金屬礦山開(kāi)采方法選擇與影響因素分析

林毅斌

（西藏巨龍銅業(yè)有限公司，西藏 拉薩 850200）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，金屬礦山開(kāi)采深度和規(guī)模呈現(xiàn)出不斷加大的趨勢(shì)，逐漸從露天開(kāi)采轉(zhuǎn)向地下開(kāi)采。由于地下環(huán)境比較復(fù)雜，人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量增多，只有使用先進(jìn)的開(kāi)采設(shè)備、先進(jìn)的開(kāi)采方法、先進(jìn)的開(kāi)采技術(shù)及工藝，才能實(shí)現(xiàn)提高資源回收率，提高礦產(chǎn)開(kāi)采的安全性。在環(huán)境問(wèn)題日益突出的背景下，金屬礦山開(kāi)采只有向高效性、安全性、綠色性和科學(xué)性方向發(fā)展，才能有效推動(dòng)金屬礦山開(kāi)采行業(yè)向可持續(xù)方向發(fā)展[1]。

1 金屬礦山開(kāi)采簡(jiǎn)介

金屬礦山開(kāi)采主要以露天開(kāi)采和地下開(kāi)采方式為主，礦山開(kāi)采是指在人工的指導(dǎo)下，使用機(jī)械設(shè)備對(duì)有利用價(jià)值的天然礦物資源進(jìn)行有效地挖掘與利用。露天開(kāi)采顧名思義是指在敞露的空間內(nèi)，根據(jù)礦體的賦存情況，使用礦山開(kāi)采所需的采掘設(shè)備和特定的開(kāi)采工藝，由表層向下剝離所采出的天然礦物質(zhì)的方法。露天開(kāi)采興起的原因有：礦體埋藏較淺或者是直接裸露，對(duì)開(kāi)采技術(shù)要求較低，礦體資源豐富等等。但是，隨著社會(huì)的發(fā)展，各國(guó)對(duì)礦山資源需求量增多，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)械設(shè)備水平提升，促使露天開(kāi)采規(guī)模擴(kuò)大，逐漸向下更深層次開(kāi)采[2]。

地下開(kāi)采是指在地表上掘出一條或者多條通往礦體的巷道，并按照由淺入深的原則，將所開(kāi)采出礦物從開(kāi)采區(qū)運(yùn)輸至地表，且主要是開(kāi)采埋藏深度較深的礦體，一般情況下分為挖掘與礦石開(kāi)采兩個(gè)環(huán)節(jié)，在礦石開(kāi)采中一般情況下分為三個(gè)步驟，開(kāi)拓、采切、回采。由于地下開(kāi)采環(huán)境比較復(fù)雜，基本上都是分階段進(jìn)行開(kāi)采，且遵守由淺入深的順序進(jìn)行，先找到礦體，然后以礦床為固定區(qū)域，劃分為幾個(gè)礦區(qū)，每個(gè)礦區(qū)的高度控制在60m左右，再在各礦區(qū)內(nèi)根據(jù)圍巖情況進(jìn)行采出礦作業(yè)。

2 露天、地下開(kāi)采的特點(diǎn)與常用方法

2.1 露天開(kāi)采

淺層的金屬礦山主要以露天開(kāi)采為主，只需要將淺層金屬礦體裸露出來(lái)即可進(jìn)行開(kāi)采，但是需要將礦體上方的大量巖土剝離，然后在能進(jìn)行對(duì)應(yīng)的開(kāi)采工作。剝采比是影響金屬礦山開(kāi)采方法最為重要的關(guān)鍵性指標(biāo)，如果礦體的剝采比小于或者等于經(jīng)濟(jì)剝采比，基本上都是選擇露天開(kāi)采。目前，在露天開(kāi)采上基本都是選擇間接-連續(xù)開(kāi)采、高臺(tái)階開(kāi)采、露天陡幫開(kāi)采等[3]。

間接-連續(xù)開(kāi)采。是指生產(chǎn)過(guò)程中一部分工藝連續(xù)，一部分工藝間斷，最大化發(fā)揮兩種開(kāi)采方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效的開(kāi)采，主要采取膠帶運(yùn)輸、汽車運(yùn)輸?shù)确绞竭\(yùn)輸?shù)V石。在開(kāi)采面直接使用電鏟裝載礦石，然后使用膠帶運(yùn)輸和汽車運(yùn)輸，并將碾碎后的礦石統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)，目前間接-連續(xù)開(kāi)采技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)效益高、生產(chǎn)效率高和機(jī)械化水平高等優(yōu)勢(shì)。

高臺(tái)階開(kāi)采。根據(jù)礦巖的厚度具體化分為若干個(gè)層面，然后遵守由上到下的原則進(jìn)行逐層開(kāi)采，隨著開(kāi)采量的增加，每開(kāi)采完一個(gè)層次的礦體就會(huì)形成一個(gè)階梯，常見(jiàn)的階梯有高臺(tái)階和緩臺(tái)階，都是根據(jù)臺(tái)階的高度劃分。在國(guó)內(nèi)露天金屬礦山開(kāi)采中，最高的臺(tái)階高度為15m，絕大部分臺(tái)階高度為8-12m之間。在上個(gè)世紀(jì)中，高臺(tái)階一般情況下在40-50m，主要在一些開(kāi)采深度較大的大型露天礦中[4]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，露天開(kāi)采逐漸向機(jī)械化、大型化方向發(fā)展，且在金屬礦山開(kāi)采中得到了廣泛的應(yīng)用。高臺(tái)階開(kāi)采具有經(jīng)濟(jì)效益高、生產(chǎn)效益高、運(yùn)輸線路單一、作業(yè)集中和輔助作業(yè)少等明顯優(yōu)勢(shì)。

露天陡幫開(kāi)采。是加陡露天礦剝巖工作幫所使用的采剝程序、技術(shù)措施和工藝方法的總稱。主要是以控制作業(yè)臺(tái)階數(shù)的方式，從而降低臺(tái)階高度，增大剝巖工作幫的角度，促使剝巖和采礦之間關(guān)系更為融洽，平衡了生產(chǎn)剝采比、提高了露天開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益，該方法具有投資回報(bào)周期短、達(dá)產(chǎn)快、投產(chǎn)早、基建周期短、投資少、基建剝巖量少等優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)管理要求高、輔助工作量大、剝巖成本高、設(shè)備頻繁調(diào)動(dòng)等劣勢(shì)。

2.2 地下開(kāi)采

隨著露天金屬礦山開(kāi)采規(guī)模擴(kuò)大，淺表層的金屬礦體基本上已經(jīng)被開(kāi)采完結(jié)，促使金屬礦開(kāi)采逐漸向深層“進(jìn)軍”，且剝采比較高，礦床埋藏深度較深。前期由于受到技術(shù)條件的限制，以及社會(huì)對(duì)金屬礦需求量較少，金屬礦地下開(kāi)采尚未得到有效的發(fā)展，開(kāi)采技術(shù)也未實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升。地下開(kāi)采主要是通過(guò)地表掘進(jìn)通往礦體的巷道，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下礦體的開(kāi)采。常見(jiàn)的金屬礦地下開(kāi)采分為五類，充填采礦法、崩落采礦法、空?qǐng)霾傻V法、化學(xué)采礦法和綜合采礦法，在選擇最為合適的開(kāi)采方法時(shí)，需要根據(jù)工程地質(zhì)條件、地應(yīng)力和礦石種類等因素進(jìn)行綜合分析并選取[5]。

充填采礦法。充填采礦法充分體現(xiàn)了因地制宜的原則，且采空區(qū)有著豐富的充填材料，比如水泥、黃土、礦渣、碎石等等，這些都是比較優(yōu)質(zhì)的充填材料。在使用這些充填材料時(shí)，形成一個(gè)硬度高的充填體，從而有效控制采空區(qū)上覆巖層，實(shí)現(xiàn)地表巖層穩(wěn)固的目的，確保上覆巖層不會(huì)出現(xiàn)塌陷、下沉，避免了地表破壞問(wèn)題的發(fā)生。充填材料的使用需要對(duì)其進(jìn)行有效的加工處理，需要配套的設(shè)備和充填材料的配比，然后由專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行充填施工，因此，在很大程度上增加充填采礦法的成本，降低了其經(jīng)濟(jì)效益，促使充填采礦法無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。且目前主要應(yīng)用于地表具有道路、河流以及建筑物等地表不允許下沉或礦巖破碎、穩(wěn)固性差難以形成空?qǐng)龅牡V體，或者是用于貴重稀缺金屬礦體中。充填采礦法的優(yōu)點(diǎn)為作業(yè)安全、地表保護(hù)好、適應(yīng)性強(qiáng)，但也有一定的缺點(diǎn)，比如生產(chǎn)效率低、成本高、工藝復(fù)雜等等[6]。

崩落采礦法。崩落采礦法與充填采礦法具有一定的相似之處，都是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，崩落采礦法主要是利用回采中無(wú)用的巖石或者是礦石對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填，目的是為了平衡礦床的地壓。崩落圍巖用來(lái)充填采空區(qū)，也因此成為崩落采礦法的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在地表允許塌陷或者是圍巖易崩落的礦體中。

空?qǐng)霾傻V法。在金屬礦山地下開(kāi)采中，空?qǐng)霾傻V法應(yīng)用較多，是眾多地下開(kāi)采方法中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最高的技術(shù)方法之一。主要是充分利用回采留下的礦柱以及圍巖自身的穩(wěn)定性，來(lái)確保采空區(qū)的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)在開(kāi)采過(guò)程中也不會(huì)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行專業(yè)的管理和維護(hù)，空?qǐng)霾傻V法具有成本低、生產(chǎn)效益高、機(jī)械化生產(chǎn)水平高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的礦體、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦體中。

化學(xué)采礦法。在上述三種開(kāi)采方法中，化學(xué)采礦法比較新，通過(guò)分析礦物的物理化學(xué)性質(zhì)，然后結(jié)合物理化學(xué)性質(zhì)通過(guò)向礦體中直接注射某種化學(xué)溶侵液，產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，并將礦體中固態(tài)礦物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液態(tài)，最后將液態(tài)礦物質(zhì)進(jìn)行回收利用。化學(xué)采礦法最大的優(yōu)勢(shì)就是在于適用性較強(qiáng)，可以應(yīng)用在不同的礦體中。

綜合采礦法。根據(jù)礦體的實(shí)際情況，考慮到經(jīng)濟(jì)效益以及各種因素的影響，充分發(fā)揮各種開(kāi)采方法的優(yōu)勢(shì)，然后結(jié)合礦體實(shí)際情況，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，基本上都是分礦塊設(shè)計(jì)、分區(qū)域使用，主要應(yīng)用在礦體品位低和礦體賦存形態(tài)特別復(fù)雜的礦山開(kāi)采過(guò)程中。

3 露天、地下開(kāi)采方法選擇的影響因素

金屬礦山開(kāi)采方法的選擇并不具備隨意性，需要結(jié)合礦山的各種情況，包括礦山工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、技術(shù)條件及礦山經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等等，礦體的影響因素有圍巖力學(xué)性質(zhì)、有價(jià)值成分分布、礦體傾角和厚度、礦體的埋藏深度等等。將這些因素綜合起來(lái)，然后對(duì)其進(jìn)行綜合分析，從而選擇安全、高效、經(jīng)濟(jì)的礦山開(kāi)采方法。

3.1 地質(zhì)因素

金屬礦物質(zhì)主要是由于地殼運(yùn)動(dòng)所形成的一種天然產(chǎn)物，且埋藏于地下。由于地下環(huán)境比較復(fù)雜，在開(kāi)采前必須要對(duì)礦體區(qū)域地質(zhì)進(jìn)行全面的分析，具體包括礦體的埋藏深度、自然傾向、礦體條件、圍巖力學(xué)性質(zhì)、形狀、厚度、礦體傾角等[7]。

安全是金屬礦山開(kāi)采的第一要素。由于礦體深埋于地下，在開(kāi)采過(guò)程中部分礦石很容易出現(xiàn)自燃的現(xiàn)象，稍有不慎，就會(huì)引發(fā)礦體燃燒，從而影響到開(kāi)采人員的人生生命安全，故一般的開(kāi)采方法也無(wú)法使用。如果在開(kāi)采過(guò)程中遇到含硫度高的礦體，最容易引發(fā)礦體燃燒，所以在這種情況下最不合適使用崩落法開(kāi)采。

經(jīng)濟(jì)性是金屬礦山開(kāi)采考慮的第二要素，尤其是礦石的雜質(zhì)含量、品位與礦石價(jià)值。這些基本的礦體條件則會(huì)直接影響到整個(gè)礦體開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益，如果經(jīng)濟(jì)效益低則選擇不開(kāi)采，如果經(jīng)濟(jì)效益可觀則選擇合適的開(kāi)采方法，并確保經(jīng)濟(jì)效益最大化。

圍巖力學(xué)性質(zhì)主要有地應(yīng)力環(huán)境、圍巖穩(wěn)定性兩種，如果金屬礦山的圍巖穩(wěn)定性較差，基本上選擇不開(kāi)采；如果圍巖穩(wěn)定性好，主要使用空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行地下開(kāi)采。另外地應(yīng)力的分布環(huán)境主要影響巷道的布置方向，對(duì)開(kāi)采方法影響較小。

礦體傾角、厚度和形狀是影響金屬礦山開(kāi)采方法的另一個(gè)重要因素。如果剝采比大、埋藏深度較深、礦體厚度小，在這種情況下基本以地下開(kāi)采為主[8]。如果剝采比小、埋藏深度較淺，在這種情況下基本上都是實(shí)施露天開(kāi)采。另外礦體傾角對(duì)開(kāi)采方法也有影響，主要影響到運(yùn)輸方式和礦山巷道布置。

礦體的埋藏深度主要決定礦山采用露天開(kāi)采還是地下開(kāi)采方式。埋藏深度淺則使用露天開(kāi)采方法，如果埋藏深度較深則使用地下開(kāi)采方法，同時(shí)礦山地壓的大小還會(huì)影響到地下開(kāi)采方法的選擇。

3.2 礦體種類及質(zhì)量因素

金屬礦山根據(jù)礦體種類可以分為三種：貴金屬礦、有色金屬礦和黑色金屬礦。貴金屬礦、有色金屬礦具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且礦體埋藏深度較深，開(kāi)采方法主要以充填法為主。黑色金屬礦埋藏較淺時(shí)主要是露天開(kāi)采為主，且以鐵礦為主，而埋藏較深的礦體開(kāi)采價(jià)值低，可根據(jù)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益情況選擇是否開(kāi)采。

如果礦體的選冶難度大、雜質(zhì)含量高、礦石品位低，且開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益差，則基本上不選擇開(kāi)采，如果開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益高，則根據(jù)礦體的實(shí)際情況選擇最為合適的開(kāi)采方法。

3.3 環(huán)境及外在因素

礦石開(kāi)采屬于破壞地質(zhì)活動(dòng)，在長(zhǎng)期開(kāi)采過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致各種環(huán)境問(wèn)題，比如地表礦井廢棄物存放、地表塌陷、地下水流失等，所以在選擇開(kāi)采方法時(shí)，必須要考慮到礦體種類、礦體質(zhì)量、賦存條件等等，包括相關(guān)政策要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在金屬礦山開(kāi)采中，開(kāi)采方法的選擇會(huì)直接影響到開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益，既礦山開(kāi)采的高效、高產(chǎn)、安全等問(wèn)題，而開(kāi)采方法的選擇又受到地質(zhì)因素、礦體種類及質(zhì)量因素、環(huán)境及外在因素，所以必須要堅(jiān)持因地制宜的原則，根據(jù)實(shí)際情況，科學(xué)合理選擇開(kāi)采方法，確保金屬礦山開(kāi)采效益最大化。