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干货整理!地下矿山基本知识

发布时间:2022-11-07 13:42 打石头的羌羌

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一、开拓系统

(一)矿床开拓的基本概念

矿床开拓是为开采地下矿床从地面向地下开掘一系列的井筒、硐室、巷道以通达矿体的地下工程总称。其目的在于形成运输、提升、通风、排水、供电、供水、输送压气以及采场充填等系统,以满足采矿工艺过程的需要。形成开拓系统的井巷主要有平硐、竖井、斜井、斜坡道、各类盲井、石门、马头门、主要运输平巷、主溜井、主充填井、主回风巷、风井、井底车场及各种主要硐室等。开拓巷道名称如图3-1所示。

图3-1

图3-1中,凡属于用来运输、提升矿石的井巷,不管有无地表出口,如主平硐、提升井筒、主斜坡道、盲竖井、盲斜井等,均称为主要开拓巷道而其他开拓巷道,如通风井、溜矿井、充填井、井底车场、阶段运输巷道等,在开采矿床时只起辅助开拓作用,称为辅助开拓巷道。

为开拓矿床而在一定空间内所布置的主要开拓巷道和辅助开拓巷道体系,称为矿床的开拓系统。一个独立、完整的开拓系统应能在井田范围内实现运输、提升、通风、排水、供电、供风、供水及行人等全部目的,并至少有两个独立的通地表的安全出口。

图3-2

图3-2为竖井开拓系统示意图。它在井田中央布置主井、副井,两翼布置通风井;通过井底车场、石门、阶段运输平巷,建立起地表与矿体之间的联系。矿石通过溜井下放至破碎碉室,转经箕斗提升至地表人员、材料、设备及废石提升则通过副井运行。全井田通风采用对角式通风系统,由副井进风,两翼风井出风。井底车场起着连接竖井提升和阶段运输之间的交通枢纽作用。

完成这套开拓系统的整个工程,称为开拓工程。选用何种类型的主要开拓巷道进行开拓及开拓巷道在矿床内的布置方法,称为开拓方法。

(二)矿床开拓方法分类

矿床开拓方法,既包含选择主要开拓巷道的类型,又包括对选定的主要开拓巷道在矿床内进行合理的布置。因此,设定主要开拓巷道在矿床开拓中就显得极为重要。设定的正确与否,不仅直接影响到矿井的生产能力和生产的安全,而且还直接影响到开拓工程量、基建投资以及矿井的建设期限。

矿床开拓方法一般是依照所选用的主要开拓巷道类型来命名的。由于矿床赋存条件的多样性、地表地形条件的复杂性,能被用来选择的矿床开拓方法种类很多,其中有一些随着采矿技术的发展被逐渐淘汰,而另一些则随着无轨设备的广泛使用正在兴起。

根据开拓系统中所用的主要开拓巷道数目,地下矿床开拓方法可以概括为两大类单一开拓法和联合开拓法。凡用一种主要开拓巷道开拓整个井田,称为单一开拓法;如果用两种或两种以上的主要开拓巷道开拓井田,包括矿床上部用一种主要开拓巷道,下部用另一种主要开拓巷道,则称为联合开拓法。

两大类开拓方法中,又可按主要开拓巷道的类型及与矿体的位置关系,划分为各种不同的开拓方法和方案。具体分类情况见表3-1。

表3-1

(三)矿床开拓方案的选择

在矿山设计中,选择矿床开拓方案是总体设计中十分重要的内容,包括确定主要开拓巷道和辅助巷道的类型、位置、数目等。

1.开拓方案选择的基本要求

矿床开拓是矿床开采的一个主要问题,它往往决定整个矿山企业建设的全貌,并与矿山总平面布置、提升运输、通风、排水等一系列问题有密切的联系。矿床开拓方案一经选定并施工之后,很难改变。为此,选择矿床开拓方案需满足下列基本要求。

(1)确保工作安全,创造良好的地面与地下劳动卫生条件,具有良好的提升、运输、通风、排水等功能。

(2)技术上可靠,并有足够的生产能力,以保证矿山企业均衡地生产。

(3)基建工程量最少,尽量减少基本建设投资和生产经营费用。

(4)确保在规定时间内投产,在生产期间能及时准备出新水平。

(5)提高资源利用率,减少矿石损失。

(6)与开拓方案密切关联的地面总布置,应不占或少占农田。

2.开拓方案选择的影响因素

(1)地形地质条件、矿体赋存条件,如矿体的厚度、倾角、偏角、走向长度和埋藏深度等。(2)地质构造破坏,如断层、破裂带等。

(3)矿石和围岩的物理力学性质,如坚固性、稳固性等。

(4)矿区水文地质条件,如地表水(河流、湖泊等)、地下水、溶洞的分布情况。

(5)地表地形条件,如地面运输条件、地面工业场地布置、地面岩体崩落和移动范围,外部交通条件、农田分布情况等。

(6)矿石工业储量、矿石工业价值、矿床勘探程度及远景储量等。

(7)选用的采矿方法。

(8)水、电供应条件。

(9)原有井巷工程存在状态。

(10)选厂和尾矿库可能建设的地点。

二、采矿方法

地下采矿是在采区(或矿块)中进行回采作业。通常将采区再划分为矿房和矿柱,一般是先采矿房,再回收矿柱。采矿方法是开采采区(矿块)矿石的方法,它包括采准、切割及回采3项工作。

(一)采矿方法的分类

由于矿床埋藏条件复杂,矿岩性质变化大以及其他原因,应用的采矿方法种类繁多。根据回采时地压管理方法,地下采矿方法归纳为三大类空场采矿法、崩落采矿法和充填采矿法。

1.空场采矿法

空场采矿法由于主要依靠围岩自身的稳固性和留下的矿柱来管理地压,因此一般适用于矿岩稳固的矿体开采。其基本特点是除沿走向布置的薄和极薄矿脉以及少量房柱法外,矿块一般划分为矿房和矿柱两步骤回采,先采矿房,后采矿柱矿房回采过程中留下的空场暂不处理并利用空场进行回采和出矿等作业;矿房开采结束后,根据开采顺序的要求,在空场下进行矿柱回采根据所用采矿方法和矿岩特性,决定空场内是否留矿柱及其矿柱形式。

空场采矿法具体形式很多,但应用较为广泛的是房柱法(全面法)、留矿法、分段凿岩阶段矿房法和阶段凿岩阶段矿房法。图3-3为房柱法示意图。

图3-3

2.崩落采矿法

与空场法和充填法利用围岩本身稳固性和矿柱或充填体支撑顶板岩层、被动管理地压不同,崩落法是通过有计划地强制或自然崩落围岩,消除地压存在和产生的根源,主动管理地压。其主要特点是随采矿工作面的推进,有计划地强制崩落,或借助自然应力崩落采场顶板或两帮围岩,充填采空区,以控制和管理采场地压。

崩落采矿法能实现单步骤回采矿块,消除回采矿柱时安全条件差、损失与贫化大的弊端。但其首要使用前提条件是地表允许陷落,而且由于放矿是在覆盖岩石下进行的,损失与贫化率较高,因此,一般适应于价值不高的矿体或低品位矿体的回采。随着环保问题日益受到重视,该类采矿方法使用比重有越来越小的趋势。国内外常见的崩落法回采方案包括3类有底柱分段崩落法、无底柱分段崩落法和自然崩落法。有底柱分段崩落法如图3-4所示,无底柱分段崩落法如图3-5所示。

图3-4

图3-5

3.充填采矿法

在回采过程中,按照回采工艺的要求,用充填料回填采空区的采矿方法称为充填采矿法。根据矿床开采技术条件和所采用的回采方案的不同,充填料可以是分次或一次充入采空区。前者称为分层充填,后者称为嗣后充填或事后充填。

充填的目的是支护岩层,控制采场地压活动防止地表沉陷,保护地表地物提供继续向上回采的工作平台(类似于留矿法功能)改善矿柱受力状态(由单轴受压变为三轴受压),保证最大限度地回收矿产资源保证安全回采有内因火灾危险的高硫矿床控制深井开采岩爆,将低深部地温保证露天、地下联合开采时生产的安全处理固体废料,保护环境。

由于充填采矿法能够最大限度地回收矿产资源,保护地下、地表环境,特别是近些年来,随着充填材料、充填工艺、管道输送装备和技术的不断进步,充填采矿法在有色金属矿山和贵重金属矿山开采中得到广泛应用。随着充填成本的不断降低和矿产品价格的持续走高,充填采矿法因其无可替代的优势,在煤矿、铁矿等传统上不宜采用充填采矿法的矿山,应用比重也越来越大。

根据采用的充填料和输送方式以及矿体回采方向和充填方式不同,充填采矿法分为上向分层(或进路)充填法、下向分层(或进路)充填法和嗣后充填采矿法。上向水平分层充填法如图3-6所示。

图3-6

不同的采矿方法除满足其基本条件外,还依据矿体的产状和开采技术条件,派生出不同的采矿方法,采矿方法分类见表3-2。

表3-2

(二)采矿方法的适用条件

典型采矿方法全面采矿法房柱采矿法留矿采矿法分段矿房法

水平深孔落矿阶段矿房法垂直深孔落矿阶段矿房法垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法

壁式充填采矿法

上向水平分层充填采矿法上向倾斜分层充填采矿法下向分层充填采矿法

分采充填采矿法方框支架充填采矿法长壁式崩落法短壁式崩落法进路式崩落法分层崩落法有底柱分段崩落法无底柱分段崩落法

阶段强制崩落法阶段自然崩落法

影响地下采矿方法选择的因素很多,如地质条件、开采技术条件、安全因素、环保要求、设备因素等,这些因素共同限制了各种采矿方法的适用条件。

1.矿床地质及水文地质

矿石和围岩的稳固性决定着采场地压管理、采矿方法的选择和采场构成要素及落矿方法矿体倾角主要影响矿石在采场内的运搬方式方法矿体厚度影响采矿方法和落矿方法的选择以及矿块的布置方式。不同矿体赋存条件使用的采矿方法见表3-3。

表3-3

表3-3

留矿法的效果也很差。在极薄矿脉中,矿体的形状是否规整,接触接线是否明显,影响削壁充填法的采用。

开采品位较高的富矿和贵重、稀有金属时,往往要求采用回采率高、贫化率低的采矿方法,如充填采矿法。尽管这类采矿方法的成本较高,但提高出矿品位和多回收各种金属所获得的经济效益会超过采矿成本的增加。反之,则应采用成本低、贫损高的崩落采矿法或空场采矿法。

如果矿物及品位在矿体中的分布比较均匀,一般不采用选别回采的采矿法若矿体很大,则采用大量崩落法。如果矿体的形态变化大,矿物及品位在矿体中的分布也不均匀,或者矿体的边界不清楚,必须配合周密的取样、化验后才能定出矿体边界时,采用崩落采矿法往往不很成功,而要考虑采用能剔除夹石或分采的采矿方法。缓倾斜矿体可采用留规则或不规则矿柱、岩柱的房柱法、全面法等。当在同一矿床中具有不同品位且相差很悬殊的多个矿体时,可以采用不同的采矿方法,或采用先采富矿暂时保留贫矿的充填采矿法。

矿体赋存深度超过500~600m或原岩应力很大时,地压增大,有可能产生冲击地压或岩爆现象,采用充填采矿法或崩落采矿法较为适宜。

矿石和围岩中含硫高(或硫、碳均高)、有自燃或发火倾向时,应采用充填采矿法,避免采用留矿采矿法、阶段崩落法和大量崩落矿柱的采矿法。

开采放射性矿石,一般采用通风条件较好的充填采矿法。具有氧化结块性的矿石(含硫较高的矿石)应采用空场采矿法或充填采矿法,避免采用留矿采矿法和大量崩落采矿法,以防止矿石结块,影响生产。

2.开采技术条件

在地表移动带范围内,地表不允许陷落的,在选用采矿方法时要优先考虑能保护地表的采矿方法,如充填采矿法和用充填采矿法处理采空区的空场法等。

在特定经济技术条件下或某加工部门对矿石品位、品级、有害成分有特殊要求时,对矿石贫化率的要求会限制某些方法的适用。后续矿石提升、运输、破碎及加工设备型号和经济效果对矿石块度的要求也会影响采矿方法的选取。如规模很小的破碎厂或加工厂,不允许采用块度较大的大直径深孔落矿或中深孔落矿的采矿方法。

有某些特殊危害的矿山,如矿石中含硫较高易发生自燃的矿山,应优先采用充填采矿法,避免采用留矿法、大量崩落法。若开采含放射性元素的矿石,一般采用通风条件较好的采矿法。

3.环境因素

无论地下开采还是露天开采,采矿都要剥离地表土壤和覆盖岩层,开掘大量的井巷,因而产生大量废石。选矿过程亦会产生大量的尾矿,带来废石和尾矿对矿山环境的污染。矿石开采会破坏地下水系,其有色金属粉尘也会造成大范围环境污染。

采矿生产,特别是露天开采时,对矿山周围大气污染甚为严重。开采规模的大型化、高效率采矿设备的使用以及露天开采向深部发展,使环境面临一系列新问题。大型穿孔设备、挖掘设备、汽车运输产生大量粉尘,使采场的大气质量急剧下降,劳动环境日益恶化。粉尘浓度甚至高达400~1600mg/m³,超过国家卫生标准上百倍。爆破作业产生大量有毒、有害气体。上述污染物在逆温条件下,停留在深凹露天矿坑内不易排出,是加速导致矿工矽肺病的主要原因。此外,汽车运输还产生大量的氮氧化物、黑烟、4—苯并芘等致癌物质。

采矿工业中噪声污染甚为严重,引起职业性耳聋等多种疾病,甚至导致伤亡事故。采掘工作面破坏地面或山头植被,引发水土流失,破坏矿山地面景观;地下坑道的开掘或地表剥离破坏岩石应力平衡状态,在一定条件下回引发山崩、地表塌陷、滑坡、泥石流和边坡不稳定,造成环境的严重破坏和矿产资源的损失,并酿成重大事故。

矿产资源的合理开发和利用,是矿山环保的一项重要内容。要正确选择适宜的采矿方法,保证矿石最高采出率和最低损失及贫化率,同时最大限度缩小对环境的影响程度,完善采矿方法安全高效环保的采矿工艺。不同的选矿方法都直接或间接与上述提及的环境问题相关。

环境因素方面,首先要考虑的是地表是否允许崩落。除了崩落采矿法之外,多数地下采矿方法对地表环境影响较小。只要采矿方法选择适当,遵守合理的开采顺序,可以做到对地表的保护。采用充填采矿法时,为防止料浆浓度低,造成对井下的严重污染,提倡采用高浓度(膏体)充填。矿山是生产废料最多的企业,有时为了减少固体废料占地和对环境的污染,也考虑选择适当的采矿方法。

4.采掘设备

采矿方法选择在一定程度上是选择何种设备。已有的采掘设备水平往往决定了采矿方法,即设备决定工艺。随着矿山设备的不断发展更新,采矿方法也有了很大改变。与时俱进,新建矿山的采矿方法选择要将采掘设备的因素作为重要内容考虑,采用先进、适用的采掘设备。

5.安全因素

选择采矿方法需兼顾效益与安全,根据自然条件有针对性地选择,如岩体性质、水文地质等情况。技术条件也决定了采矿方法的适用度,如深井开采工艺的变革与突破,会影响采矿方法的使用条件,甚至创造新的采矿方法。

井巷支护作为控制因采矿引起地压问题的有效措施,在保障井下安全生产方面起着非常重要的作用。而支护方式依据矿体及围岩稳定性不同,有较大差异。针对不同地质条件,选择相应的支护方式,对避免顶板冒落、采场坍塌等灾害具有十分重要的意义。

采矿方法选择不当是产生与地压控制有关的严重的安全问题。如片帮、冒顶、放矿时形成自然结拱和大块卡斗。要处理这些事故,人员和设备就不可避免地暴露在不稳定的岩体下,而悬顶最终下落时又很容易产生空气冲击波。因此,任何可能产生安全问题的因素在采矿方法选择时都要预先考虑到。选择人员不在暴露面积大的采场内作业及用人最少的采矿方法。

提高采矿机械化程度,不仅可以提高劳动生产率,而且降低了工人的体力劳动强度和造成工伤的概率。如过去采用气腿式凿岩机和电耙出矿的采矿方法,现在多数都改用了无轨设备。当然,采矿机械化程度的提高,特别是大量柴油设备的适用,也增加了新的问题。大量采用柴油设备的坑内矿山,必须采取特殊的环境控制措施,以便提供足够风量排出柴油机尾气,降低工作面温度。

地下矿开采空间小且具有封闭性特点,井下有毒、有害气体浓度和粉尘浓度及噪声水平都很高,选择采矿方法要注意这些方面,同时还要采取有效的防治措施,保证井下人员的安全和健康。

有氡气释放的矿山,最好的办法是加大通风量,将氡气的浓度稀释到安全的水平。氡容易黏附在柴油机排出的尾气颗粒上,用水降尘是最常用的最好的办法。用洗涤器和陶瓷过滤器可以有效控制柴油机尾气。在所有这些环境下,工作人员必须戴上防毒面具。

来源:洲际矿山

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