河南省鋁土礦地下開采降低損失貧化的措施和方法

李奔騰

(中鋁中州礦業有限公司, 河南 焦作市 454174)

河南省作為重要的鋁工業發展基地,隨著氧化鋁和耐火材料行業的快速發展,省內鋁土礦資源日趨減少,供需矛盾日益加劇,有不少用戶除了到距離相對較近的山西、陜西地區收購礦石外,開始到距離較遠的廣西、貴州甚至國外收購礦石。另外隨著多年的開發,適合于露天開采的鋁土礦體已為數不多,開始轉向地下開采,礦山建設投資和生產成本也隨之加大,因此如何采取有效措施降低礦石損失和貧化,提高回采率,使有限的資源發揮最大效益,是地下開采鋁土礦過程中急需解決的一項重要難題。

1 河南省鋁土礦地下開采現狀

河南省鋁土礦的開采長期以來,由于成本和安全方面的原因,多以露天開采為主。地下開采鋁土礦山數量不多且開采規模小,整體處于試驗探索階段,目前尚沒有一套成熟的地下采礦方法。

河南省鋁土礦地下開采多采用斜井或豎井開拓,全面法或房柱法采礦,在回采過程中,利用規則或不規則點柱支撐頂板,點柱一般作為永久損失,不進行回收,礦石損失率較高,一般在30%～40%。鋁土礦夾層多,且頂底板圍巖不穩固,開采過程中容易混入,因此貧化率也較高。

2 影響開采損失貧化的主要因素

2.1 礦體形態產狀的復雜性

河南省鋁土礦床均產于由奧陶系或寒武系碳酸鹽巖形成的古巖溶風化侵蝕面上,因此礦體形態嚴格受基底古巖溶地形控制,多呈層狀、似層狀、透鏡狀和漏斗狀,礦體沿走向和傾向均呈波狀起伏,產狀和礦厚變化較大,給地下采礦工程施工造成了較大困難。

如澠池縣段村－雷溝礦區雷溝礦段34勘探線(見圖1)。

圖1 雷溝礦段34勘探線剖面圖

從圖1中可以看出,350 m標高以下礦體呈似層狀,礦厚僅1.01～1.1 m,鑿巖、出礦作業空間高度不夠。若礦巖混采,貧化較大,采出礦石無法利用;若先開采底板圍巖,形成作業空間后再回采礦石,底板圍巖也必須倒運出采場,采礦成本將大幅增加,因此大部分地下鋁土礦山對這部分資源在開采過程中予以舍棄,造成礦石損失增加,回采率降低。350～360 m標高礦體呈透鏡狀,礦厚1.1～8.25 m,礦體傾角9°～45°,厚度和傾角急劇變化,不僅造成采準巷道施工和回采難度增大,貧化率增加,而且為保證安全,采場礦柱尺寸也相應增大,造成損失率也增大。360 m標高以上礦體開采條件相對較好,可利用房柱法進行開采。

2.2 鋁土礦質量控制的復雜性

從礦石加工技術性能來看,鋁土礦質量的優劣不僅取決于有用成分Al2O3含量的高低,而且取決于雜質,特別是SiO2的含量。礦石Al2O3含量與SiO2含量的比值(A/S)不僅決定了氧化鋁的生產工藝,而且直接影響到氧化鋁企業的生產能力、總回收率、原料、燃料消耗及產品的直接費用,因此《鋁土礦、冶鎂菱鎂礦地質勘查規范》(DZ/T 0202－2002)中將礦石Al2O3含量和A/S均作為鋁土礦的工業指標,這是與其它金屬礦床的顯著不同點。而雜質SiO2含量在圍巖和夾層中含量較高,在采礦過程中混入少量圍巖和夾層也會對礦石A/S值產生較大影響,質量控制難度較大。

如澠池縣段村－雷溝礦區,鋁土礦體直接頂板主要為粘土頁巖、炭質頁巖、粘土礦及級外品等,其厚度從0.18～20.04 m,平均厚度2.22 m。礦體的直接底板主要為鐵質頁巖、粘土礦及級外品、赤鐵礦(或菱鐵礦)等,其厚度0.10～29.15 m,平均厚度5.68 m。夾層主要為粘土礦、粘土頁巖、炭質頁巖及鐵礬土,在677個見礦工程中有100個工程見夾層,占見礦工程的14.77%,夾層厚0.80～17.13 m,一般厚2～3 m,平均厚度2.56 m。段村－雷溝鋁土礦礦石與圍巖化學成分統計見表1。

表1 鋁土礦礦石與圍巖化學成分統計

從表1可以看出礦石頂底板和夾層中SiO2含量較高,若廢石混入率按10%計算(其中頂板占1%,夾層占4%,底板占5%),采出礦石質量為Al2O363.76% 、SiO212.13% 、Fe2O33.9% 、S 0.92%,A/S 5.26,A/S 降低了 1.37,貧化率為 20.66%;Al2O3含量降低了2.92%,貧化率為4.38%。另外由于礦石頂底板和夾層中有害雜質S含量較高,采出礦石中S含量增加了0.16%,貧化率21.05%。可見廢石混入對礦石A/S和有害雜質S含量影響很大。原礦中A/S越高,S含量越低,影響越大。根據鋁土礦質量的特點,開采過程中要嚴格控制圍巖混入。

2.3 工程地質條件的復雜性

河南省鋁土礦礦石本身大多屬半堅硬－堅硬的巖層,穩固性較好,而礦體的直接頂板和直接底板均為軟弱巖層,頁理發育,穩固性差,工程地質條件較為復雜。這對以往鋁土礦露天開采沒有什么影響,但對地下開采影響較大,主要是頂板管理復雜,措施不當將造成安全事故。

由于礦體直接頂板巖層穩固性差,在礦石開采過程中不允許暴露,因此全面法和房柱法開采時采用預留護頂礦壁的辦法保護頂板,護頂礦壁厚度根據礦石的穩固性和層理發育情況而定,一般0.5～0.8 m,這樣造成礦石損失率增大,礦厚越小,護頂礦壁損失占比越大。

護頂礦壁的厚度目前沒有先進的手段來控制,只能根據專業技術人員和鑿巖工的經驗進行判斷,若預留過厚,礦石損失將增加;若預留厚度太小,頂板容易出現垮塌,會造成部分礦石無法回采和頂板圍巖混入,最終也影響礦石損失和貧化。

2.4 民采采空區的影響

河南省鋁土礦區自上世紀70年代中期開始,受經濟利益驅使,小規模民采盛行,大多數鋁土礦區均遭到嚴重破壞,在100 m以內民采鋁土礦井分布較多,直到近幾年在地方政府的治理下才得以有效扼制。這些民采礦井大多采富棄貧,礦石回采率低,資源浪費較大。

民采井和老窿由于數量多,時間跨度長,多數坑道出現坍塌、積水,對采空區的空間分布和狀態僅能通過地表現場調查和物探手段開展探測研究,難度大,準確性低。

采空區破壞了礦體的完整性,在接近采空區進行采礦時,若沒有進行超前探測,摸清采空區位置及形態,在揭穿后,巖石應力進行重新分布,很容易產生應力集中,對正在回采的工作面巖層造成破壞,發生冒頂片幫事故,另外采空區內的老空水、有害氣體和充填物會引發突水、突泥、有害氣體突然涌出等災害,不僅嚴重威脅安全生產,而且會帶來大面積礦石無法開采和廢石混入,造成礦石的損失和貧化。

3 降低損失貧化的措施和方法

3.1 加強生產勘探工作

依據《鋁土礦、冶鎂菱鎂礦地質勘查規范》(DZ/T0202－2002),沉積型鋁土礦控制的工程間距為(100～200)m×(100～200)m,但由于河南省鋁土礦區地質條件較為復雜,以上工程網度不能查明采場的礦體空間位置、形態、產狀、厚度及其變化情況。另外由于地質勘查工程大多是在地表施工的,隨著鉆孔深度的增大和穿過巖層性質的差異,鉆孔的傾角、方位角會發生彎曲而偏離原設計的位置,若孔斜與方位校正工作沒有做到位,用原設計的鉆孔軸線編繪地質界線和礦體,在空間位置上會產生很大偏差。

鑒于以上原因,在地質勘查階段提交的地質資料僅能做為整個礦區估算資源儲量和初步設計的依據,不能做為采場施工圖設計的依據。對于地下開采而言,礦體的空間位置、形態、產狀、厚度,不僅影響到采礦方法的選擇,而且影響到采切工程的布置。在采場施工圖設計前,必須在井下進行生產勘探,以摸清每個采場礦體的形態、產狀、厚度和保有資源儲量。

在生產勘探時,在按設計工程網度進行勘探基礎上,要加強勘探過程中的地質研究工作,邊勘探邊分析研究,根據工程見礦情況及時調整勘探方案,必要時補充一些加密工程,以詳細查明礦體空間位置、產狀、地質構造等。

對以往采空區調查和地質勘查中發現的采空區在生產勘探方案設計時要予以充分考慮,盡可能探明采空區范圍,為采場設計和施工提供準確的地質資料。

3.2 加強采礦方法的研究

采礦方法及采場結構參數的選擇直接影響到礦石損失率和貧化率,目前鋁土礦地下開采大多采用全面采礦法和房柱采礦法,但由于河南省鋁土礦受基底古巖溶地形控制,礦體形態復雜多變,采礦損失率和貧化率較高,因此應加強采礦方法探索和研究,針對不同礦體靈活選擇采礦方法和采場結構參數。

對于礦厚在3 m以下的薄礦體,優先選用全面采礦法,利用品位低的礦石或圍巖做為不規則礦柱支撐頂板,護頂礦壁厚度根據礦石的穩固程度適當減小,以降低礦石的損失率。

對于傾角在45°以上的中厚礦體,可以選用留礦法,每次采下的礦石暫時只放出1/3左右,其余的存留于采場內,作為繼續上采的工作平臺和對圍巖起支撐作用,待礦房回采作業全部結束后,再全部放出。這樣采場內礦柱可以不留或少留,既解決了由于礦體傾角大造成的采場礦柱易垮塌問題,也減少了采場礦柱損失。

對于大厚度礦體,應加強充填采礦方法的應用研究,最大限度地提高礦石回采率。

傳統的電耙出礦工藝存在不少缺點,一是生產效率低;二是鋁土礦底板為軟弱巖層,電耙耙運礦石時極易破壞底板,造成底板巖層混入,貧化率增大;三是當礦體產狀突變或礦體變薄鑿巖空間不夠時,采切工程難以繼續向前施工,造成部分礦體開采成本劇增或無法開采,礦石損失增大。為此應積極探索機械化開采工藝,通過在采場內施工斜坡道,使扒渣機、鏟運機、膠輪車等機械設備能夠方便進入各個回采工作面,采準和生產過程中爆破出的巖石可以就近倒運到采場內附近已結束開采的區域內,無需倒運出采場,既提高了生產效率,又解決了損失率和貧化率高的問題。

采場施工圖設計是采場施工和生產的依據,必須先設計后施工,并且要制定和完善采場設計標準和審查程序,確保設計的規范性和合理性。設計和審查過程中要對礦石損失率高度重視,在保證安全前提下,通過調整采場結構參數和礦柱位置等方法,盡可能降低礦石損失率,以有效利用礦產資源。

3.3 建立采場技術檔案

從地質勘查到生產,隨著揭露礦體工程的增加和認識程度的提高,礦區資源儲量估算將越接近實際,有時可能發生較大的變化,因此礦區年度儲量動態監測工作尤為重要,而礦區是由一個個采場組成的,要做好整個礦區的儲量動態監測,必須對每個采場分別建立技術檔案,及時掌握每個采場的儲量動態變化情況。

每個采場的技術檔案包括采場施工圖設計、采切工程地質編錄、二次圈定報告、生產統計臺賬、閉坑報告等。

采切工程地質編錄要在每個采切工程如上山、平巷、天井等施工完成后及時進行,同時要和生產勘探報告、設計進行對比,發現礦體位置、產狀、厚度等發生較大變化時,要分析原因。

整個采場采切工程結束后要及時組織編制二次圈定報告,重新圈定礦體范圍和估算保有資源儲量,通過與生產勘探報告、設計進行對比分析,查明每個采場礦體范圍、產狀、厚度及保有資源儲量的變化情況及原因。

采出礦量和質量要隨著采切工程和回采的進行,每天進行統計,形成生產統計臺賬。

在采場回采結束后,要依據二次圈定報告、生產計臺賬及時編制閉坑報告,計算采場回采率和貧化率,并和設計指標進行對比,偏差較大時要認真分析原因,提出補救和改進措施。

3.4 加強現場技術指導和監督

(1)合理選擇回采順序,有效減少礦石損失。回采順序包括礦房之間的回采順序和礦房內工作面的回采順序。由于地下開采鋁土礦區工程地質條件較為復雜,回采順序選擇是否合理,不但影響生產安全,而且會造成礦石損失。

礦房之間回采順序要堅持從采場一端到另一端,嚴禁從兩端向中央開采,防止形成局部應力集中,對采場未開采礦房的礦巖造成破壞。

礦房內工作面回采順序,采用房柱法開采時,要先施工切割上山,與上中段貫通形成通風系統后,再以切割上山為自由面向兩側擴幫,擴幫自上而下全部完成后再進行壓頂,壓頂完成后再切削礦房之間的點柱,壓頂和切點柱均可以自上而下倒退式回采。這樣可以大大減少頂板的暴露時間,保證回采工作的安全有序進行,避免冒頂造成大量礦石損失。礦房內工作面回采順序見圖2。

(2)加強現場施工管理,有效控制圍巖混入。采切工程如平巷和上山開口時,技術人員要對開口位置進行確認和取樣分析,準確掌握礦體頂底板位置標高,在采切工程施工過程中,技術人員要每班進行跟蹤,發現礦體產狀發生變化要及時調整施工的方位和坡度,確保采切工程在礦體中沿底板進行施工,避免因施工位置及標高不合理而造成礦巖混采。

護頂礦壁厚度的控制至關重要,技術人員要根據設計和礦石的穩固性合理確定,確定后每班要監督施工隊做好探頂工作,避免破頂和預留礦壁過厚。

在接近頂板進行爆破時,要采用光面爆破技術,盡可能減少對頂板巖層的破壞;采場頂板穩固性差時,要及時進行支護,避免冒頂造成礦石損失和貧化。

圖2 礦房內工作面回采順序

4 結 語

河南省鋁土礦資源受基底古巖溶地形控制,礦體形態產狀和工程地質條件十分復雜,必須采取有效措施降低損失和貧化,使有限的鋁土礦資源充分發揮效益。