金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)新進(jìn)展與展望

張 欣

（河鋼礦業(yè)司家營南區(qū)礦山分公司，河北 唐山 063000）

目前，我國金屬礦山地下開采已形成了較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，各類礦山和地下開采技術(shù)已趨于成熟。但在技術(shù)應(yīng)用方面，由于外部因素的影響，仍存在一定的局限性。因此，要全面提高相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，增強(qiáng)金屬礦山開采的實(shí)際效益，就要從技術(shù)水平和裝備入手，最大限度地提高金屬礦山地下開采技術(shù)的應(yīng)用效率，要綜合考慮應(yīng)用水平和工作發(fā)展水平。

1 金屬礦山地下開采概述

金屬礦產(chǎn)埋藏深，露天開采剝采系數(shù)高、成本大，金屬礦山多采用地下采礦法。金屬礦床地下開采主要分為開拓，采準(zhǔn)，切割和回采四個步驟。

在礦石開采過程中，通常分階段進(jìn)行開采。通常按自上而下的開采順序進(jìn)行開采，礦體沿礦床分為若干礦段。礦塊高度約60米。金屬礦地下開采方法有三種[1-3]。

（1）自然支護(hù)采礦法，又稱空場采礦法。主要靠圍巖本身的穩(wěn)固性和礦柱的支撐能力維護(hù)回采過程中形成的采空區(qū)，有的用支架或采下礦石作輔助或臨時支護(hù)。

（2）人工支護(hù)采礦法，用充填材料或其他支架維護(hù)采空區(qū)，主要使用充填法，故此法又稱充填采礦法。在礦房或礦塊中，隨回采工作面的推進(jìn)，向采空區(qū)送入碎石、爐渣、水泥等充填材料，以進(jìn)行地壓管理、控制圍巖崩落和地表移動，并在形成的充填體上或在其保護(hù)下進(jìn)行回采。

（3）崩落采礦法，隨回采工作面的推進(jìn)，有計劃地崩落圍巖填充采空區(qū)以管理地壓的采礦方法。適用于圍巖容易崩落、地表允許塌陷的礦體。

2 地下金屬礦山連續(xù)開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 連續(xù)開采過程中主要的采礦技術(shù)

（1）空場采礦法。空場采礦法主要分為大直徑深孔采礦法和地下金屬礦山連續(xù)采礦法。我國早期采用大直徑深孔采礦法。在不斷創(chuàng)新和發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了一種較為典型的采礦方案，主要是在大直徑深孔的前提下，即階段性深孔崩落采礦法。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能使采礦工藝最大限度地連續(xù)工作，安全性能得到一定程度的提高。

（2）崩落采礦法。崩落采礦法分為有無底柱分段崩落法和自然應(yīng)力崩落法兩種。無底柱分段崩落法采用國外先進(jìn)的采礦技術(shù)，在我國的采礦業(yè)中是不適用的。不僅如此，這種方法雖然有一定的優(yōu)點(diǎn)，但在施工過程中應(yīng)用還存在一些問題，如結(jié)構(gòu)參數(shù)的擴(kuò)大和優(yōu)化問題，即無法增加線路間距。只有解決這一問題，才能最大限度地發(fā)揮這種方法在采礦技術(shù)中的作用，在一定程度上減少工作量，提高采礦作業(yè)效率，最大限度地降低礦石成本，從而實(shí)現(xiàn)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。前者更具實(shí)用價值。基于自然應(yīng)力的崩落法具有生產(chǎn)能力大、成本低等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)對于礦化均勻、自然崩落容易的礦床能發(fā)揮最大的作用。

（3）充填采礦法。該方法是目前世界上技術(shù)水平最高的方法，其極具代表性的技術(shù)是利用高水尾礦快速凝固充填新技術(shù)和泵送膏體充填技術(shù)。

2.2 采用深部開采與原地進(jìn)行溶浸的采礦法

深部開采是指垂直開采深度在600m以上的礦井。近年來，我國不斷研究深部開采技術(shù)，并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。隨著科技的不斷發(fā)展，開采深度越來越深，從600多米到950m。地浸采礦法是多種技術(shù)相結(jié)合的采礦方法，即采選冶技術(shù)的合理結(jié)合。這種方法直接從地下提取金屬。

3 我國地下金屬礦山連續(xù)開采技術(shù)存在的問題

目前對連續(xù)開采的理論知識缺乏研究。雖然我國在技術(shù)和裝備上取得了一定的成就，但在采礦方法和技術(shù)上卻沒有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步；并且我國缺乏完整的連續(xù)開采理論知識體系，在開采過程中缺乏有效的理論知識作為指導(dǎo)。這樣，在一定程度上嚴(yán)重制約了連續(xù)開采技術(shù)的長期發(fā)展，無法實(shí)現(xiàn)高水平的開采模式，礦石的破碎程度還有待提高。這是我國連續(xù)開采技術(shù)中亟待解決的難題。由于破碎量大，一些連續(xù)作業(yè)設(shè)備不能滿足要求，這將導(dǎo)致工作效率降低。我國的采礦技術(shù)還沒有取得根本性的突破，因此采礦技術(shù)還需要不斷的創(chuàng)新和完善，從而將采礦效率提高到最高水平。

4 金屬礦山開采關(guān)鍵技術(shù)新進(jìn)展

金屬礦山正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，在理論上，技術(shù)、裝備等方面都面臨著新的挑戰(zhàn)。面對上述挑戰(zhàn)，金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)的研究顯得尤為關(guān)鍵。目前，金屬礦山地下開采的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下五個方面：鉆爆技術(shù)；運(yùn)輸提升技術(shù)；巖石加固技術(shù)；膏體充填技術(shù)；遠(yuǎn)程控制技術(shù)。本文圍繞這五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)地回顧了它們的發(fā)展歷程和最新進(jìn)展。

4.1 鑿巖爆破技術(shù)

鑿巖爆破技術(shù)是金屬礦山開采過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，也是金屬礦山長遠(yuǎn)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。因此，不斷提高鉆爆效率對金屬礦山的安全高效開采具有十分重要的意義。目前，鑿巖爆破技術(shù)仍是地下開采的主要方法。從最初的手動鑿巖到氣動鑿巖機(jī)、液壓鑿巖機(jī)、鑿巖臺車（圓錐鉆、潛孔鉆），甚至到今天的鑿巖機(jī)器人，鑿巖技術(shù)逐漸從機(jī)械化發(fā)展到自動化、智能化、環(huán)保化。經(jīng)過長期的研究，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出適合各種條件的鉆井設(shè)備。近年來，隨著鉆探設(shè)備的改進(jìn)，美國、加拿大等國相繼在地下開采中引入了露天鉆爆技術(shù)，用大直徑分段深孔代替中深孔分段鉆進(jìn)，取得了良好的應(yīng)用效果。如瑞典研制了一系列掘進(jìn)鑿巖臺車，具有鉆進(jìn)效率高、作業(yè)安全、污染小等優(yōu)點(diǎn)；我國自主研制了集行走、鑿巖、裝藥作業(yè)于一體的全計算機(jī)三臂鑿巖臺，具有操作簡單、安全系數(shù)高、造價低等優(yōu)點(diǎn)。這些設(shè)備保證了鑿巖質(zhì)量和效率，降低了勞動強(qiáng)度和作業(yè)成本，自動化、智能化、環(huán)保化水平達(dá)到了一個新的高度。同時，由于地下開采條件的不同，巷道開挖和開采作業(yè)的應(yīng)用條件也不同，傳統(tǒng)地下礦山常用的爆破方法也多種多樣。微差爆破、擠壓爆破、光面爆破得到了廣泛應(yīng)用，在一定程度上提高了爆破質(zhì)量。隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)爆破技術(shù)逐漸向精密爆破、綠色爆破、智能爆破方向發(fā)展。精量爆破主要通過孔網(wǎng)參數(shù)的精細(xì)設(shè)計、爆破能耗的理論研究和爆破方案的模擬，構(gòu)建礦山精量爆破系統(tǒng)；綠色爆破主要采用新型助燃劑代替炸藥，不產(chǎn)生爆破瓦斯，大大改善了地下空氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了地下綠色爆破；智能爆破主要采用智能設(shè)計，智能化設(shè)備與爆破震動智能預(yù)測、殘孔自動識別構(gòu)成了一個智能爆破系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了爆破技術(shù)的智能化。在技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新的新時代，鑿巖爆破技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的方法發(fā)展到機(jī)械物理破巖等非爆破破巖技術(shù)。如采用連續(xù)采煤機(jī)破碎中硬及以下巖石，工作效率高，施工條件好，有利于控制地壓；高壓水射流/熱破碎物理破巖技術(shù)克服了單一機(jī)械能破巖的局限性，不產(chǎn)生粉塵和煙花爆竹，大大改善了工作環(huán)境。但由于道具能耗高、成本高、磨損嚴(yán)重等問題，目前在我國尚未推廣。同時，我國信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的研發(fā)起步較晚，相關(guān)的智能核心技術(shù)仍主要依賴國外。因此，我國硬巖礦山尚未實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采。

4.2 運(yùn)輸提升技術(shù)

運(yùn)輸提升系統(tǒng)在地下礦山生產(chǎn)中占有極其重要的地位，通過運(yùn)輸提升可將各個環(huán)節(jié)連成一個有機(jī)整體，從而保證礦山正常生產(chǎn)。采場出礦經(jīng)歷了“人工—有軌—無軌”運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展歷程，形成了由有軌為主、無軌為輔，逐步向無軌、有軌為輔的新局面。無軌自走式井下運(yùn)輸始于20世紀(jì)60年代，隨著井下無軌設(shè)備的不斷完善，井下無軌開采技術(shù)得到了迅速發(fā)展，促進(jìn)了井下開采技術(shù)的變革，是井下開采的發(fā)展趨勢。采場短距離開采采用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸，具有操作方便、工作可靠、效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。地下車輛用于長距離地下采礦。目前，在國外應(yīng)用廣泛，在我國應(yīng)用較少。隨著開采深度的增加，提升距離面臨越來越多的挑戰(zhàn)，各種礦料的成本也在不斷增加。因此，開發(fā)深井提礦技術(shù)顯得尤為重要。礦山運(yùn)輸升級的總體趨勢是向大型化、重載化、自動化程度高的方向發(fā)展。經(jīng)過長期的發(fā)展，在深部開采中，大多數(shù)礦山采用軌道運(yùn)輸、帶式輸送機(jī)或無軌設(shè)備提升多級豎井。例如，在南非陶托納金礦，采用三級豎井提升法，然后通過膠帶或無軌設(shè)備在豎井之間運(yùn)輸。傳統(tǒng)的露天皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但容易產(chǎn)生揚(yáng)塵和滑動，污染地下環(huán)境，爬坡能力差，安全系數(shù)低。目前，Si con公司已開發(fā)出封閉式皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，可防止運(yùn)輸中的滑動和粉塵，運(yùn)輸速度可超過3m/s，提升坡度可達(dá)到36°。對該系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，有望在今后深部開采的運(yùn)輸和升級改造中得到應(yīng)用。目前，深海采礦主要采用液壓提升。近年來，一些研究人員嘗試在深部礦井中應(yīng)用液壓提升技術(shù)，這種技術(shù)可以連續(xù)進(jìn)行，更容易實(shí)現(xiàn)提升過程的自動化和智能化。然而，深井水力提升破碎系統(tǒng)和粉磨系統(tǒng)的建立比較困難，難以實(shí)際應(yīng)用。同時，對于磁懸浮電梯也有一些創(chuàng)新性的改進(jìn)思路，但仍需深入細(xì)致的研究。這些新技術(shù)、新方法、新技術(shù)為礦山運(yùn)輸提升領(lǐng)域注入了新鮮血液，極大地促進(jìn)了運(yùn)輸提升技術(shù)、方法、技術(shù)的創(chuàng)新和創(chuàng)新。

4.3 巖層加固技術(shù)

金屬礦山主要用于加固軟弱、破碎和高應(yīng)力巖層。巖層加固技術(shù)可分為被動支護(hù)和主動支護(hù)。被動支護(hù)不能改變巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只能被動承受圍巖的變形，如傳統(tǒng)的木支護(hù)、拱形建筑支護(hù)、鋼拱支護(hù)等；主動支護(hù)可以改變巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主力可以增強(qiáng)巖層的強(qiáng)度，如錨桿（錨索）、噴錨網(wǎng)等方法，其中噴錨支護(hù)為復(fù)合支護(hù)，噴錨支護(hù)是金屬礦山巖石的主要加固技術(shù)。將全長錨桿與粘結(jié)錨桿組合成全長粘結(jié)錨桿，大大提高了錨固強(qiáng)度，在工程實(shí)踐中具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景；噴射混凝土已由過去的干噴發(fā)展到濕噴，改善工作環(huán)境，防止巖層剝落。噴錨的有效結(jié)合可以將圍巖的自由變形控制在一定范圍內(nèi)，重新分配圍巖的應(yīng)力，有效防止巖層脫落。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外采用先進(jìn)的錨噴支護(hù)設(shè)備越來越多。如錨桿臺車、濕噴混凝土臺車、掛網(wǎng)臺車等一系列設(shè)備已在國外研制成功。同時，我國自主研發(fā)了輪胎式錨車（履帶錨車）、礦用濕噴機(jī)和雙臂混凝土濕噴機(jī)，提高了工作效率，減輕了勞動強(qiáng)度，保證了安全生產(chǎn)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了巖石加固技術(shù)的機(jī)械化和智能化。經(jīng)過多次技術(shù)改造，巖石加固技術(shù)已從傳統(tǒng)的被動單支護(hù)發(fā)展到新型的主動復(fù)合支護(hù)。未來將呈現(xiàn)機(jī)械化、智能化的趨勢，以提高作業(yè)的安全性和效率。

5 結(jié)語

在高新技術(shù)的不斷推動下，我國礦業(yè)在降低成本方面取得了一定的進(jìn)展，但同時也要保證高效率和對環(huán)境污染最低。安全的工作環(huán)境和生產(chǎn)條件是施工人員的重要保證。因此，應(yīng)改善井下作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)條件，保證其工作效率和安全生產(chǎn)，從而在一定程度上提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，為中國礦業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。