地下金属矿采矿科学技术的发展趋势.ppt

1、地下金属矿采矿科学技术的发展趋势,北 京 科 技 大 学 胡乃联,地下金属矿采矿科学技术的发展趋势,1 地下金属矿采矿科学技术的发展趋势 2 无底柱分段崩落采矿法的技术进展 3 瑞典纪律纳铁矿简介 4 我国梅山铁矿简介,1 地下金属矿采矿科学技术的发展趋势,1.1 高效率采矿 1.2 清洁采矿 1.3 连续采矿 1.4 深部采矿 1.5无人采矿,1.1 高效率采矿,露天矿无论是液力机械传动的、还是交流驱动的电动轮汽车，都已发展到了300t级以上。如T282型交流驱动电动轮汽车和797型液力机械传动卡车，其有效载重已达到327t。 穿孔牙轮钻机。穿孔直径还多用310380 mm ,而钻孔直径55

2、9mm的钻机，已投入生产。,1.1 高效率采矿,地下铲运机。如载重5t的Toro 501 E型电动铲运机，现已发展为载重25t的Toro 2500E型电动铲运机。 井下汽车。瑞典已开始用120t的7轴大型卡车，取代45t和65t卡车。,1.1 高效率采矿,井下钻机。也向大型化发展，配有水力潜孔冲击式凿岩机的Simba W型自动遥控台车，正取代原有台车；钻凿大直径深孔的QL4型潜孔钻机，已经问世，其凿岩效率提高25%一35%。,1.1 高效率采矿,随着微电子技术的飞速发展，近几年来，地下矿山已有遥控铲运机和凿岩机；无人驾驶汽车在试运行。国外还开发出了凿岩机器人、装载机器人和采煤机器人等矿山设备。

3、矿山设备正逐步实现遥控化、智能化。,1.1 高效率采矿,由于矿山设备逐步大型化和智能化，地下矿山的3种高效率采矿法大直径深孔落矿空场采矿法，机械化充填采矿法及大量崩落采矿法将朝着：高阶段(120200 m)，大采场(矿段)，一步骤回采，采准、切割合二为一的方向发展。它们在大规模开采和集中强化开采中将发挥重要作用。,1.1 高效率采矿,随着大量落矿采矿技术的发展，落矿高效率与出矿低效率的矛盾越来越突出，为了提高出矿效率，装载机移动式破碎机胶带运输机和连续装载机胶带运输机运矿配套的间断连续采矿系统，将逐步得到应用和发展。,1.1 高效率采矿,随着开采深度增大，深井开采的矿山越来越多，提高采矿强度，

4、实现深井高效率采矿的问题，将引起人们更多的重视，以下6个方面的工程技术会有很大的发展。,1.1 高效率采矿,(1) 为了有效地控制地压，减少矿柱损失，提高矿石回收率，一步骤连续采矿会得到广泛应用。 (2) 为了提高出矿效率和矿山自动化水平，间断连续采矿工艺系统，将逐步得到很大发展。 (3) 为了减少深井的废石提升量，把选厂(粗选厂)移至井下，是一个重要发展方向。,1.1 高效率采矿,(4) 为了解决深井提升的困难，降低深井的提升成本，减少井巷工程，深井水力提升将是一个重要的发展方向。 (5) 针对深井高应力的特殊条件，非常规的、适应深井开采特殊条件的新的采矿方法，将是一个重要的研究课题。 (6

5、) 为了将废石充填到深井下部，有效地缩短井下工作线长度，并减小顶板压力，采用上行开采问题将引起人们更多关注。,1.2 清洁采矿,清洁采矿（无废害采矿）是21世纪矿业可持续发展的重要课题之一。所谓无废害采矿，就是最大限度地减少废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜绝矿产资源开发的负面影响的工艺技术。 实现清洁采矿的主要途径有如下4方面：,1.2 清洁采矿,(1) 提高资源综合利用程度。提高选冶技术水平，不断提高资源的利用率，以减少污染，并延缓资源耗竭速度，维持矿业的可持续发展。,1.2 清洁采矿,(2) 实现废料产出最小化。如采用合理的开拓系统和采切比小的采矿方法，从源头上控制废石产出率

6、；采用上行开采顺序、建设井下选厂，将废石、尾砂回填采空区。,1.2 清洁采矿,(3) 推动废料资源化。加强综合回收，使不具开发价值的“个性物”变成矿产资源，提高废料资源化的水平，包括制作建筑材料和矿区复垦、造地等。,1.2 清洁采矿,(4) 研究高技术的特殊采矿方法。如研究高压水胀裂矿岩采矿法、镶嵌金刚石刃具的钢绳切割采矿法，深孔水力采矿法和原地破碎溶浸采矿法等。,1.2 清洁采矿,原地溶浸采矿是理想的无废害采矿(清洁采矿)方法，它分为钻孔溶浸法和原地爆破破碎溶浸法2类，前者是将浸出液通过钻孔注入地下矿体中，有选择性地浸出有价组分，再将溶液抽出送车间回收有价金属。后者是将矿块爆破破碎后，在上部

7、中段喷洒溶浸液，下部中段收集富液。,1.2 清洁采矿,我国于1970年在铀矿开采中开始试验钻孔溶浸法研究，1991年正式工业性应用。近年，也开始试验原地爆破破碎溶浸法。,1.2 清洁采矿,原地溶浸采矿只适用于具有一定地质、水文条件的矿床，如果矿化不均，矿层各部位的渗透性不同、或部分有用成分难以浸出，都会影响开采的经济指标。因此，目前常用的是地面堆浸法。溶浸采矿可处理的金属主要有铜、铀、金、银。,1.2 清洁采矿,地面堆浸方法，已成为从低品位矿石提取金属的有效方法，已发展到很大规模和很高的机械化程度，它不仅可以处理氧化矿、低品位铜矿(包括表外矿、废石、浮选尾矿)，而且可以处理硫化铜矿和铜精矿。,

8、1.2 清洁采矿,采用溶浸技术，从矿石到电铜只有浸出萃取电积3个工序，它与传统的火法炼铜工艺相比，其生产成本和投资费用均降低三分之一。 1999年世界上采用溶浸技术生产的铜已达到220万t，占世界矿铜产量的15%以上，其中智利达到120万t，美国70万t。世界最大浸出萃取电积工厂是智利埃尔阿夫拉，它的年产量达26 .5万t 。,1.2 清洁采矿,我国于1997年在德兴铜矿建成细菌堆浸废石年产2000t的电积铜厂，紫金山金矿的地面堆浸规模也很大，在金矿系统乃至全国都有较大影响。,1.2 清洁采矿,但是，我国与外国相比差距仍然很大：生产规模相对的小，设备还很简陋；对不同类型矿物、缺乏浸出技术和工业

9、应用经验；缺乏在高海拔和寒冷地区推广浸出萃取电积技术的经验；缺乏优良萃取剂；自动控制技术水平低。,1.2 清洁采矿,回收低品位矿石，是21世纪矿业发展的重要方向，发展生物冶金技术和原地溶浸技术，对品位低、埋藏深、难采矿体的开采利用具有特别重要意义。,1.3 连续采矿,传统的开采方法存在许多弊端，其要害就是留有大量间柱。实现无间柱连续采矿，是地下金属矿开采技术的一个重大变革，其表现在： 回采工作面连续推进，有利于井下采矿作业的合理集中，实现高强度采矿； 可从根本上解决长期以来因留大量矿柱给矿山带来多中段作业、资源大量损失的问题；,1.3 连续采矿, 阶段连续回采时，强采、强出、强充，围岩暴露时间

10、短，有利于采场地压控制，对于围岩稳固性稍差，特别是地压较大的深部矿床开采，将是一种有效的开采方式； 连续回采将推动地下金属矿山作业机械化，工艺连续化，生产集中化和管理科学化的进程，促进矿山现代化。,1.3 连续采矿,但连续采矿机的可行性受到两方面的挑战： 采矿机作业受金属矿床形态多变及复杂地质条件的限制； 切害头寿命及费用。 因此，硬岩采矿机要投入工业应用尚需时日，但人们对其前景仍然看好，因为它为实现无人矿井迈出决定性的一步，同时从它可用于水利、铁道、公路工程来说，也是一个重大突破。这是澳洲、西欧、北欧仍继续投入巨资开发研究的重要原因。,1.4 深部采矿,谈到深部开采，需要界定“深部”的含义。

11、矿山是否进入深部开采，有专家提议以岩爆发生频率明显增加来界定，也有提议以岩石应力达到某一高度值来界定，更多的人认为:上述两种方法有较大的模糊性，主张进入深部开采的界线约定为大于8001000m。 红透山铜矿开采深度达9001100m； 冬瓜山铜矿开拓深度达1100m。,1.4 深部采矿,据不完全统计，国外开采深度超千米的金属矿山有80多座，其中最多的是南非。 南非绝大多数金矿的开采水平大都在1000m以下，其中Anglogold有限公司的西部深水平金矿的采矿深度达3700m；West Driefovten金矿，矿体一直延伸至6000m以下。,1.4 深部采矿,印度的科拉尔金矿区，已有三座金矿采

12、深超2400m。另外，俄罗斯、加拿大、美国、澳大利亚的一批金属矿山采深亦超过1000m。 因此，深部开采已成为我国乃至世界矿业界特别关注的问题。,1.4 深部采矿,深井开采存在高应力、高温和高井深的特殊开采环境。在深井开采中由于高应力导致的岩爆、冒顶等灾害；由于高井温的恶劣工作环境，工人的生理条件难以承受；由于深井导致矿石提升、排水困难，以及人们心理承受力脆弱所导致的伤亡事故等。,1.4 深部采矿,但要实现深井采矿工艺与系统的根本性变革，必须深入研究5个基础性的科学问题： 深井高应力矿岩的岩爆控制问题； 深井高应力矿岩的碎裂诱变问题； 深井开采中高温环境控制问题； 深井采矿模式与采矿系统优化问

13、题； 深部低品位矿床无废害开采问题。,1.5 无人采矿,21世纪的矿山，需要引入一种全新的采矿观念，构建一种全新的数字化与智能化的矿山模式，或者说高度现代化的无人采矿模式。 国际镍公司已开发一种能支持机器人的、集过程设计和监控于一体的信息系统，其主要软件提供数据库、绘图、三维模型、设备控制和矿山网络管理。这些软件能与测量、遥测矿山评估、爆破设计等软件和工具通讯，能与经营信息系统进行通讯。,1.5 无人采矿,矿山数字化是矿山智能化的基础。矿山智能化主要指的是智能采矿，即采矿决策过程高度可靠、准确。要实现矿山智能化，要有3个条件： 采矿设备智能化，各种遥控的机器人的应用； 能动态地获取采矿工艺技术

14、的关键数据与资料，包括地质条件、品位、岩层状况、人员与设备的位置、采矿工序等等，有充足的资料后，才能更加科学地对采矿进行规划、设计与控制； 有高度现代化的采矿调度系统。,1.5 无人采矿,就露天矿来说，如何有效地、动态地监测、调度和管理设备，并协调好人员与设备、设备与设备、设备与生产的关系，是露天矿实现无人采矿目标的重要内容。,1.5 无人采矿,美国模块公司为了上述目标，已成功地开发出一个大范围的采矿调度系统。它是采用最新计算机、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。其核心是使用全球卫星定位系统，工业应用非常成功。,1.5 无人采

15、矿,地下矿山的无人采矿已有许多研究，但它的难度比露天矿要大得多，由于GPS难以用与地下，开发实用的通讯系统便成为一个关键。 加拿大国际镍公司研制了一种、基于有线电视和无线电发射技术相结合的地下通讯系统，并在斯托比(Stobie)矿投入试用，这种功能很强的宽带网络与矿山各中段的无线电单元相结合，可传输多频道的视频信号，操作每台设备。,1.5 无人采矿,该矿除了固定设备已实现自动化外，铲运机、凿岩台车、井下汽车均已实现了无人驾驶，工人在地面遥控这些设备。中央控制系统安装有：数据库系统、模拟系统和规划设计软件，它直接向采矿设备发送工作指令。设备基本上是自主运行，整个井下工作面基本上不需工作人员。,2

16、 无底柱分段崩落采矿法的技术进展,无底柱分段崩落法是我国地下开采铁矿采用最多的一种高效率采矿方法，其开采矿量占我国地下铁矿开采总量的80%以上，无底柱分段崩落法的完善与提高，对提高我国地下开采矿山的生产能力和经济效益具有十分重要的意义。,2 无底柱分段崩落采矿法的技术进展,阶段高度 50m 200m； 分段高度10m 30m； 排距：1.0m 3.0m；每排崩矿1.0 1.5万吨； 凿岩：风动凿岩台车，液压凿岩台车，孔径115mm，凿岩深度可达50米以上； 出矿：T4G，铲运机，电动铲运机（Toro 2500E，25吨），遥控铲运机 ；,3 瑞典纪律纳铁矿简介,基律纳是瑞典北方的最大城市，位于

17、北极圈以北150千米，人口只有2.6万 基律纳矿体呈南北走向，向东倾斜，倾角约60度，走向长约4000m，平均厚度80m，勘探深度约2000m。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,矿石主要用分段崩落法开采，约25%的矿石用分段采矿法回采。 1993年原矿总产量为1 830万吨。其中分段崩落法占1 250万吨，分段采矿法为410万吨，其余矿石来自采准工程1994年的生产计划要求分段崩落法生产1 280万吨矿石，分段采矿法采出360万吨矿石。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,回采方式如下：先用大直径盲孔钻机或天井掘进机在上盘接触带向上钻凿一个760mm的切割天井。以80度的倾角钻凿扇形炮孔，每个扇形炮孔组9-10个

18、炮孔。 目前的生产凿岩是用5台凿岩台车钻凿115mm直径的炮孔。其中4台配有顶部冲击式凿岩机，另一台配有潜孔冲击器。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,运矿由18辆15t铲斗容量的Toro电动铲运机担负，从44个矿石溜井运到现在的775m主运输水平。目前，矿山是两班作业，每周工作7天，爆破作业在夜班进行。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,在主运输水平，矿石用遥控电机车运到多线卸载站。底卸式矿车在这里卸矿。矿石运到破碎站。破碎的矿石进入矿仓，再从矿仓装入箕斗提升到地表。 共有8座竖井，其中7座装有箕斗提升机。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,KUJ2000计划，由775水平下降到1045水平； 采矿能力由1830万吨到2

19、600万吨； 有了1045m水平就可开采矿体下部，其矿石储量为3. 3亿t。规定分成8个生产矿块进行开拓，每个生产矿块有1组4个矿石溜井，分别溜放磷品位不同的矿石。并在矿体下盘开凿4条新的斜坡道下到8个矿块底部，每条斜坡道服务于2组矿石溜井。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,分段高度，第一阶段为28. 5m，随后将可能使用30m的分段高度。 分段高度12m时，连续扇形炮孔排面抵抗线为2m，每排爆破1500t矿石，要达到60000t/d生产能力，每天24小时要爆破40排炮孔；,3 瑞典纪律纳铁矿简介,如果分段高度改为30m，最小抵抗线将是3.5m左右，每排炮孔崩矿量可达14000-15000t，这样每天

20、仅需爆破四排炮孔。 矿山分为八个生产矿块后，只要在两个矿块中爆破就够了。这八个矿块都有独立的通风系统。这就是说，两个矿块进行爆破时，其余六个矿块可以正常生产。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,增加分段高度，就要增大钻孔深度和提高凿岩精度最大深度将达55m，只能有微小的偏斜。凿岩使用装备了新型Wassara水力潜孔冲击器的钻机。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,装载机借助配备有信息传输系统和移动控制导航系统，通过远距离操纵台控制装运过程，从而实现了作业过程自动化。 15台载重25 t的装载机由矿井中央控制台进行控制。试验中每台装载机每天装运5000 t矿石，运距320 m。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,通风系统采用

21、压入吸出混合通风方式。污染的主要来源是柴油车辆、爆破产生的有害气体和扬尘。 基律纳铁矿位于北极圈内，气候寒冷，每年有7个月需要预热，在此期间室外平均温度为-8，预热是按室外温度-20 考虑的，如果气温在-20 以下，就要减少通风量，防止零度以下的空气进入井下。,3 瑞典纪律纳铁矿简介,排水：775m水平采用3段排水，排水是自动化的，在地面进行控制。 1045m水平排水是在775m水平3段泵站基础上再加一段，用4段泵站接力排水，即295、528、960和1180m水平各设泵站，总排水能力为48m3/Min，一年排水量约为1200万m3。 考虑要回采卢萨湖下面的矿量，排水量可能要增加。,3 瑞典纪

22、律纳铁矿简介,4 我国梅山铁矿简介,梅山铁矿是一个大型盲矿体，呈大透镜状，平面投影为似椭圆形，面积0.8平方公里、长1 370 m、宽824 m，平均厚度134 m，属于缓倾斜的极厚矿体，矿体水平面积大，-198 m以下，矿体长度一般为400 - 700 m，水平宽度在300 m以上，分层矿量980 - 1760万t，矿石主要成分为磁铁、赤铁矿、菱铁矿，矿体稳固性较好，围岩易于崩落，具有较好的开采技术条件。,4 我国梅山铁矿简介,梅山铁矿一直采用小结构参数，采矿强度低，制约了矿山生产能力的提高，根据矿山发展总体要求，改变结构参数已势在必行。,4 我国梅山铁矿简介,1987年开始着手加大分段高度

23、和进路间距的研究，决定将分段高度由10 m提高到15 m，进路间距由10 m加大到15 m，并在北采区建立试验矿块，开展试验研究工作。,4 我国梅山铁矿简介,1991年开始，先后采用物理模拟、计算机仿真及工业试验等科学手段，开展了凿岩爆破参数及崩矿步距的研究、放出体工业试验、过渡分段方法、大型采掘设备合理配套的研究；同时为提高矿山生产能力，还开展了多级机站通风系统的研究，以及新技术、新工艺的研究和应用，并采用科学管理手段，取得了丰硕的成果。,4 我国梅山铁矿简介,1998年完成新旧参数的过渡，一198 m以下全面采用15 m X 15 m的结构参数，当年生产原矿251万t，实现了年产铁矿石250万t达产指标。 凿岩：10 m x 10 m结构参数下，采用CTC一141风动台车凿岩，使用的孔径为60 m m；,4 我国梅山铁矿简介,当改用15 m x 15 m结构参数时，为提高凿岩崩矿强度，凿岩设备采用Si mba H252液压凿岩台车，炮孔直径为72 m m和78 m m。 崩矿步距：在1 5 m X15 m