锡矿山采矿技术攻关与解难

2010-04-03张根深肖迪民曹明秋

采矿技术 2010年3期

关键词：残矿矿柱中段

张根深,肖迪民,曹明秋

(锡矿山闪星锑业有限责任公司, 湖南冷水江市 417502)

锡矿山采矿技术攻关与解难

张根深,肖迪民,曹明秋

(锡矿山闪星锑业有限责任公司, 湖南冷水江市 417502)

锡矿山采矿工作者经过60年的科技攻关,成功解决了锡矿山难采矿体开采面临的诸多采矿技术难题,所取得的实践成果丰富了采矿工程学宝库。分两个阶段(20世纪后50年和最近10余年)介绍了锡矿山采矿技术科技攻关的过程及其科研成果,并提出了锡矿山未来将要面临的采矿技术创新问题。

采矿方法;通风防尘;“三下”采矿;地压控制;残矿回采

锡矿山是一个超大型锑矿床,至今已有110多年大规模开采的历史。解放前,矿商唯利是图,见矿采矿,无正规采矿方法可言。解放后,锡矿山采矿科技工作者结合矿山生产实际,在有关科研院所的协助下,通过不断探索,创立了由“普通”、“杆柱”和“人工壁柱”房柱法构成的适应缓倾斜矿体开采的房柱采矿法体系;同时通过长期艰苦的科技攻关,成功解决了诸多难采矿体回采的技术问题,极大丰富了采矿工程学宝库。

1 20世纪后50年的科技攻关

1.1 创立了房柱采矿法体系

根据锡矿山缓倾斜中厚矿体的特点,在沿用不规则矿柱空场法的同时,1953年进行了留规则矿柱“普通房柱法”的试验,经对采场构成要素、回采顺序与作业方式等的全面论证,1954年该法被定型为回采中厚矿体的基本采矿方法。1958年开始南矿东部薄(1号)矿体回采的试验研究,先后试验的长壁法、宽进路扇形眼崩矿和房柱支柱法均不理想,直至1962年11月开始试验的“杆柱房柱法”获得成功而定型为薄矿体回采方法。1978年随着南矿7～11中段薄矿体回采条件的变化,在总结上部中段回采经验的基础上,在11中段进行了缩小采场跨度、两步回采的“杆柱护顶、砂浆充填采矿法”的试验并获得成功,从而取代了“杆柱房柱法”。1965年在探讨“三下”采矿方法时,自创两步回采的“人工壁柱房柱法”,1966年开始试用于南矿6～7中段河床保安矿柱的开采,70年代中期便在锡矿山全面推广,并相继试验成功中深孔采矿和块石胶结充填、喷锚护顶高分层回采等工艺。至此建立起由“普通”、“杆柱”、“人工壁柱”房柱法构成的房柱采矿法体系。

1.2 创立棋盘式通风网络实现井下通风自动控制

锡矿山1951年开始机械通风,随后形成分区通风系统。根据缓倾斜矿体的特点,1956年陈秉勤创新的棋盘式通风网络应用于南矿,井下粉尘浓度大大降低。1958年4月,锡矿山在全国冶金矿山中率先达到粉尘浓度低于2mg/m3的国家卫生标准。随着风(通风)、水(喷雾洒水)、密(密闭)、管(加强管理)、查(检查)、护(劳动保护)、教(教育)、革(技术革新)8字综合防尘措施的落实,井下工作面粉尘合格率逐步提高,1964年达83.5%。为解决井下作业点分散且生产条件变化频繁、通风系统管理与控制困难、通风动力浪费与成本高等问题,1979年开始使用微机进行南矿井下通风设备集中监控和矿井风量自动调节的试验研究,并获得了良好的效果,从而使南矿在20余年内实现了通风自动控制。

1.3 首开国内金属矿山“三下”采矿之先河

由于客观和历史的原因,南矿地表分布有南炼厂、1号竖井等重要建筑物,且飞水岩河流经矿体上部,1956年按规定划定了5大保安矿柱并列为禁区,由此极大地限制了矿山生产的发展。1957年,锡矿山开始探讨“三下”采矿课题,1965年自创两步回采的“人工壁柱房柱法”,在试验初步获成功的基础上,1966年即全面运用于6～7中段河床保安矿柱的回采,直至1971年出现地压活动才暂时停止,从而开创了我国金属矿山“三下”采矿的先例。随后从1973年开始,在长沙矿山研究院的协同下,进行了8～9中段河床保安矿柱的回采试验,期间开展了采矿方法及工艺、试采区采场地压规律及其控制方法的可靠性、地表及岩层移动规律和充填体控制岩层移动的效果等方面的研究,历时8年的试验研究,解决了南矿保安矿柱采矿方法问题,论证了“人工壁柱房柱法”的地压机理和胶结充填体的力学作用,探索出一种地压控制方案,取得的科研成果为国内金属矿山首创,1981年获国家冶金科研三等奖。

1.4 持续地压控制研究

为了保护南矿地表建筑物和飞水岩河道的安全,1955年和1957年共开辟了3个地表采石场,建立了两个充填系统,对一些老采空区进行了处理,同时在地表建立了岩移观测线进行岩移观测。随着大规模采矿生产的进行,井下空场不断扩大,岩石应力日益集中,以致1965～1971年间在南矿东、中、西部发生了3次大面积地压活动,为此分别于1966年和1972年开展了充填歼灭战,同时加强了地压和岩移的观测工作。1973年,冶金工业部将“锡矿山南矿地压规律及控制方法”研究列为重大攻关项目,并明确长沙矿山研究院和武汉冶金安全技术研究所协同矿山工作。通过近10年的综合研究,得出如下成果:地压产生、发展及稳定的客观规律;大面积地压活动时岩音频率、矿柱破坏、顶板岩层下沉移动与破坏及地表移动的特征;处理采空区和改进采矿方法是控制地压发生的基本措施。该项成果分别获湖南省(1978年)、冶金工业部(1981年)和国家科技成果奖(1985年)。地压控制的研究至今已持续了40多年。

2 最近十余年来的科技攻关

2.1 最终解决了南矿薄矿体回采方案

随着开采的继续深移,南矿13中段以下薄矿体倾角大幅度变陡(达40°～70°),使用杆柱砂浆充填采矿法回采存在着施工困难、作业不安全和技术指标差等问题。经过几年的探索,南矿于1989年提出了斜交矿体走向和沿矿体走向布置矿块的两种回采方案,后经广泛讨论于1991年确定使用沿矿体走向布置矿块、分层回采的“上向连续采矿法”付诸试验,经15中段82～84采试验获成功,从而最终解决了南矿薄矿体回采方案问题。该试验于2002年结束,其成果经湖南省科技厅组织专家鉴定,认定是我国难采矿体采矿方法研究方面的一项突破,整体技术达到国内领先水平,2003年获中国有色金属工业科技进步二等奖。

2.2 “三下”采矿又有新的突破

6～9中段河床保安矿柱的成功开采,为南矿一号竖井、办公室等保安矿柱开采提供了借鉴依据。但南炼厂保安矿柱开采条件更加特殊:

(1)属典型的浅部“三下”矿体开采(矿体距地表仅20～70m;地表有正在生产的锑冶炼厂)。

(2)开采条件特别复杂(其周围矿体已采完,使其成为孤岛且经历了较长时间采矿的扰动;周围老采空区呈复杂的多层结构,部分采空区充填未接顶;有多层矿体需要重复开采),因而其开采难度更大,类似开采条件的“三下”采矿目前国内外尚无报道。

为实现南炼厂保安矿柱的安全开采,长沙矿山研究院与锡矿山合作,开展了该保安矿柱开采及其安全监控的试验研究。试验开采过程中采用了创新的“分区卸荷,多回次平稳沉降”地压控制方案;实施了控制采场个数和中部全胶结、两翼半胶结等安全技术措施;利用地压监测、岩移观测、爆震测定等安全监控手段确保了井下回采和地表建筑物的安全,得出了独特的岩体声发射和岩层移动规律以及爆破地震波质点振动衰减规律与爆破安全距离等研究成果。该保安矿柱开采试验至2007年5月结束时累计回采采场63个,采出矿岩量52.09万t,充填空区18.291万m3,采矿回采率92.45%,矿石贫化率4.83%,为企业创经济效益6363.667万元。至此,领先国内金属矿山“三下”采矿的锡矿山保安矿柱开采研究基本结束。

2.3 难采残矿回采创新硕果累累

所有矿山开采都会残留一些矿石未采出。难采残矿回采是当今采矿界面临的一个技术难题。锡矿山超百年的大规模开采,在已结束回采的中段保留有大量残矿。尽可能多的回收这些残矿,对延长矿山寿命、持续稳产、提高企业经济效益都有好处。锡矿山1956年开始残矿回采,直至1992年主要还是回采那些条件好的大矿柱和边角扫尾矿体,一些难度大的残矿回采方案未解决,以致年回收残矿量仅3～4万t。1993年开始开展难采残矿回采方案的科技攻关,探索出部分类型的难采残矿回采方案,2002年以后残矿回采年产量提高到8～10万t,最高达13.8万t。

1993年10月,针对南矿7中段45～51采冒落区残留矿石回收方案的探索,南矿相关的采矿技术人员创新提出“底盘漏斗自然崩落放矿回收冒落矿石”方案。即在冒落采场底盘沿采场方向布置耙矿道,耙矿道两侧交错掘放矿漏斗并扩喇叭口;冒落矿石经松动后在其自重压力下自然崩落至耙矿道,再从耙矿道将矿石耙出。该方案在南、北矿的实施效果较理想,该项科研成果于2002年获得锡矿山科技进步二等奖。

1998年3月,有关采矿技术人员综合运用两步回采充填采矿法采场地压机理、地下采矿应力转移、充填体强度及其力学原理等理论,针对房柱法回采采场留下的盘区间柱和房间壁柱回采,创新提出“上向小分层回采窄厚残留矿壁”方案。即按垂高2.5～3m将残留矿壁划分为若干个小分层,依次进行上向回采;首先沿矿壁径向(逆矿体倾向)进行拉底,然后依靠爆破震塌的尾砂及选别出矿留下的废石回填采空区,在充填体上依次进行挑顶,直至矿壁回采结束。该方案在南矿6中段1～5采残留矿壁回采试验获初步成功后,1999年在南北矿全面推广使用。该项科研成果于2003年获得锡矿山科技进步特等奖。

2004年6月,南矿采矿技术人员针对南矿西4～7中段部分区域上下采场(已采并尾砂充填)间的隔层残矿回采问题,经分析与理论论证,创新提出“普通房柱法回采上下采空区间隔层残矿”方案。由于隔层残矿厚度一般小于6m,故采场宽度取6 m,矿柱规格取4m×4m,采场顶板留2m左右的护顶。该方案经南矿7中段57～61采采场顶板(5中段12采底盘)隔层残矿回采实践证实可行,2005年开始已在南矿推广使用。该项科研成果于2006年获得锡矿山科技进步二等奖。

实践证明,上述3种难采残矿回采方案是可行的,实施后使锡矿山近几年残采产量得到了很大的提高。截至2009年底,运用上述3种回采方案,已采出残矿锑含量1.5万多t,以锑金属原料市场价格计算,为企业创造经济效益近2亿元。由于残矿回采成绩突出,锡矿山2007年荣获国土资源部“资源利用先进单位”称号。

2.4 充填工艺得到较大改进

在南矿进入深部中段采矿时,由于尾砂胶结充填系统存在砂浆输送浓度低等问题,造成充填体强度较低,以致采矿过程中出现充填体跨塌和片帮,不但增大了矿石贫化,而且带来了安全隐患。为此,2004年对南矿使用尾砂胶结充填法回采缓倾斜厚矿体进行了一次系统的总结和技术论证,对过去尾砂胶结充填回采厚矿体存在的问题进行了全面的分析,同时对两步回采方案采场地压机理、胶结充填体的力学作用、地压控制基本模式、尾砂胶结充填体强度要求以及尾砂胶结充填成本等方面进行了论证并得出了相应的结论。在此基础上,确定自行设计对南矿深部充填系统进行易地调整改造。

南矿深部充填系统改造于2007年4月竣工,经过一个月的调试,2007年6月投入生产,至今已有2年多,从运行情况看,效果较理想。系统生产能力大,一班作业可完成1d的任务,减少用工11人;砂浆输送浓度提高到60%,为原系统的2倍,减少井下排水18.8万t/a;极大提高回水利用,达到828 t/d;优化了环境,杜绝了尾砂和废水下河,砂浆制备站实现粉尘达标排放;提高了装备水平,运用充填新技术和新设备,实现了工艺自动控制,降低了员工劳动强度;大大节省了生产费用,在减少用工和井下排水,提高回水利用等方面节省生产直接费用126万元/a。

根据南矿深部充填系统改造的成功经验,拟定对北矿充填系统进行同样的调整改造,目前已完成设计并开始土建施工,预计在2010年下半年可建成投产。到那时,锡矿山的充填工艺技术将得到一个较大的提高。