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自然崩落采矿法技术应用探讨

发布日期:2017-04-12  来源:唐业茂,曾晓文  浏览次数:7922

0  引言

    自1895年自然崩落法在美国试验成功以来,经过100余年的不断发展,目前已在美国、加拿大、智利、印尼、南非、菲律宾等20多个国家的50多座矿山得到了广泛应用。

    自然崩落法包括矿块崩落法、盘区崩落法、倾斜出矿崩落法和前端崩落法,是一种大规模和低成本的采矿方法。其生产能力大,便于组织管理,作业安全,开采成本低,是唯一能与露天开采经济效益媲美的高效地下采矿方法。在不少国家,该采矿方法的工艺已趋于成熟,被广泛地应用于厚大矿体的开采。采用这种方法开采,可以获得比较好的经济效益。

    与其它采矿方法不同,该法无法进行分层凿岩和分步骤的爆破使矿体崩落,仅依靠采场底部的拉底空间使矿体自然崩落。

1  自然崩落采矿法实质及应用背景

    自然崩落法崩落原理是:在易于自然崩落的矿体中,利用矿体本身所固有的节理裂隙分布特征和低强度特性,在矿块底部进行一定面积的拉底,形成矿石冒落的自由面,必要条件下辅以巷道、深孔割帮,削弱矿块与周围矿石及围岩的联系等诱导工程,改变矿体内应力的分布状态,促使矿石按要求逐渐产生破坏、失稳并借助矿体重力场的作用,自然崩落成适宜的矿石块度,达到最终落矿的目的。自然崩落法的采矿模型见图1。

    图1  目然崩落法采矿模型

    Fig.1 The model of present status of block

    caving mining method

    自然崩落法对矿岩物理性质要求较高,在应用时对矿体开采技术条件的要求相当严格,需要很高的生产管理水平,而且应用这种方法比使用其它方法更具风险性。

    在决定采用自然崩落法之前,应该考虑以下参量及其影响因素。这些参量对各种自然崩落都是相同的,任何形式的自然崩落法都需要考虑这些参量:矿石可崩落性;一次崩落块度;放矿点或放矿带问距;放矿高度;出矿巷道布置(出矿系统);岩爆可能性;回采顺序;拉底顺序;崩落扰动应力;拉底凿岩爆破;出矿系统布置、回采顿序;出矿系统稳定性;韧次支护要求;实际出矿系统尺寸;放矿方法;放矿速度;放矿点相互影响;放矿柱状体应力;二次块度(到达放矿口的块度)分布;二次爆破;放矿能力;支护检修;矿石回收率;地表陷落。

    如何利用岩体自身特性,利用地应力,利用工程控制来进行自然崩落是岩石力学在采矿中的具体应用,也是自然崩落法的技术关键。

2  自然崩落采矿法存在的主要问题

    过去,易于崩落和破碎的矿体才考虑用自然崩落法开采,由于能够对矿体的可崩性和破碎块度进行更确切的评价,铲运机变得唾手可得,对放矿控制过程规律的了解更深入,拥有适当的二次凿岩爆破设备,并掌握了可靠的成本数据,使得天然块度大的稳固矿体能够采用比凿岩爆破方法成本低得多的自然崩落法开采。

    采矿工程实践表明,自然崩落法是具有较大风险的一种采矿方法。一旦自然崩落法的工程布置完工,几乎没有更改的余地。直至目前,国内外采矿界对该采矿方法仍处于研究和探索之中。

    采用自然崩落法的矿山需要确定以下要素:矿体可崩性、块度分布,适应不同矿体类型的放矿模式、放矿点或放矿带间距、出矿系统设计、拉底顺序和支护设计。详细了解局部和区域地质构造、使用能描述岩体特性的公认的岩体分类方法,了解区域和扰动应力状态,对于制定采矿计划是必备的。

    自然崩落采矿法潜在的主要问题有以下几个方面:

    1)地质资料。地质数据的局限性和不准确性是导致自然崩落法采矿风险的因素之一。

    2)矿岩体数据。地质勘探钻孔资料反映的是整个矿体的“线”信息,根据对有限个钻孔的“几孔之见”进行综合分析,建立反映整个矿床地质模型是采矿设计最关键的一步。

    3)矿岩崩落的连续性。矿岩崩落的连续性主要取决于矿块拉底面积、拉底方向、拉底速率、矿岩体的稳定性、岩体结构特征以及放矿控制决策等多种因素。

    4)崩落块度。矿石的块度决定放矿漏斗尺寸和放出体形态,直接关系到放矿间距、设备选型和生产能力‘引。

    5)底部放矿结构。放矿工作完成得好,矿石能顺利放出,矿山就能充分利用自然崩落法低成本的巨大优势,获得好的经济效益。

3  典型案例分析

    我国中条山有色属公司矿峪矿系大型斑岩铜矿床,矿体赋存于中条山北段下元古界降县群铜矿峪变质火山岩的中上部,为火山—气液成因的沉积变质铜矿床。矿区围岩为绢云母石英片岩、绢云母石英岩、石英绿泥石片岩及含矿岩石非含矿部分。含矿岩石为变质花岗闪长斑岩和基性侵入体。矿体和围岩产状大致一致,走向北东倾向北西,呈似层状或透镜状产出。铜矿峪矿曾是一个“一大二贫”的铜矿山,矿床工业类型为火山气液成因的变质斑岩型铜矿床。矿区地质储量3.2亿t,金属储量200多万t,平均地质铜品位0.67%,伴生金、只能在阳极泥中部分回收,其他无回收经济价值。

    铜矿峪矿1958年2月开始建设,1975年正式投产。原采用有底部结构分段强制崩落采矿法,年生产能力只有80万t,采矿成本高,亏损严重。

    从1985年起,铜矿峪铜矿在中硬、节理中等发育的5号矿体进行全面连续自然崩落法的研究和现场应用,采用与美国Climax矿相类似的指状漏斗电耙出矿的方案进行自然崩落法开采试验。经过“矿块崩落法技术与装备研究”等项目的科研攻关,从1989年10月份开始进行了现场试生产。生产实践表明,矿体的自然崩落性能比预计的好,只是崩落的块度较大,放矿卡斗现象严重,试生产初期的回采效果不理捅。(见图2)

  图2采区回采顺序

Fig.2 The mining sequence

    铜矿峪矿自然崩落法首采区的拉底工作于1989年10月份开始,为确保初始崩落和持续崩落,拉底严格遵循了由NE向SW推进原则,拉底“开刀”的部位选在矿体东部地质构造密集的四类岩区及部分三类岩体中进行,以后逐步扩展。

    观察分析表明,在矿体节理裂隙并不发育、中等强度的条件下,应用漏斗结构电耙出矿的采矿方案,大块率高、卡斗严重是正常现象。若借鉴国外成功经验,改用堑沟式结构、无轨设备出矿道出矿的自然崩落法方案,出矿口的面积将增大几倍,可提高大块块度标准,降低大块率。同时,无轨设备出矿灵活,有利于控制放矿,提高采场生产能力。

    铜矿峪矿后经不断在技术和生产管理上改进,并在国内首次应用自然崩落法进行高中段大面积覆盖岩下放矿管理,已取得了重大进展。从1989年末自然崩落法采区投产以来,铜矿峪矿矿石量以平均每年40万t的梯度递增,现已达到年产量400万t,虽与世界最大生产能力日产量11.2万t的智利特尼恩特矿仍有较大差距,但在我国地下金属矿开采中已属规模最大,也是我国唯一大规模成功应用自然崩落法的矿山。

4   应用展望

    自然崩落法自从1895年在美国Pewabie矿问世以来,迄今已有100多年的历史,国际采矿界积累了丰富经验。

    我国在20世纪60年代才开始酝酿运用自然崩落矿山的应用。铜矿峪矿应用自然崩落法进行高中段大面积覆盖岩下放矿管理,在国内尚属首次,唯一可借鉴的只有国外一些特大型矿山生产管理的经验,这种采矿方法在目前很大程度上还存在于经验的基点上。这就需要更多的人不断去探索,使之更趋于理性程序化,人们更容易去掌握它。自然崩落法的试验、生产在我国仅仅是刚刚开始,鉴于实践经验的不足和管理水平的落后,矿山不能盲目地选择应用自然崩落法,而要根据矿山的实际情况,慎重研究分析是否可用该法。

  

 

 

 

  参  考  文  献

[1]杨殿.金属矿床地下开采[M].长沙:中南工业大学出版社·1999.

[2]  郭金峰.我国地下矿山采矿方法的进展及发展趋势.矿业酽究与开发[J]金属矿山,2000(2):4—7.

[3]张树茂.铜矿峪矿自然崩落法回采初实践[J]金属矿山,2003(2):12—14.

[4]  申元红.铜矿峪矿自然崩落法的放矿管理[J].有色金属(矿山部分)2007.59(5):14—17.

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