術綜述[J].輕金屬, 2007(6):5-8.

[4]鹿愛莉,賈雅慧.我國鋁土礦的綜合利用研究[J].礦產保護與利用,2010(1):49-51.

[5]徐永圻,等.煤礦開采學[M].徐州:中國礦業大學出版社出版,2004.

[6]任衛東.頂板不穩固緩傾斜鋁土礦低貧損安全高效開采技術研究[D].長沙:中南大學,2012.

2017-03-27)

甘懷營(1984－),男,廣西賀州人,工程師,碩士,主要從事采礦工程設計及科研,Email:ghy054＠163.com。

國家重點研發計劃項目(2016YFC0801600).