趙興東 周 鑫 趙一凡 曾 楠

(東北大學深部金屬礦采動安全實驗室,遼寧 沈陽 110819)

根據(jù)《中國礦產資源報告(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,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資源開發(fā)的主要形式[3-4]。當前我國地下金屬礦床開采設計仍以經驗法、工程類比法和查手冊等為主,據(jù)此設計的采礦工藝系統(tǒng)主要是在采場內上向孔鑿巖、側向崩礦與鏟運機出礦,導致現(xiàn)行采礦在采場內作業(yè),安全條件差;鉆—爆—運交叉作業(yè),生產工藝不連續(xù)、生產效率低[5-6]。為滿足連續(xù)規(guī)?；悄荛_采技術要求,需簡化開拓、采準設計,發(fā)展以下向孔鑿巖、下向梯段式爆破落礦和遙控鏟運機為基礎的標準化鉆—爆—運工藝體系,提高地下開采工藝系統(tǒng)的生產連續(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、本質安全化開采的需求及井下從業(yè)人員老齡化嚴重、人員接續(xù)困難的現(xiàn)狀,有必要進行思維變革與技術提升,以實現(xiàn)地下連續(xù)規(guī)?；悄懿傻V為目標,引進無軌采礦設備,選擇高水平、機械化的連續(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,通過簡化采場結構設計,減少開拓工程,提高標準鉆—爆—運的速度和效率,加快采礦循環(huán),改善爆破效果,提高出礦效率,全面提升礦山生產效率、工作環(huán)境和安全生產水平,革新礦山開采模式,減少井下人員,提高生產效率與安全性,為實現(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支撐。

1 金屬礦山生產模式及采礦工藝現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

隨著淺部礦產資源日益枯竭、安全環(huán)保要求逐步提高及科學技術快速進步,深部采礦、綠色采礦和智能采礦成為當前礦業(yè)發(fā)展的三大主題[7]。金屬礦山生產模式及采礦工藝伴隨著采礦科學技術的進步及先進生產理念的推廣而演化發(fā)展。早在東周時期,人們就開始利用簡易工具對金進行采集;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,機械化和智能化設備被逐漸應用于礦石開采中,減輕了工人勞動強度的同時使得生產力水平大大提升;礦山生產與科技發(fā)展相融合促進了礦山生產模式的革新,為礦山安全生產及礦產資源高效開發(fā)利用提供了保障[8]?？傮w上,礦山生產模式大致經歷了4個階段,如圖1所示?？梢?建設智慧礦山是實現(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,可以預見采礦將從勞動密集型轉向生產系統(tǒng)的無人化,即從單一的生產設計轉向一體化的科學決策,從高強度的人在地下作業(yè)轉向地面辦公室的智能管控。

圖1 礦山生產模式演化過程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上通過不斷地改進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)俄羅斯科學院礦物綜合開發(fā)問題研究所的預測,近些年內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)達國家考慮到對生態(tài)環(huán)境保護的要求,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達到40%以上,加上空場嗣后充填法使用量,總量達到70%～80%[10]。我國個別省份,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(點柱式)分層充填采礦法、機械化盤區(qū)充填采礦法、進路式充填采礦法、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。采礦工藝應與時俱進順應時代發(fā)展趨勢,有必要從開采工序連續(xù)性、采礦設備適配性、地壓調控及時性三方面進行設計,為深部資源安全高效開采提供技術保障(圖2)。

圖2 連續(xù)規(guī)模化智能開采工藝Fig.2 Continuous large-scale intelligent mining process

2 三山島金礦連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝設計

目前,三山島金礦是國內唯一的海底采礦的黃金礦山,也是現(xiàn)階段全國機械化程度整體裝備水平最高的現(xiàn)代化金礦,在數(shù)字化開采領域居于國內領先地位[13-14]。該礦已完成多技術支撐的礦山物聯(lián)網平臺建設及數(shù)據(jù)采集平臺與數(shù)據(jù)中心建設,并與山東移動、華為合作,首次成功實現(xiàn)了5G基站的開通和無人駕駛電機車控制系統(tǒng)的網絡對接[4,13]。為進一步加強數(shù)字化和智能礦山建設,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路式充填采礦法,其中段高度為40 m,頂柱2 m,底柱5 m,當采場垂直于礦體走向布置時,進路寬度約為3 m,高度為3.5m,每個進路采場內布置一條通風天井,架設順路泄水井,采切工程復雜且頂板不可控;落礦效率約40 t/d,出礦效率低,噸礦成本高[16]。為解決當前進路式充填采礦法開拓、采切工藝復雜,安全性差,生產能力小等突出問題,研發(fā)了連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝對礦石進行回采。該開采工藝在分段嗣后充填采礦法的基礎上進行改進優(yōu)化,其特點是采用下向孔鑿巖、中深孔爆破落礦及智能鏟運機出礦,確保在開采連續(xù)性的基礎上落礦效率更高效且人員安全性能夠得到保障。

2.1 開拓方案設計

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、鏟運機等各類無軌設備行走運輸,同時代替人行天井起通風作用,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)化采礦工藝設計

該工藝的采準工程為采場的上部鑿巖巷道兼充填巷及底部的出礦巷道,結構簡單,采掘量小。在設計采場結構參數(shù)時以礦床開采技術條件、巖體質量分級為基礎,并綜合考慮優(yōu)勢節(jié)理產狀、采動應力對采場穩(wěn)定性的影響,借助 RMR臨界跨度圖表與Mathews穩(wěn)定圖表設計采場結構參數(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 礦石鏟裝運輸

得益于礦山物聯(lián)網平臺的建設與智能設備的應用,礦石可直接通過遠程遙控鏟運機進行出礦作業(yè),人員無需進入采場,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,鑿巖工作也可同步進行,能夠實現(xiàn)多工序連續(xù)循環(huán)作業(yè),實現(xiàn)連續(xù)化生產,提高生產效率。

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

3 連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝現(xiàn)場應用與經濟技術指標

連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝其連續(xù)性體現(xiàn)在設計開拓、采準工程時分別布置鑿巖巷道與出礦巷道,采用下向孔方式落礦,鑿巖設備和出礦設備之間的工作環(huán)節(jié)不存在矛盾沖突,確保最耗時的鑿巖與出礦工序可借助智能鏟運機、鑿巖機等先進機械設備同時進行,實現(xiàn)多工序連續(xù)循環(huán)作業(yè),工藝的整體流程更加流暢,進而提高了采礦工藝的連續(xù)性;規(guī)?；w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行落礦,保證安全性的同時大大提高生產效率,實現(xiàn)生產規(guī)?；?智能化體現(xiàn)在大量智能遙控設備的應用,通過搭建運行平臺使得無人開采設備按照既定路線或由人工遠程遙控時,只要設備本身不出現(xiàn)故障,便可確保采場生產的高效率循環(huán),提升了礦山經濟效益,同時人員無需進入采場,最大程度保證了人員的安全性。該開采工藝的現(xiàn)場應用情況與智能設備如圖7所示。

圖7 開采工藝應用情況與遠程遙控智能設備Fig.7 Application of mining technology and remote control intelligent device

三山島金礦連續(xù)規(guī)?；悄荛_采工藝在礦房結構參數(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,綜合回采率達到90%,采場貧化率為9%,單采場生產能力可達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 論

(1)深部采礦和智能化采礦是當前礦業(yè)發(fā)展的主題,建設智慧礦山是實現(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向生產系統(tǒng)的無人化,從高強度體力勞動作業(yè)轉向地表遠程操控的智能管控。

(2)為了實現(xiàn)連續(xù)規(guī)?；悄荛_采,將三山島金礦原有的進路式充填采礦法轉換為連續(xù)化分段空場嗣后充填采礦法,設計的礦房結構參數(shù)為15m×8m×15 m(長×寬×高),在降低采切比的同時極大提高了單采場生產能力,提高了生產效率。

(3)采用下向中深孔爆破落礦,實現(xiàn)了采場內下向鑿巖和遙控鏟運機出礦的同步連續(xù)性作業(yè),提高了采場生產效率且保障了現(xiàn)場作業(yè)人員安全。

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