目前我國露天礦采出的鐵礦石占90%,有色金屬礦石約占50%。地下開采在我國金屬礦山占有很重要的地位,特別是在有色金屬和黃金系統 90% 以上礦山均采用地下開采。我國金屬礦產資源貧礦多,富礦少,小礦多,大型、特大型礦少,礦產資源缺口嚴重,如果金屬礦開采技術得不到迅速發展,將會嚴重制約國民經濟的健康發展。因此,礦山采礦技術的研究就顯得尤其重要,該文從露天開采、地下開采、環境控制等方面對我國金屬礦山技術現狀進行了論述,探討了金屬礦山采礦技術的發展趨勢。
1 露天開采[1]
20世紀50年代以來,露天開采在采掘工業中一直占有主導地位。2000年全世界露天采礦總量達280億t,占采出礦石總量的80%以上,目前,我國鐵礦石產量的90%是用露天開采的。
1.1 露天陡幫開采
上世紀 60 年代前蘇聯學者提出了陡幫開采理論。自 70 年代以來, 我國金屬礦山開始進行陡幫開采工藝的試驗研究。陡幫開采初期剝離量小、基建工程量少、建設周期短,因此,“八五”期間, 陡幫開采被列入國家科技攻關項目,并在南芬露天礦開展了大規模的工業試驗,為我國大中型露天礦的技術改造和新建、擴建提供了實踐經驗。目前我國金堆城、紫金山、眼前山等礦山都采用陡幫開采。
1.2 間斷一連續開采
間斷一連續開采工藝是在工作面用電鏟裝載礦石,經汽車運輸和破碎機破碎后,用膠帶運輸機 將礦石運出采場。這種工藝有利于發揮汽車和膠帶機的優點, 適合于深凹露天礦開采。自20世紀80 年代開始,我國先后在大孤山、東鞍山等鐵礦和德興銅礦應用該開采工藝。1997 年齊大山鐵礦通過引進,建成了采場內可移動式礦巖破碎 - 膠帶運輸系統,標志著我國深凹露天礦開采工藝進入了世界先進水平。
1.3 高臺階采礦
隨著露天開采設備大型化,國外一些礦山研究并采用高臺階開采工藝。我國對高臺階開采技術的研究起步較晚,采用高臺階開采的露天礦不多,臺階高度最大也只有14~15 m。近幾年來我國大型露天鐵礦裝備水平有了很大提高,采用 10 m3 以上的大型挖掘設備逐漸增多,為高臺階開采新工藝的實施提供了有利的技術保證。
1.4 露天采礦裝備
我國露天礦山從裝備水平看,大致可分為 3 種類型: ①小型礦山裝備單一、型小,不配套,一些工序至今仍采用手工體力勞動; ②中型及個別大型礦山機械化程度較高,但設備陳舊落后,效率不高; ③少數大型礦山采用進口或國產的現代裝備,如牙輪鉆機、電動輪汽車、大斗容挖掘機、大功率推土機等,配套組成高效率生產作業線。
1.5 穿爆技術
我國露天礦目前主要采用潛鉆和牙輪鉆鉆鑿炮孔進行爆破。應用擠壓爆破、微差爆破、孔內微差爆破、大爆區微差爆破等技術,解決了難爆礦巖的破碎塊度問題和爆破減振問題。
1.6 露天地下聯合開采、露天轉地下開采技術
我國正在進行露天轉地下開采的礦山或露天與地下聯合開采的礦山, 如廣西的大新錳礦、河北的建龍鐵礦、福建的連城錳礦、河南的銀洞坡金礦、安徽的新橋硫鐵礦、銅山銅礦和鳳凰山銅礦、吉林板石溝鐵礦等。取得了大量成功經驗。
2 地下開采
近年來,我國地下金屬礦山采礦技術研究亦有較大發展,主要體現在以下幾個方面。
2.1 無廢開采技術[2]
所謂無廢害采礦,就是最大限度地減少廢料的產出、排放,提高資源綜合利用率,減輕或杜絕礦產資源開發的負面影響的工藝技術。采礦無廢料工藝技術在前蘇聯、德國、加拿大、美國等國家均得以應用。例如前蘇聯亞美尼亞黃金生產聯合公司在井下硐室中建設選礦站,原礦直接運到井下選礦站的礦倉貯存候選,選礦廠的尾礦經脫水和借助化學材料混合后直接用管道輸送到采空區充填,一步驟礦房的充填體為膠結充填, 二步驟礦房的充填料不固結。節約了大量的礦石運輸費用和尾礦返回到井下采空區的充填費用,凈化了地表的環境。德國格隆德礦的膏體泵送全尾礦充填技術,加拿大的多姆金礦經高效脫水后的高濃度尾礦充填技術均是采礦無廢料生產工藝的成功應用實例。國內冶金礦山做得比較好的礦山是馬鋼姑山鐵礦和新疆雅滿蘇鐵礦。姑山鐵礦一方面進行邊坡穩定性研究, 盡量提高邊坡角, 盡可能少地采出廢石量, 另一方面將采出的廢石代替粘土,燒制建筑用磚,采出的片石作為建筑石料, 選礦尾礦按不同粒級,用作各種建筑石料, 基本做到了少廢或無廢。雅滿蘇鐵礦方面充分回收礦石的各種有用組分,另一方面, 將最終尾礦經分級脫水處理后,燒制成水泥,充分利用了所有資源,處理了全部采出的固體廢料,實現了礦山的無廢開采。
2.2 大規模采礦技術
大規模采礦技術的核心是大直徑深孔崩礦技術。VCR 法、分段崩落法以及階段崩落法、分段空場法、階段空場法及其嗣后充填法都屬于大規模開采方法。我國20 世紀 60 年代開始使用分段崩落法,80 年代分段崩落法已成為金屬礦山的主要采礦方法,無底柱分段崩落法得到廣泛應用。
2.3 金屬礦連續開采技術
金屬礦連續開采是以間斷—連續崩礦為基礎,以連續出礦、運礦設備為主體的連續開采作業線。我國在“七五”“八五”“九五”期間, 在銅陵研究探索區域連續大量采礦工藝技術,提出以礦段為回采單元的連續大量采礦工藝模式,即“無間柱連續大量采礦”技術。地下金屬礦山連續開采主要包括: 礦房的連續回采、礦體( 床) 的連續開采、礦石的連續運送及全工藝過程的連續化。即回采過程中落礦、出礦、礦石運搬工藝的連續作業化; 井下礦石的轉載、運輸、提升等環節礦石的連續化; 掘進、落礦、出礦、運搬、運輸等全工藝過程的連續化。
3 采礦環境控制[3]
保證采礦作業有一個安全、適宜的環境,是采礦環境控制工程的研究目標,目前己經成為現代化礦山不可缺少的一個組成部分。
3.1 巖體支護與加固
現代支護理論認為圍巖與支護結構應視作統一的復合承載體,在這個共同支護體系中圍巖是承載的主體,支護作為加固和穩定圍巖的手段。基于這種理論觀點,以錨桿支護、錨噴支護為代表的現代支護技術得到迅速發展。目前錨桿支護、錨噴支護、長錨索加固等技術己成為我國金屬礦山圍巖加固最基本、最主要的支護技術。錫鐵山鉛鋅礦和凡口鉛鋅礦采用這一支護技術成功擴大了分段空場法和大孔采礦法的采場規模。金川鎳礦、符山鐵礦和豐山銅礦采用這一技術成功地在高地壓區和松軟巖層中開挖掘進了大斷面巷道。我國自上世紀 70 年代開始進行邊坡加固研究工作,總結出加固邊坡的 5 種主要方法: ①抗滑樁加固;②擋土墻加固; ③錨桿、錨索加固; ④注漿加固; ⑤各方法相結合的綜合治理方法等。白銀露天礦于 70 年代中期采用抗滑樁加固坡腳、錨桿加固坡面的綜合治理措施處理滑坡體獲得成功; 石錄銅礦 80 年代采用半掩埋式抗滑樁加固了長為 120 m,垂高高度 16 m 的滑體; 90 年代會東鉛鋅礦采用 6 座高強抗滑樁和 196根 34 ~36 m 的預應力長錨索組成的抗滑樁、長錨索、錨桿聯合加固方式,成功地加固了山坡露天礦高邊坡上的35萬m不穩定巖體。
3.2 巖移監測預報
我國于上世紀 60 年代開始自行研制監測儀器,如用于地下金屬礦山井巷變形監測的 SLL280型收斂計、CBS22 型和 WRN23 型多點位移計等,以及用于巖層移動監測方面的鉆孔超聲成像、鉆孔電視和鉆孔潛望鏡等。80 年代以來, 由于遙控技術和計算機技術的發展及其在巖移監測預報中的應用,使巖移監測預報技術進入一個新的階段。特別是 90 年代隨著集成電子技術的發展, 礦用監測儀器向便攜式小型化、智能化、高精度、多功能、多層次方面發展, 例如全站型測量儀、聲發射儀。尤其是近年發展起來的“3S”技術, 將使金屬礦山( 特別是大型露天礦邊坡) 的巖移監測實現遙控全天候監測。
3.3 礦山防治水
金屬礦山防治水是上世紀50年代以后逐漸發展起來的一門綜合性學科,其研究對象為礦床水文地質條件和防治水技術方法。50~60年代,我國借鑒前蘇聯的經驗,主要開展了礦床水文地質分類和礦坑涌水量預測方法研究,防治措施以單一的疏干排水為主。70年代,長沙礦山研究院在水口山鉛鋅礦進行了大型截流帷幕試驗,采用長560m、深250m的大型注漿帷幕堵水,其堵水率為 55% ,達到減少礦坑涌水量和控制地面塌陷的雙重效果。此后,先后在張馬屯鐵礦、黑旺鐵礦、冬瓜山銅礦和銅綠山銅礦應用,使一些巖溶大水礦床得以安全開采。與此同時,物探技術開始較廣泛地應用于掘進工作面前方含水構造的預測預報,井下局部注漿堵水開始大量應用。進入 80 年代后,同位素示蹤試驗和計算機模擬技術開始應用于礦區水文地質條件的研究,并在三山島金礦取得了良好的效果。目前,我國的礦山防治水技術已開創了一條防治并舉、疏堵結合的綜合防治道路。
3.4 礦井通風
我國金屬礦山在上世紀50年代以前基本是自然通風,工作面氣候條件十分惡劣。自50年代在華銅銅礦建立第一個機械通風系統,開始由自然通風向機械通風的技術改造。60~70年代開始探索有效的通風方式,并在礦山建立了比較完善的通風系統。80 年代推廣節能風機, 取代了能耗高的老式風機; 同時推廣多級機站通風系統, 并使通風網絡控制實現優化,功耗最小。90 年代后期, 凡口鉛鋅礦為通風機配備了高壓變頻裝置,節省電耗40%。目前,電子計算機在通風系統設計、計算和管理中的應用,使金屬礦山通風正向現代化邁進。