武山铜矿三期采矿装备建设探讨

陈智宏，刘殿华

（江西铜业集团有限公司 武山铜矿，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山铜矿是一座地下开采矿山，日处理能力达5000t以上，是江西铜业集团公司最大的井下开采矿山，在全国井下矿山中亦属大型铜硫矿山。为扩大生产规模，2003年开始实施“二期技改”工程［1］，2009年7月达产达标，日均采选综合能力由3000t提升至5000t。2018年开始“三期技改”，设计采选综合能力预提升至10000t/d。

武山铜矿采掘规模在国内同类型矿山中排名靠前，但因建矿时间久远，同时二期技改过程中并没有涉及过多的生产工艺改造，特别是井下开采工艺及施工过程中的凿岩、爆破等工艺，因为经验的积累，安全性有保障，依然沿用老法，但生产效率难有本质的提升。随着近年来科学技术发展，特别是基础建设工程领域的大型设备、先进工法、自动化技术广泛应用到矿山领域，使国内新建矿山机械化、自动化及智能化水平逐日递增［2］，相比较而言，武山铜矿现有采选技术已显得不入流，生产效率亦受制约。为此，以“三期技改”为契机，武铜从预可研开始，投入了大量的人力、物力用于“三期”先进采选技术的研究及辅助决策，有针对性的提出了一系列先进思想，如膏体充填工艺、井下中段出矿无人驾驶技术、选矿工艺流程实现自动化等。但受武山铜矿水文地质条件复杂、矿岩及围岩稳定性较差等因素影响，井下先进的采掘施工工艺及大型机械化设备设施应用还是非常困难、问题也很复杂，实现机械化、自动化的难度很大，给“三期技改”完成由5000t/d向10000t/d生产能力扩产增添了阻力。同时配套采掘施工的提升、运输、供风、供水、供电、通风、通信等系统，自动化程度低，也在很大程度上制约了综合生产效率的提升。

因此，针对“三期技改”采矿能力提升，是必要在采矿工艺改进及机械化、自动化水平提升方面寻求一套高效、适合该矿山今后发展的思路，以期顺利实现10000t/d生产能力的目标。

2 现状

武山铜矿自二期技改后，特别是近几年受招工困难、安全环保压力大等因素的影响，对生产流程中部份区域进行了自动化及机械化改造，但总体上自动化、机械化程度很低。改造主要有。

（1）采矿车间于2018年对南区、北区空压站集中控制改造（中国瑞林），实现了南区、北区空压机集中控制、空压机冷却水自动控制、机房远程视频监控中控室远程控制系统，以及云端APP空压机监控系统，初步减少了4名作业人员。

同年，也对北压压缩空气系统余热回收利用进行了改造，实现了空压机运行余热回收用于员工洗浴用的热水，摈弃了柴油机锅炉的运行、维护，减少了柴油热水机组的操作运行及维护人员，规避了特种设备设施运行的安全风险。

另外，2009年投入使用的北带胶结充填站地表站房内大部份仪器仪表均实现了自动化，确保了充填料浆配合比、浓度、流速等数据的稳定，同时也确保了充填安全。

（2）掘进车间于2017年对两个副井信号联锁进行了改造，实现了在罐笼发送提升信号并联锁罐笼安全门的开关，大大提高了提升效率及提升安全性。另外，在2018年对北-460m水泵房的排水泵开展了自动化改造，减少了井下作业人员，同时排水用电单耗有所下降。

（3）选矿车间截止目前，在推进自动化控制方面，已完成了-410m中段铁板给矿机、铜精一尾泵远程监控、污水处理调酸与石灰添加的自动控制等远程自动化改造，1500t水池远程控制等项目正有序展开。在推进技术改造方面，累计完成自磨机中心卸料槽及格子板衬板的改型、除铁器改造等17个创新项目。

（4）综合车间近几年来对4#、2#泵站进行了自动化改造，实现了泵站远程控制。

3 发展展望

随着用工紧张及井下作业人员年龄偏大，劳动强度高的工作危险系数在逐年攀升，对矿山企业的发展极为不利。着眼武山铜未来的发展，井下零用人在现阶段及“三期技改”完成后都是难以实现的，但逐步减少用人，对一些重复性而有规律性的工作，充分运用科技革新带来的机械化、自动化是可行的，也是势在必行的。在今后工作中，特别是三期建设过程中，加强对国内外机械化、自动化、智能化成果的学习、了解和应用，有利于武山铜矿在部分工艺上快速的形成机械化、自动化，并缓解用工及安全管理压力。结合对国内部分矿山的考察，对比武山铜矿相关工艺的现状，该矿后期建设过程中“机械化、自动化”的发展应从以下几个方面着手。

3.1 井下采掘方面

一直以来，我国的地下采矿工艺技术与国际先进水平相比差距较大［3］，主要是凿岩、装药到装运全部流程仍难以解决效率低下、安全性差等难题。与国外先进技术相比，我国的无人采矿技术研究尚处于起步阶段，而采矿自动化设备及矿山生产管理控制系统的研制和开发也远没有形成规模。但近年来，随着我国综合国力的增强，经济、技术同步高速发展，国内部分矿山在采掘施工方面也实现了“分区域无人施工”，如梅山铁矿、凡口铅锌矿等企业已经采用遥控凿岩台车［4］。云南普朗铜矿在自然崩落法施工过程中采用自动定位SB-1354液压凿岩台车钻凿中深孔及采用浅孔台车钻大孔扩槽。在装药方面，国内大型矿山基本都实现了装药车自动装药。河北杏山铁矿与北京北矿亿博科技有限责任公司合作，研制了乳化炸药井下混装车。为彻底消除井下二次爆破破坏巷道顶板稳固性，及周边人员安全等安全风险，国内部分矿山引进了加拿大BTI公司生产的BX30型移动式液压碎石台车，用于处理采区大块。而这些机械化、自动化技术的应用均得益于先进采矿方法的引入与推广，如前述梅山铁矿、杏山铁矿等，都采用生产效率高的高分段崩落法采矿嗣后充填工艺。

结合武山铜矿现状，要实现产量规模的突破及井下用工的压缩，是必要引入适合于矿山且效率更高的采矿方法。对比国内大型井下矿山应用情况，采取人工钢筋混凝土底柱VCR采矿法嗣后充填工艺，对武山“三期”达产更有利，同时该种采矿方法能解决现有采矿盘区过多、管理难度大、单产能力不足、用工多、成本高、充填作业连续性差、充填作业占用采矿作业时间长、机械化及自动化实现困难等难题。在运用该采矿方法后，也便于如凿岩台车或遥控凿岩台车、乳化炸药井下混装车、撬毛车、液压碎石台车、混凝土喷射台车、液压支护、锚杆台车、井下混凝土输送泵及混凝土运输车、快速拼装支护钢模等大型设备设施的投入应用。同时，采矿盘区减少后，难大范围的形成集中出矿，便于中段出矿自动化的形成。

3.2 井下采场运输及中段出矿方面

井下运输及自动化出矿在国内很多矿山已成为现实，如前面所介绍的河北杏山铁矿、安徽张庄矿业及云南普朗铜矿，通过采取与计控室联合开发，设计和实施电机车远程遥控驾驶系统，将机械、电气、通讯、自动化控制、计算机等技术有机合成，形成主控室操作、远程遥控放矿、放矿视频监视、电机车远程操控、远程操控自我保护等管理系统［5］，以及机车、运行、装矿、卸矿等多个软件管理单元，实现网络化、数字化、可视化的生产运行模式［6］，电机车运行由井下驾驶变为地表远程操控，改善了岗位工作环境的同时也降低安全风险，实现了有轨运输自动化或地表远程控制出矿。所以说，在有轨运输方面，武山铜矿只需充分借鉴国内一些先进矿山的经验，并结合自身的现状，在三期建设过程中提前谋划、提前布局，实现井下有机运输远程控制应该不成问题。而无轨运输方面，在解决井下导航差、设备定位准确性低的问题后，采取上述高效采矿方法后，形成集中出矿，使井下定位、控制等信号点减少并集合，实现自动控制或远程控制并没有太大的难度。

3.3 井下通信方面

井下通信作为矿山日常生产、应急处理时联系勾通及远程（自动）控制实现的基础性工程，在矿山建设及开发中有其不可或缺的地位，而无线通信又以其极高的便捷性及可靠性，已成为井下通信及实现自动化、智能化的最佳之选。

但井下采矿作业环境高度复杂，信号通透性差且可见度低，这极大限制了无线通信的应用。伴随着充填系统的完善、井下六大系统的建设，武山铜矿近年来对井下采掘运输作业面引进了多形式的通信技术，如有线电话、基于泄漏电缆无线通信、及中国移动井下基站等。而其中以有线电话通信最为可靠，泄漏通信及中国移动井下基站受井下潮湿、偏酸性的环境及布线不规范（或人为破坏）等因素的影响，可靠性在逐年下降，其中中国移动井下基站已95%不可用。

由此可见，武山铜矿通信系统甚是薄弱。为适应后期机械化、自动化升级的要求，当前必须要加强对这一问题的认识，并从现在开始，通过与相关院校或企业合作的方式，提升我矿通信的实力。近年来国内、外一直都致力于探索、研发适合井下应用的无线通信体系。正在研究和已应用的井下通信系统所采用的技术手段有：①电力线载波通信；②感应通信；③漏泄通信；④甚低频穿透地层通信［7］。前三种现已比较成熟，国内多数矿均为前三种通信方式，只是在未端加以其它技术支持，如wifi等，武山铜矿亦可在现有通信基础上，完善移动通信井下基站，并有意识的多引进几家移动通信网络，做到一用多备，并使井下固定作业场所全覆盖，以利于现有井下施工的通信便捷，也为后期自动化控制系统建设提供基础。

3.4 斜坡道运行及主井提升方面

由于斜坡道运输巷内一般为单车道双向通行，不仅影响车辆的运行效率，也存在着较大的安全隐患。随着国家对井下人员安全的日益重视和监管力度的不断加强，大中型采矿企业井下斜坡道运输安全生产监控系统开始研制和装备。随着武山铜矿采深的不断增加，为确保材料运送量满足生产，各采掘施工单位在逐年增加材料运送车辆，斜坡道运输十分繁忙，安全威胁不断攀升。结合国内大型井下矿山斜坡道建设及管理经验，建立适合武山的斜坡道管理系统是也必要的。如河北马城铁矿、杏山铁矿等，通过与计控室联合开发、建立主斜坡道信号自动控制系统，采用帕累托最优控制原理，上、下行车辆车轮碾压压感线圈后，信号灯自动变换，控制车辆运行，保证了出入井车辆有序会车，实现车辆安全运行，也提高了车辆运行效率。

主井提升是制约矿山生产规模的重要工序，国内部分矿山主井提升已向自动化甚至智能化发展。武山铜矿也可以在“三期”建设过程中，通过设立计控室，与计控室控制系统联合开发，将主、副井提升控制引入计控室集中控制，并配以视频监控设施，实现井下皮带自动或远程控制启停，主井提升自动提放矿的操作，减少井下看护人员及地表操作人员。同时主井实现自动控制（运行）后，装卸矿间隔时间有效的得以降低，提升效率也有所提升。配合地表矿、废石皮带自动启停，主井能实现从溜井落矿到选矿堆场（矿仓）自动化控制，可以极大的节约了人工并有效的防范了提矿过程中对作业人员的危害。

3.5 选矿处理方面

选矿处理自动化及远程控制在国内的应用更多了，近年来新建矿山基本都实现了选矿自动控制。但武山铜矿在选矿处理过程中，受投入年代久远的影响，暂难有条件实现，“三期”建设时选矿自动化当属必选之举。因此，为实现提升到出产品全过程自动化或远程控制，将选矿堆场改为圆桶矿仓还是有其可行性和必要性。第一，圆桶矿仓配合铁板给矿机、皮带输送能够很好的实现自动化控制；第二，圆桶矿仓以其均匀下矿的特点，对配矿更为有利，有利于稳定选别指标；第三，原矿堆场因其范围的限制有诸多弊端。范围太大，需挖掘机辅助摊铺或集中，增加设备及操作人员，也存在一定的安全不确定性。范围小，矿堆虽集中，但存量小。因此，考虑自动化及人员投入的成本及安全性，圆桶矿仓较原矿堆场更有优越。

3.6 供风、供水、供电及通风方面

供风、供水、供电及通风等井下辅助作业，因其设备位置固定，实现自动化比井下其它设施要更有利些，因此，国内近几年新建的矿山也都基本实现了供风、供水、供电及通风自动化运行，部分投入生产年代长的大型矿山也都在积极的开展这方面的自动化改造。所以对武山铜矿来说，只要在初步设计等设计阶段充分考虑好这方面自动化实施的问题，实现起来并非难事。

4 需解决的几个问题

（1）如上述实行井下采掘、运输的机械化，投入的设备设施将会是大型化及配套性的，则要求采掘施工（开拓、采准及采矿）的断面也要更大[8]，以便于井下移动设备运行自如、便捷快速，达到充分发挥大型设备的优势。同时断面增大，在现阶段没有更好的采矿方法替代的情况下，也有利于武山采掘效率的提升、生产规模的提高。断面大有其有利的面，但也有其不利的一面，资金投入及巷道、采空区稳定性的问题需要进一步充分的论证、解决。

（2）由于武山铜矿矿体赋存条件的限制，形成了采场多而散的格局。为使出矿效率提升、从本质上提升开采规模，一方面需要对现有采场采矿方法进一步摸探，寻找到安全性较好的适于武山地质条件的高效采矿方法，文中提出的VCR采矿法嗣后充填工艺是比较适用于武山的安全、高效采矿方法。另一方面，还需规划中段出矿点的设置及投入与产出的比较。为保证有轨远程（或自动）控制运行顺畅，出矿点难以减少，但绝对不宜过多，同时宜设置为单向一环形道，这就要求采场出矿点要在采区内实现由点向线，再向面的集中，需要设置大采场并增加无轨出矿的距离。这就要对采场合并及无轨运输设备投入、采区工程投入等成本与减少人员的效益及安全性效益进行比较。

5 需注意的几点问题及对策

（1）设备选型立足国内外一流，对比、选择机械化程度较高的井下采、运、充设备，为实现地采本质安全提供有力保障。

（2）充分运用自动化、信息化手段，强化地下开采过程控制，完善安全保证体系。

（3）机械化及自动化在生产过程中，只能是完成有规律性的动作，最后设备设施的维护及突发问题的处理还是要人去解决，因此，持续培养必要的人才，特别是专业技术人才，懂技术又能现场操作的通用性人才还是当前技能人才培养的重点。

（4）井下通信总体上还是以有线为主干，必竟有线的可靠及安全性要好很多，以有线建立井下基站后，再在未端加以泄漏及其它无线技术的支撑以提高井下通信的便捷性。针对武山铜矿井下环境，为增强有线通信的可靠性，有必要建立双回路通位网络，同时对于线路防腐及防潮的问题，一方面通过更可靠的手段或技术加以解决，如专业的布线、接头防腐防潮处理等。另一方，对重要节点，应设置专门的硐室，并按通信专业要求设置硐室的设备设施，保证硐室的干燥及无污染。

（5）武山铜矿井下中段出矿受出矿穿脉内泄水井排水、排碴的影响，出矿并非不受日常采矿、充填等活动的制约，主要是充填的问题。要实现中段出矿远程或自动化控制，需要解决充填排水、排碴的问题。三期若实现膏体充填，排碴或许会有一定的改善，但井下水沟长期不清理或经常性的清理都会对中段出矿产生不利的影响。解决这一问题，可以从以下几方面着手。

①将充填排水及出矿中段的排水下延50m到下一个副中段（有轨出矿中段高设置为100m，每50m设一个副中段），将清碴及出矿中段分开，以保证出矿中段的清洁、少淋水。

②对有轨出矿中段的水沟进行正规的混凝土浇筑，并安装盖板，在水沟边（盖板下）安装环形高压水冲洗水管，以确保水沟不积泥。同时各采场充填排水及排碴问题要在中段设置固定的清碴巷道或硐室，清碴巷道及硐室与下分段（下10m或12m的分段）贯通，避免清碴对有轨中段出矿影响。

③为加快三期建设、缓解现有生产衔接困难，有必要对-540m中段以下(-560m)的开拓系统提前介入施工，通在现有出矿出碴系统的-540m与-560m施工一条斜井并安装皮带输送设备，解决-560m出碴的问题。