现代化采矿工艺技术在采矿工程中的应用

尹鑫YIN Xin；王健WANG Jian

（①鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司，鄂尔多斯 017205；②肥城白庄煤矿有限公司，泰安 271600）

0 引言

矿产资源的开发对于国家与社会的发展而言起着重要的支撑作用。伴随采矿工艺的持续发展，越来越多的新型采矿技术研发问世，而且陆续投用到采矿工程之中。近年来，绿色环保、可持续发展理念日益深入人心，人们开始注重采矿工程的环保效益，要求采矿活动应当在保障安全的基础上，尽可能降低对自然环境的影响。因此，需要积极研究现代化采矿技术，把它合理应用在采矿工程之中。

1 现代化采矿工艺技术的相关概述

传统的矿产开采技术在我国经济发展过程中起到了重要的作用，但是也面临着一些问题。因为技术水平较低以及人员专业素养的局限，传统技术无法高效地开采矿产资源，往往只能开采矿床的一部分，导致了资源的浪费，增加了开采成本，影响了经济效益。为了实现资源的可持续利用，现代化采矿工艺技术势在必行。同时，传统的开采技术往往会对周边的土壤、水源和空气质量产生负面影响，导致自然环境的破坏和生物多样性的减少。为了避免这种情况的发生，现代化采矿工艺技术应该注重环境保护，采取有效的措施减少对生态环境的影响，如合理规划开采区域、进行水土保持措施和尾矿处理等。不同的矿产类型和开采条件都需要特定的技术方案。因此，现代化采矿工艺技术应该注重多元化发展，结合物理、化学、生物等多个领域的知识，针对不同的矿产资源开发出适用的技术方法。同时，还应加强科技创新，推动采矿技术的不断优化与革新，提高矿产资源的开采效率和经济效益[1]。

2 采矿工艺技术的基本特性

2.1 以开采条件更新工艺技术

由于不同的开采条件间的差异性，采矿工艺也需要相应地进行调整和更新。例如，采油填水技术是一种在原油开采中被广泛应用的技术，其主要目的是减小对地下水和地层结构带来的影响。通过合理使用这种技术，可以保障资源开采质量，并且减少对地层的破坏，提高地层稳定程度。

2.2 以资源分布及区域特征选择工艺技术

中国的矿产资源具有西多东少的特征，这种分布状况在短期内是难以改变的。因此，在进行矿产资源的开发过程中，必须充分考虑不同区域的地质结构和特征，对于采矿技术的选取也应该有所差异。只有根据具体的地质状况，采用适合的工艺技术，方可确保开采过程的顺利进行，并且不对区域的工业生产和农田建设造成不必要的影响，最大限度地发挥资源潜力，推动区域经济的进一步发展。

2.3 以人员调整实现工艺技术的良好应用

在采矿工程中，人员的流动性较大是一个普遍存在的情况。因此，需要科学而周密地把控开采人员的分配和调整。针对不同的矿产分布情况和开采设备的特殊要求，必须对工作人员的素质能力进行精确的科学划分，保证工作人员能够充分发挥其所长，从而更好地促进工艺技术的良好应用。除了科学的人员分配外，定期组织专业技能培训也是十分重要。通过持续的培训活动，开采人员能够更加及时、全面的掌握先进技术工艺，提升其专业水平和工作技能。这不仅有助于满足不断变化的工程需求，还能够提高工作效率，减少事故风险，并且为工艺技术的良好应用提供有力支持[2]。

3 现代化采矿工艺技术在采矿工程中的具体应用

3.1 崩落采矿

此技术主要可分为下述两种类型：①无底柱分段崩落法，通过高度机械化的操作和严格的设备要求，大幅减少了人工依赖性和开采成本。这种方法不需要底柱支撑，而是依靠围岩的自然稳定性进行采矿。通过将矿石从顶部向下崩落，可以减少人工开采的工作量，提高采矿效率。②底柱分段崩落法，要求采矿人员高度关注一些参数的调节，例如漏斗间距和底柱高度。漏斗间距的合理设置可以控制崩落速度和矿石的均匀分布，确保采矿过程的平稳进行。通常情况下，底柱的高度在大约7m 或13m，但这只是一个参考值，需要结合实际状况进行合理调整。同时，采矿人员还需要处理漏斗底部的围岩结构，确保其稳定性，以防止对整个矿区结构产生负面影响。

3.2 露天采矿工艺技术

露天采矿工艺技术是一种在采矿工程中广泛应用的方法，其涉及到在开放的地表区域进行矿产资源的提取和获取。然而，由于大部分大型采矿工程处于恶劣的地质条件下，这给露天采矿带来了巨大的挑战和安全隐患。在露天开采中，需要采取适当的措施来防止土壤滑坡、岩石崩塌等自然灾害的发生，并确保采矿过程对周围环境的影响达到最小化。例如，可以利用地质工程技术来加固边坡和岩石体，采用合适的排水系统来处理雨水和地下水，并建立良好的环境监测机制。同时，配备先进的仪器与设备，如激光扫描仪、遥感技术和自动化设备，可以提高生产过程的自动化程度和操作的精确性，减少人为因素对采矿作业的影响。在编制采矿计划时，需要综合考虑资源分布、地质条件和经济效益等因素平衡露天与地下开采间的关系，灵活调整开采顺序、改变采矿方式或引入新的挖掘技术，以适应不同矿床的特点和变化[3]。

3.3 空场采矿工艺技术

近些年，随着煤矿开采技术的不断进步，空场采矿工艺技术作为一种高效率和高质量的采矿方法受到了广泛关注和应用。这种工艺技术将煤矿开采区域划分成矿柱和矿房两种类型，通过先开采矿柱区域，再逐步开采矿房区域的方式，实现了对煤矿资源的有效开采和利用。在实际应用中，若是采煤区的结构稳定性较低，采用空场采矿工艺技术时会选择仅对矿房区域进行开采，以确保采矿作业的安全进行。而当对矿房实行开采的过程中，合理使用围岩与矿柱实行支护是至关重要的，这不仅可以保障开采作业的顺利进行，也能有效地防止煤层的塌陷和支护结构的损坏。当煤矿开采作业结束后，妥善处理采空区也是一项必要的工作。针对采空区，可以采取充填、搭建支架等措施，以防止采空区内部出现塌陷以及发生地表沉降问题，进一步保障了煤矿开采区域的安全稳定。

3.4 充填采矿工艺技术

充填采矿工艺技术是煤矿行业中一项关键的安全措施，旨在有效利用采空区并保护地下开采环境的稳定性。通过充填材料填补采空区，可以提高采空区的支撑性和稳定性，从而确保煤矿开采作业的安全开展。根据不同的煤矿结构和开采方向，可以选取不同的充填方式。其中，干式充填法是一种常见的方法，通过输送带将砂石等充填材料直接运输至采空区加以填充，具有实用性较强的优点，但同时也存在成本较高、工艺复杂性强以及效率低等缺点。水砂充填法则是把炉渣、尾砂等材料混合后运送至采空区实行充填。相比于干式充填法，该方法可以显著减小地表沉降几率，提供更好的地下支撑效果。然而，这种方法也存在一些问题，如排水费用较高、工艺复杂性强以及充填量相对较小等。胶结充填法是通过将石灰、水泥、尾砂、碎石等材料充分搅拌形成膏体，利用管道泵运送至采空区实行充填，具有操作简单、充填效率高和充填量大的优点，因此在实际应用中得到了广泛采用。然而，尾砂供应不足是使用胶结充填法时需要面对的一个问题[4]。

3.5 溶浸采矿

溶浸采矿技术是一项基于深入了解矿产资源的物理和化学特征，并选取适当的化学溶剂来对采矿层加以处理的创新工艺。通过这项技术，矿区中的有价元素能够得到有效提取，做到资源的有效转化，并在很大程度上提升了开采的效率和产量。这种工艺技术有着较多的优势，如相对较低的成本投入、高度现代化的水平以及出色的环保效益，使其成为当前广泛推广与应用的一项前沿技术。通过溶浸采矿技术，可以更加高效地开采矿产资源，同时降低开采过程中的环境负荷，与传统的采矿方式相比，应用价值明显更高。在实际应用此项工艺的流程中，首先需要对井场进行合理的划分，确定井的型号和间距，并进行钻孔与安装等工作。随后，通过往钻孔中灌入事先配制好的溶浸液，让其与矿石发生反应并浸出有价元素。随后，需要全面提取浸出液，并进行吸附与清洗等必要步骤，以确保目标元素的纯度和提取率。接着，利用沉淀和过滤等工艺步骤，最终得到浓缩物产品，并对废水进行合理处理，以确保满足相关标准和规定。如图1 所示。

图1 溶浸采矿工艺技术示意图

3.6 岩体加固技术

在进行矿产资源开采时，安全事故是一个严峻的挑战。这些事故往往是因为操作错误、复杂地势和岩体稳定性较差等多种因素相互作用所致。为了降低安全事故的发生率，应当合理应用现代化的岩体加固技术。岩体加固技术的主要目标是基于增强岩体的稳定性，减少石块的远距离土崩现象，从而有效地防止人员伤亡。在选择岩体加固方式时，应当结合具体状况进行针对性或常规加固。常规岩体加固通常采用防渗帷幕钻孔和对分法来处理。防渗帷幕钻孔主要通过在岩体内部钻探钻孔，并注入水泥浆或其他固化材料，形成一道防渗屏障，从而提高岩体的稳定性，适用于一般岩体条件下的加固，可以有效地减少岩体的破碎和塌方风险。对分法则是在岩体表面钻探一系列等距离布置的钻孔，然后将钢筋或其他支护材料插入钻孔中，形成一个稳定的支撑结构，能够增加岩体的整体强度和稳定性，有效地减少岩体断裂和崩塌的风险。针对性岩体加固方法需要根据具体的岩体情况进行设计，通常会增加更多的加固钻孔穿过岩体的缺陷面，以进一步提高岩体的稳定性，降低安全事故的出现概率[5]。

3.7 急倾斜煤层采煤方法

急倾斜煤层采煤方法是在大倾角煤层开采中应用的一种技术手段。然而，在实际操作中，由于煤层的特殊性质，常常会遇到一系列问题。为了解决这些问题，需要构建科学合理的规划体系，以确保采煤的质量和效果。在使用急倾斜煤层采煤方法时，需要正确认识采区环境，基于不同的生产环境和装备情况，明确采煤规模和范围，优化生产结构，创建更安全、可靠的生产模式，确保矿井通风性良好，减少事故风险。

4 案例分析

山东肥城白庄煤矿位于肥城煤田西部构造区段的东部，四周受断层包围，井田构造总体上以断裂构造为主，并伴有次一级褶曲构造。以9703 工作面为例，工作面面长88-191m，推采长度345-460m，煤层厚度1.4m，断层多且无规律性，具备薄煤层、多复杂断层等特点，且工作面煤岩层整体呈单斜构造，回采范围内煤岩层平均倾角6°，对工作面保持快速、连续推采造成不同程度阻碍。

为了解决9703 智能化综采工作面实际生产中复杂地质条件下的工作面生产及环境状态不透明等问题，结合肥城白庄煤矿9703 工作面的地质条件和设备配套情况，提出了结合工作面精确地质模型，利用数字化、智能化技术感知预测综采工作面开采过程中装备、环境、人员等不安全因素，将现有的自动化系统升级，开发基于三维地质模型的综采工作面规划开采系统的建设思路。

即基于全场景采掘装备机群系统框架，融合物联网（IoT）、数字孪生、智能终端等技术，以综采工作面智能化开采场景为切入点，构建一个集数据可视化、人机强交互、工艺自优化于一体的高逼真综采工作面数字孪生平台（如图2），真正实现工作面设备互联互通、生产场景再现、以数据为中心的生产模式，此系统用到的主要设备见表1。

表1 配套设备

图2 三维数字孪生系统示意图

利用数字孪生可视化技术通过真实设备的传感器数据实时的驱动模型动作，达到真实设备与虚拟设备的同步动作的沉浸式操作效果，完成物理世界对象在数据世界的重现、分析和决策，集成应用综采模型驱动算法、自主截割算法，建设成“数字煤层、虚实同步、数据驱动、实时修正、自主截割、人机协同”的智能工作面技术体系，以实际煤矿智能化需求为目标进行综采智能化工作面数字孪生平台的开发，解决综采系统中的智能化程度低、多维数据呈现模糊、无人化程度不高、人机协同困难等问题，为煤矿安全、绿色高效生产提供可靠技术保障，为无人化智能开采打下了坚实的基础。

5 结束语

现代化采矿工艺技术经历了长时间的发展与创新，衍生出了多种类型的工艺技术，需要根据采矿工程的特征挑选适宜的技术。采矿工程在实施过程中，不仅要重视安全和质量，也应当尽量减小生态环境的破坏，严格把控成本费用，保障工程的综合效益。可以预见到，现代化采矿技术必定会朝着绿色化、自动化、智能化的方向发展，应当基于采矿项目的具体情况，强化对工艺技术的切实把控，确保采矿工程的顺利开展。