趙興東 周 鑫 趙一凡 曾 楠

(東北大學(xué)深部金屬礦采動安全實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

根據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報(bào)告(2020)》,截至2020年,我國已探明的地下鐵礦資源儲量864.08億t,黃金資源儲量14 131.06 t,鉛鋅資源儲量9 572.2萬t,銅資源儲量10 971.55萬t,反映出地下金屬資源儲量豐富[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國地下金屬礦山數(shù)量約占金屬礦山總數(shù)的90%,地下開采是我國金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)的主要形式[3-4]。當(dāng)前我國地下金屬礦床開采設(shè)計(jì)仍以經(jīng)驗(yàn)法、工程類比法和查手冊等為主,據(jù)此設(shè)計(jì)的采礦工藝系統(tǒng)主要是在采場內(nèi)上向孔鑿巖、側(cè)向崩礦與鏟運(yùn)機(jī)出礦,導(dǎo)致現(xiàn)行采礦在采場內(nèi)作業(yè),安全條件差;鉆—爆—運(yùn)交叉作業(yè),生產(chǎn)工藝不連續(xù)、生產(chǎn)效率低[5-6]。為滿足連續(xù)規(guī)?；悄荛_采技術(shù)要求,需簡化開拓、采準(zhǔn)設(shè)計(jì),發(fā)展以下向孔鑿巖、下向梯段式爆破落礦和遙控鏟運(yùn)機(jī)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化鉆—爆—運(yùn)工藝體系,提高地下開采工藝系統(tǒng)的生產(chǎn)連續(xù)性、安全性和開采效率。

針對我國地下金屬礦山連續(xù)規(guī)?；?、高效化、本質(zhì)安全化開采的需求及井下從業(yè)人員老齡化嚴(yán)重、人員接續(xù)困難的現(xiàn)狀,有必要進(jìn)行思維變革與技術(shù)提升,以實(shí)現(xiàn)地下連續(xù)規(guī)?；悄懿傻V為目標(biāo),引進(jìn)無軌采礦設(shè)備,選擇高水平、機(jī)械化的連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝系統(tǒng)。本研究以三山島金礦無人采礦示范區(qū)為工程背景,研發(fā)以“礦石流”為主線的連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝,通過簡化采場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減少開拓工程,提高標(biāo)準(zhǔn)鉆—爆—運(yùn)的速度和效率,加快采礦循環(huán),改善爆破效果,提高出礦效率,全面提升礦山生產(chǎn)效率、工作環(huán)境和安全生產(chǎn)水平,革新礦山開采模式,減少井下人員,提高生產(chǎn)效率與安全性,為實(shí)現(xiàn)我國地下金屬礦山的安全、高效、綠色和無人開采提供理論與技術(shù)支撐。

1 金屬礦山生產(chǎn)模式及采礦工藝現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

隨著淺部礦產(chǎn)資源日益枯竭、安全環(huán)保要求逐步提高及科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步,深部采礦、綠色采礦和智能采礦成為當(dāng)前礦業(yè)發(fā)展的三大主題[7]。金屬礦山生產(chǎn)模式及采礦工藝伴隨著采礦科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及先進(jìn)生產(chǎn)理念的推廣而演化發(fā)展。早在東周時(shí)期,人們就開始利用簡易工具對金進(jìn)行采集;近幾十年,得益于科技水平的提高和安全環(huán)保意識的增強(qiáng),機(jī)械化和智能化設(shè)備被逐漸應(yīng)用于礦石開采中,減輕了工人勞動強(qiáng)度的同時(shí)使得生產(chǎn)力水平大大提升;礦山生產(chǎn)與科技發(fā)展相融合促進(jìn)了礦山生產(chǎn)模式的革新,為礦山安全生產(chǎn)及礦產(chǎn)資源高效開發(fā)利用提供了保障[8]。總體上,礦山生產(chǎn)模式大致經(jīng)歷了4個(gè)階段,如圖1所示?？梢?建設(shè)智慧礦山是實(shí)現(xiàn)深部資源安全高效開發(fā)利用的有效途徑。目前,我國智慧礦山建設(shè)已初具規(guī)模,如馬城鐵礦、梅山鐵礦、錫鐵山礦、馬鋼張莊礦及羅河礦、三山島金礦等,可以預(yù)見采礦將從勞動密集型轉(zhuǎn)向生產(chǎn)系統(tǒng)的無人化,即從單一的生產(chǎn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向一體化的科學(xué)決策,從高強(qiáng)度的人在地下作業(yè)轉(zhuǎn)向地面辦公室的智能管控。

圖1 礦山生產(chǎn)模式演化過程Fig.1 Evolution process of mine production mode

地下金屬礦山采礦方法在崩落、空場和充填三大類的基礎(chǔ)上通過不斷地改進(jìn)和完善形成了各式各樣的采礦工藝,有效解決安全與環(huán)境問題已成為固廢充填采礦代替其他采礦方法而存在的最大合理性[6,9]。根據(jù)俄羅斯科學(xué)院礦物綜合開發(fā)問題研究所的預(yù)測,近些年內(nèi)充填采礦法采礦量在黑色冶金礦山占15%～20%,而在有色冶金礦山超過50%。部分發(fā)達(dá)國家考慮到對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求,如澳大利亞,幾乎不采用崩落法采礦;加拿大采用充填采礦法的比例已經(jīng)達(dá)到40%以上,加上空場嗣后充填法使用量,總量達(dá)到70%～80%[10]。我國個(gè)別省份,例如山東省自然資源廳要求所有地下礦山均采用充填法開采,全面禁止采用崩落法采礦以減少地表破壞。充填采礦法主要可以分為(點(diǎn)柱式)分層充填采礦法、機(jī)械化盤區(qū)充填采礦法、進(jìn)路式充填采礦法、下向分層充填采礦法或深孔空場嗣后充填法[11-13]。目前來講,考慮到生產(chǎn)能力及采切工程量,深孔空場嗣后充填法將是我國地下礦山未來采礦方法的首選方案。采礦工藝應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢,有必要從開采工序連續(xù)性、采礦設(shè)備適配性、地壓調(diào)控及時(shí)性三方面進(jìn)行設(shè)計(jì),為深部資源安全高效開采提供技術(shù)保障(圖2)。

圖2 連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝Fig.2 Continuous large-scale intelligent mining process

2 三山島金礦連續(xù)規(guī)模化智能開采工藝設(shè)計(jì)

目前,三山島金礦是國內(nèi)唯一的海底采礦的黃金礦山,也是現(xiàn)階段全國機(jī)械化程度整體裝備水平最高的現(xiàn)代化金礦,在數(shù)字化開采領(lǐng)域居于國內(nèi)領(lǐng)先地位[13-14]。該礦已完成多技術(shù)支撐的礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)及數(shù)據(jù)采集平臺與數(shù)據(jù)中心建設(shè),并與山東移動、華為合作,首次成功實(shí)現(xiàn)了5G基站的開通和無人駕駛電機(jī)車控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)對接[4,13]。為進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)字化和智能礦山建設(shè),于-645 m中段建立了無人采礦示范區(qū)。

三山島無人采礦示范區(qū)位于西山分礦-645 m中段的1 400號勘探線與1 580號勘探線之間,試驗(yàn)區(qū)域三維模型如圖3所示。該區(qū)域礦體平均厚度為15 m,走向長度為80 m,傾角為45°;礦體巖性為黃鐵絹英巖,主裂面上盤巖性為絹英巖化碎裂巖,礦體下盤巖性為絹英巖,工程地質(zhì)條件良好[15]。

圖3 無人采礦示范區(qū)三維模型Fig.3 3D model of unmanned mining demonstration area

三山島金礦原有的采礦方法為進(jìn)路式充填采礦法,其中段高度為40 m,頂柱2 m,底柱5 m,當(dāng)采場垂直于礦體走向布置時(shí),進(jìn)路寬度約為3 m,高度為3.5m,每個(gè)進(jìn)路采場內(nèi)布置一條通風(fēng)天井,架設(shè)順路泄水井,采切工程復(fù)雜且頂板不可控;落礦效率約40 t/d,出礦效率低,噸礦成本高[16]。為解決當(dāng)前進(jìn)路式充填采礦法開拓、采切工藝復(fù)雜,安全性差,生產(chǎn)能力小等突出問題,研發(fā)了連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝對礦石進(jìn)行回采。該開采工藝在分段嗣后充填采礦法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,其特點(diǎn)是采用下向孔鑿巖、中深孔爆破落礦及智能鏟運(yùn)機(jī)出礦,確保在開采連續(xù)性的基礎(chǔ)上落礦效率更高效且人員安全性能夠得到保障。

2.1 開拓方案設(shè)計(jì)

該工藝開拓工程可選擇斜坡道開拓或豎井與斜坡道聯(lián)合開拓方式,各分段平巷與斜坡道相連,斜坡道可供人車、地下卡車、鏟運(yùn)機(jī)等各類無軌設(shè)備行走運(yùn)輸,同時(shí)代替人行天井起通風(fēng)作用,采用斜坡道可直接減少礦塊人行天井、長距離石門巷等工程,簡化地下開拓工序。開拓方案如圖4所示。

圖4 連續(xù)化分段空場嗣后充填采礦法開拓方案Fig.4 Development scheme of continuous sublevel open stope and subsequent filling mining method

2.2 連續(xù)化采礦工藝設(shè)計(jì)

該工藝的采準(zhǔn)工程為采場的上部鑿巖巷道兼充填巷及底部的出礦巷道,結(jié)構(gòu)簡單,采掘量小。在設(shè)計(jì)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)以礦床開采技術(shù)條件、巖體質(zhì)量分級為基礎(chǔ),并綜合考慮優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀、采動應(yīng)力對采場穩(wěn)定性的影響,借助 RMR臨界跨度圖表與Mathews穩(wěn)定圖表設(shè)計(jì)采場結(jié)構(gòu)參數(shù),在保證回采過程中采場頂板、兩幫及上下盤圍巖穩(wěn)定性的情況下,最終確定的采場尺寸為15 m×8 m×15 m(長×寬×高),并采用下向中深孔爆破落礦,可大幅提高采礦效率[17-18]。采礦工藝原理如圖5所示。

圖5 連續(xù)化分段空場嗣后充填采礦法采礦工藝Fig.5 Continuous sublevel open stope and subsequent filling mining method

2.3 礦石鏟裝運(yùn)輸

得益于礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)與智能設(shè)備的應(yīng)用,礦石可直接通過遠(yuǎn)程遙控鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行出礦作業(yè),人員無需進(jìn)入采場,與原采礦工藝相比安全性大大提高,如圖6所示。此外,在出礦的同時(shí),鑿巖工作也可同步進(jìn)行,能夠?qū)崿F(xiàn)多工序連續(xù)循環(huán)作業(yè),實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),提高生產(chǎn)效率。

圖6 不同采礦工藝礦石鏟裝運(yùn)輸對比Fig.6 Comparison of ore shovel loading and transportation in different mining processes

3 連續(xù)規(guī)模化智能開采工藝現(xiàn)場應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝其連續(xù)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)開拓、采準(zhǔn)工程時(shí)分別布置鑿巖巷道與出礦巷道,采用下向孔方式落礦,鑿巖設(shè)備和出礦設(shè)備之間的工作環(huán)節(jié)不存在矛盾沖突,確保最耗時(shí)的鑿巖與出礦工序可借助智能鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖機(jī)等先進(jìn)機(jī)械設(shè)備同時(shí)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)循環(huán)作業(yè),工藝的整體流程更加流暢,進(jìn)而提高了采礦工藝的連續(xù)性;規(guī)模化體現(xiàn)在采用大尺寸的礦房參數(shù),并采用下向中深孔方式進(jìn)行落礦,保證安全性的同時(shí)大大提高生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)?；?智能化體現(xiàn)在大量智能遙控設(shè)備的應(yīng)用,通過搭建運(yùn)行平臺使得無人開采設(shè)備按照既定路線或由人工遠(yuǎn)程遙控時(shí),只要設(shè)備本身不出現(xiàn)故障,便可確保采場生產(chǎn)的高效率循環(huán),提升了礦山經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)人員無需進(jìn)入采場,最大程度保證了人員的安全性。該開采工藝的現(xiàn)場應(yīng)用情況與智能設(shè)備如圖7所示。

圖7 開采工藝應(yīng)用情況與遠(yuǎn)程遙控智能設(shè)備Fig.7 Application of mining technology and remote control intelligent device

三山島金礦連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝在礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)為15 m×8 m×15 m(長×寬×高)的條件下,千噸采切比為68.4 m3/kt,綜合回采率達(dá)到90%,采場貧化率為9%,單采場生產(chǎn)能力可達(dá)250 t/d,充分體現(xiàn)了連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝的優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

(1)深部采礦和智能化采礦是當(dāng)前礦業(yè)發(fā)展的主題,建設(shè)智慧礦山是實(shí)現(xiàn)地下深部資源安全高效開發(fā)利用的有效途徑,采礦活動將從勞動密集型轉(zhuǎn)向生產(chǎn)系統(tǒng)的無人化,從高強(qiáng)度體力勞動作業(yè)轉(zhuǎn)向地表遠(yuǎn)程操控的智能管控。

(2)為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)規(guī)?；悄荛_采,將三山島金礦原有的進(jìn)路式充填采礦法轉(zhuǎn)換為連續(xù)化分段空場嗣后充填采礦法,設(shè)計(jì)的礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)為15m×8m×15 m(長×寬×高),在降低采切比的同時(shí)極大提高了單采場生產(chǎn)能力,提高了生產(chǎn)效率。

(3)采用下向中深孔爆破落礦,實(shí)現(xiàn)了采場內(nèi)下向鑿巖和遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦的同步連續(xù)性作業(yè),提高了采場生產(chǎn)效率且保障了現(xiàn)場作業(yè)人員安全。

(4)智能遙控設(shè)備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了人員無需進(jìn)入采場,使工作人員擺脫高溫高濕的惡劣作業(yè)環(huán)境,只要設(shè)備不出現(xiàn)故障,便可確保采場生產(chǎn)的高效率循環(huán),提升了礦山的經(jīng)濟(jì)效益,最大程度保證了人員的安全性。