贾家洼西铝土矿采矿工艺选择及优化研究∗

甘怀营,段进超

(长沙有色冶金设计研究院有限公司, 湖南长沙 410019)

贾家洼西铝土矿采矿工艺选择及优化研究∗

甘怀营,段进超

(长沙有色冶金设计研究院有限公司, 湖南长沙 410019)

根据三门峡贾家洼西铝土矿矿层赋存条件及开采技术条件,提出了煤炭综采工艺及液压支柱护顶全面房柱采矿法,并通过分析该两种方法的优缺点和适用条件,得出该两种工艺均不适用,因此,在传统的全面法及房柱法工艺基础上进行优化研究,建议取消天井及溜井采准方式,采用无轨设备出矿提高矿块生产能力,进行矿柱留设及爆破参数优化,以提高回采率,减少贫化指标。

铝土矿;采矿工艺;综采工艺;液压支柱

0 引 言

目前国外铝土矿山主要采用露天开采,在铝土矿山地下开采方面没有太多的经验可供借鉴。国内目前铝土矿山井下主要采用全面采矿法[1],留有大量矿柱,导致矿石回收率低、损失大,采场顶板和通风难以管理,另外采矿所用的工艺设备也比较落后,并且打钻工人长期暴露在采场顶板下作业,安全性较差。对于价值较低的铝土矿,目前国内外采矿工艺技术成果不多,近年来,一些科研设计单位和矿山企业对缓倾斜薄矿体的回采工艺进行了有益的探索和试验[2-4],提出和试用了一些新的回采工艺,比较典型的综合机械化回采工艺以及液压支柱护顶全面采矿法。

根据贾家洼西铝土矿开采技术条件,对以上两种工艺的可行性进行比较研究,以确定贾西铝土矿采矿方法工艺,并提出优化建议。

1 贾家洼西铝土矿概况

贾家洼西区矿层厚0.5～18.47m,一般5m多,主要由铝土矿组成,局部顶底或中间夹有薄层粘土矿。矿体平缓,平均16.2°。矿石组分简单,主要由一水硬铝石,次为伊利石和高岭石构成。结构呈砾屑状、砂状、豆状、鲕状等,胶结紧密,较坚硬,不易破碎。矿石风化,颜色变浅,砾屑状、砂状矿石有时出现蜂窝状构造,硬度略变小,不具松散特性。矿石中节理、裂隙不发育。矿石抗压强度为64.3～127.5 MPa,属于坚硬岩石,可见矿层稳固性良好。直接顶板多为粘土页岩、炭质页岩及砂质粘土岩,厚0.20～14.92m,平均2.10m,层薄,页理发育,性软、易碎,抗压强度极低,稳固性差。矿层直接底板为铁质页岩,厚0.8～30.6m,一般7m左右,页理比较发育,抗压强度32MPa左右,硬度较小,风化易碎。

2 综采工艺可行性研究

根据铝土矿的赋存条件,多为层状矿体,倾角较缓,连续性较好以及某些铝土矿矿石硬度较低,f系数不高等物理力学性质,因此对于铝土矿的开采方法,近年来有专家对比煤炭赋存条件,认为两者之间相似度较高,因而提出采用煤炭的综采工艺对铝土矿进行回采。

综采工艺主要存在以下优点:

(1)回采采场连续推进,不留矿柱(点柱),跨上山(斜井)开采,提高资源回收率。

(2)生产工艺比较先进,机械化装备水平较高,大大提高开采强度。

(3)单个采场生产能力高,可减少同时生产采场数,进而大幅减少基建和生产时期的巷道工程量,矿山初期投资省,生产成本低。

(4)井下作业人员少,既降低了人工成本,提高了生产效率,同时降低了井下发生安全事故人员伤亡概率。

(5)采场控顶范围小,采用液压支架支护配合铰接顶梁支护顶板,紧随回采面推进,能及时支护采场上方不稳定直接顶板,不仅减少了围岩混入对矿石贫化的影响,而且工人在安全的位置作业,降低了井下发生人员伤亡事故概率。

(6)生产集中,坑内用电负荷相对集中,简化了供电系统。

同时也存在以下缺点:

(1)采用走向长壁式采矿法综采工艺开采时,受采矿机采高范围和液压支架支护高度的限制,对矿体厚度变化的适应能力较差。

(2)铝土矿回收对品位要求极高,其品位不仅体现在铝元素含量,还体现在铝硅比上,经研究,轻微的废石混入都会带来重大的铝硅比波动,采用综采工艺回采铝土矿,贫化问题突出。

根据《煤矿开采学》[5],适于采用综采工艺的条件为井型120万t以上,煤层厚度1.5～4m之间,倾角小于15°,地质构造比较简单等。随着科技的发展及综采工艺的普及,目前综采适用条件有相应的变化,具体为:综采机适用为矿体倾角小于40°,矿体倾角总体变化平缓;矿石硬度系数f≤4(局部f≤7);矿体赋存大体稳定、连续;地表允许崩落,且顶底板相对稳固,f＞1.2,开采后顶板能自然垮落充填采空区。

对比以上条件,贾西矿矿体赋存条件复杂,连续性较差,矿石硬度系数较大(f系数为6.6～42),属坚硬岩石,采煤机切割困难,最主要的是矿区范围及周围有许多民房和田地,地表不允许陷落,因此综采工艺在本矿不适用。

3 液压支柱护顶全面房柱采矿法可行性研究

留矿柱的全面采矿法是回采缓倾斜薄矿体的一种传统采矿方法,这种采矿方法具有回采工艺简单、生产成本较低等优点,但也存在矿石回收率低、损失大、采场顶板和通风管理困难,以及顶板安全性较差等缺陷。2009年中国铝业股份有限公司重庆分公司开展了《顶板不稳固缓倾斜铝土矿低贫损安全高效开采技术研究》的技术开发,提出了液压支柱护顶全面房柱采矿法[6]。利用液压支柱代替自然矿柱,最大限度地回采矿石,是铝土矿地下开采的一项新技术。

通过工业试验,结果表明中铝重庆分公司液压支柱护顶全面房柱采矿法和普通的全面采矿法相比,回采率由80%提高到87.56%,提高了7.56个百分点,液压支柱护顶全面房柱采矿法通过液压支柱代替部分矿柱,加大了矿柱的间距,矿柱间距由普通采场的9m左右增大到12m左右,减小了矿柱的尺寸和数量,与普通采场相比,矿柱的数量减少了40%左右,而部分矿体较薄位置的矿柱尺寸可以由普通采场的直径3m减小到直径2m,在保障工作面安全的前提下,提高了铝土矿的回采率,该方案工艺简单,支护成本低,液压支柱的回收利用率可以达到95%以上。

根据液压支柱的适用条件,其适用于采高为0.55～3.5m的矿层,而贾西铝土矿厚度比较大(超过4m),因此不适用于本矿。

4 贾西铝土矿采矿方法工艺研究及建议

通过以上分析,贾西铝土矿不适用综采及液压支柱护顶等采矿工艺,因此仍然选择传统的全面法和房柱法,可从以下几个方面进行优化:

(1)采用天井溜井采准,施工困难,安全程度低。根据现场施工情况,615m中段运输平巷布置在底板灰岩或厚层状白云质灰岩中,向上掘进天井及溜井会穿过直接底板,直接底板为铁质页岩,页理比较发育,岩石硬度较小,风化易碎,据岩石力学测定,抗压强度较小,属松软岩石,成巷效果不好,掘进过程容易垮落,需要特殊手段进行支护,由此,会增加天井及溜井的施工难度及施工成本;此外,天井加溜井的采准方式底部结构工程量大,对脉外运输平巷的破坏性大,影响脉外运输巷的稳定性,也增加了支护量;中铝重庆分公司铝土矿溜井应用过程中出现了许多问题,如采场电耙耙矿效率低,放矿漏斗大量使用木材,使用过程中存在很大的安全隐患。因此建议取消天井及溜井采准方式,采用由中段运输平巷掘穿脉至矿体,布置切割平巷与穿脉相连通,在切割平巷上设置漏斗或采用无轨设备进行装矿的回采工艺。

(2)使用电耙出矿机械化程度低,矿块生产能力有限。回采过程出矿设备直接影响矿块生产能力,原设计使用单台2DPJ30型电耙出矿,该型号电耙最大生产能力60～80t/d,机械化程度低,生产能力极其有限。因此建议极缓矿块,直接采用铲运机等无轨设备进采场出矿,以提高矿块生产能力,铲运机不能进入的采场,可以采用电耙和铲运机联合出矿工艺,同时采用一个采场双作业面的工作组织形式进行生产。

(3)矿柱留设及爆破参数优化研究,以提高回采率,减少贫化指标。常规全面采矿法的贫化率为8%～10%、损失率为16%～18%,房柱采矿法的贫化率为8%～10%、损失率为18%～21%,但实际生产中需要加强贫化与损失的控制,因此需要对矿柱留设参数进行计算研究,在保证安全的前提下减少矿柱损失,提高矿块回采率;同时,由于矿层直接顶板为粘土页岩,层薄,页理发育,性软,易碎,表现出遇水膨胀的特点,抗压强度极低,地下开采需支护或采用新型爆破落矿工艺控制顶板,防止冒顶塌落以减少废石混入率,从而减小矿石贫化指标。

5 结 论

根据三门峡贾家洼西铝土矿矿层赋存条件及开采技术条件,对采矿方法及采矿工艺进行研究,分析煤炭综采工艺及液压支柱护顶全面房柱采矿法的优缺点和适用条件,通过比较得出以上两种工艺均不适用于贾西铝土矿,进而对常规全面法及房柱法工艺进行优化研究,建议取消天井及溜井采准方式,采用无轨设备出矿提高矿块生产能力,进行矿柱留设及爆破参数优化研究,以提高回采率,减少贫化指标。

[1]崔萍萍,黄肇敏,周素莲.我国铝土矿资源综述[J].轻金属, 2008(2):6.

[2]徐晓乾,向 龙,邵国君,等.瓦厂坪铝土矿1102工作面综采试验相关影响参数的分析与探讨[J].金属矿山,2014(8): 37-40.

[3]张吉龙,姜立春.我国铝土矿资源开采技术综述[J].轻金属, 2007(6):5-8.

[4]鹿爱莉,贾雅慧.我国铝土矿的综合利用研究[J].矿产保护与利用,2010(1):49-51.

[5]徐永圻,等.煤矿开采学[M].徐州:中国矿业大学出版社出版,2004.

[6]任卫东.顶板不稳固缓倾斜铝土矿低贫损安全高效开采技术研究[D].长沙:中南大学,2012.

2017-03-27)

甘怀营(1984－),男,广西贺州人,工程师,硕士,主要从事采矿工程设计及科研,Email:ghy054＠163.com。

国家重点研发计划项目(2016YFC0801600).