金属矿山地下开采关键技术新进展与展望

2021-11-30张欣

中国金属通报 2021年6期

张欣

（河钢矿业司家营南区矿山分公司，河北唐山 063000）

目前，我国金属矿山地下开采已形成了较大的产业规模，各类矿山和地下开采技术已趋于成熟。但在技术应用方面，由于外部因素的影响，仍存在一定的局限性。因此，要全面提高相应的技术指标，增强金属矿山开采的实际效益，就要从技术水平和装备入手，最大限度地提高金属矿山地下开采技术的应用效率，要综合考虑应用水平和工作发展水平。

1 金属矿山地下开采概述

金属矿产埋藏深，露天开采剥采系数高、成本大，金属矿山多采用地下采矿法。金属矿床地下开采主要分为开拓，采准，切割和回采四个步骤。

在矿石开采过程中，通常分阶段进行开采。通常按自上而下的开采顺序进行开采，矿体沿矿床分为若干矿段。矿块高度约60米。金属矿地下开采方法有三种[1-3]。

（1）自然支护采矿法，又称空场采矿法。主要靠围岩本身的稳固性和矿柱的支撑能力维护回采过程中形成的采空区，有的用支架或采下矿石作辅助或临时支护。

（2）人工支护采矿法，用充填材料或其他支架维护采空区，主要使用充填法，故此法又称充填采矿法。在矿房或矿块中，随回采工作面的推进，向采空区送入碎石、炉渣、水泥等充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采。

（3）崩落采矿法，随回采工作面的推进，有计划地崩落围岩填充采空区以管理地压的采矿方法。适用于围岩容易崩落、地表允许塌陷的矿体。

2 地下金属矿山连续开采关键技术

2.1 连续开采过程中主要的采矿技术

（1）空场采矿法。空场采矿法主要分为大直径深孔采矿法和地下金属矿山连续采矿法。我国早期采用大直径深孔采矿法。在不断创新和发展的过程中，出现了一种较为典型的采矿方案，主要是在大直径深孔的前提下，即阶段性深孔崩落采矿法。该技术的主要优点是能使采矿工艺最大限度地连续工作，安全性能得到一定程度的提高。

（2）崩落采矿法。崩落采矿法分为有无底柱分段崩落法和自然应力崩落法两种。无底柱分段崩落法采用国外先进的采矿技术，在我国的采矿业中是不适用的。不仅如此，这种方法虽然有一定的优点，但在施工过程中应用还存在一些问题，如结构参数的扩大和优化问题，即无法增加线路间距。只有解决这一问题，才能最大限度地发挥这种方法在采矿技术中的作用，在一定程度上减少工作量，提高采矿作业效率，最大限度地降低矿石成本，从而实现矿业经济效益的最大化。前者更具实用价值。基于自然应力的崩落法具有生产能力大、成本低等优点。这些优点对于矿化均匀、自然崩落容易的矿床能发挥最大的作用。

（3）充填采矿法。该方法是目前世界上技术水平最高的方法，其极具代表性的技术是利用高水尾矿快速凝固充填新技术和泵送膏体充填技术。

2.2 采用深部开采与原地进行溶浸的采矿法

深部开采是指垂直开采深度在600m以上的矿井。近年来，我国不断研究深部开采技术，并将其应用于实际生产中。随着科技的不断发展，开采深度越来越深，从600多米到950m。地浸采矿法是多种技术相结合的采矿方法，即采选冶技术的合理结合。这种方法直接从地下提取金属。

3 我国地下金属矿山连续开采技术存在的问题

目前对连续开采的理论知识缺乏研究。虽然我国在技术和装备上取得了一定的成就，但在采矿方法和技术上却没有实质性的进步；并且我国缺乏完整的连续开采理论知识体系，在开采过程中缺乏有效的理论知识作为指导。这样，在一定程度上严重制约了连续开采技术的长期发展，无法实现高水平的开采模式，矿石的破碎程度还有待提高。这是我国连续开采技术中亟待解决的难题。由于破碎量大，一些连续作业设备不能满足要求，这将导致工作效率降低。我国的采矿技术还没有取得根本性的突破，因此采矿技术还需要不断的创新和完善，从而将采矿效率提高到最高水平。

4 金属矿山开采关键技术新进展

金属矿山正面临着“由浅至深、由易至难、由富至贫”的关键转型期，在理论上，技术、装备等方面都面临着新的挑战。面对上述挑战，金属矿山地下开采关键技术的研究显得尤为关键。目前，金属矿山地下开采的关键技术主要体现在以下五个方面：钻爆技术；运输提升技术；岩石加固技术；膏体充填技术；远程控制技术。本文围绕这五项关键技术，系统地回顾了它们的发展历程和最新进展。

4.1 凿岩爆破技术

凿岩爆破技术是金属矿山开采过程中的一项重要技术，也是金属矿山长远发展的薄弱环节。因此，不断提高钻爆效率对金属矿山的安全高效开采具有十分重要的意义。目前，凿岩爆破技术仍是地下开采的主要方法。从最初的手动凿岩到气动凿岩机、液压凿岩机、凿岩台车（圆锥钻、潜孔钻），甚至到今天的凿岩机器人，凿岩技术逐渐从机械化发展到自动化、智能化、环保化。经过长期的研究，国内外已经开发出适合各种条件的钻井设备。近年来，随着钻探设备的改进，美国、加拿大等国相继在地下开采中引入了露天钻爆技术，用大直径分段深孔代替中深孔分段钻进，取得了良好的应用效果。如瑞典研制了一系列掘进凿岩台车，具有钻进效率高、作业安全、污染小等优点；我国自主研制了集行走、凿岩、装药作业于一体的全计算机三臂凿岩台，具有操作简单、安全系数高、造价低等优点。这些设备保证了凿岩质量和效率，降低了劳动强度和作业成本，自动化、智能化、环保化水平达到了一个新的高度。同时，由于地下开采条件的不同，巷道开挖和开采作业的应用条件也不同，传统地下矿山常用的爆破方法也多种多样。微差爆破、挤压爆破、光面爆破得到了广泛应用，在一定程度上提高了爆破质量。随着爆破技术的发展，传统爆破技术逐渐向精密爆破、绿色爆破、智能爆破方向发展。精量爆破主要通过孔网参数的精细设计、爆破能耗的理论研究和爆破方案的模拟，构建矿山精量爆破系统；绿色爆破主要采用新型助燃剂代替炸药，不产生爆破瓦斯，大大改善了地下空气环境，实现了地下绿色爆破；智能爆破主要采用智能设计，智能化设备与爆破震动智能预测、残孔自动识别构成了一个智能爆破系统，实现了爆破技术的智能化。在技术进步和创新的新时代，凿岩爆破技术已经从传统的方法发展到机械物理破岩等非爆破破岩技术。如采用连续采煤机破碎中硬及以下岩石，工作效率高，施工条件好，有利于控制地压；高压水射流/热破碎物理破岩技术克服了单一机械能破岩的局限性，不产生粉尘和烟花爆竹，大大改善了工作环境。但由于道具能耗高、成本高、磨损严重等问题，目前在我国尚未推广。同时，我国信息技术和人工智能技术的研发起步较晚，相关的智能核心技术仍主要依赖国外。因此，我国硬岩矿山尚未实现连续开采。

4.2 运输提升技术

运输提升系统在地下矿山生产中占有极其重要的地位，通过运输提升可将各个环节连成一个有机整体，从而保证矿山正常生产。采场出矿经历了“人工—有轨—无轨”运输技术的发展历程，形成了由有轨为主、无轨为辅，逐步向无轨、有轨为辅的新局面。无轨自走式井下运输始于20世纪60年代，随着井下无轨设备的不断完善，井下无轨开采技术得到了迅速发展，促进了井下开采技术的变革，是井下开采的发展趋势。采场短距离开采采用铲运机运输，具有操作方便、工作可靠、效率高、操作方便等优点。地下车辆用于长距离地下采矿。目前，在国外应用广泛，在我国应用较少。随着开采深度的增加，提升距离面临越来越多的挑战，各种矿料的成本也在不断增加。因此，开发深井提矿技术显得尤为重要。矿山运输升级的总体趋势是向大型化、重载化、自动化程度高的方向发展。经过长期的发展，在深部开采中，大多数矿山采用轨道运输、带式输送机或无轨设备提升多级竖井。例如，在南非陶托纳金矿，采用三级竖井提升法，然后通过胶带或无轨设备在竖井之间运输。传统的露天皮带运输系统虽然结构简单，但容易产生扬尘和滑动，污染地下环境，爬坡能力差，安全系数低。目前，Si con公司已开发出封闭式皮带运输系统，可防止运输中的滑动和粉尘，运输速度可超过3m/s，提升坡度可达到36°。对该系统进行适当的改进，有望在今后深部开采的运输和升级改造中得到应用。目前，深海采矿主要采用液压提升。近年来，一些研究人员尝试在深部矿井中应用液压提升技术，这种技术可以连续进行，更容易实现提升过程的自动化和智能化。然而，深井水力提升破碎系统和粉磨系统的建立比较困难，难以实际应用。同时，对于磁悬浮电梯也有一些创新性的改进思路，但仍需深入细致的研究。这些新技术、新方法、新技术为矿山运输提升领域注入了新鲜血液，极大地促进了运输提升技术、方法、技术的创新和创新。

4.3 岩层加固技术

金属矿山主要用于加固软弱、破碎和高应力岩层。岩层加固技术可分为被动支护和主动支护。被动支护不能改变岩层的内部结构，只能被动承受围岩的变形，如传统的木支护、拱形建筑支护、钢拱支护等；主动支护可以改变岩层的内部结构，主力可以增强岩层的强度，如锚杆（锚索）、喷锚网等方法，其中喷锚支护为复合支护，喷锚支护是金属矿山岩石的主要加固技术。将全长锚杆与粘结锚杆组合成全长粘结锚杆，大大提高了锚固强度，在工程实践中具有良好的推广价值和应用前景；喷射混凝土已由过去的干喷发展到湿喷，改善工作环境，防止岩层剥落。喷锚的有效结合可以将围岩的自由变形控制在一定范围内，重新分配围岩的应力，有效防止岩层脱落。随着科学技术的飞速发展，国内外采用先进的锚喷支护设备越来越多。如锚杆台车、湿喷混凝土台车、挂网台车等一系列设备已在国外研制成功。同时，我国自主研发了轮胎式锚车（履带锚车）、矿用湿喷机和双臂混凝土湿喷机，提高了工作效率，减轻了劳动强度，保证了安全生产，在一定程度上实现了岩石加固技术的机械化和智能化。经过多次技术改造，岩石加固技术已从传统的被动单支护发展到新型的主动复合支护。未来将呈现机械化、智能化的趋势，以提高作业的安全性和效率。