張根深,肖迪民,曹明秋

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司, 湖南冷水江市 417502)

錫礦山采礦技術(shù)攻關(guān)與解難

張根深,肖迪民,曹明秋

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司, 湖南冷水江市 417502)

錫礦山采礦工作者經(jīng)過(guò)60年的科技攻關(guān),成功解決了錫礦山難采礦體開采面臨的諸多采礦技術(shù)難題,所取得的實(shí)踐成果豐富了采礦工程學(xué)寶庫(kù)。分兩個(gè)階段(20世紀(jì)后50年和最近10余年)介紹了錫礦山采礦技術(shù)科技攻關(guān)的過(guò)程及其科研成果,并提出了錫礦山未來(lái)將要面臨的采礦技術(shù)創(chuàng)新問(wèn)題。

采礦方法;通風(fēng)防塵;“三下”采礦;地壓控制;殘礦回采

錫礦山是一個(gè)超大型銻礦床,至今已有110多年大規(guī)模開采的歷史。解放前,礦商唯利是圖,見礦采礦,無(wú)正規(guī)采礦方法可言。解放后,錫礦山采礦科技工作者結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際,在有關(guān)科研院所的協(xié)助下,通過(guò)不斷探索,創(chuàng)立了由“普通”、“桿柱”和“人工壁柱”房柱法構(gòu)成的適應(yīng)緩傾斜礦體開采的房柱采礦法體系;同時(shí)通過(guò)長(zhǎng)期艱苦的科技攻關(guān),成功解決了諸多難采礦體回采的技術(shù)問(wèn)題,極大豐富了采礦工程學(xué)寶庫(kù)。

1 20世紀(jì)后50年的科技攻關(guān)

1.1 創(chuàng)立了房柱采礦法體系

根據(jù)錫礦山緩傾斜中厚礦體的特點(diǎn),在沿用不規(guī)則礦柱空?qǐng)龇ǖ耐瑫r(shí),1953年進(jìn)行了留規(guī)則礦柱“普通房柱法”的試驗(yàn),經(jīng)對(duì)采場(chǎng)構(gòu)成要素、回采順序與作業(yè)方式等的全面論證,1954年該法被定型為回采中厚礦體的基本采礦方法。1958年開始南礦東部薄(1號(hào))礦體回采的試驗(yàn)研究,先后試驗(yàn)的長(zhǎng)壁法、寬進(jìn)路扇形眼崩礦和房柱支柱法均不理想,直至1962年11月開始試驗(yàn)的“桿柱房柱法”獲得成功而定型為薄礦體回采方法。1978年隨著南礦7～11中段薄礦體回采條件的變化,在總結(jié)上部中段回采經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在11中段進(jìn)行了縮小采場(chǎng)跨度、兩步回采的“桿柱護(hù)頂、砂漿充填采礦法”的試驗(yàn)并獲得成功,從而取代了“桿柱房柱法”。1965年在探討“三下”采礦方法時(shí),自創(chuàng)兩步回采的“人工壁柱房柱法”,1966年開始試用于南礦6～7中段河床保安礦柱的開采,70年代中期便在錫礦山全面推廣,并相繼試驗(yàn)成功中深孔采礦和塊石膠結(jié)充填、噴錨護(hù)頂高分層回采等工藝。至此建立起由“普通”、“桿柱”、“人工壁柱”房柱法構(gòu)成的房柱采礦法體系。

1.2 創(chuàng)立棋盤式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)自動(dòng)控制

錫礦山1951年開始機(jī)械通風(fēng),隨后形成分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)緩傾斜礦體的特點(diǎn),1956年陳秉勤創(chuàng)新的棋盤式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于南礦,井下粉塵濃度大大降低。1958年4月,錫礦山在全國(guó)冶金礦山中率先達(dá)到粉塵濃度低于2mg/m3的國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。隨著風(fēng)(通風(fēng))、水(噴霧灑水)、密(密閉)、管(加強(qiáng)管理)、查(檢查)、護(hù)(勞動(dòng)保護(hù))、教(教育)、革(技術(shù)革新)8字綜合防塵措施的落實(shí),井下工作面粉塵合格率逐步提高,1964年達(dá)83.5%。為解決井下作業(yè)點(diǎn)分散且生產(chǎn)條件變化頻繁、通風(fēng)系統(tǒng)管理與控制困難、通風(fēng)動(dòng)力浪費(fèi)與成本高等問(wèn)題,1979年開始使用微機(jī)進(jìn)行南礦井下通風(fēng)設(shè)備集中監(jiān)控和礦井風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)的試驗(yàn)研究,并獲得了良好的效果,從而使南礦在20余年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)自動(dòng)控制。

1.3 首開國(guó)內(nèi)金屬礦山“三下”采礦之先河

由于客觀和歷史的原因,南礦地表分布有南煉廠、1號(hào)豎井等重要建筑物,且飛水巖河流經(jīng)礦體上部,1956年按規(guī)定劃定了5大保安礦柱并列為禁區(qū),由此極大地限制了礦山生產(chǎn)的發(fā)展。1957年,錫礦山開始探討“三下”采礦課題,1965年自創(chuàng)兩步回采的“人工壁柱房柱法”,在試驗(yàn)初步獲成功的基礎(chǔ)上,1966年即全面運(yùn)用于6～7中段河床保安礦柱的回采,直至1971年出現(xiàn)地壓活動(dòng)才暫時(shí)停止,從而開創(chuàng)了我國(guó)金屬礦山“三下”采礦的先例。隨后從1973年開始,在長(zhǎng)沙礦山研究院的協(xié)同下,進(jìn)行了8～9中段河床保安礦柱的回采試驗(yàn),期間開展了采礦方法及工藝、試采區(qū)采場(chǎng)地壓規(guī)律及其控制方法的可靠性、地表及巖層移動(dòng)規(guī)律和充填體控制巖層移動(dòng)的效果等方面的研究,歷時(shí)8年的試驗(yàn)研究,解決了南礦保安礦柱采礦方法問(wèn)題,論證了“人工壁柱房柱法”的地壓機(jī)理和膠結(jié)充填體的力學(xué)作用,探索出一種地壓控制方案,取得的科研成果為國(guó)內(nèi)金屬礦山首創(chuàng),1981年獲國(guó)家冶金科研三等獎(jiǎng)。

1.4 持續(xù)地壓控制研究

為了保護(hù)南礦地表建筑物和飛水巖河道的安全,1955年和1957年共開辟了3個(gè)地表采石場(chǎng),建立了兩個(gè)充填系統(tǒng),對(duì)一些老采空區(qū)進(jìn)行了處理,同時(shí)在地表建立了巖移觀測(cè)線進(jìn)行巖移觀測(cè)。隨著大規(guī)模采礦生產(chǎn)的進(jìn)行,井下空?qǐng)霾粩鄶U(kuò)大,巖石應(yīng)力日益集中,以致1965～1971年間在南礦東、中、西部發(fā)生了3次大面積地壓活動(dòng),為此分別于1966年和1972年開展了充填殲滅戰(zhàn),同時(shí)加強(qiáng)了地壓和巖移的觀測(cè)工作。1973年,冶金工業(yè)部將“錫礦山南礦地壓規(guī)律及控制方法”研究列為重大攻關(guān)項(xiàng)目,并明確長(zhǎng)沙礦山研究院和武漢冶金安全技術(shù)研究所協(xié)同礦山工作。通過(guò)近10年的綜合研究,得出如下成果:地壓產(chǎn)生、發(fā)展及穩(wěn)定的客觀規(guī)律;大面積地壓活動(dòng)時(shí)巖音頻率、礦柱破壞、頂板巖層下沉移動(dòng)與破壞及地表移動(dòng)的特征;處理采空區(qū)和改進(jìn)采礦方法是控制地壓發(fā)生的基本措施。該項(xiàng)成果分別獲湖南省(1978年)、冶金工業(yè)部(1981年)和國(guó)家科技成果獎(jiǎng)(1985年)。地壓控制的研究至今已持續(xù)了40多年。

2 最近十余年來(lái)的科技攻關(guān)

2.1 最終解決了南礦薄礦體回采方案

隨著開采的繼續(xù)深移,南礦13中段以下薄礦體傾角大幅度變陡(達(dá)40°～70°),使用桿柱砂漿充填采礦法回采存在著施工困難、作業(yè)不安全和技術(shù)指標(biāo)差等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾年的探索,南礦于1989年提出了斜交礦體走向和沿礦體走向布置礦塊的兩種回采方案,后經(jīng)廣泛討論于1991年確定使用沿礦體走向布置礦塊、分層回采的“上向連續(xù)采礦法”付諸試驗(yàn),經(jīng)15中段82～84采試驗(yàn)獲成功,從而最終解決了南礦薄礦體回采方案問(wèn)題。該試驗(yàn)于2002年結(jié)束,其成果經(jīng)湖南省科技廳組織專家鑒定,認(rèn)定是我國(guó)難采礦體采礦方法研究方面的一項(xiàng)突破,整體技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,2003年獲中國(guó)有色金屬工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

2.2 “三下”采礦又有新的突破

6～9中段河床保安礦柱的成功開采,為南礦一號(hào)豎井、辦公室等保安礦柱開采提供了借鑒依據(jù)。但南煉廠保安礦柱開采條件更加特殊:

(1)屬典型的淺部“三下”礦體開采(礦體距地表僅20～70m;地表有正在生產(chǎn)的銻冶煉廠)。

(2)開采條件特別復(fù)雜(其周圍礦體已采完,使其成為孤島且經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間采礦的擾動(dòng);周圍老采空區(qū)呈復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu),部分采空區(qū)充填未接頂;有多層礦體需要重復(fù)開采),因而其開采難度更大,類似開采條件的“三下”采礦目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)報(bào)道。

為實(shí)現(xiàn)南煉廠保安礦柱的安全開采,長(zhǎng)沙礦山研究院與錫礦山合作,開展了該保安礦柱開采及其安全監(jiān)控的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)開采過(guò)程中采用了創(chuàng)新的“分區(qū)卸荷,多回次平穩(wěn)沉降”地壓控制方案;實(shí)施了控制采場(chǎng)個(gè)數(shù)和中部全膠結(jié)、兩翼半膠結(jié)等安全技術(shù)措施;利用地壓監(jiān)測(cè)、巖移觀測(cè)、爆震測(cè)定等安全監(jiān)控手段確保了井下回采和地表建筑物的安全,得出了獨(dú)特的巖體聲發(fā)射和巖層移動(dòng)規(guī)律以及爆破地震波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)衰減規(guī)律與爆破安全距離等研究成果。該保安礦柱開采試驗(yàn)至2007年5月結(jié)束時(shí)累計(jì)回采采場(chǎng)63個(gè),采出礦巖量52.09萬(wàn)t,充填空區(qū)18.291萬(wàn)m3,采礦回采率92.45%,礦石貧化率4.83%,為企業(yè)創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益6363.667萬(wàn)元。至此,領(lǐng)先國(guó)內(nèi)金屬礦山“三下”采礦的錫礦山保安礦柱開采研究基本結(jié)束。

2.3 難采殘礦回采創(chuàng)新碩果累累

所有礦山開采都會(huì)殘留一些礦石未采出。難采殘礦回采是當(dāng)今采礦界面臨的一個(gè)技術(shù)難題。錫礦山超百年的大規(guī)模開采,在已結(jié)束回采的中段保留有大量殘礦。盡可能多的回收這些殘礦,對(duì)延長(zhǎng)礦山壽命、持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益都有好處。錫礦山1956年開始?xì)埖V回采,直至1992年主要還是回采那些條件好的大礦柱和邊角掃尾礦體,一些難度大的殘礦回采方案未解決,以致年回收殘礦量?jī)H3～4萬(wàn)t。1993年開始開展難采殘礦回采方案的科技攻關(guān),探索出部分類型的難采殘礦回采方案,2002年以后殘礦回采年產(chǎn)量提高到8～10萬(wàn)t,最高達(dá)13.8萬(wàn)t。

1993年10月,針對(duì)南礦7中段45～51采冒落區(qū)殘留礦石回收方案的探索,南礦相關(guān)的采礦技術(shù)人員創(chuàng)新提出“底盤漏斗自然崩落放礦回收冒落礦石”方案。即在冒落采場(chǎng)底盤沿采場(chǎng)方向布置耙礦道,耙礦道兩側(cè)交錯(cuò)掘放礦漏斗并擴(kuò)喇叭口;冒落礦石經(jīng)松動(dòng)后在其自重壓力下自然崩落至耙礦道,再?gòu)陌业V道將礦石耙出。該方案在南、北礦的實(shí)施效果較理想,該項(xiàng)科研成果于2002年獲得錫礦山科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

1998年3月,有關(guān)采礦技術(shù)人員綜合運(yùn)用兩步回采充填采礦法采場(chǎng)地壓機(jī)理、地下采礦應(yīng)力轉(zhuǎn)移、充填體強(qiáng)度及其力學(xué)原理等理論,針對(duì)房柱法回采采場(chǎng)留下的盤區(qū)間柱和房間壁柱回采,創(chuàng)新提出“上向小分層回采窄厚殘留礦壁”方案。即按垂高2.5～3m將殘留礦壁劃分為若干個(gè)小分層,依次進(jìn)行上向回采;首先沿礦壁徑向(逆礦體傾向)進(jìn)行拉底,然后依靠爆破震塌的尾砂及選別出礦留下的廢石回填采空區(qū),在充填體上依次進(jìn)行挑頂,直至礦壁回采結(jié)束。該方案在南礦6中段1～5采殘留礦壁回采試驗(yàn)獲初步成功后,1999年在南北礦全面推廣使用。該項(xiàng)科研成果于2003年獲得錫礦山科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。

2004年6月,南礦采礦技術(shù)人員針對(duì)南礦西4～7中段部分區(qū)域上下采場(chǎng)(已采并尾砂充填)間的隔層殘礦回采問(wèn)題,經(jīng)分析與理論論證,創(chuàng)新提出“普通房柱法回采上下采空區(qū)間隔層殘礦”方案。由于隔層殘礦厚度一般小于6m,故采場(chǎng)寬度取6 m,礦柱規(guī)格取4m×4m,采場(chǎng)頂板留2m左右的護(hù)頂。該方案經(jīng)南礦7中段57～61采采場(chǎng)頂板(5中段12采底盤)隔層殘礦回采實(shí)踐證實(shí)可行,2005年開始已在南礦推廣使用。該項(xiàng)科研成果于2006年獲得錫礦山科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

實(shí)踐證明,上述3種難采殘礦回采方案是可行的,實(shí)施后使錫礦山近幾年殘采產(chǎn)量得到了很大的提高。截至2009年底,運(yùn)用上述3種回采方案,已采出殘礦銻含量1.5萬(wàn)多t,以銻金屬原料市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算,為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益近2億元。由于殘礦回采成績(jī)突出,錫礦山2007年榮獲國(guó)土資源部“資源利用先進(jìn)單位”稱號(hào)。

2.4 充填工藝得到較大改進(jìn)

在南礦進(jìn)入深部中段采礦時(shí),由于尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)存在砂漿輸送濃度低等問(wèn)題,造成充填體強(qiáng)度較低,以致采礦過(guò)程中出現(xiàn)充填體跨塌和片幫,不但增大了礦石貧化,而且?guī)?lái)了安全隱患。為此,2004年對(duì)南礦使用尾砂膠結(jié)充填法回采緩傾斜厚礦體進(jìn)行了一次系統(tǒng)的總結(jié)和技術(shù)論證,對(duì)過(guò)去尾砂膠結(jié)充填回采厚礦體存在的問(wèn)題進(jìn)行了全面的分析,同時(shí)對(duì)兩步回采方案采場(chǎng)地壓機(jī)理、膠結(jié)充填體的力學(xué)作用、地壓控制基本模式、尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求以及尾砂膠結(jié)充填成本等方面進(jìn)行了論證并得出了相應(yīng)的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上,確定自行設(shè)計(jì)對(duì)南礦深部充填系統(tǒng)進(jìn)行易地調(diào)整改造。

南礦深部充填系統(tǒng)改造于2007年4月竣工,經(jīng)過(guò)一個(gè)月的調(diào)試,2007年6月投入生產(chǎn),至今已有2年多,從運(yùn)行情況看,效果較理想。系統(tǒng)生產(chǎn)能力大,一班作業(yè)可完成1d的任務(wù),減少用工11人;砂漿輸送濃度提高到60%,為原系統(tǒng)的2倍,減少井下排水18.8萬(wàn)t/a;極大提高回水利用,達(dá)到828 t/d;優(yōu)化了環(huán)境,杜絕了尾砂和廢水下河,砂漿制備站實(shí)現(xiàn)粉塵達(dá)標(biāo)排放;提高了裝備水平,運(yùn)用充填新技術(shù)和新設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了工藝自動(dòng)控制,降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度;大大節(jié)省了生產(chǎn)費(fèi)用,在減少用工和井下排水,提高回水利用等方面節(jié)省生產(chǎn)直接費(fèi)用126萬(wàn)元/a。

根據(jù)南礦深部充填系統(tǒng)改造的成功經(jīng)驗(yàn),擬定對(duì)北礦充填系統(tǒng)進(jìn)行同樣的調(diào)整改造,目前已完成設(shè)計(jì)并開始土建施工,預(yù)計(jì)在2010年下半年可建成投產(chǎn)。到那時(shí),錫礦山的充填工藝技術(shù)將得到一個(gè)較大的提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

錫礦山房柱采礦法體系的創(chuàng)立和諸多難采礦體回采方案等問(wèn)題的解決,是錫礦山幾代采礦科技工作者心血的凝聚?？茖W(xué)技術(shù)永無(wú)止境,錫礦山礦山生產(chǎn)中存在的技術(shù)難題同樣難以窮盡,近期亟待解決的問(wèn)題還有:

(1)兩側(cè)采場(chǎng)未充填的殘留礦壁的回采方案問(wèn)題,應(yīng)加速探索,力爭(zhēng)2～3年內(nèi)解決;

(2)南礦淺部5中段以上殘留礦體(含河床)的回采,該項(xiàng)目雖有一定難度,但意義重大不宜久拖;

(3)殘留護(hù)頂?shù)V層的回采;

(4)在充填系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上,尋找進(jìn)一步提高砂漿輸送濃度的途徑,以便提高膠結(jié)充填質(zhì)量。

中、長(zhǎng)期應(yīng)考慮解決或?qū)⒂龅降膯?wèn)題有:

(1)北礦五窿道礦區(qū)安全開采問(wèn)題;

(2)條件復(fù)雜的其它類型的難采殘礦回采;

(3)南礦深部復(fù)雜型礦體的回采;

(4)南礦深部開采所遇到的其它(如地壓、通風(fēng)等)問(wèn)題。

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力,技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的動(dòng)力,且其只有起點(diǎn)沒有終點(diǎn)。錫礦山在今后的礦山生產(chǎn)中必須解決好以上問(wèn)題,這也是錫礦山年青一代采礦科技工作者義不容辭的職責(zé)。

[1]張根深.20世紀(jì)錫礦山采礦科學(xué)技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史[R].冷水江:錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,2008.

[2]肖迪民,蘇心德,張根深.錫礦山南礦難采殘礦回采實(shí)踐[J].采礦技術(shù),2007,(2).

[3]曹明秋,肖迪民,段正龍.錫礦山南礦61采頂?shù)字鶜埖V回采實(shí)踐[J].采礦技術(shù),2007,(2).

2010-03-07)

張根深(1951-),男,湖南新邵人,高級(jí)工程師,中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)采礦學(xué)術(shù)委員會(huì)委員,主要從事采礦工程技術(shù)研究工作,Email:xksfh@163.com。