金属采矿新工艺.ppt

金属采矿新工艺,宋卫东教授,金属矿山采矿技术发展趋势,复杂难采矿体开采技术现状及展望,地下金属矿山开采技术新进展,露天金属矿山开采技术新进展,目录,1 露天金属矿山开采技术新进展,20世纪40、50年代以来，露天开采在采掘工业中一直占有主导地位。2000年全世界露天采矿总量达280亿t，占采出矿石总量的80%以上，目前，我国铁矿石产量的90%是用露天开采的。图1为深部露天矿开采图。,图1 深部露天矿开采图,1 露天金属矿山开采技术新进展,露天开采技术,间断连续开采,露天陡帮开采,穿爆技术,露天采矿装备,高台阶采矿,1 露天金属矿山开采技术新进展,1.1露天陡帮开采 上世纪60年代前苏联学者提出陡帮开采理论。自70年代以来，我国金属矿山开始进行陡帮开采工艺的试验研究。“八五”期间，陡帮开采被列入国家科技攻关项目，并在南非露天矿开展了大规模的工业试验，为大中型露天矿的技术改造和新建、扩建提供了实践经验。陡帮开采初期剥离量小、基建工程量少、建设周期短，现已在我国大冶铁矿、金堆城、紫金山、眼前山等露天金属矿山得到推广应用。,1 露天金属矿山开采技术新进展,1.2间断连续开采 间断连续开采工艺是在工作面用电铲装载矿石，经汽车运输和破碎机破碎后，用胶带运输机将矿石运出采场。该工艺有利于发挥汽车和胶带机的优点，适合于深凹露天矿开采。自20世纪80年代开始，我国先后在大孤山、东鞍山等铁矿和德兴铜矿应用该开采工艺。1997年齐大山铁矿通过引进，建成了采场内可移动式矿岩破碎胶带运输系统，标志着我国深凹露天矿开采工艺进入了世界先进水平。,1 露天金属矿山开采技术新进展,1.3 高台阶采矿 随着露天开采设备大型化，国外一些矿山研究并采用高台阶开采工艺。我国对高台阶开采技术的研究起步较晚，采用高台阶开采的露天矿不多，台阶高度最大也只有1415m。近几年来我国大型露天铁矿装备水平有了很大提高，采用10m3以上的大型挖掘设备逐渐增多，为高台阶开采新工艺的实施提供了有利的技术保证。,1 露天金属矿山开采技术新进展,1.4露天采矿装备 我国露天矿山从装备水平看，大致可分为3种类型：小型矿山装备单一、小型，不配套，一些工序至今仍采用手工体力劳动；中型及个别大型矿山机械化程度较高，但设备陈旧落后，效率不高；少数大型矿山采用进口或国产的现代装备，如牙轮钻机、电动轮汽车、大斗容挖掘机、大功率推土机等，配套组成高效率生产作业线。,1 露天金属矿山开采技术新进展,1.5穿爆技术 我国露天矿目前主要采用潜孔钻和牙轮钻钻凿炮孔进行爆破。应用挤压爆破、微差爆破、孔内微差爆破、大爆区微差爆破等技术，解决了难爆矿岩的破碎块度问题和爆破减振问题。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,地下金属矿山采矿技术新进展,原地溶浸采矿工艺,无废开采技术,金属矿连续开采技术,大规模采矿技术,胶结充填采矿技术,深井采矿技术,2 地下金属矿山采矿技术新进展,2.1无废开采技术 采矿工业在为国民经济建设提供原材料的同时也会扰动环境、破坏生态和浪费资源，并已成为全球性的严峻问题。无废开采由于不产生废弃物，充分利用矿产资源，提高企业的经济效益，避免废弃物对环境造成污染和危害，已成为国内外采矿的主要发展方向。南京铅锌银矿成为我国有色矿山第一个无废开采的矿山,铜绿山矿的深部地下开采也将实现无废开采。冬瓜山铜矿和会泽铅锌矿的深部开采正按无废开采模式进行设计和建设。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,无废开采模式遵循原则,1,矿床无废开采模式遵从工业生态学观点,以采矿活动为中心,将矿山人文、生态、资源和经济环境相互联系起来,构成一个有机工业系统,3,在采矿活动结束后,通过最小的末端治理使矿山工程与生态环境融为一个整体,2,在采矿过程中,以最小的排放量获取最大资源量和企业经济效益,2 地下金属矿山采矿技术新进展,矿床开采给矿产资源和生态环境带来的负面效应主要有4大危害源:资源损失、地表塌陷、排放废石、排放尾砂(赤泥)。无废开采模式将结合矿床开采工艺控制和消除危害源(见图2),图2矿床开采危害源控制流程,2 地下金属矿山采矿技术新进展,无废开采主要进行以下几个方面的工作,1,回收难开采的低品位矿石或表外矿、矿床中伴生组份，综合利用采矿废石和尾矿,2,废石和尾矿用作建筑材料，一些矿山将某些添加剂加入尾砂来制作瓷砖，废石直接作为筑路材料,3,废石和尾矿用作充填材料，特别是块石胶结充填和膏体全尾砂充填技术的发展大大提高了废石和尾矿的利用率,2.2 胶结充填采矿技术,充填采矿工艺对于提高矿产资源的回采率和保护地表不受破坏具有十分显著的效果,但如何使充填采矿工艺与矿床开采条件有效匹配,实现高效率、高产能,并且降低采矿成本,一直是个难题,制约了充填采矿工艺的推广应用,随着高分层充填采矿、分段充填采矿和阶段深孔采矿嗣后充填等工艺和技术取得重大进展,有力促进了充填采矿法的推广应用,2 地下金属矿山采矿技术新进展,2 地下金属矿山采矿技术新进展,盘区高分层充填采矿技术 分层充填采矿工艺应用范围较广,但分层高度一般在23 m左右,使得分层采矿法的生产能力和生产效率较低。成功应用于凡口矿的高分层充填采矿工艺的分层高达到4.55m,为应用大型无轨采矿设备创造了条件,标准盘区(3个采场)的生产能力达到840t/d,显著提高了生产能力和生产效率。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,盘区机械化高分层充填采矿法沿矿体走向布置采矿盘区(见图3),盘区内划分为矿房、矿柱采场。一步骤回采矿房,采后尾砂胶结充填;二步骤回采矿柱,采后尾砂充填。通过无轨机械化上向凿岩采矿工艺、分层采场一次微差爆破与界面控制爆破技术,凿岩、装药、运料、撬毛、顶板管理、出矿和二次破碎全盘大型无轨机械化配套作业,实现分层充填采矿法集中强化采矿。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,图3盘区机械化高分层充填采矿法,2 地下金属矿山采矿技术新进展,分段充填采矿技术 充填采矿法通常采用分层回采方式,但下向分层法的充填成本高,而上向分层法要求矿体稳固性较好。分段充填法将暴露面积较大的分层采场转变为椭圆状多边形断面结构,大幅度缩小了采场暴露面积,因而可以在矿体不太稳固的条件下实行高效率充填采矿。该工艺可以实现无矿柱连续开采,可以在难采矿体条件下实现安全、高效、低耗采矿。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,分段充填采矿法结合丰山铜矿开发成功,将采矿中段划分成分段,在各分段布置采场单元进行采、出、充作业(见图4)。分段采场垂直矿体走向布置,可在中段内呈梯状多分段布置采场。回采与充填作业在分段采场内按采矿步距交替进行。在巷道内进行凿岩、出矿和充填作业;上向中深孔挤压充填体爆破,形成采空区后立即进行胶结充填。台车凿岩、铲运机出矿和运料充填,推卸式铲运机充填接顶,实现采、出、充作业全盘无轨机械化。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,图4分段胶结充填采矿法方案,2 地下金属矿山采矿技术新进展,高阶段大直径深孔嗣后充填采矿技术 大直径深孔采矿由高效率的落矿技术与阶段嗣后充填工艺相结合,既发挥了充填采矿法的优点,又能实现高效率、大规模地下采矿。在安庆铜矿成功采用120m高阶段大直径深孔采矿工艺。该采矿工艺采用了大孔距小抵抗线爆破、小断面VCR法掏槽、倒梯段侧向崩矿、水孔排水气囊和水孔装药工艺,很好地解决了大直径深孔爆破中的技术难题。,2.3 深井采矿技术,金属矿山正在逐步进入深井开采,红透山铜矿、冬瓜山铜矿、凡口铅锌矿和金川镍矿等矿山的开采深度已接近或超过1000m。深部开采存在着高地应力、高井温等特殊的开采技术条件,使采矿作业遇到了一系列技术难题。高地应力还往往引发采场冒顶坍塌、巷道失稳和岩爆灾害,严重威胁人员、设备安全;井下高温损害工人健康,降低劳动效率,急剧增加通风成本。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,全尾砂充填技术,2 地下金属矿山采矿技术新进展,矿山安全保障技术,深部开采条件重构理论与技术,深井采矿技术,开采条件重构是指通过一定的技术和工程改造原有开采技术条件,创造合适的开采环境,使之有利于采用高效的采矿工艺和实现安全生产。,深部开采安全保障理论与技术是针对深部矿床开采条件,以保障安全生产为目标的关于开采环境评价、矿山地压监测、地压灾害预报及防治的理论与技术。,2.4 大规模采矿技术,VCR法、分段崩落法以及阶段崩落法、分段空场法、阶段空场法及其嗣后充填法都属于大规模开采方法。大规模采矿技术的核心是大直径深孔崩矿技术。我国20世纪60年代开始使用分段崩落法，80年代分段崩落法已成为金属矿山的主要采矿方法，无底柱分段崩落法得到广泛应用。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,2 地下金属矿山采矿技术新进展,（1）简化分段崩落法、大直径深孔空场法底部结构，增大结构参数以及采用低贫化放矿或无贫化放矿理论来改变典型的分段崩落法布置方案和传统的漏斗放矿理论。增大结构参数将大幅度地减少采掘工程量，增大了一次崩矿量，提高采矿强度，降低矿石成本，提高矿山的经济效益。由于增大进路间距具有较强的可操作性，易于推广应用。目前程潮、桃冲、板石沟、北铭河等矿山都应用了该技术，具有重要的实践意义。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,（2）设备的液压化、大型化、自动化。大直径深孔落矿空场法大孔径高压潜孔钻机、装药台车、高精度控制爆破器材、移动式液压破碎机、遥控铲运机、皮带运输机及大型地下矿运输汽车等在很多大型矿山都得到了应用。,2.5 金属矿连续开采技术,金属矿连续开采是以间断连续崩矿为基础，以连续出矿、运矿设备为主体的连续开采作业线。我国在“七五”、“八五”、“九五”期间，在铜陵研究探索区域连续大量采矿工艺技术，提出以矿段为回采单元的连续大量采矿工艺模式，即“无间柱连续大量采矿”技术。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,2 地下金属矿山采矿技术新进展,地下金属矿山连续开采主要包括：,2.6 原地溶浸采矿,地下溶浸采矿经过多年研究与工业试验,已在多家矿山得到应用,使我国地下溶浸采矿技术进入了工业应用阶段。针对铜矿峪铜矿的氧化矿,成功地实现了3.5万t铜矿石的原地溶浸采矿,开发形成了“孔网布液,静态渗流,注浆封底,综合回收”的一套技术,取得就地浸出的重大突破,填补了我国地下溶浸采矿技术的空白。,2 地下金属矿山采矿技术新进展,2 地下金属矿山采矿技术新进展,在武山铜矿进行的钻孔原地溶浸采矿试验,其试验矿块矿量1.5万t,平均品位1.2%,氧化率63%。注液孔间距68m,经过5a的系统试验,探索了适应于原地钻孔浸出的生产工艺与技术参数。钻孔浸出指标为:浸出液浓度2.5g/l,浸出率68%,集液率85%,萃取率95%,电积率98%,综合回收率53.8%。该技术的试验成功,使该矿列为表外矿的400多万t氧化矿能够得到利用,从而扩大了可采资源量。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,我国的矿山开采以地下开采为主。据对1173家国有大中型矿山调查，地下开采矿山数量占68.89%。目前，我国已查明铁矿产地1834处，累计探明铁矿石储量504.78亿t，扣除历年来的开采和损失，尚有保有储量443.47亿t。2003年全国地下铁矿石产量4430万t/a，其中难采铁矿石产量1500万t/a，占总产量的34%。据统计，我国尚有各类地下复杂难采铁矿石储量约85亿t，上述总储量中属形态复杂多变型和矿岩不稳固型的储量占大多数。在16座重点铁矿山中，属难采矿山的占1/3。,3.1 目前难采矿体的类型与特点,20世纪80年代以来,矿产资源的消耗量增加，同时我国采矿技术也得到提高,以前认为不能开采的、开采价值不高的矿体纷纷上马开采,部分20世纪六、七十年代建设的矿山相继进入深部开采,部分露天开采矿山转入地下开采,一些国有矿山周边民采乱采滥挖留下了大量的不明采空区,成为影响矿山安全生产的最主要的危害源之一,带来开采中出现一些新的技术难题,出现新的复杂难采矿体。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,新的复杂难采矿体主要有：,3.2复杂难采矿体开采中存在的主要问题,开采方法问题 由于矿床赋存条件复杂,矿体开采受多种因素限制,边界条件多,可供选择的采矿方法受到限制,采矿效果较差。地压灾害问题 复杂难采矿体地压环境一般比较复杂,特别是深井矿床,采场地压、区域地压等变化强烈,经常发生局部或区域性的地压灾害,致使岩层控制及采空区处理困难,甚至某些矿山因大规模的地压活动影响地表建构筑物的安全。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,开采顺序及采场结构参数 由于该类型矿体开采工程地质环境较差,在采场布置方式、采场参数选择上较为困难,致使矿石开采效果指标较差;并可能由此而造成矿山地质灾害事故的发生。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,资源利用效果不理想 由于目前该类矿体开采没有较为成熟、可行的技术,开采时造成了大量的矿产资源浪费,而且该类矿体一旦进行了开采并造成资源丢弃后,基本上无法再进行回收,其资源的损失将是永久性的。边坡及地压问题 露天开采留下的高大边坡以及露天转地下开采衔接时出现的边坡稳定性、巷道地压问题以及暂留底柱的稳定性问题。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,地下水灾害问题 我国矿山地下水灾害非常严重,其主要表现形式为突水淹井、海水入侵、地下水水位下降、产生井下泥石流等。地表塌陷危害性问题 松软破碎矿体开采,最终将形成采空区影响到地表的破坏。如程潮铁矿东区自1958年基建以来,受地下开采及地下水疏干等因素的影响,在地表已产生十几个塌陷坑和错动区;鲁中冶金矿业集团公司的小官庄铁矿因井下开采引起地表塌陷变形,导致主副井井筒变形影响正常生产。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,对地质和自然环境的破坏日趋严重 采矿形成大量的采空区,如不及时进行充填,可造成地表塌陷、山体崩塌,财产和生命遭受损失;采矿导致区域性水位下降,地表水和地下水动态平衡系统遭到破坏,以致水源枯竭和河水断流,地表沉降,对人们的生活和农业生产造成不良影响;自然景观、地形地貌、土地山林也受到破坏。此外,废石与尾矿堆置需要投入大量的建设资金和运营费用,使矿山企业经济效益下降。,3.3复杂难采矿体开采技术现状与发展趋势,深井岩爆发生机理与防治技术,地表沉降、塌陷防治技术,地下水灾害防治技术,露天转地下开采技术,1,2,3,4,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,深井岩爆发生机理与防治技术 在岩爆发生机理研究方面,国内外着重对岩石的岩爆特性和产生岩爆的应力条件进行了较多的研究,并取得了一系列成果。通过实验室试验,从微观结构上和声发射特征等方面可以判定岩石是否具有岩爆性质,并划定岩爆可能性等级。结合岩石所处的应力状态,判定岩石是否会发生岩爆。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,在岩爆防治工程应用方面,主要对采矿引起的应力集中和能量聚积原因,以及如何防止应力在局部高度集中和阻止岩爆发生,开展了初步的探索和实践。如优化采矿顺序和采场结构形式防止围岩岩体和待采矿体中出现大的应力集中,采用充填方法充填采空区缓和应力集中程度和岩爆造成人员伤害。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,地表沉降、塌陷防治技术 采矿引起的地表沉降塌陷主要是由于采空区塌陷造成的。金属矿山矿体开采多属于非充分开采,地质条件复杂多变,地表沉降、塌陷多具有局部性、突然性、随机性,规律性较差。对崩落采矿引起的地表沉降,着重研究了地表沉降随地下采矿的推进、扩展而发展变化的规律,以及沉降量与采矿下降延深的关系,预测未来采矿形成的地表沉降范围等;,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,对空场法采矿形成采空区而引起的地表沉降,着重对采矿可能引起的地表沉降动态进行监测、预警,防止突然垮冒危及地表人员与设施安全。研究手段主要有地表水准测量、数值模拟计算分析、室内物理模型试验、经验类比等。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,地下水灾害防治技术 地下采矿引起的地下水灾害,包括地下突水和地下水位下降两个方面,以及由此造成的淹井和井下泥石流事故、地表沉降塌陷和地表生态破坏等。例如,1994年底铜陵冬瓜山铜矿井筒在施工中多次被突水淹井;2000年广西南丹矿发生特大突水事故;山东莱芜矿谷家台二矿区1999年发生的特大井下涌水事故;湖北程潮铁矿、江苏梅山铁矿曾多次发生井下泥石流事故;等等。,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,采矿过程中地下水的运移规律和突水机理研究,工作面及矿井涌水量预测,老窿与岩溶水探测设备与技术,D,裂隙或构造带涌水通道堵截技术及材料,国内外在地下水灾害领域的研究工作主要有：,3复杂难采矿体开采技术现状及展望,露天转地下开采技术,露天转地下开采是一项庞大而复杂的系统工程,实践表明,各矿山在实施这一工程时有许多共同的安全问题和采矿技术问题。,4 金属矿山采矿技术发展趋势,人类进入21世纪以来，采矿科学技术依然按照其自然发展规律进行着，某些成熟的技术和新的理念已初露端倪，可能对21世纪的中期采矿技术带来巨大的影响。4.1 采矿设备大型化、自动化和智能化 采矿设备发展的总趋势是采矿设备的愈加完善和更加可靠，生产率在不断提高。采矿装备的发展特征是设备成龙配套，机械化程度高；装备无轨化、液压化、自动化程度高；装备技术成熟，已成功地引进了无人驾驶、机器人作业等新技术。,4 金属矿山采矿技术发展趋势,4.2凿岩、爆破发展趋势 近年来，在凿岩和爆破领域最主要的进步是提高了凿岩速度和凿岩的精确度，并且开发了可由用户设计和现场加工的炸药。凿岩设备将持续向自动化和遥控方向发展。使用自动化遥控设备除可以提高凿岩效率外，由于炮孔凿岩精确度的提高，爆破破碎质量也大为提高，同时也显著地提高凿岩作业的安全。,4 金属矿山采矿技术发展趋势,4.3 生产安全不断提高，采矿系统日趋完善,完善采场结构参数。根据采矿装备状况和开采技术条件，逐步扩大采场结构参数，提高采矿强度，降低单位采切工程量和矿石损失贫化指标，提高矿山的经济效益。,开采监控手段现代化。信息、定位、通讯和自动化技术的迅速发展和应用，深刻地影响和改变着传统的采矿工业，通过对采场过程监控，可以实现对地下开采装备乃至整个矿山开采系统的遥控操作。遥控采矿、无人工作面甚至无人矿井等已在加拿大、瑞典、美国、澳大利亚等国成为现实。,采矿方法及工艺日趋完善,4 金属矿山采矿技术发展趋势,4.4矿山的数字化、智能化与无人化采矿 21世纪的金属矿山，需要引进一种全新的采矿观念，构建一种全新的数字化与智能化矿山模式，或高度现代化的无人采矿模式。数字矿山 实现数字化矿山，应该具备如下条件：快速、准确、自动化的信息采集与处理系统；建立有效的生产经营管理信息系统，形成企业局域网络并入国际互联网络；有一个具有足够容量，能传递声频数据和视频数据信息的、高速的双向信息通讯网络；矿山可视化数字设计平台等。,4 金属矿山采矿技术发展趋势,矿山智能化采矿与无人化采矿 矿山智能化主要指的是智能采矿，实现智能采矿有3个要素，即采矿设备智能化、采矿工艺技术的关键数据与资料的数字化采集、高度现代化的采矿调度系统。其中，起主导作用的是高度现代化的采矿调度系统。美国已成功地开发出一个大范围的采矿调度系统。它是采用计算机、无线数据通讯、调度优化以及全球卫星定位系统(GPS)技术，进行露天矿生产的计算机实时控制与管理的系统。对于地下矿山可以采用泄露式同轴电缆、分布式天线转发器和无线电组成地下矿山通信系统。对井下设备，利用陀螺定向和磁电子指南针配合过程控制和定位软件，实现其定位与导航，或利用激光导航系统进行导航。矿山智能化将以单台设备的遥控化和智能化为基础，逐步发展形成整个矿山系统的智能化采矿和无人化采矿。,