铜陵有色采矿技术与装备水平创新实践

魏建中,张 保,杨福波

(铜陵有色金属集团控股有限公司, 安徽铜陵市 244000)

铜陵有色采矿技术与装备水平创新实践

魏建中,张 保,杨福波

(铜陵有色金属集团控股有限公司, 安徽铜陵市 244000)

铜陵有色坚持采矿技术与装备创新实践,取得多项具有国内领先或国际先进水平的重大科研成果。介绍了安庆铜矿和冬瓜山铜矿采矿技术创新成果,简述了铜陵有色公司井下采掘无轨化系列新产品的研发和使用效果;指出铜陵有色依靠科技进步,自主创新,引领和促进我国采矿技术和装备水平的提高,对金属矿业的发展和进步起到推动和示范作用。

采矿技术;采矿装备;嗣后充填;无废开采;无轨采矿

0 前 言

有色金属 (采选冶及深加工)、化工、装备制造是铜陵有色金属集团控股有限公司三大主业,目前已拥有 10座有色金属矿山。多年来,铜陵有色运用科技创新,创造了一项又一项采矿成果。曾经在国内首次采用水力冲运充填后崩落矿柱采矿法和人工假顶水平矿柱回采法,在国内第一次使用毫秒雷管新技术、新工艺,成功地进行过炸药量为 240 t的坑下采矿落顶大爆破。1990年代,“地下矿山连续开采工艺及装备”荣获国家科技进步一等奖。2000年,“地下矿山高阶段强化开采工艺综合研究”获国家科技进步二等奖。

在金属矿山地下开采采矿技术与装备水平方面,集团公司主力矿山安庆铜矿和冬瓜山铜矿进行了多项采矿技术创新实践和有效探索。安庆铜矿率先在国内同行业中探索和实践新模式办矿,建成了以“三高”(采矿高强度、作业高效率、经济高效益)、“三少”(矿山用人少、辅助设施少、企业包袱少)、“两协作”(辅助生产专业化协作、生产后勤社会化协作)为标志的新模式矿山,成为 20世纪全国有色金属矿山的楷模。

“九五”、“十五”期间,冬瓜山铜矿围绕国内外深井开采未解决的技术难题,以采矿方法为核心,率先系统地开展了千米深井金属矿床高效开采方法、开采环境监测与控制技术、生产过程管理等关键技术研究,经过 10多年的科技攻关,取得了多项具有国内领先或国际先进水平的重大科研成果,形成了有特色和拥有自主知识产权的深部开采理论和技术,为冬瓜山铜矿投产提供了技术条件,为实现10000 t/d的达产目标提供了技术保障。2008年,“复杂难采深部铜矿床安全高效开采关键技术研究”获安徽省科技进步一等奖[1]。

铜陵有色始终坚持“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”的科技指导方针,着力打造科技创新体系、在国内外同行业中具有较强的竞争力,对中国金属矿业的发展和进步起到了推动和示范作用。

1 安庆铜矿采矿技术创新与装备国产化

1.1 高阶段大直径深孔嗣后充填采矿法

安庆铜矿着力推进采矿技术创新,大胆成功应用了高阶段大直径深孔采矿方法,采取强掘、强采、强出、强充,实现开采高效率。

安庆铜矿设计日采选 3500 t,矿体赋存标高 -180～-780 m,1#主矿体平均厚度 50～70 m,倾角为70°以上急倾斜矿体,矿体上盘为石灰岩,下盘为矽卡岩、闪长岩,矿石为磁铁矿含铜、矽卡岩含铜及单铁磁铁矿,矿体形态规整,矿岩中等稳固以上。高阶段大直径深孔嗣后充填采矿法采场垂直矿体走向布置,分矿房、矿柱两步骤回采,采场宽度均为 15 m,长度为矿体的厚度,阶段高度为 120 m,采场布置上下两层凿岩硐室,分段高度为 60 m,采用堑沟式采场底部结构,双侧进路出矿。矿房一步骤回采,回采完采用尾砂胶结充填,矿柱为二步骤回采,采用尾砂和矸石充填。经过近 20 a的回采实践,安庆铜矿技术人员与科研院校进行了回采技术研究,对采切、凿岩、爆破、出矿、充填工序全面综合考虑,每个工序均精心设计,按质按量施工,为下道工序创造良好的作业和技术条件,同时,重点进行了崩矿方式控制炮孔质量的爆破技术研究,形成了“VCR法切槽 -分段侧向崩矿”的采场崩矿方式,对采场边孔实施光面爆破、预裂爆破等控制爆破技术,有效地控制了爆破质量。实践证明:高阶段大直径深孔嗣后充填采矿法是一种安全高效低成本、低劳动强度的采矿方法(见图1),为安庆铜矿实现强化开采和新模式办矿提供了技术保证[2]。

图1 高阶段大直径深孔嗣后充填采矿法

1.2 采矿装备国产化研究

安庆铜矿在关键环节上大胆引进先进的技术装备,提高生产效率,先后从美国、瑞典等国家引进了Simba261钻机、主井电控系统、ST—5C、ST—6C铲运机,大大提高了装备水平和自动化程度[3,4]。20多年来,安庆铜矿人均劳动生产率始终是其他矿山的 3～5倍,矿山人员始终控制在 900人以内,人均创利水平始终保持国内矿山领先水平。与此同时,该矿坚持引进与消化吸收相结合,推进国产化研究,目前钻机国产化率达 90%以上,年节约成本 100万元。在新的历史发展时期,安庆铜矿正在实践“高效利用资源,打造绿色矿山”的可持续发展主题。

2 冬瓜山深井大规模采矿技术创新实践

冬瓜山铜矿床是一个特大深埋矽卡岩型铜矿床,具有深井 (1000 m)、高应力 (38 MPa)、高温(39℃)、高压大流量涌水 (水压 7～10 MPa)、高含硫 (17.6%)、低品位、有岩爆和矿石自燃倾向等复杂开采技术条件和“四高一扰动”深井开采的基本特征,围绕冬瓜山深井开采所面临的重大关键技术问题,以“建矿模式新型化、生产规模经济化、生产方法高效化、生产设备大型化、生产管理信息化、人员技能多样化”的发展模式,以赶超国外深部开采先进技术,实现高效、安全、低成本、无废开采和现代科学管理为目标;“九五”～“十一五”期间进行了十多年的联合攻关研究和采矿实践,在国内率先深入系统地开展千米深井金属矿床高效开采方法、开采环境监测与控制技术、现代科学生产管理等关键技术研究,创立了一套适合深埋、高温、有岩爆自燃倾向、特大型矿床高效安全无废开采理论与技术。本文重点介绍高效采矿方法、高浓度全尾矿充填技术、微震监测技术。

2.1 暂留隔离矿柱阶段空场嗣后充填采矿法

2.1.1 采矿方法研究的重要性

冬瓜山矿床Ⅰ号主矿体呈似层状、透镜状产出,矿体走向 NE35°～40°,倾向随围岩产状分别向北西、南东倾斜。走向长度 1810 m,平均宽度 400 m,平均厚度 34 m,矿体顶盘主要为大理岩,底盘主要为粉砂岩和石英闪长岩。矿体由含铜磁黄铁矿、含铜矽卡岩、含铜黄铁矿、含铜蛇纹岩、含铜磁铁矿等构成。矿体构造简单,节理裂隙不发育,矿岩坚硬,稳固性较好,f=8～16。冬瓜山深井开采成本高,采矿强度高,设计日产 1万 t,为提高经济效益,必须实行大规模强化开采。初步设计时,根据“采矿方法选择专家系统”的优化选择,初选阶段空场嗣后充填采矿法[5]。该方法技术上可行,与冬瓜山矿床开采设计的指导思想基本一致,但仍难以满足高效组织生产及保证稳定日产万吨的生产能力、达到矿床安全高效大规模开采的要求。因此,对冬瓜山矿床开采进行采矿方法研究很有必要。

2.1.2 暂留盘区隔离矿柱的阶段空场嗣后充填采矿法

通过深入分析研究,在采准系统、采场和盘区回采顺序、采场结构参数等方面进行了优化研究。为保证持续稳定日产万吨的生产能力,需要高强度的采矿方法。通过采矿方法经济技术比较,选择采用暂留盘区隔离矿柱的阶段空场嗣后充填采矿法。用系统论的方法,对采准系统进行优化,简化回采工艺和回采顺序,使生产组织和管理相对简单,并降低采切比。根据数值模拟优化结果,将原设计的盘区沿垂直走向布置改为沿走向布置,盘区长度为矿体水平厚度,宽度为 100 m,盘区之间暂留隔离矿柱,隔离矿柱宽为 18 m,在隔离矿柱内布置凿岩、出矿水平穿脉和出矿溜井。采场长为 78 m(胶结采场)或82 m(尾砂采场),宽为 18 m,采场高度为矿体厚度。先采矿房,后采矿柱,矿房采用全尾砂胶结充填;矿柱采用全尾砂充填[6](见图2)。

图2 暂留盘区隔离矿柱大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法

2.1.3 大型无轨设备装备实践

冬瓜山铜矿采用了大批大型无轨设备组织生产,大孔凿岩为 T-150或 Simba261高风压潜孔钻机钻凿下向垂直深孔,炮孔直径为Φ165 mm,凿岩效率为 40 m/台班。中深孔凿岩是 SimbaH1354电动液压凿岩台车钻凿上向扇形中深孔,炮孔直径为Φ76 mm,凿岩效率为 90 m/台班。掘进凿岩是Boomer281电动液压凿岩台车,出矿是 TORO-1400E电动铲运机和 TORO-1400D柴油铲运机,主运输中段矿石运输是 20 t电机车牵引轨距 900 mm、有效载重量为 17 t的 10 m3底侧卸式矿车,废石运输是 20 t载重量的 MT2000坑内卡车,巷道 (硐室)支护是 Robolt 05M/S锚杆台车,生产时配用 JY-5剪式平台多功能服务车等,大大减轻了工人的劳动强度,大大提高了采矿效率,为实现冬瓜山大规模高强度开采提供了保障。目前,该矿利用自身技术优势,加强了设备消化吸收研究,进行了多种设备备品备件国产化攻关研究和创新实践,取得了良好的使用效果和经济效益。

2.1.4 高效采矿方法实践效果

冬瓜山铜矿 2004年试生产,2007年正式投产,至 2010年 4月,采准工程完成了 6个盘区的布置,累计完成掘进工程量 183.1万 m3,其中开拓工程110.3万 m3,探矿 11.6万 m3,采切 61.2万 m3。44个采场实现了采出矿,18个采场正在做采准工作;其中 19个采场完成充填,矿山作业量和产品产量稳步攀升,现在日出矿近 9000 t/d,即将实现达标达产目标 (10000 t/d);累计采出矿量 1140万 t,累计生产铜料 91000 t。采场出矿生产能力达到 2400 t/d。采准工程量大大减少,采场的实际采切比为 610 m3/万 t,达到了国内先进指标。矿石损失率为10%,贫化率为 8%。

生产实践表明,首采地段采矿方法及采准系统布置,盘区隔离矿柱宽度和采场结构参数,能够满足大规模安全生产的要求,采用长进路双采场堑沟式底部结构,有利于出矿进路布置和铲运机作业,提高了大型无轨出矿设备效率。形成的采空区,采用高浓度全尾砂料浆充填,保证了回采区域开采的安全和日产 1万 t特大型深井矿山的正常生产。目前,采区未发生大的地压活动,采场作业环境安全稳定,取得了良好的社会效益和 40多亿元的经济效益。

2.2 全尾砂高浓度充填无废开采技术

2.2.1 全尾砂高浓度充填技术

冬瓜山铜矿是我国第一座使用细粒级高浓度全尾砂进行大规模充填的大型地下深井金属矿山。“十五”国家科技攻关在冬瓜山开展了“深井高浓度全尾砂充填无废开采技术研究”,突破了极细粒级高浓度全尾砂浆的立式砂仓制备技术和深井开采全尾砂高浓度充填料浆自流管输降压的关键技术,实现了深部高大采场嗣后充填。

2004～2007年,经过 3 a充填站试验和采场工业试验,冬瓜山铜矿确定的全尾砂高浓度充填制备工艺是:冬瓜山建有 6套相同但相互独立的充填砂浆制备系统,每座有效容积 1164 m3(贮存尾砂 2527 t)的立式砂仓,由选厂送来的 23%左右浓度的极细粒级全尾砂 (-20μm全尾砂约占 40%)自流至尾矿泵站,经尾矿泵站渣浆泵对应分配给立式砂仓贮存。当砂仓内沉淀的尾砂达到一定的高度后,通过添加一种新型助凝剂使全尾砂在砂仓内快速沉降浓缩连续造浆,直接制备出高浓度全尾砂料浆 (74%以上)。充填作业时,从立式砂仓底部放出高浓度全尾砂至搅拌槽,按试验的配比要求加入水泥和其它辅料,在 2000 mm×2100 mm的高浓度搅拌槽充分搅拌后,成为浓度达 73%～74%的水泥砂浆自流输送进充填钻孔。为减少剩余压头,实现满管输送,采用分段钻孔,第一段充填钻孔由 +77.5 m至-280 m水平,经 -280 m水平约 1000 m长水平管道输送后再经第二段 -280 m至 -670 m充填钻孔下放到 -670 m及 -730 m充填水平,进入采场充填采空区[7]。

2.2.2 全尾砂充填能力及效果

充填站每套系统充填流量达到 80～120 m3/h,生产中可以根据实际情况选择多套制备系统同时工作。冬瓜山全尾砂胶结月充填能力达到 7万 m3,全尾砂月充填能力有 10万 m3。目前已有 19个采场充填结束,6个采场正在充填,累计全尾砂胶结充填采空区 210万 m3,全尾砂充填 15万 m3。冬瓜山铜矿深井高应力矿床开采充分采纳了国际上成功的充填经验,实现了连续高浓度全尾砂充填采空区,控制深井岩爆地压的灾害,保证了安全高效开采。

2.3 基于微震监测的深井开采安全预警技术

2.3.1 冬瓜山微震监测系统

冬瓜山铜矿具有岩爆倾向的岩体主要分布于采场底板、矿柱和其他应力高度集中的区域。该矿引进了南非 ISS微震监测系统建立了冬瓜山深井开采微震监测系统[8]。

2.3.2 微震监测技术的安全预警作用

冬瓜山设计并构建的以微震监测系统为主的深井开采岩爆与地压监测系统,微震监测系统于 2005年 8月 28日开始运行,已进行了近 5年的数据分析研究。平均每天记录到大约 300个各种地下微震信号,目前已累积了相当的地震数据。从监测系统运行开始,矿山技术人员、科研单位研究人员监测和不断地处理与分析矿山地震信号,在分析地震数据时,坚持将地震数据规律与矿山井下实际开采活动紧密结合,以探寻矿山开采活动对矿山地震活动影响的关系,从而研究矿山开采过程中的岩层活动规律,指导矿山安全生产。先后开展了基于微震监测的深井开采地压活动规律研究,深井开采大规模地压破坏与岩爆预测研究,实现了岩爆和地压灾害的网络化实时在线监测。采用量化地震学原理研究了开采岩层的应力变形强度分布,评价了现有开采条件下盘区隔离矿柱和回采采场的地压活动状况及其稳定性[9]。

随着开采区域的扩大,该微震监测系统将于2010下半年微震监测范围扩大到整个矿体的开采区域,以全面监控矿山采掘活动引起的地压活动,确保深井大规模开采安全。

3 无轨采掘设备研发

采矿工业机械化和自动化是提高矿山产量、提高劳动生产率、降低生产成本、改善矿山安全和生产条件的切实可行的手段,采矿技术的进步离不开采矿装备的发展,铜陵公司正在践行着通过采矿装备水平的提高来推动采矿技术的进步。

安徽铜冠机械股份有限公司是铜陵有色金属集团控股有限公司的下属企业,是安徽省专业研究和生产井下采掘无轨化装备的高新技术企业。针对国内高效、低能耗、无污染的井下无轨采掘设备,与长沙矿山研究院、北京矿冶研究总院等单位合作,经过多年的研制、试验和使用,井下无轨设备形成了产业化、国产化。公司拥有 T系列高气压环形潜孔钻机(有 T-100、T-150 2种规格钻机)、T系列轮式全液压凿岩台车、JY系列井下多功能服务车、JZC系列井下自卸车及 TCY系列井下铲运机 (电动、柴油)等品种齐全系列多样的主导产品 (见图3和图4)。其中 T系列潜孔钻机填补了我国大直径深孔采矿法凿岩设备的空白,被授予国家级新产品;T系列轮式全液压凿岩台车是吸收国内外最新技术,结合国内矿山生产特点,经过多年研究而研制成功的新型采掘无轨装备。上述系列产品,在铜陵有色控股公司冬瓜山铜矿、安庆铜矿、中都矿建等单位得到成功应用;在全国二十余省市,广东凡口铅锌矿、云南锡业、大红山铜矿、紫金矿业、铜绿山铜矿等矿山分别使用了潜孔钻机、井下铲运机、井下运矿卡车、井下服务车等系列井下采掘无轨化装备 50余台套,设备使用效果良好,相关技术和作业能力达到国际同行业先进水平,可实现替代进口装备,改变了井下采掘设备大量从国外进口的局面。

该公司“铜冠”牌 TT系列陶瓷过滤机作为国家重点新产品和安徽省名牌产品,集机电、微孔陶瓷板、自动化控制、超声波清洗等高新技术于一体,且具有设计新颖、结构紧凑、性能优越、适应范围广、处理能力强、脱水效果好、节能显著、运行成本低等优点,产品销路一直看好。2009年,全年生产陶瓷过滤机 100余台,成为我国陶瓷过滤机龙头企业。

铜陵公司今后旨在有计划、有目标地开展井下采掘无轨化系列新产品的研究开发及技术升级,提升该行业研发水平和创新能力,推动成果产业化,逐步改变相关设备大量依靠进口的格局,以带动采矿 技术及其他行业同步发展。

图3 T-150高气压环形潜孔钻机

图4 JY-5多功能服务车

4 结语与展望

(1)铜陵有色坚持采矿技术和装备的创新实践,取得了多项具有国内领先或国际先进水平的重大科研成果,对金属矿业的发展和进步起到了推动和示范作用。

(2)在国内率先开展 1000 m深井特大型缓倾斜金属矿床采矿方法研究,形成了暂留隔离矿柱深井缓倾斜金属矿床大规模安全高效开采方法,丰富了深井开采理论。研发了立式砂仓流态化全尾砂高浓度连续充填新技术,突破了矿山无废开采的技术瓶颈。开展了基于微震监测的深井开采安全预警技术研究,为指导矿山安全生产提供了决策依据。

(3)深井开采需要不断深化采矿方法工艺技术研究、不断深化深井开采岩爆地压监测与岩层控制技术研究、不断深化深井通风降温和地热防治技术研究、提升数字矿山信息化建设。矿山开采还要大力研发采掘设备,实现主要采矿设备国产化,努力提高我国矿山的装备技术水平,推动采矿技术进步。

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2010-09-16)

魏建中 (1959-),男,工程师,研究生,主要从事矿山生产技术研究和管理工作。