錫礦山采礦技術(shù)攻關(guān)與解難

張根深,肖迪民,曹明秋

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司, 湖南冷水江市 417502)

錫礦山采礦技術(shù)攻關(guān)與解難

張根深,肖迪民,曹明秋

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司, 湖南冷水江市 417502)

錫礦山采礦工作者經(jīng)過60年的科技攻關(guān),成功解決了錫礦山難采礦體開采面臨的諸多采礦技術(shù)難題,所取得的實踐成果豐富了采礦工程學寶庫。分兩個階段(20世紀后50年和最近10余年)介紹了錫礦山采礦技術(shù)科技攻關(guān)的過程及其科研成果,并提出了錫礦山未來將要面臨的采礦技術(shù)創(chuàng)新問題。

采礦方法;通風防塵;“三下”采礦;地壓控制;殘礦回采

錫礦山是一個超大型銻礦床,至今已有110多年大規(guī)模開采的歷史。解放前,礦商唯利是圖,見礦采礦,無正規(guī)采礦方法可言。解放后,錫礦山采礦科技工作者結(jié)合礦山生產(chǎn)實際,在有關(guān)科研院所的協(xié)助下,通過不斷探索,創(chuàng)立了由“普通”、“桿柱”和“人工壁柱”房柱法構(gòu)成的適應緩傾斜礦體開采的房柱采礦法體系;同時通過長期艱苦的科技攻關(guān),成功解決了諸多難采礦體回采的技術(shù)問題,極大豐富了采礦工程學寶庫。

1 20世紀后50年的科技攻關(guān)

1.1 創(chuàng)立了房柱采礦法體系

根據(jù)錫礦山緩傾斜中厚礦體的特點,在沿用不規(guī)則礦柱空場法的同時,1953年進行了留規(guī)則礦柱“普通房柱法”的試驗,經(jīng)對采場構(gòu)成要素、回采順序與作業(yè)方式等的全面論證,1954年該法被定型為回采中厚礦體的基本采礦方法。1958年開始南礦東部薄(1號)礦體回采的試驗研究,先后試驗的長壁法、寬進路扇形眼崩礦和房柱支柱法均不理想,直至1962年11月開始試驗的“桿柱房柱法”獲得成功而定型為薄礦體回采方法。1978年隨著南礦7～11中段薄礦體回采條件的變化,在總結(jié)上部中段回采經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,在11中段進行了縮小采場跨度、兩步回采的“桿柱護頂、砂漿充填采礦法”的試驗并獲得成功,從而取代了“桿柱房柱法”。1965年在探討“三下”采礦方法時,自創(chuàng)兩步回采的“人工壁柱房柱法”,1966年開始試用于南礦6～7中段河床保安礦柱的開采,70年代中期便在錫礦山全面推廣,并相繼試驗成功中深孔采礦和塊石膠結(jié)充填、噴錨護頂高分層回采等工藝。至此建立起由“普通”、“桿柱”、“人工壁柱”房柱法構(gòu)成的房柱采礦法體系。

1.2 創(chuàng)立棋盤式通風網(wǎng)絡實現(xiàn)井下通風自動控制

錫礦山1951年開始機械通風,隨后形成分區(qū)通風系統(tǒng)。根據(jù)緩傾斜礦體的特點,1956年陳秉勤創(chuàng)新的棋盤式通風網(wǎng)絡應用于南礦,井下粉塵濃度大大降低。1958年4月,錫礦山在全國冶金礦山中率先達到粉塵濃度低于2mg/m3的國家衛(wèi)生標準。隨著風(通風)、水(噴霧灑水)、密(密閉)、管(加強管理)、查(檢查)、護(勞動保護)、教(教育)、革(技術(shù)革新)8字綜合防塵措施的落實,井下工作面粉塵合格率逐步提高,1964年達83.5%。為解決井下作業(yè)點分散且生產(chǎn)條件變化頻繁、通風系統(tǒng)管理與控制困難、通風動力浪費與成本高等問題,1979年開始使用微機進行南礦井下通風設(shè)備集中監(jiān)控和礦井風量自動調(diào)節(jié)的試驗研究,并獲得了良好的效果,從而使南礦在20余年內(nèi)實現(xiàn)了通風自動控制。

1.3 首開國內(nèi)金屬礦山“三下”采礦之先河

由于客觀和歷史的原因,南礦地表分布有南煉廠、1號豎井等重要建筑物,且飛水巖河流經(jīng)礦體上部,1956年按規(guī)定劃定了5大保安礦柱并列為禁區(qū),由此極大地限制了礦山生產(chǎn)的發(fā)展。1957年,錫礦山開始探討“三下”采礦課題,1965年自創(chuàng)兩步回采的“人工壁柱房柱法”,在試驗初步獲成功的基礎(chǔ)上,1966年即全面運用于6～7中段河床保安礦柱的回采,直至1971年出現(xiàn)地壓活動才暫時停止,從而開創(chuàng)了我國金屬礦山“三下”采礦的先例。隨后從1973年開始,在長沙礦山研究院的協(xié)同下,進行了8～9中段河床保安礦柱的回采試驗,期間開展了采礦方法及工藝、試采區(qū)采場地壓規(guī)律及其控制方法的可靠性、地表及巖層移動規(guī)律和充填體控制巖層移動的效果等方面的研究,歷時8年的試驗研究,解決了南礦保安礦柱采礦方法問題,論證了“人工壁柱房柱法”的地壓機理和膠結(jié)充填體的力學作用,探索出一種地壓控制方案,取得的科研成果為國內(nèi)金屬礦山首創(chuàng),1981年獲國家冶金科研三等獎。

1.4 持續(xù)地壓控制研究

為了保護南礦地表建筑物和飛水巖河道的安全,1955年和1957年共開辟了3個地表采石場,建立了兩個充填系統(tǒng),對一些老采空區(qū)進行了處理,同時在地表建立了巖移觀測線進行巖移觀測。隨著大規(guī)模采礦生產(chǎn)的進行,井下空場不斷擴大,巖石應力日益集中,以致1965～1971年間在南礦東、中、西部發(fā)生了3次大面積地壓活動,為此分別于1966年和1972年開展了充填殲滅戰(zhàn),同時加強了地壓和巖移的觀測工作。1973年,冶金工業(yè)部將“錫礦山南礦地壓規(guī)律及控制方法”研究列為重大攻關(guān)項目,并明確長沙礦山研究院和武漢冶金安全技術(shù)研究所協(xié)同礦山工作。通過近10年的綜合研究,得出如下成果:地壓產(chǎn)生、發(fā)展及穩(wěn)定的客觀規(guī)律;大面積地壓活動時巖音頻率、礦柱破壞、頂板巖層下沉移動與破壞及地表移動的特征;處理采空區(qū)和改進采礦方法是控制地壓發(fā)生的基本措施。該項成果分別獲湖南省(1978年)、冶金工業(yè)部(1981年)和國家科技成果獎(1985年)。地壓控制的研究至今已持續(xù)了40多年。

2 最近十余年來的科技攻關(guān)

2.1 最終解決了南礦薄礦體回采方案

隨著開采的繼續(xù)深移,南礦13中段以下薄礦體傾角大幅度變陡(達40°～70°),使用桿柱砂漿充填采礦法回采存在著施工困難、作業(yè)不安全和技術(shù)指標差等問題。經(jīng)過幾年的探索,南礦于1989年提出了斜交礦體走向和沿礦體走向布置礦塊的兩種回采方案,后經(jīng)廣泛討論于1991年確定使用沿礦體走向布置礦塊、分層回采的“上向連續(xù)采礦法”付諸試驗,經(jīng)15中段82～84采試驗獲成功,從而最終解決了南礦薄礦體回采方案問題。該試驗于2002年結(jié)束,其成果經(jīng)湖南省科技廳組織專家鑒定,認定是我國難采礦體采礦方法研究方面的一項突破,整體技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平,2003年獲中國有色金屬工業(yè)科技進步二等獎。

2.2 “三下”采礦又有新的突破

6～9中段河床保安礦柱的成功開采,為南礦一號豎井、辦公室等保安礦柱開采提供了借鑒依據(jù)。但南煉廠保安礦柱開采條件更加特殊:

(1)屬典型的淺部“三下”礦體開采(礦體距地表僅20～70m;地表有正在生產(chǎn)的銻冶煉廠)。

(2)開采條件特別復雜(其周圍礦體已采完,使其成為孤島且經(jīng)歷了較長時間采礦的擾動;周圍老采空區(qū)呈復雜的多層結(jié)構(gòu),部分采空區(qū)充填未接頂;有多層礦體需要重復開采),因而其開采難度更大,類似開采條件的“三下”采礦目前國內(nèi)外尚無報道。

為實現(xiàn)南煉廠保安礦柱的安全開采,長沙礦山研究院與錫礦山合作,開展了該保安礦柱開采及其安全監(jiān)控的試驗研究。試驗開采過程中采用了創(chuàng)新的“分區(qū)卸荷,多回次平穩(wěn)沉降”地壓控制方案;實施了控制采場個數(shù)和中部全膠結(jié)、兩翼半膠結(jié)等安全技術(shù)措施;利用地壓監(jiān)測、巖移觀測、爆震測定等安全監(jiān)控手段確保了井下回采和地表建筑物的安全,得出了獨特的巖體聲發(fā)射和巖層移動規(guī)律以及爆破地震波質(zhì)點振動衰減規(guī)律與爆破安全距離等研究成果。該保安礦柱開采試驗至2007年5月結(jié)束時累計回采采場63個,采出礦巖量52.09萬t,充填空區(qū)18.291萬m3,采礦回采率92.45%,礦石貧化率4.83%,為企業(yè)創(chuàng)經(jīng)濟效益6363.667萬元。至此,領(lǐng)先國內(nèi)金屬礦山“三下”采礦的錫礦山保安礦柱開采研究基本結(jié)束。

2.3 難采殘礦回采創(chuàng)新碩果累累

所有礦山開采都會殘留一些礦石未采出。難采殘礦回采是當今采礦界面臨的一個技術(shù)難題。錫礦山超百年的大規(guī)模開采,在已結(jié)束回采的中段保留有大量殘礦。盡可能多的回收這些殘礦,對延長礦山壽命、持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、提高企業(yè)經(jīng)濟效益都有好處。錫礦山1956年開始殘礦回采,直至1992年主要還是回采那些條件好的大礦柱和邊角掃尾礦體,一些難度大的殘礦回采方案未解決,以致年回收殘礦量僅3～4萬t。1993年開始開展難采殘礦回采方案的科技攻關(guān),探索出部分類型的難采殘礦回采方案,2002年以后殘礦回采年產(chǎn)量提高到8～10萬t,最高達13.8萬t。

1993年10月,針對南礦7中段45～51采冒落區(qū)殘留礦石回收方案的探索,南礦相關(guān)的采礦技術(shù)人員創(chuàng)新提出“底盤漏斗自然崩落放礦回收冒落礦石”方案。即在冒落采場底盤沿采場方向布置耙礦道,耙礦道兩側(cè)交錯掘放礦漏斗并擴喇叭口;冒落礦石經(jīng)松動后在其自重壓力下自然崩落至耙礦道,再從耙礦道將礦石耙出。該方案在南、北礦的實施效果較理想,該項科研成果于2002年獲得錫礦山科技進步二等獎。

1998年3月,有關(guān)采礦技術(shù)人員綜合運用兩步回采充填采礦法采場地壓機理、地下采礦應力轉(zhuǎn)移、充填體強度及其力學原理等理論,針對房柱法回采采場留下的盤區(qū)間柱和房間壁柱回采,創(chuàng)新提出“上向小分層回采窄厚殘留礦壁”方案。即按垂高2.5～3m將殘留礦壁劃分為若干個小分層,依次進行上向回采;首先沿礦壁徑向(逆礦體傾向)進行拉底,然后依靠爆破震塌的尾砂及選別出礦留下的廢石回填采空區(qū),在充填體上依次進行挑頂,直至礦壁回采結(jié)束。該方案在南礦6中段1～5采殘留礦壁回采試驗獲初步成功后,1999年在南北礦全面推廣使用。該項科研成果于2003年獲得錫礦山科技進步特等獎。

2004年6月,南礦采礦技術(shù)人員針對南礦西4～7中段部分區(qū)域上下采場(已采并尾砂充填)間的隔層殘礦回采問題,經(jīng)分析與理論論證,創(chuàng)新提出“普通房柱法回采上下采空區(qū)間隔層殘礦”方案。由于隔層殘礦厚度一般小于6m,故采場寬度取6 m,礦柱規(guī)格取4m×4m,采場頂板留2m左右的護頂。該方案經(jīng)南礦7中段57～61采采場頂板(5中段12采底盤)隔層殘礦回采實踐證實可行,2005年開始已在南礦推廣使用。該項科研成果于2006年獲得錫礦山科技進步二等獎。

實踐證明,上述3種難采殘礦回采方案是可行的,實施后使錫礦山近幾年殘采產(chǎn)量得到了很大的提高。截至2009年底,運用上述3種回采方案,已采出殘礦銻含量1.5萬多t,以銻金屬原料市場價格計算,為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益近2億元。由于殘礦回采成績突出,錫礦山2007年榮獲國土資源部“資源利用先進單位”稱號。

2.4 充填工藝得到較大改進

在南礦進入深部中段采礦時,由于尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)存在砂漿輸送濃度低等問題,造成充填體強度較低,以致采礦過程中出現(xiàn)充填體跨塌和片幫,不但增大了礦石貧化,而且?guī)砹税踩[患。為此,2004年對南礦使用尾砂膠結(jié)充填法回采緩傾斜厚礦體進行了一次系統(tǒng)的總結(jié)和技術(shù)論證,對過去尾砂膠結(jié)充填回采厚礦體存在的問題進行了全面的分析,同時對兩步回采方案采場地壓機理、膠結(jié)充填體的力學作用、地壓控制基本模式、尾砂膠結(jié)充填體強度要求以及尾砂膠結(jié)充填成本等方面進行了論證并得出了相應的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上,確定自行設(shè)計對南礦深部充填系統(tǒng)進行易地調(diào)整改造。

南礦深部充填系統(tǒng)改造于2007年4月竣工,經(jīng)過一個月的調(diào)試,2007年6月投入生產(chǎn),至今已有2年多,從運行情況看,效果較理想。系統(tǒng)生產(chǎn)能力大,一班作業(yè)可完成1d的任務,減少用工11人;砂漿輸送濃度提高到60%,為原系統(tǒng)的2倍,減少井下排水18.8萬t/a;極大提高回水利用,達到828 t/d;優(yōu)化了環(huán)境,杜絕了尾砂和廢水下河,砂漿制備站實現(xiàn)粉塵達標排放;提高了裝備水平,運用充填新技術(shù)和新設(shè)備,實現(xiàn)了工藝自動控制,降低了員工勞動強度;大大節(jié)省了生產(chǎn)費用,在減少用工和井下排水,提高回水利用等方面節(jié)省生產(chǎn)直接費用126萬元/a。

根據(jù)南礦深部充填系統(tǒng)改造的成功經(jīng)驗,擬定對北礦充填系統(tǒng)進行同樣的調(diào)整改造,目前已完成設(shè)計并開始土建施工,預計在2010年下半年可建成投產(chǎn)。到那時,錫礦山的充填工藝技術(shù)將得到一個較大的提高。

3 結(jié) 語

錫礦山房柱采礦法體系的創(chuàng)立和諸多難采礦體回采方案等問題的解決,是錫礦山幾代采礦科技工作者心血的凝聚?？茖W技術(shù)永無止境,錫礦山礦山生產(chǎn)中存在的技術(shù)難題同樣難以窮盡,近期亟待解決的問題還有:

(1)兩側(cè)采場未充填的殘留礦壁的回采方案問題,應加速探索,力爭2～3年內(nèi)解決;

(2)南礦淺部5中段以上殘留礦體(含河床)的回采,該項目雖有一定難度,但意義重大不宜久拖;

(3)殘留護頂?shù)V層的回采;

(4)在充填系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上,尋找進一步提高砂漿輸送濃度的途徑,以便提高膠結(jié)充填質(zhì)量。

中、長期應考慮解決或?qū)⒂龅降膯栴}有:

(1)北礦五窿道礦區(qū)安全開采問題;

(2)條件復雜的其它類型的難采殘礦回采;

(3)南礦深部復雜型礦體的回采;

(4)南礦深部開采所遇到的其它(如地壓、通風等)問題。

科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力,技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的動力,且其只有起點沒有終點。錫礦山在今后的礦山生產(chǎn)中必須解決好以上問題,這也是錫礦山年青一代采礦科技工作者義不容辭的職責。

[1]張根深.20世紀錫礦山采礦科學技術(shù)發(fā)展簡史[R].冷水江:錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司,2008.

[2]肖迪民,蘇心德,張根深.錫礦山南礦難采殘礦回采實踐[J].采礦技術(shù),2007,(2).

[3]曹明秋,肖迪民,段正龍.錫礦山南礦61采頂?shù)字鶜埖V回采實踐[J].采礦技術(shù),2007,(2).

2010-03-07)

張根深(1951-),男,湖南新邵人,高級工程師,中國有色金屬學會采礦學術(shù)委員會委員,主要從事采礦工程技術(shù)研究工作,Email:xksfh@163.com。