大型矿山企业建设的创新和发展

刘育明

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

大型矿山企业建设的创新和发展

刘育明

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

简要叙述了我国大型矿山建设面临的一些挑战和要求,如贫矿开采、露天转地下、深井开采、难采矿床开和环境保护等。重点提出了地下矿山充填法、自然崩落法推广应用和绿色矿山建设等方面创新与发展的方向。

贫矿开采;深井开采;难采矿床;自然崩落法;绿色矿山

1 我国矿山建设面临的挑战和要求

经过几十年的开发,许多矿山已从浅部走向深部开采,随着勘探深度的增加,新发现了许多埋藏深的矿床。

(1)贫矿越来越多,需要采用更加经济的方式进行开采。我国金属矿产资源以贫矿为主,富矿少。全国铁矿平均品位仅为33%,低于世界平均水平11个百分点。我国主要的铜矿基本上均属于低品位矿床,如德兴铜矿、冬瓜山铜矿、铜矿峪铜矿、普朗铜矿等,目前一些大的铜矿的品位均在1%以下,许多仅为0.4%～0.7%。铜矿峪铜矿690m以下矿石的平均品位为0.67%,普朗铜矿矿石品位平均为0.522%。金川(镍矿)的Ⅲ矿区、Ⅳ矿区均是贫矿。对这些矿体厚大、品位低的矿床必须寻求安全、高效、低成本的开采方法。

(2)大型露天矿将更多的转向地下开采。这一类的矿山主要有江铜的永平铜矿,大冶铜山口铜矿,武钢的大冶铁矿,未来其它一些铁矿也将转入地下开采。

(3)矿床开采越来越深,超千米深的矿床越来越多,生产规模越来越大。未来10年中,我国一些金属矿山将逐步向1000～2000m深井发展,如冬瓜山铜矿、金川二矿区、凡口铅锌矿等矿山的开采深度已接近或超过1000m。辽宁本溪大台沟铁矿,矿体赋存深度在1200～2000m之间,资源量在35亿t以上,矿石开采规模将达1500万t/a以上。莱芜矿业公司在山东济宁新发现的特大型铁矿,预计资源量约10亿t,埋藏深度为1020～2200m,矿石开采规模将达2000万t/a。尽管过去的十多年(从“九五”开始),我国矿山科技工作者为深井开采做了大量的科研工作,取得了大量的成果,但由于矿山开采深度受局限,一些问题如岩爆、地温等不明显,反映的问题并不全面。这些问题的难点是:

矿床埋藏深,地应力高,岩爆倾向严重,高地应力和岩爆,将大大降低采场的稳定性,巷道的支护要求更高,对类似金川这样极为破碎的矿岩,其支护难度更大。

地温高,按地温梯度,一般每下降100m,地温增高2～4℃,因此千米深井地温可达40～50℃,当矿体埋藏深度达到1500m时,温度将达到60～70℃,甚至80℃,高地温将给井下通风和降温带来很大的技术难题。

深井开采使得竖井提升高度大,提升钢丝绳本身重量大,必须提高设备的生产能力、自动化控制程度和安全可靠性。目前国内主井的提升速度最大为12m/s左右,但国外先进矿山一般为18m/s左右。提升技术涉及到深井提升设备开发、深井提升控制系统研究、深井提升罐道研究、深井提升钢丝绳研究、深井提升容器研究等。

超过千米的深井将给充填带来巨大的难题,垂直1000m以上的充填输送容易产生离淅,而且钻孔磨损极大。

(4)难采矿床的高效、经济开采依然是矿山的难题。我国难采矿床较多的类型是大水矿床或水体下矿床,主要有马钢集团姑山矿业公司的白象山铁矿、河北马城铁矿、三山岛金矿新立矿区等。白象山铁矿区内地表水系十分发育,沟渠纵横交错,矿体上部连续分布有强含水层。马城铁矿第四系为强含水层,直接和矿体顶板相连。三山岛金矿新立矿区属于海底采矿。

(5)国家对环保的要求越来越严格,矿山可持续发展是矿业开发追求的目标。我国是一个人多地少的国家,过去粗放型的开采对环境破坏很大,主要表现在地表塌陷,尾矿库和废石场占地巨大,废水不经处理就排放,严重破坏了矿区生态环境。

2 矿山建设的创新与发展

大型矿山的建设应遵循环保、安全、高效、节能、可持续发展的原则。

2.1 充填采矿法在铁矿山的推广应用

充填采矿法和崩落采矿法是两种截然不同的采矿方法,各自有着鲜明的特点。在传统的认识里,崩落法一般生产成本低,而充填法生产成本高。对于这方面应从整体投资和综合效益去考虑。充填法的生产成本很大部分取决于水泥的成本,也就是水泥的添加量和水泥的价格是主要因素。作为普遍应用的空场嗣后充填法(一步骤胶结、二步骤非胶结)和上向分层充填法(只有分层胶面为胶结充填),胶结量只占10%～50%,其水泥消耗量是较少的,因而其采矿成本也是较低的。而且充填法解决了大量的尾矿处理问题,尾矿库占地少,安全程度高,对铁矿来说,可能没有细粒级的浆体尾矿需要在地表堆存,只需堆存少量的粗颗粒的甩尾废石;另外,充填法的矿石贫化损失比无底柱分段崩落法小得多,由于原矿品位高,选矿的回收率也相应会有一定的提高。因此比较充填法和崩落法,除计算采矿的直接投资和成本外,还应计算尾矿库的征地费用、尾矿库的建设投资、尾矿库区和开采地表影响区(塌陷区和地表岩体移动区)的移民及地表设施搬迁费用和补偿费用、环境补偿费和恢复的费用、井下排水费用,还应计算矿石损失贫化引起的经济效益。相比之下,充填法的综合经济效益不一定比崩落法差,甚至优于崩落法。同时充填法的环境效益和社会效益是毋庸置疑的。环境保护要求的提高和土地使用的稀贵,将转变铁矿不敢采用充填法的观念。

充填法是开采大水矿山等难采矿床的必选方法。为了保护地表,防止岩体移动,就必须采用充填法对采空区进行充填。充填法在有色矿山已普遍采用,但在铁矿山的应用还只刚刚起步,目前已真正采用充填法的铁矿山还较少,如张马屯铁矿、草楼铁矿、业庄铁矿、马庄铁矿等,但正在建设之中的采用充填法的矿山很多,如白象山铁矿、会宝岭铁矿、李楼铁矿、马城铁矿等。

在充填工艺上,目前传统的自流输送仍然占主导地位。膏体泵送工艺也已逐步推广,如金川的二矿区、云南的会泽铅锌矿等采用了膏体泵送工艺。立式砂仓放出高浓度砂浆也取得了较大的进步,如中国恩菲工程技术有限公司研发的立式砂仓放砂工艺使砂仓放砂浓度达到78%～82%。

2.2 贫矿资源的自然崩落法开采

自然崩落法是用普通的回采方法采出阶段内某个水平的一个矿石薄层,使阶段内的矿体失去支撑,矿岩在重力作用下崩落,将崩落的矿岩从阶段水平放出,使其上部的矿石继续破裂,并借助重力作用崩落。随着崩落开始后更多的岩石被放出,崩落在矿体中或矿块中向上扩展,直至覆盖岩石崩落,并产生地表塌陷。破碎的矿石则通过位于拉底水平之下的生产水平(或叫出矿水平)铲出,之间通过聚矿槽或漏斗连接。

和传统的无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结构需要凿岩爆破外,其余的矿岩不需凿岩爆破,因此大大减少了炸药消耗量和采切工程量,生产效率高,劳动强度大大降低,因而采矿成本低,它是在生产成本上唯一能与露天开采相媲美的地下采矿方法。此外,由于自然崩落法的放矿是高中段均匀下降放矿,其矿石贫化率和损失率比无底柱分段崩落法小。

自然崩落法在国内外已经是非常成熟的工艺,不仅用于软岩矿山,而且更多地在用于硬岩矿山(见表1)。

国际上采用自然崩落法的大型或特大型矿山越来越多。正在筹建的自然崩落法矿山主要有:

智利:丘基卡马塔矿,露天转地下,生产规模为12万t/d;美国:宾汉姆矿,Resolution矿(11万t/d);印尼:自由港Grasberg矿,计划于2016年开始生产,16万t/d;菲律宾:Didipio矿;澳大利亚:Argyle,Telfer,MountKeith,CadiaEast,MtLyell等矿;南非:Dabswana矿。

我国目前唯一大规模采用自然崩落法的矿山是铜矿峪铜矿,一期工程主要采用电耙出矿,生产规模为400万t/a,它的二期工程将达到600万t/a,全部改为铲运机出矿工艺。正在建设中的普朗铜矿,其最大生产规模将达到1250万t/a。

2.3 深井开采的工艺技术和装备

辽宁本溪的大台沟铁矿、山东济宁铁矿,其矿床赋存深度都在1200～2000m(2200m),是迄今为止发现的几个最深、最大的铁矿床,资源量均在10亿t以上,预计的矿石生产规模将在1500～2000万t/a以上,这些矿床不仅埋藏深,而且规模特别大,其生产规模和深度将进入世界特大型矿山的前列,它们的开发必须做好以下几项工作:

表1 国内外部份自然崩落法矿山的情况

(1)应选择先进、可靠、高效的采矿方法和优化的工艺参数。

(2)应选择先进、高效大型的采矿设备,包括凿岩台车、铲运机及辅助设备。国际上目前最大的铲运机为载重25t的电动铲运机,21t的柴油铲运机。

(3)应采用大型的有轨运输设备或无轨运输设备。目前国内最大的底侧卸式矿车有中国恩菲开发的20m3的矿车。国际上目前井下最大的卡车为72 t(美国亨德森矿)。有条件时中段运输可采用胶带运输。

(4)应采用大型的提升系统,提高单套系统的提升能力。根据中国恩菲最近的设计,在提升高度为1700m左右时,单套系统的提升能力可达到750万t/a(按年工作330d计)。斜井胶带提升同样是有益的选择,铜矿峪600万t/a规模采用斜井胶带提升,国际上采用斜井胶带提升的实例很多,如美国的亨德森矿。

(5)建立微震监测系统可能是今后深井开采预测地震活动和岩爆必不可少的手段。智利特尼恩特矿是一个埋藏较深的矿床,岩爆倾向严重,该矿采用微震监测系统监测地震,井下共设立55个站,对防止岩爆起着重要的作用,当出现里氏2.5～3级地震时就必须向上报告。

(6)采用先进的充填和通风降温工艺和设备。

2.4 数字与自动化技术的应用

有条件的矿山应加强数字化矿山的建设,积极建设远程遥控和自动化采矿试验采区,提高矿山的自动化控制水平。

云南弛宏锌锗股份有限公司(即会泽铅锌矿)在矿山自动化方面发展很快:实现了选矿厂自动化控制;长距离膏体泵送充填远程控制;提升系统自动化;井下风机和水泵远程控制;井下采用了集群无线泄露系统;实现了矿山自动化系统的信息集成,总调度中心可利用多媒体技术来指挥生产,领导可实时了解生产实际情况。

此外,井下人员定位和报警、电机车有轨运输自动化都是易于实现的。

加拿大、智利、瑞典、芬兰、澳大利亚、南非、印尼等矿业发达国家都已建立了远程遥控和自动化采矿试验采区,而这些试验采区以在自然崩落法的矿山为多。

2.5 绿色矿山建设

建设无废或少废矿山、环境友好型矿山、花园式矿山是当今矿山建设的基本要求。矿山在设计阶段就要很好地规划,尽量做到少占地,不破坏或少破坏地表,关键是要尽可能采用充填采矿法进行开采,使尾矿和废石尽量回填采空区。不能充填的尾矿和废石应尽量资源化,寻找资源利用途经。应提高选矿回水利用率,进行厂前浓缩脱水;在有条件的地方推广应用尾矿干堆或膏体堆存,减少尾矿库占地和提高回水率。井下排出的水应加以利用,用于选厂生产或绿化。尾矿库和废石场应及时进行绿化或复垦,对含硫较高的废石场的雨水应进行酸性水中和处理。厂区的建设应和周边的环境相协调,不能破坏周边环境和景观,而应为美化周边环境做贡献。将旅游和矿山建设结合起来,形成工业旅游点。

3 结 语

随着世界经济的发展,特别是我国经济的快速发展,国内市场对主要金属的需求在不断增长,支撑着我国矿业资源开发的持续快速发展。近20年,特别是近10年来,随着经济的发展、科技的进步,我国矿山建设发生了重大的变化,取得了巨大的成就,劳动生产效率普遍提高。矿山生产规模越来越大,200万t/a规模以上的地下矿山已越来越多,年产千万吨级的地下矿山也正在建设或规划之中。装备水平越来越先进,采矿设备在朝着大型化、现代化、连续化、自动化方面发展,国产无轨采矿设备也有很大的进步。除了国内矿山的开发外,许多大公司已走向国外进行矿产资源开发。

[1]吉学文,曾普海,严庆文.绿色矿山建设及生产实践[J].采矿技术,2009,9(3).

[2]王发芝.冬瓜山铜矿深部采场充填技术[J].矿业研究与开发,2008,28(4).

[3]薛奕忠.高阶段大直径深孔崩矿嗣后充填采矿法在安庆铜矿的应用[J].中国矿山工程,2008,37(2):8～11.

[4]姚振巩.深井充填管道输送系统优化研究[J].矿业研究与开发,2008,28(2):7～10.

[5]李元辉,解世俊.阶段充填采矿方法[J].金属矿山,2006,(6):13～15.

[6]杨耀亮,邓代强,惠 林,等.深部高大采场全尾砂胶结充填理论分析[J].矿业研究与开发,2007,27(4):3～4,20.

[7]张世雄,褚洪涛.我国金属矿山地下采矿的技术进步[J].矿业研究与开发,2009,29(3).

[8]杨长祥,张海军,林卫星,等.金川二矿区1#矿体Fc断层以东贫矿资源开采方案[J].采矿技术,2007,7(2):14～15,25.

2010-03-05)

刘育明(1964-),男,湖南衡山人,教授级高级工程师,硕士,第六届中国有色金属学会采矿学术委员会副主任委员,主要从事矿山设计和研究,Email:liuym@enfi.com.cn。