甘懷營,段進(jìn)超

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南長沙 410019)

賈家洼西鋁土礦采礦工藝選擇及優(yōu)化研究?

甘懷營,段進(jìn)超

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南長沙 410019)

根據(jù)三門峽賈家洼西鋁土礦礦層賦存條件及開采技術(shù)條件,提出了煤炭綜采工藝及液壓支柱護(hù)頂全面房柱采礦法,并通過分析該兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件,得出該兩種工藝均不適用,因此,在傳統(tǒng)的全面法及房柱法工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化研究,建議取消天井及溜井采準(zhǔn)方式,采用無軌設(shè)備出礦提高礦塊生產(chǎn)能力,進(jìn)行礦柱留設(shè)及爆破參數(shù)優(yōu)化,以提高回采率,減少貧化指標(biāo)。

鋁土礦;采礦工藝;綜采工藝;液壓支柱

0 引 言

目前國外鋁土礦山主要采用露天開采,在鋁土礦山地下開采方面沒有太多的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。國內(nèi)目前鋁土礦山井下主要采用全面采礦法[1],留有大量礦柱,導(dǎo)致礦石回收率低、損失大,采場頂板和通風(fēng)難以管理,另外采礦所用的工藝設(shè)備也比較落后,并且打鉆工人長期暴露在采場頂板下作業(yè),安全性較差。對于價值較低的鋁土礦,目前國內(nèi)外采礦工藝技術(shù)成果不多,近年來,一些科研設(shè)計(jì)單位和礦山企業(yè)對緩傾斜薄礦體的回采工藝進(jìn)行了有益的探索和試驗(yàn)[2-4],提出和試用了一些新的回采工藝,比較典型的綜合機(jī)械化回采工藝以及液壓支柱護(hù)頂全面采礦法。

根據(jù)賈家洼西鋁土礦開采技術(shù)條件,對以上兩種工藝的可行性進(jìn)行比較研究,以確定賈西鋁土礦采礦方法工藝,并提出優(yōu)化建議。

1 賈家洼西鋁土礦概況

賈家洼西區(qū)礦層厚0.5～18.47m,一般5m多,主要由鋁土礦組成,局部頂?shù)谆蛑虚g夾有薄層粘土礦。礦體平緩,平均16.2°。礦石組分簡單,主要由一水硬鋁石,次為伊利石和高嶺石構(gòu)成。結(jié)構(gòu)呈礫屑狀、砂狀、豆?fàn)?、鮞狀等,膠結(jié)緊密,較堅(jiān)硬,不易破碎。礦石風(fēng)化,顏色變淺,礫屑狀、砂狀礦石有時出現(xiàn)蜂窩狀構(gòu)造,硬度略變小,不具松散特性。礦石中節(jié)理、裂隙不發(fā)育。礦石抗壓強(qiáng)度為64.3～127.5 MPa,屬于堅(jiān)硬巖石,可見礦層穩(wěn)固性良好。直接頂板多為粘土頁巖、炭質(zhì)頁巖及砂質(zhì)粘土巖,厚0.20～14.92m,平均2.10m,層薄,頁理發(fā)育,性軟、易碎,抗壓強(qiáng)度極低,穩(wěn)固性差。礦層直接底板為鐵質(zhì)頁巖,厚0.8～30.6m,一般7m左右,頁理比較發(fā)育,抗壓強(qiáng)度32MPa左右,硬度較小,風(fēng)化易碎。

2 綜采工藝可行性研究

根據(jù)鋁土礦的賦存條件,多為層狀礦體,傾角較緩,連續(xù)性較好以及某些鋁土礦礦石硬度較低,f系數(shù)不高等物理力學(xué)性質(zhì),因此對于鋁土礦的開采方法,近年來有專家對比煤炭賦存條件,認(rèn)為兩者之間相似度較高,因而提出采用煤炭的綜采工藝對鋁土礦進(jìn)行回采。

綜采工藝主要存在以下優(yōu)點(diǎn):

(1)回采采場連續(xù)推進(jìn),不留礦柱(點(diǎn)柱),跨上山(斜井)開采,提高資源回收率。

(2)生產(chǎn)工藝比較先進(jìn),機(jī)械化裝備水平較高,大大提高開采強(qiáng)度。

(3)單個采場生產(chǎn)能力高,可減少同時生產(chǎn)采場數(shù),進(jìn)而大幅減少基建和生產(chǎn)時期的巷道工程量,礦山初期投資省,生產(chǎn)成本低。

(4)井下作業(yè)人員少,既降低了人工成本,提高了生產(chǎn)效率,同時降低了井下發(fā)生安全事故人員傷亡概率。

(5)采場控頂范圍小,采用液壓支架支護(hù)配合鉸接頂梁支護(hù)頂板,緊隨回采面推進(jìn),能及時支護(hù)采場上方不穩(wěn)定直接頂板,不僅減少了圍巖混入對礦石貧化的影響,而且工人在安全的位置作業(yè),降低了井下發(fā)生人員傷亡事故概率。

(6)生產(chǎn)集中,坑內(nèi)用電負(fù)荷相對集中,簡化了供電系統(tǒng)。

同時也存在以下缺點(diǎn):

(1)采用走向長壁式采礦法綜采工藝開采時,受采礦機(jī)采高范圍和液壓支架支護(hù)高度的限制,對礦體厚度變化的適應(yīng)能力較差。

(2)鋁土礦回收對品位要求極高,其品位不僅體現(xiàn)在鋁元素含量,還體現(xiàn)在鋁硅比上,經(jīng)研究,輕微的廢石混入都會帶來重大的鋁硅比波動,采用綜采工藝回采鋁土礦,貧化問題突出。

根據(jù)《煤礦開采學(xué)》[5],適于采用綜采工藝的條件為井型120萬t以上,煤層厚度1.5～4m之間,傾角小于15°,地質(zhì)構(gòu)造比較簡單等。隨著科技的發(fā)展及綜采工藝的普及,目前綜采適用條件有相應(yīng)的變化,具體為:綜采機(jī)適用為礦體傾角小于40°,礦體傾角總體變化平緩;礦石硬度系數(shù)f≤4(局部f≤7);礦體賦存大體穩(wěn)定、連續(xù);地表允許崩落,且頂?shù)装逑鄬Ψ€(wěn)固,f＞1.2,開采后頂板能自然垮落充填采空區(qū)。

對比以上條件,賈西礦礦體賦存條件復(fù)雜,連續(xù)性較差,礦石硬度系數(shù)較大(f系數(shù)為6.6～42),屬堅(jiān)硬巖石,采煤機(jī)切割困難,最主要的是礦區(qū)范圍及周圍有許多民房和田地,地表不允許陷落,因此綜采工藝在本礦不適用。

3 液壓支柱護(hù)頂全面房柱采礦法可行性研究

留礦柱的全面采礦法是回采緩傾斜薄礦體的一種傳統(tǒng)采礦方法,這種采礦方法具有回采工藝簡單、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn),但也存在礦石回收率低、損失大、采場頂板和通風(fēng)管理困難,以及頂板安全性較差等缺陷。2009年中國鋁業(yè)股份有限公司重慶分公司開展了《頂板不穩(wěn)固緩傾斜鋁土礦低貧損安全高效開采技術(shù)研究》的技術(shù)開發(fā),提出了液壓支柱護(hù)頂全面房柱采礦法[6]。利用液壓支柱代替自然礦柱,最大限度地回采礦石,是鋁土礦地下開采的一項(xiàng)新技術(shù)。

通過工業(yè)試驗(yàn),結(jié)果表明中鋁重慶分公司液壓支柱護(hù)頂全面房柱采礦法和普通的全面采礦法相比,回采率由80%提高到87.56%,提高了7.56個百分點(diǎn),液壓支柱護(hù)頂全面房柱采礦法通過液壓支柱代替部分礦柱,加大了礦柱的間距,礦柱間距由普通采場的9m左右增大到12m左右,減小了礦柱的尺寸和數(shù)量,與普通采場相比,礦柱的數(shù)量減少了40%左右,而部分礦體較薄位置的礦柱尺寸可以由普通采場的直徑3m減小到直徑2m,在保障工作面安全的前提下,提高了鋁土礦的回采率,該方案工藝簡單,支護(hù)成本低,液壓支柱的回收利用率可以達(dá)到95%以上。

根據(jù)液壓支柱的適用條件,其適用于采高為0.55～3.5m的礦層,而賈西鋁土礦厚度比較大(超過4m),因此不適用于本礦。

4 賈西鋁土礦采礦方法工藝研究及建議

通過以上分析,賈西鋁土礦不適用綜采及液壓支柱護(hù)頂?shù)炔傻V工藝,因此仍然選擇傳統(tǒng)的全面法和房柱法,可從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化:

(1)采用天井溜井采準(zhǔn),施工困難,安全程度低。根據(jù)現(xiàn)場施工情況,615m中段運(yùn)輸平巷布置在底板灰?guī)r或厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r中,向上掘進(jìn)天井及溜井會穿過直接底板,直接底板為鐵質(zhì)頁巖,頁理比較發(fā)育,巖石硬度較小,風(fēng)化易碎,據(jù)巖石力學(xué)測定,抗壓強(qiáng)度較小,屬松軟巖石,成巷效果不好,掘進(jìn)過程容易垮落,需要特殊手段進(jìn)行支護(hù),由此,會增加天井及溜井的施工難度及施工成本;此外,天井加溜井的采準(zhǔn)方式底部結(jié)構(gòu)工程量大,對脈外運(yùn)輸平巷的破壞性大,影響脈外運(yùn)輸巷的穩(wěn)定性,也增加了支護(hù)量;中鋁重慶分公司鋁土礦溜井應(yīng)用過程中出現(xiàn)了許多問題,如采場電耙耙礦效率低,放礦漏斗大量使用木材,使用過程中存在很大的安全隱患。因此建議取消天井及溜井采準(zhǔn)方式,采用由中段運(yùn)輸平巷掘穿脈至礦體,布置切割平巷與穿脈相連通,在切割平巷上設(shè)置漏斗或采用無軌設(shè)備進(jìn)行裝礦的回采工藝。

(2)使用電耙出礦機(jī)械化程度低,礦塊生產(chǎn)能力有限?；夭蛇^程出礦設(shè)備直接影響礦塊生產(chǎn)能力,原設(shè)計(jì)使用單臺2DPJ30型電耙出礦,該型號電耙最大生產(chǎn)能力60～80t/d,機(jī)械化程度低,生產(chǎn)能力極其有限。因此建議極緩礦塊,直接采用鏟運(yùn)機(jī)等無軌設(shè)備進(jìn)采場出礦,以提高礦塊生產(chǎn)能力,鏟運(yùn)機(jī)不能進(jìn)入的采場,可以采用電耙和鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)合出礦工藝,同時采用一個采場雙作業(yè)面的工作組織形式進(jìn)行生產(chǎn)。

(3)礦柱留設(shè)及爆破參數(shù)優(yōu)化研究,以提高回采率,減少貧化指標(biāo)。常規(guī)全面采礦法的貧化率為8%～10%、損失率為16%～18%,房柱采礦法的貧化率為8%～10%、損失率為18%～21%,但實(shí)際生產(chǎn)中需要加強(qiáng)貧化與損失的控制,因此需要對礦柱留設(shè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算研究,在保證安全的前提下減少礦柱損失,提高礦塊回采率;同時,由于礦層直接頂板為粘土頁巖,層薄,頁理發(fā)育,性軟,易碎,表現(xiàn)出遇水膨脹的特點(diǎn),抗壓強(qiáng)度極低,地下開采需支護(hù)或采用新型爆破落礦工藝控制頂板,防止冒頂塌落以減少廢石混入率,從而減小礦石貧化指標(biāo)。

5 結(jié) 論

根據(jù)三門峽賈家洼西鋁土礦礦層賦存條件及開采技術(shù)條件,對采礦方法及采礦工藝進(jìn)行研究,分析煤炭綜采工藝及液壓支柱護(hù)頂全面房柱采礦法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件,通過比較得出以上兩種工藝均不適用于賈西鋁土礦,進(jìn)而對常規(guī)全面法及房柱法工藝進(jìn)行優(yōu)化研究,建議取消天井及溜井采準(zhǔn)方式,采用無軌設(shè)備出礦提高礦塊生產(chǎn)能力,進(jìn)行礦柱留設(shè)及爆破參數(shù)優(yōu)化研究,以提高回采率,減少貧化指標(biāo)。

[1]崔萍萍,黃肇敏,周素蓮.我國鋁土礦資源綜述[J].輕金屬, 2008(2):6.

[2]徐曉乾,向 龍,邵國君,等.瓦廠坪鋁土礦1102工作面綜采試驗(yàn)相關(guān)影響參數(shù)的分析與探討[J].金屬礦山,2014(8): 37-40.

[3]張吉龍,姜立春.我國鋁土礦資源開采技術(shù)綜述[J].輕金屬, 2007(6):5-8.

[4]鹿愛莉,賈雅慧.我國鋁土礦的綜合利用研究[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2010(1):49-51.

[5]徐永圻,等.煤礦開采學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社出版,2004.

[6]任衛(wèi)東.頂板不穩(wěn)固緩傾斜鋁土礦低貧損安全高效開采技術(shù)研究[D].長沙:中南大學(xué),2012.

2017-03-27)

甘懷營(1984－),男,廣西賀州人,工程師,碩士,主要從事采礦工程設(shè)計(jì)及科研,Email:ghy054＠163.com。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0801600).