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露天金屬礦山高臺階陡幫開采的新概念及連續運輸工藝 木屑顆粒機|秸稈顆粒機|秸稈壓塊機|木屑制粒機|生物質顆粒機|富通新能源 / 15-07-17

0、前  言
    陡幫開采有利于平衡剝采比,推遲剝離高峰期,增加備采儲量,提高礦山生產能力。一般采用組合臺階,臺階尾隨開采等方法實現陡幫開采,生產組織比較復雜,易造成設備作業的相互干擾。我國大多數骨干金屬礦山仍然是幫坡角為12°~14°的緩幫開采,超前剝離量大,開采強度低。進入深凹露天開采后,隨著采場的不斷延深,采場作業空間逐漸縮小,平臺寬度變窄,運輸距離增大,作業成本增加,剝離高峰大,新水平準備困難。在許多情況下,導致剝離欠帳,最終邊坡暴露過早,增加了邊坡穩定性控制和管理的難度。
    臺階高度是露天采場的主要參數,增加臺階高度有利于提高穿爆效率,簡化和縮短運輸線路,增加階段礦量和階段服務年限,提高作業的連續性。
    我國大型露天金屬礦山臺階高度多為12 m。蘭平礦臺階高度為15m,南芬礦在“八五”期間試驗18 m高臺階采礦技術。前蘇聯學者認為,大型深凹露天礦采用30—45m的臺階高度更為合理。實際上,通過大幅度增加臺階高度,是實現陡幫開采的最為有效的技術途徑。
    大幅度增加臺階高度,比如增加至25 m或更高,達到45—50 m,可以將工作幫坡角增加至300或更多。對于深凹露天礦,在形成一定封閉圈的條件下,可以形成大得多的采場空間,對分多期開采的礦山,可以將下期剝離推后數年,對提高開采強度和長期高產穩產有重要意義。
    除了現有設備作業的工藝技術參數之外,限制高臺階開采的更直接的原因是隨著采場參數大幅度增加,將對臺階平面分層采礦工藝的穿孔爆破提出了一系列新課題,比如將臺階高度從目前12 m增加至25 m,底盤抵抗線也將相應增加一倍,相應孔徑增加至500~600 mm,但世界上現有的最大露天礦鉆孔機——美國BE公司的49HR型牙輪鉆直徑只有406 mm。如果臺階高度增加至50 m,鉆孔直徑相應增加至1 m左右。南芬露天礦為試驗應用研究18 m的高臺階采礦,先用普通鉆機打250 mm的階段深孔,然后采用熱力鑿巖的方法將炮孔直徑擴大至500 mm,進行高臺階爆破。前蘇聯中央采選公司1#露天礦曾試驗將原15 m臺階并段為30 m高臺階采礦。總的來看,鉆孔設備目前的發展水平仍然是實現露天礦高臺階采礦的主要障礙之一。從爆破工藝看,更大的爆破參數將導致爆破礦巖破碎的不均勻程度以及可能難以避免的根底等。采用高臺階露天開采,對所形成的臺階坡面完整性和穩定性有更高的要求。大參數的鑿巖爆破,對如何降低爆破后沖,在設計和工程實施方面也增加了一定的難度。
    目前,大型露天金屬礦開采的鏟裝作業多采用機械電鏟,一般最大挖掘高度不大于20 m,顯然,對于臺階高度大于20 m的露天開采,現有的采裝工藝和設備難以適應。嚴格地說,傳統的露天金屬礦的臺階式開采是以階段高度為分層高度的分層順序開采。除了設備及其配套的因素外,其生產能力取決于由臺階高度、平臺寬度、幫坡角以及邊坡角等參數所構成的露天礦采場空間的大小。如何通過改變采礦工藝和采場結構參數,在一定的剝離境界或封閉圈的條件下,造成可以大幅度擴大采場空間的技術條件,建立露天開采均衡剝采的新概念,從而提高露天礦開采強度和生產規模,是采礦工作者面臨的重要課題。
1、露天礦高臺階穿孔作業的新方法
    如前述,當露天礦臺階高度大于20 m時,現有的穿孔設備所能提供的孔徑范圍已經無法滿足為克服相應的底盤抵抗線的要求。
1.1  應用束狀孔密集深孔實現露天礦高臺階開采
    束狀密集深孔是將炮孔布置成集束狀,每束孔由數個至拾數個平行的深孔組成。束內孔間距視礦巖性質為3~5倍的孔徑。具體工程設計時,將同時起爆的一束孔視為更大直徑的炮孔,或等效直徑,從而可以克服更大的爆破阻抗。提供了工程應用的更大的靈活性、適應性。
    研究表明,束狀孔與其更大直徑的等效直徑的單孔比較,由于束孔具有加強中遠區的爆破作用,有利于提高爆破破碎質量。
    以一般礦巖條件下的30 m高臺階為例,通常的坡面角為65°~ 70°,其底盤抵抗線為20—25 m。按通常的布孔方式,大致需要800—1000 mm的孔徑。如采用由250 mm的炮孔組成束孔,每束孔需9~11個孔。目前,國內大量應用的45R潛孔鉆機,孔徑為250 mm,最大穿孔深度為50 m。顯然,以現有設備條件采用束狀深孔進行高為30 m左右的高臺階露天穿爆作業是可行的。
1.2  地下鑿巖爆破地表裝運的露天采礦新技術
    如果將地下深孔采礦中把礦體劃分為階段和礦塊的概念引入露天臺階式開采,將傳統的露天臺階式的分層順序開采改為塊段式后退式開采,借以改變露天礦采裝工藝和采場參數的制約關系,實現露天礦的高臺階陡幫連續開采(見圖1)。
    地下深孔采礦技術的發展為實現自地下巷道進行鑿巖爆破作業的露天開采新方案提供了必要的物資技術基礎。其中如Atlas Copco公司的Sim-ba2610系列和Promec188型等鉆機,性能優良,可以鉆鑿任意方向的100 m深孔,效率可達400 m/d。瑞典基魯納鐵礦是一個開采深度達2000 m的超級地下礦山,基本以上向扇形崩礦的無底柱分段崩落采礦法為主。采用Promec188型鉆機,孔徑115mm,每米孔崩礦量25 t,采礦效率為10000 t/臺d。
    這一露天開采的新方案除了可以實現高臺階陡幫開采,將工作幫的幫坡角從目前的12°~ 14°提高至35°—40°外,還有以下值得注意的技術特點。
    (1)炮孔直徑的選擇不受臺階高度的影響,較常規露天開采,可以采用直徑小得多的炮孔,因而可以根據采裝作業的設備工藝配套對礦巖塊度的要求,進行預期礦巖破碎質量的爆破設計優化。
    (2)爆破線推進和破碎礦巖的位移方向同所形成的臺階坡面平行,基本消除了因爆破作用在臺階坡面方向的后沖;在臨近最終邊坡或礦巖局部穩定性較差的地段,可以在巷道中沿將要形成的坡面的界面進行預裂爆破,這要比露天條件下進行這一作業更為簡單、有效。
    (3)將露天的采裝作業分置于地表和地下,避免了穿爆作業和裝運作業的相互干擾,并為建立新的裝運技術系統創造了條件。
    這一新的露天開采方案可能采用的階段高度范圍遠遠大于露天臺階式采場條件可能的段高。對于高寒邊遠地區大型礦床的露天開采,這一方案在改善作業條件方面有實際意義。
    通常,露天礦的新階段的建設工作相當復雜。該方案將使用地下工程的方法進行開段溝的開挖,地下工程的掘進鑿巖爆破與露天采場生產平行作業。
1.3  索斗鏟的下挖鏟裝作業
    索斗鏟的工作機構為柔性連接,多用于軟巖大型露天礦的無運輸剝離。為滿足巨大生產能力的需要,通常采用較大斗容的索斗鏟。世界上目前使用的最大的索斗鏟的斗容己達220m3,臂長300~ 400m,斗容大于10m3的索斗鏟可以鏟挖爆破破碎質量良好的硬巖礦物。前蘇聯曾對米哈依洛夫礦山公司及列別金等露天礦山進行了索斗鏟高階段下挖鏟裝作業的研究。結果表明,用索斗鏟代替機械鏟可以大幅度提高臺階高度,減少運輸水平,工作幫坡角可從10°~ 14°提高到20°~ 25°。
    索斗鏟的生產能力比相同鏟斗容積的機械鏟低20%~30%,但購置費與運營費要低得多。采用相對較大斗容的索斗鏟進行高臺階開采的下挖鏟裝作業是可行的。
2、高臺階陡幫連續運輸的露天開采新工藝
2.1  露天礦連續運輸工藝
    電鏟一汽車一破碎機一帶式輸送機的露天開采半連續運輸工藝,由于可以縮短汽運距離,大幅度減少汽車數量以及發揮帶式輸送機運輸能力大成本低的優點,是國內外大型露天礦占主導地位的設計模式,但是,仍然沒有擺脫采場內部運輸線路復雜及可移動式破碎站的建設和設備移設工程復雜的基本情況。礦石流的中間環節仍然較多。礦巖勢能及運輸功浪費明顯等問題。
    露天礦自工作面裝巖開始的完全連續運輸工藝,即電鏟一自行式破碎機一帶式輸送機的工藝系統,取消了汽車運輸環節,減少了設備投資,降低運輸費,提高生產能力和效率。但由于電鏟(或前裝機)的卸載高度限制,自行式破碎機目前限于采用水平軸反擊式破碎機,只適用破碎石灰巖等中硬以下的礦巖。這可能是目前堅硬礦物露天開采尚未見應用全連續運輸工藝的主要原因。
2.2  可行的高臺階陡幫連續運輸露天開采方案
    如圖2所示,按采場參數和采掘帶的劃分,在采掘帶的內側先行掘進一巷道,采用地下專用設備完成鑿巖爆破作業,形成大規模連續爆堆,布置于臺階上平臺的大型索斗鏟采用工挖的作業方式將礦石裝入自行式破碎機,破碎后的礦石經輸運橋進入帶式輸送機。
    如采用束狀孔直接進行高臺階穿爆作業,也可以采用索斗鏟下挖的作業方式在上平臺完成破碎和連續運輸作業。
    所推薦方案可為建立高臺階陡幫開采和連續運輸工藝的露天開采工藝系統創造必要的技術條件。
    (1)大尺寸的臺階高度和采掘帶寬度以及采用有利于提高爆破效果的爆破技術和方法,可以連續大量提供相對集中的破碎質量良好的爆堆。
    (2)相對于露天高臺階可能采用的高度而言,索斗鏟的下挖深度及本平臺的卸載高度都有較大的選擇范圍,從而為硬巖露天開采選用自行式旋回式破碎機,實現索斗鏟一破碎機一帶式輸送機的工藝系統成為可能。
    (3)地下與地表的平行作業避免了穿爆作業與裝運系統的相互干擾,同時由于階段礦量和階段服務年限的成倍增加,將大幅度降低自行式破碎機和帶式輸送機的移動頻率。
3、可能的技術經濟效果
    在巷道中采用地下深孔的方法,借以實現露天高臺階陡幫開采的穿爆作業。但噸礦石的穿爆作業成本與常規的露天穿爆作業方法相比,將有所增加。增加的部分將由于以下原因而得到加倍的補償,礦石開采的總成本明顯降低。
    (1)相對于常規的露天臺階穿爆方法,該方案采用小得多的孔徑和參數,將顯著提高礦巖的破碎質量,提高鏟裝作業的效率、破碎機的處理能力和降低能耗。
    (2)通過大幅度提高臺階高度實現露天礦的陡幫開采,可以將工作幫的幫坡角從13 0左右提高到30。左右,將特別有利于推遲剝離高峰和平衡生產剝采比,增加備采儲量,擴大生產能力。
    (3)自工作面開始的連續運輸工藝,較半連續運輸工藝消除了汽車運輸,節省半移動式破碎站的建設,降低礦石運輸費用。一般情況下,露天穿爆作業費用僅占采礦作業成本的15%左右,運輸費占60%左右。深凹露天礦時,隨著開采深度的增加,運輸費的增加更為迅速。
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