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非金屬礦物開采

礦山的開發方式、生產規模、采礦方法和裝備水平,主要取決於礦床規模、礦床賦存條件、礦物性質、礦產品價值和國家的技術經濟基礎。壹些礦業發達國家,特別是工業化國家,擁有大型和特大型礦山如金剛石、石膏、高嶺土、大理石、石棉等,采取大規模、集約化開采。這些非金屬礦的技術裝備水平壹般與大型煤礦和金屬礦相當,部分非金屬礦已達到礦業先進水平。如俄羅斯的亞庫基,南非的鉆石礦,俄羅斯巴濟諾夫和加拿大魁北克的石棉礦,美國的高嶺土、凹凸棒石、膨潤土和石膏礦,挪威的石灰石礦。那些先進國家的石墨、滑石、重晶石、白雲石等非金屬礦山規模雖小,但裝備水平和管理水平高,相應的技術經濟指標也高。

目前,國外非金屬采礦技術的發展狀況大致如下:

壹是露天開采比重大於地下開采,露天開采深度不斷增加。

非金屬礦物在露天和露天開采中都有開采。但露天開采具有壹系列優勢,如開采設備大型高效、生產能力大、勞動安全條件相對較好、資金投入產出快等。國外非金屬礦山在條件允許的情況下,盡可能采用露天開采。據美國地質調查局2005年礦產年鑒統計,2004年美國工業礦產量為36.08×108t,其中露天開采35×108t,占97%,同比上升4%,地面開采1.08× 108。2004年美國幾個非金屬礦山的露天開采和原地開采情況見表2-1-1。

表2-1-1 2004年美國幾種非金屬礦產的開采量(104t)

英美高嶺土礦采用露天開采,占世界高嶺土產量的50%以上。目前世界上最大的石棉生產國俄羅斯和加拿大的石棉礦也采用露天開采,世界上大型的石膏、膨潤土、石灰石、大理石等礦山大多為露天開采。

隨著采礦工作的進展,礦井開采深度不斷加深。例如,2005年,俄羅斯雅庫基的和平鉆石礦、紀念鉆石礦和成功鉆石礦的深度已分別達到525 m、500 m和610 m。俄羅斯巴茲諾夫石棉礦原設計露天開采最終深度為680 m,目前開采深度已超過700 m..由於通風的安全性和運輸的經濟性,他們目前正在計劃或實施空地的問題。

二是機械化、自動化水平不斷提高,連續或半連續開采技術得到大力發展。

為了節省人力,提高勞動生產率,降低生產成本,國外非金屬礦山不斷提高機械化和大型化裝備水平。與此相壹致,開發了連續或半連續開采技術。

國外非金屬礦露天開采壹般采用螺旋槽開拓和臺階開采。表土剝離采用鑿巖爆破法,用前裝載機、液壓挖掘機或大型索鬥挖掘機配合大型卡車運輸。如俄羅斯薩勃魯夫斯基滑石生產聯合體的“新透鏡”滑石礦。儲量2718×104t,礦體長度1050 m,滑石菱鎂礦層厚度50 ~ 350m,勘探深度80 ~ 90m。該礦采用水平分層下降臺階開采,臺階高度10 m,表土為頁巖、斜長花崗巖和角閃石。年礦石量為19700 m3,剝離量為3500 m3。剝離的巖石經鑿外作業預松後,用5 m3機械鏟入自卸車,運至道路填築或露天尾礦庫。用SBMK-5鉆機對礦塊進行鉆孔。爆破後,礦石由電鏟和自卸汽車運輸到選礦廠的中間礦倉或受礦倉。

德國斯塔斯福特的白雲石礦床,礦石平均密度為2.3 ~ 2.5g/cm3。礦體具有性質多變、裂隙發育的特點。幾米之內,礦石強度和品位明顯不同。該礦采用選擇性開采,所需塊段按配料要求開挖。因此,卡特彼勒的液壓挖掘機被用於挖掘。液壓鏟重93 t,最大功率448 kW。鏟鬥有五個弧形齒,與鏟鬥的底部曲線相匹配。鏟鬥容量為5.5立方米,工作壓力為500千瓦。大塊巖石被鏟鬥底部的落球壓碎,然後用鏟鬥鏟裝上自卸車。

在采礦生產中,廣泛采用大孔徑牙輪鉆機或潛孔鉆機-電鏟(液壓鏟、前裝載機)-汽車-半固定式破碎機-帶式輸送機的半連續生產工藝(如俄羅斯烏拉爾石棉公司)。壹些非金屬礦物是通過連續生產生產出來的。比如英國的高嶺土礦,用高壓水槍水力開采高嶺土,礦漿通過管道抽到礦漿儲罐,再抽到選礦廠進行洗礦。烏克蘭高嶺土礦采用鬥輪鏟聯合裝置進行開采、運輸和堆存,實現了高度機械化的連續工藝。

美國Oil-Dri公司年產包括凹凸棒石在內的漂白土100×104t,是全球最大的高品質寵物寢具和吸附劑生產商和供應商。它的礦采用露天開采,有四個礦段,每個礦段只用三個人。礦山機械分層回收,生產過程全程機械化。

地下采礦通過立井、斜井和平硐開拓。為了進壹步降低成本,提高勞動生產率,實現半連續或連續采礦生產,國外非金屬礦山地下開采盡量采用斜井開拓,帶式輸送機或自行式輸送設備運輸礦石,如英國的三維硬質石膏礦。

三、不斷改進采礦方法,滿足高效裝備的需要,提高勞動生產率和資源回收率。

隨著無軌采礦技術、中深孔大孔徑鑿巖技術和先進采礦機械設備的發展,人工水平分層充填法、留礦法等勞動強度大、材料消耗高的舊采礦方法逐漸被采用先進技術和設備的機械膠結充填法、階段崩落法、房柱式、中深孔無底柱分段崩落法、分段平巷法所取代。比如美國的石膏礦采用露天臺階開采,鏟運機直接進入礦坑裝載運輸礦石。英國三維硬質石膏礦使用6 m3鏟運機,工作效率達到230 t/班。

摩洛哥的Samine礦從1974開始投產。它以38%的高品位CaF2礦石而聞名,可加工成98%的CaF2產品。原留礦采礦法回收率低、選擇性差、生產率低、生產成本高、初期投資大。他們利用鉆孔巖心數據繪制三維地質圖,根據地質條件開發機械化傾斜分層充填法,使礦石回收率達到90%,生產率提高20%,最高礦石貧化率僅為10%,采礦成本降低1/3,特別是節約了270×104t caf 2和37.4%的礦石儲量。在相鄰礦區相同地質條件下,預計增加儲量350×104t。

目前,俄羅斯雅庫基阿爾羅薩鉆石公司“國際”礦山含金剛石金伯利巖的地下開采,采用聯合采礦機進行。這是世界上首次使用聯合采礦機開采鉆石礦。該礦使用了奧地利Fest Alpine Bergtechnik公司生產的兩臺聯合采礦機和雅庫吉鉆石設計研究院與ALROSA公司聯合研制的兩臺聯合采礦機。“國際”礦改進了聯合采煤機的執行機構,加快了截割頭的轉速,改進了截割頭的布置方案、數量和尺寸。采用聯合采礦機對保護金剛石天然晶體具有重要意義。經礦山檢驗和統計,從1t金伯利巖中回收的金剛石價值高於原小孔鉆爆采礦法。該礦目前的開采能力為50×104噸/年

第四,非鉆孔爆破采礦法已在礦山得到應用,其應用有擴大的趨勢。

半堅硬和堅硬巖石的露天開采長期以來壹直采用非鉆孔爆破采礦法。問題的提出是因為希望用它來代替勞動強度大、危險性大的鉆爆工序;二是開發新壹代高效、經濟的露天采剝連續作業技術。

非鑿巖爆破采礦法長期以來壹直用於開采中等硬度或更低硬度的巖石。如國外用於高嶺土、石膏、滑石、石灰石的開采,烏克蘭高嶺土礦采用鬥輪鏟和堆取料機的組合裝置,實現了高度機械化的連續工藝;美國帕貝克林松石膏礦采用鏟運機開采,代替原來的鑿巖爆破法,開采成本可降低2/3。

20世紀90年代中期以來,專業炸藥價格大幅上漲,大大增加了1 m3鉆爆法開采粗礦的成本。此外,隨著世界各國對環境問題的日益重視,為了消除或減少鉆爆采礦產生的噪聲、粉塵和振動,近年來加強了對非鉆爆采礦法的研究,其應用範圍也逐漸擴大。

非鉆爆法開采巖體的采礦設備必須滿足以下條件:壹是具有與申請單位生產能力相適應的較高的切割應力和勞動生產率;二是松散巖石和開采礦巖能耗低;第三,要有足夠的靈活性和在坡度較大的工作平臺上作業的能力;第四,它應該在技術上和生態上是安全的。

采礦裝巖設備能同時完成松巖、挖掘和裝巖的功能,最能滿足規模化生產的要求。從該方法開采的和可能開采的礦床的開采地質條件和開采機械現狀來看,在最近的10 ~ 15年,最有可能用於非鉆爆開采的主要設備是單鬥液壓挖掘機和帶巖石截齒的電纜鏟鬥挖掘機、分層巖石切割機和鬥輪挖掘機。非鉆爆采礦用單鬥液壓挖掘機的發展方向是配備專用鏟鬥和巖石疏松器的液壓挖掘機,沖擊鬥齒的機械挖掘機和液壓挖掘機(帶動力鏟鬥的挖掘機)。後者最有希望。20世紀末,奧地利Fest-Alpine公司、德國Nidermaier公司和瑞典公司已制造並試驗成功鏟鬥容量為5 ~ 7m3的動力鏟鬥液壓挖掘機。俄羅斯烏拉爾重型機械公司與俄羅斯科學院礦業研究所合作,在原批量生產экг-5A電鏟的基礎上,制造了帶動力鬥的экг-5B電鏟。它和экг-5A電鏟的區別和改進就是主要工作機構改了,而且改了。экг-5B電鏟已在石灰石、白雲石和煤礦投入生產。實踐表明,鏟鬥葉片單位沖擊能量為100 J/cm,可成功開采抗壓強度為80MPa的巖石。平均勞動生產率為120 ~ 275 m3/h,利用率為0.465438。確定了帶動力鬥的экг-12b電鏟的工作機構參數,確認了將單位沖擊能量提高到200 ~ 250 J/cm,沖擊頻率提高到8 ~ 12 Hz的合理性。在此條件下,設備可有效開采抗壓強度100MPa。

在世界範圍內,人們都非常關註無預松動巖石挖掘裝載機的制造。80年代初,俄羅斯生產了壹種具有切片和巖石切割的聯合采礦機。現在,世界各地的采礦設備制造商已經對40種聯合采礦機進行了工業試驗。最具代表性的是Virtgen的聯合礦機,可以開采厚度為0.2~0.6 m,抗壓強度為80MPa的巖石。Krupp Ferdertechnik公司與俄羅斯庫茲巴斯塔爾琴斯基煤礦聯合研制的KSM-2000 p聯合采煤機,在抗壓強度為70 ~ 80 MPa的巖石中進行分層開采,最大截深可達2.6 m,在松散巖體中最大生產率達到2000 m3/h,是目前所有聯合采煤機中效率最高的。美國石膏礦采用鏟運機采礦法代替原來的鑿爆法,使采礦成本降低了三倍。

為了保持傳統臺階采礦技術的技術優勢,保證非鉆爆流水作業,壹些國家大力研制鬥輪挖掘機,以增強截割應力。捷克Unex公司的K-650鬥輪挖掘機在俄羅斯“成功”鉆石露天礦的工業試驗和俄羅斯экг-400/1000鬥輪挖掘機在俄羅斯雅庫吉鉆石砂礦的生產應用證明,這種設備基本能滿足抗壓強度60 ~ 80 MPa的巖體中非鉆爆開采作業的要求。

然而,研究結果和實踐經驗證明,在可預見的將來,非鉆爆法不能完全作為鉆爆法的替代方法。在大量不同的采礦地質條件下,每種采礦設備都有其有效的適用範圍。在目前的發展水平下,有效的巖石松動取決於對超硬和超粘的完整巖體,如花崗巖、輝長巖和輝石的爆破。砂礦、礫石、粘土、中等硬度礦床,如石灰石、頁巖、砂巖、粉砂巖、泥質巖、白堊、交代巖、金伯利巖,以及某些類型的鐵礦、銅礦、有色金屬礦和金礦,已通過非鉆孔和爆破方法成功開采。

總之,利用現有設備正在進行和能夠成功進行的非鉆爆采礦的適用範圍如下:

1)抗壓強度60 ~ 80 MPa的ⅰ類、ⅱ類和部分ⅲ類巖石的礦床和單個礦塊。

2)需要選擇性開采的結構復雜的礦體。

3)松散巖石的礦床和礦塊不能采用鉆爆法,如靠近居民區和工業建築的礦床和礦塊。

4)由於技術原因殘留的礦塊和礦堆。

中國的巖石都是硬度中等的非金屬小礦,大部分都是手工開采。開采和運輸礦石的唯壹工具是手鎬、簸箕和手推有軌電車。用機械化非鉆爆法開采非金屬礦尚無報道,目前還不能與國外先進水平相比。

五、設備繼續趨於合理大型化,註重效率和節能。

國外非金屬礦山露天開采中,采用大直徑牙輪鉆機或潛孔鉆機和長鉆桿自動控制射孔技術。超過70%的俄羅斯建材礦山使用高效牙輪鉆機進行鑿巖。如俄羅斯阿爾羅薩鉆石露天礦目前采用俄制C бш-250和270牙輪鉆機,芬蘭Tamrock D-75 KS和英格索蘭D-2m鉆機,孔徑250 ~ 270 mm,礦石裝載采用鏟鬥容量為4 ~ 16m3的電鏟或前裝載機,運輸采用裝載量為30 ~ 136t的自卸汽車。俄羅斯烏拉爾石棉公司巴茲諾夫石棉露天礦采用c型бш-250mh牙輪鉆機打孔,孔徑250mm,8 ~ 12.5m3電鏟裝礦,30 ~ 120t自卸汽車運輸,173-2M牽引機組,粘附質量930 t,加拿大黑湖石棉公司露天礦采用φ 190 ~ 250 mm牙輪鉆孔

為了節約能源,提高勞動生產率,國外非金屬礦山註重及時更新設備。例如,俄羅斯阿爾羅薩鉆石公司每年投資23億至30億盧布購買發達國家制造的設備,如鏟鬥容量為16 m3的卡特彼勒和科馬祖反向鏟,噸位為136t的卡特彼勒、科馬祖和德萊賽自卸汽車,以及噸位為5-15 m3的俄羅斯正向鏟。巴西Mineracao de Amianto石棉公司在2003-2004財年投資13萬美元更換運輸翻車機,2006年投資15萬美元更新設備。

在地下礦山巷道掘進方面,俄羅斯研制並投產了鉆機、裝藥和爆破-裝巖工藝聯合機組,配有工業機器人和微處理器,保證了巷道掘進工作準確、安全、高效地進行,免除了掘進工人繁重的體力勞動。

俄羅斯烏拉爾石棉公司巴茲諾夫露天煤礦研制了乳化炸藥機械化制備、裝填和裝藥機。這種設備是經過長期研究安全廉價的滿足礦山塌陷需要的乳化炸藥而研制出來的。這種Mзг-10制藥、藥品運輸和裝藥機的負載為10 t,可直接開到工作面進行制藥和裝藥。2004年通過驗收後,已全面投入使用,現可滿足露天礦炸藥總消耗量的98.2%。與原工藝相比,該技術可節約爆破含水礦體成本的2.6倍。

加拿大石棉礦的裝載車裝有自動控制裝置,可以根據不同礦物和巖石的不同爆破性能,隨時調整炸藥的成分和含量,以改變爆炸威力。即使在同壹個炮眼內,不同部位也可以裝填不同的炸藥,以提高爆破質量。

六、註重科學開采,不斷改進工藝,提高勞動生產率。

(壹)全球定位系統技術和工業電視的應用

目前發達國家非金屬礦普遍采用全球定位系統(GPS)技術配置監控調度鉆機、礦巖鏟運設備,保證其正常生產,並在各類設備出現故障時及時調度維護,最大限度減少閑置時間,提高設備利用率。在地下開采礦山中,工業電視廣泛用於監控中央控制室中各工作面、卸礦點和裝礦點的工作和提升運輸。

(二)計算機技術的廣泛應用

計算機技術在發達國家非金屬礦山已得到廣泛應用。在采礦工作的設計階段,它幫助設計人員利用計算機技術模擬礦床的條件,並應用專門的軟件作出準確的決策和設計方案。在采礦工程過程中,幫助采礦工程技術人員用計算機模型模擬采礦現場的情況,進行采礦方案的比選,可以提高采礦場的穩定性和安全性,提高資源回收率和勞動生產率。在采礦過程中,它可以幫助采礦工程師和技術人員管理采礦工作和礦石運輸。比如加拿大的石棉礦,根據地質勘探的結果,根據其質量、品位、礦物成分、性質等因素,確定不同的價值。然後根據地質勘探的結果,利用計算機技術繪制礦體的三維模型,並根據礦石的價值將其劃分為不同礦石價值的礦塊。在開采有壹定質量要求的產品時,可以在三維模型上進行配礦,確定所需礦塊和開采數量,然後據此設計炮孔的布置、數量和深度、每排炮孔的裝藥量、爆破方法和順序、裝載設備的配置和調度。

(3)重視礦石的質量控制。

發達國家的非金屬采礦業不僅控制最終產品的質量,而且在線控制加工過程。例如,在俄羅斯礦業化學品有限公司的庫爾杜爾水鎂石礦,從開采開始就控制好質量,通過詳細的臺架試驗確定生產區塊,然後用生物勘探進壹步取樣分析,準確確定待爆破的礦段。爆破後,礦石按要求破碎分級,送至不同產品。在整個開采和加工過程中,對MgO、CaO、SiO2 _ 2和fe2o _ 3的含量進行測量和監測。而我國非金屬礦壹般只控制最終產品的質量,大部分小型非金屬礦沒有正規的質檢。

(D)研究鉆石開采中爆破造成的晶體損壞。

俄羅斯采礦研究院研究了開采含金剛石金伯利巖時爆破對晶體的損傷,並模擬了爆破對晶體的損傷行為,確定了損傷晶體的潛在危險區半徑,開發了爆破脈沖波形和應力波振幅-時間特性的控制方法,從而為計算能保護晶體的爆破參數奠定了基礎。

(5)加強露天礦裝運的新技術。

俄羅斯采礦科學院開發了壹種強化裝載過程的技術和壹套礦石堆卸裝置,使露天礦的裝載工作流水化。礦石堆卸裝置由火車式礦倉、礦堆下的移動式振動給料機和自行翻車機組成。該裝置的工作原理是:沿工作面修建壹條與礦車軌道平行的輔助軌道,列車式礦倉停放在輔助軌道上,對礦倉起到緩沖作用。礦堆下的移動式振動給料機和自行翻車機安裝在火車式礦倉的框架上。電鏟將礦石裝入火車式礦倉,移動振動給料機和自行翻車機將礦石轉運到運輸礦車的貨車上。這樣,電鏟可以連續不斷地將礦石裝入火車式礦倉,移動振動給料機可以連續不斷地將礦石裝入運輸礦車的車皮,使露天礦的裝載工作流水化。運輸車停裝時間不超過2 ~ 3 min,比循環時裝車縮短10 ~ 20倍。

另壹種加強露天礦裝載工作的方法是使用大容量鏟鬥,鏟鬥帶有與翻車機車廂長度相同的振動給料機。生產時,後者停放在靠近運輸線的已開采臺階的上側,給料機可壹次裝滿壹輛翻車機,可大大縮短裝載時間,提高主要開采設備的利用率,露天礦的工作臺階也可得到改善,從而整體提高開采能力和勞動生產率,節約能源,減少環境汙染。

該技術及綜合設備已在俄羅斯部分露天礦山投入運行,可提高電鏟利用率20% ~ 240%。運輸車輛利用率為10% ~ 120%。

(6)渦流爆破技術

俄羅斯新西伯利亞某石材露天礦采用渦流爆破技術,可以使用低能廉價的炸藥,節約生產成本。提高了巖石爆破的拋擲能力,減少了有害氣體的排放,改善了技術經濟效益和生態環境。

渦流爆破技術的原理是在裝藥中安裝壹個“渦流發生器”。起爆時,渦流發生器產生渦流,促進爆破氣流產物的強制對流,補充爆破氣流產物中未爆炸的燃料和氧化劑顆粒,增加爆破氣體體積和擠壓深孔,改善爆破脈沖,從而提高爆破效率。

該礦采用渦流爆破技術後,臺階高度提高到15 m,孔深達到18 m。

我國大中型非金屬礦山大多是五六十年代建立的老企業,改造能力差。雖然礦井已經部分機械化,但現有設備遠低於工業化國家水平。中國大多數非金屬礦山企業是小型鄉鎮企業或個體企業。大多沒有正規的設計,完整的開采順序和開采方法,開采巷道及其設備也不規範。采用人工采礦、鋼釬錘鉆、炮爆放礦、人工裝礦、手推礦車運礦等方式。甚至濫采濫挖,采富棄貧。因此礦石損失貧化嚴重,礦石塊度不均勻,塊率高,二次破碎率高,造成資源回收率低,浪費嚴重;勞動強度大,勞動生產率低。改革開放以來,壹些礦山企業進行了壹些技術改造,但大多數企業變化不大。我國非金屬礦行業生產技術水平與發達國家相比差距較大,采用的設備規格較小,在自動化方面基本空白。然而,近年來,中國引進外資,出現了壹批外資和合資非金屬礦山企業。同時也引進了壹些先進的采礦方法和技術以及先進的大型設備,如廣西桂林桂光滑石開發有限公司、遼寧海城愛海滑石有限公司以及壹些大型水泥集團的石灰石礦。如法國拉法基都江堰水泥廠3500 t/d生產線石灰石礦,采場自上而下采用水平分層采礦法,全液壓頂錘鉆機打孔,手持風鉆鑿巖,中深孔多排孔毫秒爆破;礦石由5.5 m3全液壓履帶式挖掘機裝入32 t礦用自卸車運至儲礦點,再由6.7 m3輪式裝載機運至破碎站,破碎後的礦石由鋼芯帶式輸送機運至水泥廠石灰石庫,實現了全程機械化循環流水作業。這些企業在中國非金屬礦行業起到壹定的示範作用。