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)

錫礦山采礦技術攻關與解難

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過60年的科技攻關,成功解決了錫礦山難采礦體開采面臨的諸多采礦技術難題,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科技攻關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合礦山生產實際,在有關科研院所的協(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,成功解決了諸多難采礦體回采的技術問題,極大豐富了采礦工程學寶庫。

1 20世紀后50年的科技攻關

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,經對采場構成要素、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,在總結上部中段回采經驗的基礎上,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”房柱法構成的房柱采礦法體系。

1.2 創(chuàng)立棋盤式通風網絡實現(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備集中監(jiān)控和礦井風量自動調節(jié)的試驗研究,并獲得了良好的效果,從而使南礦在20余年內實現(xiàn)了通風自動控制。

1.3 首開國內金屬礦山“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”研究列為重大攻關項目,并明確長沙礦山研究院和武漢冶金安全技術研究所協(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

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)不安全和技術指標差等問題。經過幾年的探索,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年結束,其成果經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,整體技術達到國內領先水平,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)呈復雜的多層結構,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、兩翼半膠結等安全技術措施;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)經濟效益6363.667萬元。至此,領先國內金屬礦山“三下”采礦的錫礦山保安礦柱開采研究基本結束。

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難題。錫礦山超百年的大規(guī)模開采,在已結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、提高企業(yè)經濟效益都有好處。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,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,南礦相關的采礦技術人員創(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,耙礦道兩側交錯掘放礦漏斗并擴喇叭口;冒落礦石經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,有關采礦技術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充填法回采緩傾斜厚礦體進行了一次系統(tǒng)的總結和技術論證,對過去尾砂膠結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、膠結充填體的力學作用、地壓控制基本模式、尾砂膠結充填體強度要求以及尾砂膠結充填成本等方面進行了論證并得出了相應的結論。在此基礎上,確定自行設計對南礦深部充填系統(tǒng)進行易地調整改造。

南礦深部充填系統(tǒng)改造于2007年4月竣工,經過一個月的調試,2007年6月投入生產,至今已有2年多,從運行情況看,效果較理想。系統(tǒng)生產能力大,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,運用充填新技術和新設備,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)改造的成功經驗,擬定對北礦充填系統(tǒng)進行同樣的調整改造,目前已完成設計并開始土建施工,預計在2010年下半年可建成投產。到那時,錫礦山的充填工藝技術將得到一個較大的提高。

3 結 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。科學技術永無止境,錫礦山礦山生產中存在的技術難題同樣難以窮盡,近期亟待解決的問題還有:

(1)兩側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)改造的基礎上,尋找進一步提高砂漿輸送濃度的途徑,以便提高膠結充填質量。

中、長期應考慮解決或將遇到的問題有:

(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。

科學技術是第一生產力,技術創(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,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,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委員會委員,主要從事采礦工程技術研究工作,Email:xksfh@163.com。