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露天金属矿山高台阶陡帮开采的新概念及连续运输工艺 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 15-07-17

0、前  言
    陡帮开采有利于平衡剥采比,推迟剥离高峰期,增加备采储量,提高矿山生产能力。一般采用组合台阶,台阶尾随开采等方法实现陡帮开采,生产组织比较复杂,易造成设备作业的相互干扰。我国大多数骨干金属矿山仍然是帮坡角为12°~14°的缓帮开采,超前剥离量大,开采强度低。进入深凹露天开采后,随着采场的不断延深,采场作业空间逐渐缩小,平台宽度变窄,运输距离增大,作业成本增加,剥离高峰大,新水平准备困难。在许多情况下,导致剥离欠帐,最终边坡暴露过早,增加了边坡稳定性控制和管理的难度。
    台阶高度是露天采场的主要参数,增加台阶高度有利于提高穿爆效率,简化和缩短运输线路,增加阶段矿量和阶段服务年限,提高作业的连续性。
    我国大型露天金属矿山台阶高度多为12 m。兰平矿台阶高度为15m,南芬矿在“八五”期间试验18 m高台阶采矿技术。前苏联学者认为,大型深凹露天矿采用30—45m的台阶高度更为合理。实际上,通过大幅度增加台阶高度,是实现陡帮开采的最为有效的技术途径。
    大幅度增加台阶高度,比如增加至25 m或更高,达到45—50 m,可以将工作帮坡角增加至300或更多。对于深凹露天矿,在形成一定封闭圈的条件下,可以形成大得多的采场空间,对分多期开采的矿山,可以将下期剥离推后数年,对提高开采强度和长期高产稳产有重要意义。
    除了现有设备作业的工艺技术参数之外,限制高台阶开采的更直接的原因是随着采场参数大幅度增加,将对台阶平面分层采矿工艺的穿孔爆破提出了一系列新课题,比如将台阶高度从目前12 m增加至25 m,底盘抵抗线也将相应增加一倍,相应孔径增加至500~600 mm,但世界上现有的最大露天矿钻孔机——美国BE公司的49HR型牙轮钻直径只有406 mm。如果台阶高度增加至50 m,钻孔直径相应增加至1 m左右。南芬露天矿为试验应用研究18 m的高台阶采矿,先用普通钻机打250 mm的阶段深孔,然后采用热力凿岩的方法将炮孔直径扩大至500 mm,进行高台阶爆破。前苏联中央采选公司1#露天矿曾试验将原15 m台阶并段为30 m高台阶采矿。总的来看,钻孔设备目前的发展水平仍然是实现露天矿高台阶采矿的主要障碍之一。从爆破工艺看,更大的爆破参数将导致爆破矿岩破碎的不均匀程度以及可能难以避免的根底等。采用高台阶露天开采,对所形成的台阶坡面完整性和稳定性有更高的要求。大参数的凿岩爆破,对如何降低爆破后冲,在设计和工程实施方面也增加了一定的难度。
    目前,大型露天金属矿开采的铲装作业多采用机械电铲,一般最大挖掘高度不大于20 m,显然,对于台阶高度大于20 m的露天开采,现有的采装工艺和设备难以适应。严格地说,传统的露天金属矿的台阶式开采是以阶段高度为分层高度的分层顺序开采。除了设备及其配套的因素外,其生产能力取决于由台阶高度、平台宽度、帮坡角以及边坡角等参数所构成的露天矿采场空间的大小。如何通过改变采矿工艺和采场结构参数,在一定的剥离境界或封闭圈的条件下,造成可以大幅度扩大采场空间的技术条件,建立露天开采均衡剥采的新概念,从而提高露天矿开采强度和生产规模,是采矿工作者面临的重要课题。
1、露天矿高台阶穿孔作业的新方法
    如前述,当露天矿台阶高度大于20 m时,现有的穿孔设备所能提供的孔径范围已经无法满足为克服相应的底盘抵抗线的要求。
1.1  应用束状孔密集深孔实现露天矿高台阶开采
    束状密集深孔是将炮孔布置成集束状,每束孔由数个至拾数个平行的深孔组成。束内孔间距视矿岩性质为3~5倍的孔径。具体工程设计时,将同时起爆的一束孔视为更大直径的炮孔,或等效直径,从而可以克服更大的爆破阻抗。提供了工程应用的更大的灵活性、适应性。
    研究表明,束状孔与其更大直径的等效直径的单孔比较,由于束孔具有加强中远区的爆破作用,有利于提高爆破破碎质量。
    以一般矿岩条件下的30 m高台阶为例,通常的坡面角为65°~ 70°,其底盘抵抗线为20—25 m。按通常的布孔方式,大致需要800—1000 mm的孔径。如采用由250 mm的炮孔组成束孔,每束孔需9~11个孔。目前,国内大量应用的45R潜孔钻机,孔径为250 mm,最大穿孔深度为50 m。显然,以现有设备条件采用束状深孔进行高为30 m左右的高台阶露天穿爆作业是可行的。
1.2  地下凿岩爆破地表装运的露天采矿新技术
    如果将地下深孔采矿中把矿体划分为阶段和矿块的概念引入露天台阶式开采,将传统的露天台阶式的分层顺序开采改为块段式后退式开采,借以改变露天矿采装工艺和采场参数的制约关系,实现露天矿的高台阶陡帮连续开采(见图1)。
    地下深孔采矿技术的发展为实现自地下巷道进行凿岩爆破作业的露天开采新方案提供了必要的物资技术基础。其中如Atlas Copco公司的Sim-ba2610系列和Promec188型等钻机,性能优良,可以钻凿任意方向的100 m深孔,效率可达400 m/d。瑞典基鲁纳铁矿是一个开采深度达2000 m的超级地下矿山,基本以上向扇形崩矿的无底柱分段崩落采矿法为主。采用Promec188型钻机,孔径115mm,每米孔崩矿量25 t,采矿效率为10000 t/台d。
    这一露天开采的新方案除了可以实现高台阶陡帮开采,将工作帮的帮坡角从目前的12°~ 14°提高至35°—40°外,还有以下值得注意的技术特点。
    (1)炮孔直径的选择不受台阶高度的影响,较常规露天开采,可以采用直径小得多的炮孔,因而可以根据采装作业的设备工艺配套对矿岩块度的要求,进行预期矿岩破碎质量的爆破设计优化。
    (2)爆破线推进和破碎矿岩的位移方向同所形成的台阶坡面平行,基本消除了因爆破作用在台阶坡面方向的后冲;在临近最终边坡或矿岩局部稳定性较差的地段,可以在巷道中沿将要形成的坡面的界面进行预裂爆破,这要比露天条件下进行这一作业更为简单、有效。
    (3)将露天的采装作业分置于地表和地下,避免了穿爆作业和装运作业的相互干扰,并为建立新的装运技术系统创造了条件。
    这一新的露天开采方案可能采用的阶段高度范围远远大于露天台阶式采场条件可能的段高。对于高寒边远地区大型矿床的露天开采,这一方案在改善作业条件方面有实际意义。
    通常,露天矿的新阶段的建设工作相当复杂。该方案将使用地下工程的方法进行开段沟的开挖,地下工程的掘进凿岩爆破与露天采场生产平行作业。
1.3  索斗铲的下挖铲装作业
    索斗铲的工作机构为柔性连接,多用于软岩大型露天矿的无运输剥离。为满足巨大生产能力的需要,通常采用较大斗容的索斗铲。世界上目前使用的最大的索斗铲的斗容己达220m3,臂长300~ 400m,斗容大于10m3的索斗铲可以铲挖爆破破碎质量良好的硬岩矿物。前苏联曾对米哈依洛夫矿山公司及列别金等露天矿山进行了索斗铲高阶段下挖铲装作业的研究。结果表明,用索斗铲代替机械铲可以大幅度提高台阶高度,减少运输水平,工作帮坡角可从10°~ 14°提高到20°~ 25°。
    索斗铲的生产能力比相同铲斗容积的机械铲低20%~30%,但购置费与运营费要低得多。采用相对较大斗容的索斗铲进行高台阶开采的下挖铲装作业是可行的。
2、高台阶陡帮连续运输的露天开采新工艺
2.1  露天矿连续运输工艺
    电铲一汽车一破碎机一带式输送机的露天开采半连续运输工艺,由于可以缩短汽运距离,大幅度减少汽车数量以及发挥带式输送机运输能力大成本低的优点,是国内外大型露天矿占主导地位的设计模式,但是,仍然没有摆脱采场内部运输线路复杂及可移动式破碎站的建设和设备移设工程复杂的基本情况。矿石流的中间环节仍然较多。矿岩势能及运输功浪费明显等问题。
    露天矿自工作面装岩开始的完全连续运输工艺,即电铲一自行式破碎机一带式输送机的工艺系统,取消了汽车运输环节,减少了设备投资,降低运输费,提高生产能力和效率。但由于电铲(或前装机)的卸载高度限制,自行式破碎机目前限于采用水平轴反击式破碎机,只适用破碎石灰岩等中硬以下的矿岩。这可能是目前坚硬矿物露天开采尚未见应用全连续运输工艺的主要原因。
2.2  可行的高台阶陡帮连续运输露天开采方案
    如图2所示,按采场参数和采掘带的划分,在采掘带的内侧先行掘进一巷道,采用地下专用设备完成凿岩爆破作业,形成大规模连续爆堆,布置于台阶上平台的大型索斗铲采用工挖的作业方式将矿石装入自行式破碎机,破碎后的矿石经输运桥进入带式输送机。
    如采用束状孔直接进行高台阶穿爆作业,也可以采用索斗铲下挖的作业方式在上平台完成破碎和连续运输作业。
    所推荐方案可为建立高台阶陡帮开采和连续运输工艺的露天开采工艺系统创造必要的技术条件。
    (1)大尺寸的台阶高度和采掘带宽度以及采用有利于提高爆破效果的爆破技术和方法,可以连续大量提供相对集中的破碎质量良好的爆堆。
    (2)相对于露天高台阶可能采用的高度而言,索斗铲的下挖深度及本平台的卸载高度都有较大的选择范围,从而为硬岩露天开采选用自行式旋回式破碎机,实现索斗铲一破碎机一带式输送机的工艺系统成为可能。
    (3)地下与地表的平行作业避免了穿爆作业与装运系统的相互干扰,同时由于阶段矿量和阶段服务年限的成倍增加,将大幅度降低自行式破碎机和带式输送机的移动频率。
3、可能的技术经济效果
    在巷道中采用地下深孔的方法,借以实现露天高台阶陡帮开采的穿爆作业。但吨矿石的穿爆作业成本与常规的露天穿爆作业方法相比,将有所增加。增加的部分将由于以下原因而得到加倍的补偿,矿石开采的总成本明显降低。
    (1)相对于常规的露天台阶穿爆方法,该方案采用小得多的孔径和参数,将显著提高矿岩的破碎质量,提高铲装作业的效率、破碎机的处理能力和降低能耗。
    (2)通过大幅度提高台阶高度实现露天矿的陡帮开采,可以将工作帮的帮坡角从13 0左右提高到30。左右,将特别有利于推迟剥离高峰和平衡生产剥采比,增加备采储量,扩大生产能力。
    (3)自工作面开始的连续运输工艺,较半连续运输工艺消除了汽车运输,节省半移动式破碎站的建设,降低矿石运输费用。一般情况下,露天穿爆作业费用仅占采矿作业成本的15%左右,运输费占60%左右。深凹露天矿时,随着开采深度的增加,运输费的增加更为迅速。
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