大型礦山企業(yè)建設(shè)的創(chuàng)新和發(fā)展

劉育明

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

大型礦山企業(yè)建設(shè)的創(chuàng)新和發(fā)展

劉育明

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

簡要敘述了我國大型礦山建設(shè)面臨的一些挑戰(zhàn)和要求,如貧礦開采、露天轉(zhuǎn)地下、深井開采、難采礦床開和環(huán)境保護(hù)等。重點(diǎn)提出了地下礦山充填法、自然崩落法推廣應(yīng)用和綠色礦山建設(shè)等方面創(chuàng)新與發(fā)展的方向。

貧礦開采;深井開采;難采礦床;自然崩落法;綠色礦山

1 我國礦山建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)和要求

經(jīng)過幾十年的開發(fā),許多礦山已從淺部走向深部開采,隨著勘探深度的增加,新發(fā)現(xiàn)了許多埋藏深的礦床。

(1)貧礦越來越多,需要采用更加經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行開采。我國金屬礦產(chǎn)資源以貧礦為主,富礦少。全國鐵礦平均品位僅為33%,低于世界平均水平11個(gè)百分點(diǎn)。我國主要的銅礦基本上均屬于低品位礦床,如德興銅礦、冬瓜山銅礦、銅礦峪銅礦、普朗銅礦等,目前一些大的銅礦的品位均在1%以下,許多僅為0.4%～0.7%。銅礦峪銅礦690m以下礦石的平均品位為0.67%,普朗銅礦礦石品位平均為0.522%。金川(鎳礦)的Ⅲ礦區(qū)、Ⅳ礦區(qū)均是貧礦。對這些礦體厚大、品位低的礦床必須尋求安全、高效、低成本的開采方法。

(2)大型露天礦將更多的轉(zhuǎn)向地下開采。這一類的礦山主要有江銅的永平銅礦,大冶銅山口銅礦,武鋼的大冶鐵礦,未來其它一些鐵礦也將轉(zhuǎn)入地下開采。

(3)礦床開采越來越深,超千米深的礦床越來越多,生產(chǎn)規(guī)模越來越大。未來10年中,我國一些金屬礦山將逐步向1000～2000m深井發(fā)展,如冬瓜山銅礦、金川二礦區(qū)、凡口鉛鋅礦等礦山的開采深度已接近或超過1000m。遼寧本溪大臺溝鐵礦,礦體賦存深度在1200～2000m之間,資源量在35億t以上,礦石開采規(guī)模將達(dá)1500萬t/a以上。萊蕪礦業(yè)公司在山東濟(jì)寧新發(fā)現(xiàn)的特大型鐵礦,預(yù)計(jì)資源量約10億t,埋藏深度為1020～2200m,礦石開采規(guī)模將達(dá)2000萬t/a。盡管過去的十多年(從“九五”開始),我國礦山科技工作者為深井開采做了大量的科研工作,取得了大量的成果,但由于礦山開采深度受局限,一些問題如巖爆、地溫等不明顯,反映的問題并不全面。這些問題的難點(diǎn)是:

礦床埋藏深,地應(yīng)力高,巖爆傾向嚴(yán)重,高地應(yīng)力和巖爆,將大大降低采場的穩(wěn)定性,巷道的支護(hù)要求更高,對類似金川這樣極為破碎的礦巖,其支護(hù)難度更大。

地溫高,按地溫梯度,一般每下降100m,地溫增高2～4℃,因此千米深井地溫可達(dá)40～50℃,當(dāng)?shù)V體埋藏深度達(dá)到1500m時(shí),溫度將達(dá)到60～70℃,甚至80℃,高地溫將給井下通風(fēng)和降溫帶來很大的技術(shù)難題。

深井開采使得豎井提升高度大,提升鋼絲繩本身重量大,必須提高設(shè)備的生產(chǎn)能力、自動(dòng)化控制程度和安全可靠性。目前國內(nèi)主井的提升速度最大為12m/s左右,但國外先進(jìn)礦山一般為18m/s左右。提升技術(shù)涉及到深井提升設(shè)備開發(fā)、深井提升控制系統(tǒng)研究、深井提升罐道研究、深井提升鋼絲繩研究、深井提升容器研究等。

超過千米的深井將給充填帶來巨大的難題,垂直1000m以上的充填輸送容易產(chǎn)生離淅,而且鉆孔磨損極大。

(4)難采礦床的高效、經(jīng)濟(jì)開采依然是礦山的難題。我國難采礦床較多的類型是大水礦床或水體下礦床,主要有馬鋼集團(tuán)姑山礦業(yè)公司的白象山鐵礦、河北馬城鐵礦、三山島金礦新立礦區(qū)等。白象山鐵礦區(qū)內(nèi)地表水系十分發(fā)育,溝渠縱橫交錯(cuò),礦體上部連續(xù)分布有強(qiáng)含水層。馬城鐵礦第四系為強(qiáng)含水層,直接和礦體頂板相連。三山島金礦新立礦區(qū)屬于海底采礦。

(5)國家對環(huán)保的要求越來越嚴(yán)格,礦山可持續(xù)發(fā)展是礦業(yè)開發(fā)追求的目標(biāo)。我國是一個(gè)人多地少的國家,過去粗放型的開采對環(huán)境破壞很大,主要表現(xiàn)在地表塌陷,尾礦庫和廢石場占地巨大,廢水不經(jīng)處理就排放,嚴(yán)重破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

2 礦山建設(shè)的創(chuàng)新與發(fā)展

大型礦山的建設(shè)應(yīng)遵循環(huán)保、安全、高效、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的原則。

2.1 充填采礦法在鐵礦山的推廣應(yīng)用

充填采礦法和崩落采礦法是兩種截然不同的采礦方法,各自有著鮮明的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的認(rèn)識里,崩落法一般生產(chǎn)成本低,而充填法生產(chǎn)成本高。對于這方面應(yīng)從整體投資和綜合效益去考慮。充填法的生產(chǎn)成本很大部分取決于水泥的成本,也就是水泥的添加量和水泥的價(jià)格是主要因素。作為普遍應(yīng)用的空場嗣后充填法(一步驟膠結(jié)、二步驟非膠結(jié))和上向分層充填法(只有分層膠面為膠結(jié)充填),膠結(jié)量只占10%～50%,其水泥消耗量是較少的,因而其采礦成本也是較低的。而且充填法解決了大量的尾礦處理問題,尾礦庫占地少,安全程度高,對鐵礦來說,可能沒有細(xì)粒級的漿體尾礦需要在地表堆存,只需堆存少量的粗顆粒的甩尾廢石;另外,充填法的礦石貧化損失比無底柱分段崩落法小得多,由于原礦品位高,選礦的回收率也相應(yīng)會有一定的提高。因此比較充填法和崩落法,除計(jì)算采礦的直接投資和成本外,還應(yīng)計(jì)算尾礦庫的征地費(fèi)用、尾礦庫的建設(shè)投資、尾礦庫區(qū)和開采地表影響區(qū)(塌陷區(qū)和地表巖體移動(dòng)區(qū))的移民及地表設(shè)施搬遷費(fèi)用和補(bǔ)償費(fèi)用、環(huán)境補(bǔ)償費(fèi)和恢復(fù)的費(fèi)用、井下排水費(fèi)用,還應(yīng)計(jì)算礦石損失貧化引起的經(jīng)濟(jì)效益。相比之下,充填法的綜合經(jīng)濟(jì)效益不一定比崩落法差,甚至優(yōu)于崩落法。同時(shí)充填法的環(huán)境效益和社會效益是毋庸置疑的。環(huán)境保護(hù)要求的提高和土地使用的稀貴,將轉(zhuǎn)變鐵礦不敢采用充填法的觀念。

充填法是開采大水礦山等難采礦床的必選方法。為了保護(hù)地表,防止巖體移動(dòng),就必須采用充填法對采空區(qū)進(jìn)行充填。充填法在有色礦山已普遍采用,但在鐵礦山的應(yīng)用還只剛剛起步,目前已真正采用充填法的鐵礦山還較少,如張馬屯鐵礦、草樓鐵礦、業(yè)莊鐵礦、馬莊鐵礦等,但正在建設(shè)之中的采用充填法的礦山很多,如白象山鐵礦、會寶嶺鐵礦、李樓鐵礦、馬城鐵礦等。

在充填工藝上,目前傳統(tǒng)的自流輸送仍然占主導(dǎo)地位。膏體泵送工藝也已逐步推廣,如金川的二礦區(qū)、云南的會澤鉛鋅礦等采用了膏體泵送工藝。立式砂倉放出高濃度砂漿也取得了較大的進(jìn)步,如中國恩菲工程技術(shù)有限公司研發(fā)的立式砂倉放砂工藝使砂倉放砂濃度達(dá)到78%～82%。

2.2 貧礦資源的自然崩落法開采

自然崩落法是用普通的回采方法采出階段內(nèi)某個(gè)水平的一個(gè)礦石薄層,使階段內(nèi)的礦體失去支撐,礦巖在重力作用下崩落,將崩落的礦巖從階段水平放出,使其上部的礦石繼續(xù)破裂,并借助重力作用崩落。隨著崩落開始后更多的巖石被放出,崩落在礦體中或礦塊中向上擴(kuò)展,直至覆蓋巖石崩落,并產(chǎn)生地表塌陷。破碎的礦石則通過位于拉底水平之下的生產(chǎn)水平(或叫出礦水平)鏟出,之間通過聚礦槽或漏斗連接。

和傳統(tǒng)的無底柱或有底柱分段崩落法相比,自然崩落法除了拉底和形成底部結(jié)構(gòu)需要鑿巖爆破外,其余的礦巖不需鑿巖爆破,因此大大減少了炸藥消耗量和采切工程量,生產(chǎn)效率高,勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,因而采礦成本低,它是在生產(chǎn)成本上唯一能與露天開采相媲美的地下采礦方法。此外,由于自然崩落法的放礦是高中段均勻下降放礦,其礦石貧化率和損失率比無底柱分段崩落法小。

自然崩落法在國內(nèi)外已經(jīng)是非常成熟的工藝,不僅用于軟巖礦山,而且更多地在用于硬巖礦山(見表1)。

國際上采用自然崩落法的大型或特大型礦山越來越多。正在籌建的自然崩落法礦山主要有:

智利:丘基卡馬塔礦,露天轉(zhuǎn)地下,生產(chǎn)規(guī)模為12萬t/d;美國:賓漢姆礦,Resolution礦(11萬t/d);印尼:自由港Grasberg礦,計(jì)劃于2016年開始生產(chǎn),16萬t/d;菲律賓:Didipio礦;澳大利亞:Argyle,Telfer,MountKeith,CadiaEast,MtLyell等礦;南非:Dabswana礦。

我國目前唯一大規(guī)模采用自然崩落法的礦山是銅礦峪銅礦,一期工程主要采用電耙出礦,生產(chǎn)規(guī)模為400萬t/a,它的二期工程將達(dá)到600萬t/a,全部改為鏟運(yùn)機(jī)出礦工藝。正在建設(shè)中的普朗銅礦,其最大生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到1250萬t/a。

2.3 深井開采的工藝技術(shù)和裝備

遼寧本溪的大臺溝鐵礦、山東濟(jì)寧鐵礦,其礦床賦存深度都在1200～2000m(2200m),是迄今為止發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)最深、最大的鐵礦床,資源量均在10億t以上,預(yù)計(jì)的礦石生產(chǎn)規(guī)模將在1500～2000萬t/a以上,這些礦床不僅埋藏深,而且規(guī)模特別大,其生產(chǎn)規(guī)模和深度將進(jìn)入世界特大型礦山的前列,它們的開發(fā)必須做好以下幾項(xiàng)工作:

表1 國內(nèi)外部份自然崩落法礦山的情況

(1)應(yīng)選擇先進(jìn)、可靠、高效的采礦方法和優(yōu)化的工藝參數(shù)。

(2)應(yīng)選擇先進(jìn)、高效大型的采礦設(shè)備,包括鑿巖臺車、鏟運(yùn)機(jī)及輔助設(shè)備。國際上目前最大的鏟運(yùn)機(jī)為載重25t的電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī),21t的柴油鏟運(yùn)機(jī)。

(3)應(yīng)采用大型的有軌運(yùn)輸設(shè)備或無軌運(yùn)輸設(shè)備。目前國內(nèi)最大的底側(cè)卸式礦車有中國恩菲開發(fā)的20m3的礦車。國際上目前井下最大的卡車為72 t(美國亨德森礦)。有條件時(shí)中段運(yùn)輸可采用膠帶運(yùn)輸。

(4)應(yīng)采用大型的提升系統(tǒng),提高單套系統(tǒng)的提升能力。根據(jù)中國恩菲最近的設(shè)計(jì),在提升高度為1700m左右時(shí),單套系統(tǒng)的提升能力可達(dá)到750萬t/a(按年工作330d計(jì))。斜井膠帶提升同樣是有益的選擇,銅礦峪600萬t/a規(guī)模采用斜井膠帶提升,國際上采用斜井膠帶提升的實(shí)例很多,如美國的亨德森礦。

(5)建立微震監(jiān)測系統(tǒng)可能是今后深井開采預(yù)測地震活動(dòng)和巖爆必不可少的手段。智利特尼恩特礦是一個(gè)埋藏較深的礦床,巖爆傾向嚴(yán)重,該礦采用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測地震,井下共設(shè)立55個(gè)站,對防止巖爆起著重要的作用,當(dāng)出現(xiàn)里氏2.5～3級地震時(shí)就必須向上報(bào)告。

(6)采用先進(jìn)的充填和通風(fēng)降溫工藝和設(shè)備。

2.4 數(shù)字與自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

有條件的礦山應(yīng)加強(qiáng)數(shù)字化礦山的建設(shè),積極建設(shè)遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦試驗(yàn)采區(qū),提高礦山的自動(dòng)化控制水平。

云南弛宏鋅鍺股份有限公司(即會澤鉛鋅礦)在礦山自動(dòng)化方面發(fā)展很快:實(shí)現(xiàn)了選礦廠自動(dòng)化控制;長距離膏體泵送充填遠(yuǎn)程控制;提升系統(tǒng)自動(dòng)化;井下風(fēng)機(jī)和水泵遠(yuǎn)程控制;井下采用了集群無線泄露系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)了礦山自動(dòng)化系統(tǒng)的信息集成,總調(diào)度中心可利用多媒體技術(shù)來指揮生產(chǎn),領(lǐng)導(dǎo)可實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)實(shí)際情況。

此外,井下人員定位和報(bào)警、電機(jī)車有軌運(yùn)輸自動(dòng)化都是易于實(shí)現(xiàn)的。

加拿大、智利、瑞典、芬蘭、澳大利亞、南非、印尼等礦業(yè)發(fā)達(dá)國家都已建立了遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦試驗(yàn)采區(qū),而這些試驗(yàn)采區(qū)以在自然崩落法的礦山為多。

2.5 綠色礦山建設(shè)

建設(shè)無廢或少廢礦山、環(huán)境友好型礦山、花園式礦山是當(dāng)今礦山建設(shè)的基本要求。礦山在設(shè)計(jì)階段就要很好地規(guī)劃,盡量做到少占地,不破壞或少破壞地表,關(guān)鍵是要盡可能采用充填采礦法進(jìn)行開采,使尾礦和廢石盡量回填采空區(qū)。不能充填的尾礦和廢石應(yīng)盡量資源化,尋找資源利用途經(jīng)。應(yīng)提高選礦回水利用率,進(jìn)行廠前濃縮脫水;在有條件的地方推廣應(yīng)用尾礦干堆或膏體堆存,減少尾礦庫占地和提高回水率。井下排出的水應(yīng)加以利用,用于選廠生產(chǎn)或綠化。尾礦庫和廢石場應(yīng)及時(shí)進(jìn)行綠化或復(fù)墾,對含硫較高的廢石場的雨水應(yīng)進(jìn)行酸性水中和處理。廠區(qū)的建設(shè)應(yīng)和周邊的環(huán)境相協(xié)調(diào),不能破壞周邊環(huán)境和景觀,而應(yīng)為美化周邊環(huán)境做貢獻(xiàn)。將旅游和礦山建設(shè)結(jié)合起來,形成工業(yè)旅游點(diǎn)。

3 結(jié) 語

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,特別是我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國內(nèi)市場對主要金屬的需求在不斷增長,支撐著我國礦業(yè)資源開發(fā)的持續(xù)快速發(fā)展。近20年,特別是近10年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步,我國礦山建設(shè)發(fā)生了重大的變化,取得了巨大的成就,勞動(dòng)生產(chǎn)效率普遍提高。礦山生產(chǎn)規(guī)模越來越大,200萬t/a規(guī)模以上的地下礦山已越來越多,年產(chǎn)千萬噸級的地下礦山也正在建設(shè)或規(guī)劃之中。裝備水平越來越先進(jìn),采礦設(shè)備在朝著大型化、現(xiàn)代化、連續(xù)化、自動(dòng)化方面發(fā)展,國產(chǎn)無軌采礦設(shè)備也有很大的進(jìn)步。除了國內(nèi)礦山的開發(fā)外,許多大公司已走向國外進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)。

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2010-03-05)

劉育明(1964-),男,湖南衡山人,教授級高級工程師,碩士,第六屆中國有色金屬學(xué)會采礦學(xué)術(shù)委員會副主任委員,主要從事礦山設(shè)計(jì)和研究,Email:liuym@enfi.com.cn。