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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2021, 29(2): 200-207 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2021.02.134

采选技术与矿山管理

三山岛金矿井下无人开采区域中深孔落矿嗣后充填连续采矿工艺设计

赵兴东,1, 曾楠1, 陈玉民2, 魏慧1, 王成龙2, 侯成录2, 杜云龙2, 范纯超2

1.东北大学采矿地压与控制研究中心,辽宁 沈阳 110819

2.山东黄金集团有限公司,山东 济南 250101

Design of the Medium-deep Hole Caving and Subsequent Filling Continuous Mining Technology in Underground Unmanned Mining Area of Sanshandao Gold Mine

ZHAO Xingdong,1, ZENG Nan1, CHEN Yumin2, WEI Hui1, WANG Chenglong2, HOU Chenglu2, DU Yunlong2, FAN Chunchao2

1.Geomechanics Research Center,Northeastern University,Shenyang 110819,Liaoning,China

2.Shandong Gold Group Co. ,Ltd. ,Jinan 250101,Shandong,China

收稿日期: 2020-07-26   修回日期: 2020-11-04   网络出版日期: 2021-05-28

基金资助: 国家重点研发计划项目“地下金属矿规模化无人采矿关键技术研发与示范”.  2018YFC0604401
NSFC-山东联合基金“胶西北滨海深部含金构造探测与采动灾害防控机理研究”.  U1806208

Received: 2020-07-26   Revised: 2020-11-04   Online: 2021-05-28

作者简介 About authors

赵兴东(1975-),男,辽宁辽中人,教授,从事采矿地压与控制研究与教学工作zhaoxingdong@mail.neu.edu.cn , E-mail:zhaoxingdong@mail.neu.edu.cn

摘要

为了建成国内首个井下无人采矿示范区,在三山岛金矿西山矿区选取-630 m中段至-645 m中段作为试验采场。通过工程地质调查,结合矿床地质、工程地质与岩石力学基础资料以及无人采矿设备的应用,提出采用下向中深孔落矿嗣后充填连续采矿法。该采场方法的各个开采中段与主斜坡道相通,设备可在各个中段之间按照开采计划进行调度;中段通过辅助斜坡道与各个分段相通,保证设备在生产中段内部的作业调度;各分段均布置采场联络巷与矿体连通,方便设备进入矿体进行凿岩、爆破、铲运等作业,有利于无人机械设备在各个地点通行作业。采矿过程涵盖了“掘—采—运—充—辅助”各工艺环节的连续无人作业过程,能够有效保障多类型无人开采装备安全、高效和连续化生产、运行,在保障矿山生产安全的同时,提高矿山生产能力,对我国未来矿业智能化发展具有推进作用。

关键词: 无人采矿 ; 采矿方法 ; 下向中深孔 ; 嗣后充填 ; 连续开采工艺 ; 三山岛金矿

Abstract

The development of China’s mineral resources has gradually entered the depths,the difficulty of mining has increased significantly,and the safety risks have increased.At the same time,the ageing of China’s underground employees is serious and it is difficult to continue.The development of intelligent and even unmanned mining technology,reducing underground personnel,and improving production efficiency and safety are the inevitable choice and the only way for China’s deep resource extraction.At present,most of China’s metal mines have been mechanized and gradually developed toward intelligence.In order to build the country’s first underground unmanned mining demonstration area,the middle section of -630 m to -645 m was selected as the test stope in the Xishan mining area of the Sanshandao gold mine.The traditional mining method has a complicated mining process,and it is difficult to meet the work and scheduling of various unmanned equipment.Therefore,the continuous mining technology of the unmanned mining area in Sanshandao gold mine was studied.The design adopts downward medium-deep hole caving and subsequent filling mining method.The specific mining work of the mining method includes:The remote-controlled rock drill enters the rock-drilling tunnel in the section through the auxiliary ramp,and digs downward fan-shaped holes;The charge is filled with the detonating bomb unmanned filling system,the wireless detonation network and the remote control detonation system are built,realize remote initiation;Local fan forced ventilation is used for stope ventilation to ensure clear and visible equipment operating environment;Use unmanned scrapers to enter the stope for shoveling and loading of ore;After each mining room is completed,the filling work is carried out;After subsection mining is over,proceed to the next subsection.The unmanned continuous mining process covers the continuous unmanned operation process of each process of “digging-mining-transporting-filling-assisting”.This mining method can effectively guarantee the safe,efficient and continuous production and operation of multiple types of unmanned mining equipment,and the mine production capacity should be improved while safety of mine production is ensured,which will promote the future development of China’s mining intelligence.

Keywords: unmanned mining ; mining method ; downward medium-deep hole ; subsequent filling ; continuous mining technology ; Sanshandao gold mine

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本文引用格式

赵兴东, 曾楠, 陈玉民, 魏慧, 王成龙, 侯成录, 杜云龙, 范纯超. 三山岛金矿井下无人开采区域中深孔落矿嗣后充填连续采矿工艺设计[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(2): 200-207 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.02.134

ZHAO Xingdong, ZENG Nan, CHEN Yumin, WEI Hui, WANG Chenglong, HOU Chenglu, DU Yunlong, FAN Chunchao. Design of the Medium-deep Hole Caving and Subsequent Filling Continuous Mining Technology in Underground Unmanned Mining Area of Sanshandao Gold Mine[J]. Gold Science and Technology, 2021, 29(2): 200-207 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.02.134

全球发达国家的智能化无人采矿技术研究时间长,并取得了较大的进步。20世纪末,芬兰便提出了智能矿山的技术思想,开始了无人采矿技术的研究。随后,加拿大、芬兰和瑞典等发达国家制定了智能化开采技术攻关计划。除此以外,智利特尼恩特铜矿、力拓皮尔巴拉矿区等矿山在铲运设备的自动驾驶、导航和定位技术上均实现了良好的应用(Li et al.,2018Ranjith et al.,2017Jonathon et al.,2014)。相较发达国家,我国对智能化无人采矿技术的研究起步较晚(Wang et al.,2017)。现阶段,我国大部分金属矿山已经实现了机械化(王怀勇等,2013耿茂兴,2000王贻明等,2010于常先等,2012杨金维等,2010王莉等,2015),逐渐向智能化发展(吴立新等,2012古德生等,2012古德生,2013周文略等,2015王林等,2019刘海涛等,2018)。凡口铅锌矿应用中深孔机械化采矿,控制了采场贫化、损失,减少对两边采场的破坏(张木毅,2010)。杏山铁矿通过开展“机械化换人、自动化减人”专项活动,积极推动智能化矿山建设,提高安全管理水平和经营生产效率(齐瑞普等,2016)。遥控采矿设备在普朗铜矿的应用,有效地减少了生产作业人员数量,降低了企业生产经营成本(赵冰峰等,2017)。部分学者对于井下智能化发展提出了总体上的规划和建设性意见,为我国矿业智能化发展指明了道路(胡建华等,2018刘晓明等,2020张帆等,2020马小平等,2020张元生等,2020)。然而,由于传统采矿方法难以满足各种无人设备的工作和调度要求,而且我国针对适用于无人设备运行的连续采矿工艺研究相对较少,使得无人设备的优势得不到发挥(解世俊,2006)。

三山岛金矿是国内著名的滨海开采金矿床,该金矿开采深度已达到-1 240 m。随着深度的增加,开采难度大幅提升,安全风险日益增高;同时,井下从业人员老龄化严重,人员接续困难。因此,发展智能化乃至无人化采矿技术,减少井下作业人员,提高生产效率与安全性,是深部资源开采的必然选择和必经之路。为适应井下无人开采设备的作业要求,实现安全、高效和连续化生产,进行三山岛试验区域采矿工艺的研究。

1 研究区域概况

三山岛金矿位于山东省莱州市北部的三山岛村,水陆交通发达,矿区三面环海,东面为陆地。矿床工业矿体主要赋存在三山岛F1断裂带中,岩性以黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩和绢英岩化花岗岩为主,矿床上下盘岩性为绢英岩化花岗岩和绢英岩化花岗质碎裂岩等,矿床工程地质条件取决于岩石构造发育程度,区内断裂较发育,近主断面蚀变带内局部岩石较破碎,蚀变强烈、裂隙发育,岩心较破碎,稳固性相对较差。矿化强度与蚀变岩的破碎程度及成矿裂隙发育程度密切相关,金矿石品位较高部位和矿体厚大部位均是成矿裂隙发育和岩石破碎强烈地段。该矿区为近海岸地下开采的矿山,矿体倾角变陡,断裂发育,近矿围岩多不稳定,局部地段易发生矿山工程地质问题,工程地质条件复杂程度为中等至复杂。当前,三山岛金矿西山矿区采用地下开采方式,采矿方法为盘区进路式分层充填采矿法。

结合三山岛金矿矿体情况和生产现状,经过综合评估,将三山岛金矿西山分矿-645 m中段至 -630 m中段的1 400勘探线与1 580勘探线之间的矿体选为试验矿体,作为无人采矿试验区域,试验区域中段平面图如图1所示,试验区域三维模型见图2。该区域矿体平均厚度为15 m,走向长度为80 m,倾角为45°;矿体岩性为黄铁绢英岩,主裂面上盘岩性为绢英岩化碎裂岩,矿体下盘岩性为绢英岩,工程地质条件良好;主裂面是根据-600 m工程推测所得,走向大致为10°,倾向SE,倾角为38°~45°;矿体产状与主裂面产状基本一致。

图1

图1   三山岛金矿试验区域中段平面图

Fig.1   Middle-level floor plan map of test area in Sanshandao gold mine


图2

图2   三山岛金矿试验区域三维模型

Fig.2   Three-dimensional model of test area in Sanshandao gold mine


2 连续采矿方案设计

为满足矿山生产和安全要求,适应无人开采工艺特点,尤其是适应无人和远程控制开采设备的应用,采用中深孔落矿嗣后充填连续采矿法,如图3所示。相对于盘区进路式分层充填采矿法,该采矿方法简单高效,各个中段与主斜坡道相通,设备可在各个中段之间按照开采计划进行调度;中段通过辅助斜坡道与各个分段相通,保证设备在生产中段内部的作业调度;各分段均布置采场联络巷与矿体连通,方便设备进入矿体进行凿岩、爆破、铲运等作业工序;采用该采矿方法,有利于无人机械设备在各点通行作业,提高矿石回收率和生产的安全性。

图3

图3   中深孔落矿嗣后充填连续采矿法

Fig.3   Medium-deep hole caving and subsequent filling continuous mining method


2.1 回采顺序

确定采场矿房回采顺序(图4),根据矿体实际赋存情况,将试验采场划分为4个矿房,依次为1#、2#、3#和4#矿房。其中,1#和2#矿房为一步骤矿房,可同步开采;3#和4#矿房为二步骤矿房,可同步开采;由于试验采场与原生产采场采用不同采矿法进行回采,同时考虑到安全距离问题,4#矿房最后回采。在第一步矿房开采完毕后,选用强度较高的充填料进行充填,以保证第二步矿房开采的稳定性。当第二步矿房开采完毕后,充填体强度可相对降低。

图4

图4   矿房回采顺序示意图

Fig.4   Schematic diagram of ore chamber mining sequence


为保证矿房开采过程中采场的稳定性,在开采过程中,先对第一分段进行开采,在该分段矿房全部开采完毕后,再进行第二分段矿体的开采,使采场充填体有足够的时间达到设计强度(赵兴东,2019)。

2.2 采切工程布置

采场沿矿体走向布置。各采场均从运输中段底板标高开始回采,不留间柱、底柱、点柱和护顶矿柱。经采场稳定性计算,矿块沿走向方向采场跨度取20 m,分3个分段进行回采,分段高度为15 m、阶段高45 m。

采用辅助斜坡道、脉外分段平巷的采准方式。辅助斜坡道形成后,在垂直方向上每隔分段高度掘进脉外分段平巷,在下盘脉外分段平巷每隔20 m向矿体掘进采场联络巷。

采切工程主要包括辅助斜坡道、脉外中段平巷、脉外分段平巷、采场联络巷、拉底巷道、凿岩巷道和切割天井。

(1)辅助斜坡道:设计坡度正常段为15%,弯道为8%,转弯半径为15 m。辅助斜坡道连通中段平巷和各分段平巷,作为人员、设备进出各个分段的通道,斜坡道与巷道具体尺寸由相关无轨设备最大需求尺寸确定。

(2)脉外中段平巷:中段高度为45 m,每个中段布置一条脉外中段平巷,用于人员及矿石的运输。脉外中段平巷主要是沿矿体走向布置在矿体下盘,以满足巷道稳固的要求。

(3)脉外分段平巷:分段高15 m,每个分段布置一条分段平巷,用于人员及矿石的运输。脉外分段平巷主要是沿矿体走向布置,脉外分段平巷布置在矿体下盘。

(4)采场联络巷:每个分段垂直矿体走向每隔20 m掘进一个采场联络巷,用来连接分段平巷及矿体。

(5)切割工程:在脉外中段平巷掘进采场联络巷到达矿体后,沿矿体走向掘进拉底巷道,随后进行拉底作业,形成拉底空间,作为爆破补偿空间和下部出矿通道。在脉外分段平巷掘进采场联络巷到达矿体后,沿矿体走向掘进凿岩巷道,凿岩巷道在下一分段开采结束后,作为上一分段的拉底巷道。在小矿块内开凿切割天井,随即拉开切割槽,作为爆破自由面。

2.3 回采工艺

采切工程结束后,就开始采场的回采工作。回采过程中的凿岩装药爆破、采场通风和采场出矿等工作由地表一体化集控平台远程控制,如图5所示。

图5

图5   集控平台远程控制流程图

Fig.5   Remote control flow chart of centralized control platform


(1)凿岩爆破。遥控凿岩机通过辅助斜坡道进入分段,在凿岩巷道开凿下向扇形孔,炮孔长度最大为14 m左右,孔径为64 mm,倾角为50°,如图6所示。使用防水乳化炸药,排距为1.3~1.6 m,炮孔密集系数为0.8~1.2,装药系数≤0.8,装药使用起爆弹无人装填系统进行装填。采用非电导爆管毫秒微差反向爆破,激发器激发导爆管,再引发爆破导爆管,引爆炸药进行爆破,为适应规模化无人开采要求、提高爆破作业的安全性,搭建无线起爆网络和远程遥控起爆系统,实现基于无线网络的起爆方法。

图6

图6   炮孔布置示意图

Fig.6   Schematic diagram of blast-hole arrangement


(2)采场通风。采用局扇压入式强制通风,局扇选用JK58-1-NO.4型节能风机。新鲜风流经斜坡道、脉外平巷,由局部风机压入式通风进入采场,清洗工作面后,污风经分段平巷从盘区一侧回风天井排出。

(3)采场出矿。采场崩落的矿石使用无人铲运机进行铲装,并通过采场联络巷和脉外平巷,铲运到溜矿井。

(4)采场充填。每个矿房回采结束后,即进行充填工作。中段水平一步采充填体灰砂比为1∶8,胶结面灰砂配比为1∶5。现场施工人员严格监控施工质量,充分保证回采下阶段矿体顶板的稳定性,最上分段胶结接顶充填。二步采充填体为全尾砂,胶结面灰砂配比为1∶5。条件具备时将掘进废石运入采场充填,在充填过程中先充掘进废石,然后进行尾砂充填。在充填结束后可进行下一分段的回采工作。在采场联络道内设置水沟,水流自流汇集至分段平巷,由水泵或构筑排水井统一处理。

3 主要技术经济指标

该试验采场由地表一体化集控平台控制回采过程,各工艺环节由地表相应的技术员进行远程控制。井下设置一名检查员,与地表工作人员保持联络,以便处理回采过程中的突发情况。工作制度采用三班制,每班8 h。下向中深孔落矿嗣后充填采矿法的千吨采切比为68.4 m3/kt,综合回收率达到90%,采场贫化率为9%,单采场生产能力为250 t/d。

通过对采矿工艺进行重新设计,缩短了矿块准备周期,而无人设备的应用可以实现多采场同时回采,提高矿山的生产能力,但是计算得到的贫化率相对于原有设计相对偏大(丁剑锋等,2011)。在采矿技术管理中要严格做好分段验收、采场编录和矿体的二次圈定工作,以便及时调整和修改分段回采设计,控制回采边界,在确保矿山生产能力的同时,有效降低矿石贫化率。

4 结论

(1)为适应无人开采工艺特点,在三山岛金矿试验区域采用中深孔落矿嗣后充填连续采矿法进行开采作业。该采矿方法有利于设备在各分段和各采场按生产要求进行调度。

(2)回采过程中的凿岩装药爆破、采场通风和采场出矿等工作由地表一体化集控平台远程控制。

(3)重构了“掘—采—运—充—辅助”各工艺环节和作业过程,能有效实现多型无人开采装备安全、高效和连续化生产,对我国未来矿业智能化发展具有推进作用。

(4)本次只是单采区试验,后续还要以多采区集群无人协同开采为目标,以单采区无人开采试验情况为基础,结合多型装备控制系统反馈情况划分采区模块,推演凿岩、爆破、铲装和运输等环节的多台套无人装备作业过程,实现无人开采过程的动态有序、协同高效。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2021/1005-2518/1005-2518-2021-29-2-200.shtml

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