国际采矿技术发展的趋势

发布时间:2017-02-09

国际采矿技术发展的趋势

1、地下矿山发展方向

地下矿山向着机械化、自动化、大型化发展。目前世界上地下矿山都在追求高效、安全，所以机械化水平、自动化水平不断在提高。(1)以瑞典基鲁纳铁矿为例，设计年产量达到3 000万t，l974年曾达到2 450万t，以后因销售不畅，年产量维持在l 500万一l 800万t／a。基鲁纳铁矿回采使用大规格分段崩落法，分段高度由开始的12m，到20世纪9O年代分段高度增加到28．5～30m．回采使用Aelas copco生产的simba w469型遥控凿岩台车．孔径l50mm最大孔深55m，该车利用测光系统进行准确的 维定位．该台车无人驾驶，24小时持续作业，年崩矿量可达300万t。

回采凿岩还采用wassara高压水力潜孔冲击式钻机，由G—Drill公司开发，此类钻机工作环境好、无油雾．几乎没有液压油的泄漏，与液压凿岩机相比，其钻杆费用低，它用短的旋转头取代孔外的重型液压凿岩机，其凿岩速度几乎与孔深没有关系。而液压凿岩机是随炮孔加深而显著降低凿岩速度．高压水力潜孑L冲击钻机凿岩速度快、钻孔非常直。此种钻机孔径为ll5mm，大规格分段崩落法对采矿破碎的块度和重力放矿的基本要求是精度极高的凿岩技术，水力与潜孔冲击钻机具有这种能力。扇形孔排间距(抵抗线)3．0～3．5m，一排孔崩矿量在10 000～14 O00t。

对于大直径(115mm)深孔(40～50m)装药，要求炸药粘度高。现在所有向上孔都装填可用泵送的乳化炸药。由于此类炸药有抗水性，可比以前更有效地使用预装药．即使有水的区段也是如此．从环境来看，由于返药量减少，这种方式优于铵油炸药装药。炸药分配和装药系统包括运输车、地下储药仓和7台装药车，用于掘进和回采装药。对炮孔偏斜要进行准确的测量。对爆破质量要进行监测，特别是在多裂隙和多孔洞岩石中．钻孔作业更需注意，严格要求。

装载采用电动铲运机，775m水平使用过芬兰Tamrock公司的Toro 510E型铲运机，载重l5t，单台能力为320t／h。1 045m水平用Tamrock公司新开发的Toro 2500E铲运机，斗容25t，单台能力为500t／h，每周平均出矿3．O万～3．5万t。这种铲运机无废气排放、低噪音、粉尘少、轮胎寿命长，便于集中维修。基鲁纳铁矿现在采场凿岩和装运都已实现自动化作业，凿岩台车和铲运机都已实现无人驾驶，在主运输水平，1980年有轨运输线的机车和车辆组成的列车运行就已无人驾驶。l 045m水平是KUJ 2000工程，配备的设备是全新的，矿山的目标一是大规模；二是高度自动化；LKAB公司拥有5台掘进台车和5台撬渣台车，设备型号与过去使用的相同，遥控凿岩车完全是新的8-9台；装载用全自动和遥控的Toro2500E铲运机8～l0台；有轨运输系统不再增加新机车和车辆，是775m水平原用的，经大修后转到l 045m水平使用。井下人员共有500人，主要从事掘进、采场凿岩和装运作业。井下作业有的实现了遥控、车辆无人驾驶。井下矿连续生产，由井下提升的原矿，原则上直接送到选厂处理。中间无贮矿场。矿山生产尽可能保持稳定，减少波动，大约有40名人员3班倒，这中间有溜井闸门、化验技术、提升和一些维修人员，还有25人夜班工作，这组人员也包括溜井闸门，化验以及大约lO名装运工，白班的人员是矿井建筑、岩石加固人员和一些维修工。

工作制度分为D2 与D2 。D2 是一周早班、一周中班、一周自由班；D2 制。包括早班、中班、晚班和自由班人员。24小时连续工作不仅包括第一线人员，也包括遥控人员。井下的劳动生产率，若按年产l 500万t原矿，工作人员500人计算．则井下人员平均劳动生产率为30000t／a

(2)第二个例子就是澳大利亚芒特·艾萨。芒特·艾萨矿是澳大利亚最大的地下矿山，也是世界大的地下矿山之一，是世界最大的银、铅金属生产厂家，也是世界十大铜和锌的生产厂家，1988年生产铜矿石585万t，铅锌银矿石465万t，总矿石产量突矿l 000万t以上再有就是澳大利亚奥林匹克坝矿(OlympicDam)，此矿位于澳大利亚南部，是铜铀矿。每年生产45 000t阴极铜，生产U O 1 900t，矿山部门总人数204人，是澳大利亚很典型的现代化矿山。

2 溶浸技术应用日益广泛

目前在回收低品位铜、金矿石、铀矿等已广泛采用溶浸技术，在溶浸技术中有原地浸出、堆浸和原地破碎浸出三大类。

美国、前苏联、加拿大、法国、南非、葡萄牙、澳大利亚都先后利用溶浸技术开采低品位的铜、铀、钴、镍、铜等有色、稀有金属原生矿和氧化矿石。这些国家的0．15％～0．45％低品位铜矿石，2％以上的铜氧化矿石和0．02％～0．1％的铀矿石基本上都采用堆浸和原地爆破浸出回收。

美国采用原地爆破浸出铜的矿山就有20多个。如内华达州的迈克矿，亚利桑那州的佐尼亚铜矿日产铜均在2．2t以上，蒙大那州的巴特矿和铜皇后分矿日产铜金属为10．9～14．97t，美国溶浸铜产量占总产量的2O％以上，黄金产量超过3O％，铀产量绝大部分也来自溶浸采矿。俄罗斯乌拉克矿区红石矿堆浸和原地爆破浸出的铀金属产量占总产量的

40％ ～5O％ 。

在8O年代中期澳大利亚的芒特·艾萨矿就在露天边坡的爆堆上试用浸出法生产铜，还有澳大利亚北部马莫斯矿采用井下原地浸出方法。马莫斯矿是一个已闭坑的铜矿。最早由西班牙人开采，1977年9月以后闭坑，1981年曾恢复生产，后因储量少再度放弃开采．8O年代中期澳大利亚采用由地表打钻孔，向井下注水，然后由井下抽取地下水，返复进

行，当分析铜粒子达到一定浓度时，抽出地下水，在地表修建了多个大塑料布铺垫的池子中浓缩．将浓缩液萃取用电极法生产电解铜。马莫斯矿原矿铜品位1．5％，据介绍可略有盈利。

在铜和金的浸出技术日益完善的情况下．近几年镍的浸出技术也有了长足的发展，澳大利亚泰坦公司在西澳的科拉查地区的Radio Hill lode镍矿进行细菌浸出试验，该试验利用镍矿产出的贫硫化铜镍矿石，采用破碎、堆放、喷洒菌种，通风、浸出，用浸出液电极法生产铜、镍。用该技术浸出铜、镍，浸出率都达到8O％以上。

3 深部开采技术

随着资源量不断的减少．目前采矿的深度越来越深，采深到l 000m 以下．带来了许多在浅部采矿没遇到的困难和问题。除了对卷扬机、通风机要有更高的要求以外，由于矿体埋藏太深，井下岩石温度会升高(澳大利亚的芒特·艾萨34m水平岩石温度达64 ，深部岩石压力加大，深部地区岩爆也可能发生，给回采带来许多意想不到的困难。

 深井采矿，技术界尚无明确的、统一的概念，一般认为，由于矿床埋藏较深而使生产过程出现一些在一般矿床开采时不曾遇到的技术难题时的矿山生产．即为深井采矿。但是，深与浅，难与易是相对的．随着采掘技术和矿山机械设备性能的发展和提高，开采深藏矿床的矿山越来越多，开采深度越来越大，原来认为是深的，现在就不再属深，原来是难的．现在也不再困难或许正因深浅难以划分，故人们没有去探讨确定深井采矿的统一概念。但随着矿山开采深度增加，地压增大，岩温增高，矿山的提升、排水、支护、通风等方面的困难也随着增大，因而要求采矿工艺技术和机械设备能适应这种变化。

我国现阶段的非煤矿山的开采深度一般都不超过700～800m，但近年已有一些埋藏深度达1 000m左右的矿床正在开发，铜陵有色金属公司所属的冬瓜山铜矿床、金川二矿区850m水平就属于其中。目前国内通常将深度超过l 000m的矿山称为深井采矿。

(1)深井矿山的分布情况：根据80年代前期的资料，在国外年产矿石l0万t以上的2 018座(包括露天矿)非煤矿山中，开采深度超过l 000m的就有79座。这79座深井矿山分别是：加拿大3O座．南非15座，美国ll座，印度4座，澳大利亚4座。俄罗斯2座，波兰2座，西班牙2座，赞比亚2座，乌克兰1座，挪威1座，日本1座，英国1座，匈牙利1座，墨西哥1座，津巴布韦1座。深井矿山多分布在采掘工业发达的国家．就开采的矿种而言，这79座深井矿山中，金矿26座，铜矿l8座，镍矿9座，钾盐矿7座。铅锌矿6座，银矿5座，钴矿4座，铁矿3座，铝土矿1座，贵金属和重有色金属矿山占深井矿山中的大多数。从开采深度

划分，深度为1 000～2 000m 的有64座，2 O00～3 000m的有l2座，3 000m以上有3座，其中最深的是南非卡里顿维尔金矿，开采深度达3 800m．竖井井底已达地表以下4 164m。当前深井矿山多数还处在1 000~2000m，但2000m以上的已不再罕见。

(2)深井矿山的提升和生产能力：开采深度增大，首先碰到的就是矿井的提升能力问题，目前的提升机一次提升最大高度已超过2 000m。如加拿大一次提升的最深矿井—— 克赖顿镍矿9 竖井．已深达2 172m；南非斯坦总统金矿的一条竖井已达2 310．4m。南非卡里顿维尔金矿的竖井也达2 300m。但是，深井矿山提升所用的提升机机型却不尽相同．卡里顿维尔金矿采用的是两台直径6m的滚筒式卷扬机，加拿大克赖顿镍矿也是采用滚筒式卷扬机。其直径6m，宽2m，电机功率4 777kW （6 600）马力 ，提升容器为15t底卸式双箕斗及双层单罐笼．摩擦轮多绳提升机主要用于浅井和中等深井中．在南非最深用于深1 952m井中。

 一般说来，当井深超过1 800m时，使用这种提升就会遇到许多困难，因此在南非是逐步用布雷尔多绳提升机代替摩擦轮多绳提升机。布雷尔多绳提升机的提升高度已达2 394m。从提升机电机功率来说，最大的是美国圣曼纽尔铜矿的两台卷扬机，分别为5 222kW(7 000马力)和4 476kW(6 000马力)，它是深井矿山中生产规模最大的矿山(5．9万洲)，两卷扬机分别提升装载干矿26．3t和21t的双箕斗。而目前西德EPR公司制造的一台大型四绳落地式提升机，摩擦轮直径9m，箕斗有效载重30t。提升高度l 200m，提升速度20rids，电机功率2~3 710kW，这台提升机就其直径而言是世界上最大的多绳提升机。 这些足以说明，提升设备能力已完全能满足大型深井矿山的要求。

 卷扬机的提升速度一般都在15m／s以上。从笔者掌握的资料中有74个提升高度超过1 000m的提升机站，其中提升速度在15～20m／s有69个．提升速度为10—15m／s的有1座，提升速度小于10m／s有3座。其中提升速度最大的是20m／s．提升速度最小的是南非兰德公司赫库里斯矿井的卷扬机．其提升高度为1 800m，提升速度仅为6．35m／s。国外不少深井仍采用滚筒式单绳卷扬机。而在我国，井深500

600m的矿井采用摩擦轮多绳提升机相当广泛。加拿大克赖顿镍矿直径为6m的滚筒式卷扬机，其钢绳直径为67．15mm(21／4时)，最多缠绕4层：而我国则不得超过两层，因此，扩大单绳滚筒式卷扬机应用范围，还有不少技术问题值得进一步探讨和解决(3)深井矿山的岩温和通风降温问题：一个矿山开采深度增大，岩温也随之增高，但是不同矿山在相同深度的岩温却未必相同，因此影响岩温的因素很多，而深度只是其中之一，岩温高是井下生产工作面气温高、工作条件差的主要原因之一。世界许多国家规定井下温度不能超过28℃。日本丰羽铜锌矿在一600m水平(大约距地表l 20Om左右)岩层温度已超过IOO~C。南非斯坦总统金矿在地表以下3 200m的105中段，原岩温度高达63 。为了改善井下的工作条件，深井矿山普遍采用加大井下通风风量和对井下空气进行冷却降温，即采用风冷和水冷两种方式。两者中选用其一还是两者兼之，则往往是根据技术经济比较的结果，普遍是先考虑用风冷，不能满足要求时再考虑增加水冷。采用水冷又分为地表集中致冷和井下分散致冷，较普遍的是地面建立集中制冷站，将水温冷却为2℃左右后再送到井下工作面附近，用它把进入工作面的新鲜风流的温度降低到所要求的温度，保证工作面气

温达到27 左右。斯坦总统金矿就是在地表采用7 O00kW 冷冻设备制造100L／s的冷水为井下空气冷却降温。

澳大利亚芒特·艾萨铜铅锌矿也是在地表建立有两套3 000kW 冷冻设备的制冷站，为井下送入冷水以冷却井下工作面的空气，而澳大利亚的布罗肯希尔铅锌矿在80年代末仍在井下生产中段里建有制冷站为冷却工作面的空气服务。为了改善深井采矿工作面的工作条件，除了设法降低气温的同时，也非常重视降低工作面的空气温度，为了降低空气降温的耗电量，更加重视减少井下机械设备的散热量．井下柴油设备的散热和井下制冷设备本身的散热问题已引起重视。

(4)深井采矿的地压管理和采矿方法：地压管理在我国一般矿山管理中常被忽视．而在深井采矿中它却是一个很重要、很突出的问题，它直接关系到采矿生产能否顺利进行和生产成本高低。因而，一般深井矿山都建立有完整的地压测量和监控系统．都非常重视研究本矿的地压变化规律．注意合理安排采掘顺序和选择合理的采场构成要素 岩爆是深井采矿中可能碰到的突出问题．然而是否发生岩爆不完全取决于矿井的深度，它与矿床的地应力、矿岩的性质及矿床开采过程中地压管理情况都有密切关系，有些矿山，在地表以下2 000多米甚至3 O00m开采时也不常出现甚至根本没有发生过岩爆现象。而有的矿山，如美国的加利纳银矿，在采矿深l 500m

左右，就常有岩爆发生。为了预测岩爆，许多矿山都在井下安装了微震监控装置，例如美国日照银矿就在2 254m水平安装了微震监控装置，进行24小时监控。为了防止岩爆发生，各深井矿山都非常重视防止岩石应力集中而采取释放措施，认真研究确定矿柱与岩柱的形状、尺寸和分布，在深井矿山中普遍采用充填法或嗣后充填采空区的大孔法、VCR法

等，与深井地压大、容易发生岩爆有密切关系

(5)深井开采还会遇到由于矿石温度升高，造成硫化矿石自然和在装填炸药时自爆的现象，也要引起足够的重视。

4 矿山环保工作与综合治理

在国外尤其是发达国家，对矿山环境都采用综合治理的措施．对矿山排出的废水、废气、废渣及粉尘、噪音等均有严格的技术标准，许多低品位的矿山，因环保治理费用太大，而无法建设和投产。尤其是固体废料的治理．对废弃的尾矿坝一般都采用覆盖的方式．上部再种上植物，对矿山的废石场甚至边坡均采用土层覆盖，再种上植物。在巴西的一些露天矿是采取在覆盖层上种麦子的办法。目前国外还强调建立无废料矿山和洁净矿山，德国鲁尔工业区瓦尔斯姆煤矿就是成功的例子，用洗煤厂的煤泥和煤发电燃烧后的煤灰和破碎后的井下废石加入水泥经活化搅拌，用PM泵打到井下充填空区，矿山不向外排任何固体废料。我国南京栖霞山锌钼矿业有限公司和苏州吴县铜矿等也都基本上是无废料矿山。

5 充填采矿技术应用日趋广泛

据报道，南非1985年因岩爆和冒落事故伤亡工人有3l1人， 因此国际上对如何解决这个问题，进行了反思，普遍认为充填是有效的措施之一。

根据情况不同可采用不同的充填料。①区域性支护：用优质的刚性充填料，减少弹性体积闭合和产生岩爆的危害。②岩层控制：对充填料质量要求不严格，但要求大范围充填，且充填后不应收缩。③ 多矿脉采矿：对充填料的要求是较低的应力状态下．充填料应是刚性的，以便使岩层变形位移保持最小。

④环境控制：为保证封闭住上盘以免风流通过采空区，要求充填料不收缩，进行大面积充填。⑤减少废石提升：在井下制备和破碎废石做充填料，从而提高效益。

目前充填要考虑的问题：①要集中力量形成实用而可靠的系统。要研究和开发有效的充填技术，使充填作业和采矿作业循环有效的结合．要重视充填系统的管理工作。②研究可使现有系统达到优化设计的技术，研究构成优质充填料的粒级分布，研究在水力旋流器和破碎方面已有所改进的充填料制备工艺流程，研究用于优化充填料的输送技术如压力损失、磨损、腐蚀，以优化充填系统总体设计。③加强对充填料的制备、输送．充放和受载变形过程的定量认识，为安全、稳定、高效的采矿奠定基础。

目前国际上用的充填工艺有：水砂充填、干式充填、高水固体充填、胶结充填。胶结充填又分为：分段尾砂水力充填(高浓度自溜输送)、其他充填料水力充填(高浓度自溜输送)、全尾砂膏体自溜充填及全尾砂膏体泵送充填。目前国际上推荐的是全尾砂膏体泵送充填。

国外实践经验证明膏体充填在采场充填效率和管道输送上优于高浓度充填，但含集料的膏体充填料方案有很大的技术风险性。加拿大应用贮仓技术制备膏体充填料方面已取得突破性进展。此外，如制备膏体的深浓密机系统、高速高剪力胶体搅拌机、控制粘度条件下高浓度膏体的制品、管流对隔墙造成的破坏机理、井下充填料分配系统的优化以及膏体充填体的物理力学特性的研究等都取得了重要进展．相应地还出现了专门的高浓度膏体充填研究试验站和为矿山提供服务的膏体充填技术公司。

目前。加拿大已有l2座矿山应用高浓度膏体充填，南非和澳大利亚也有新建的膏体充填系统投产。新的充填工艺将可以更好地满足保护资源、保护环境、提高效益、保证矿山发展的要求。充填采矿在2l世纪的矿业发展中将有更加广泛的前景。

6 大洋多金属核采矿

6．1 国际上大洋多金属核采矿方法

由于多金属结核赋存于3 000～5 000m左右深的海底．要开采就必须要有可行的采矿方法。因此世界各国均把发展可靠的采矿方法放在优先位置，并对此进行了大量的试验研究，有的甚至还进行了深海中间采矿试验。从60年代末至今，国际上已开发和试验了的大洋采矿方法主要分为连续链斗(CLB)采矿方法、海底遥控车采矿方法及流体提升采矿方法三类

(1)连续链斗(CLB)采矿方法：该方法是日本人l967年提出的，随后法国等多国参与了试验研究工作。该方法较简单．主要由采矿船、拖缆、索斗和牵引船组成。按一定间隔，把索斗系于拖缆上并放人海底，拖缆在牵引船的搬运下带着索斗做下行、铲取和上行动作，这种无级绳式循环运转就构成了连续采集环路。1970年在南太平洋水深3 760m海域进行商业规模1／10比例的开采试验并获成功。CLB的主要特点是能适应水深的变化保持正常作业。缆索又能稳定采矿船的摇摆，减轻波浪对作业的影响。尽管如此，CLB法的产量只能达100t／d．远达不到工业开采的要求。这主要是铲斗在海底无法控制，不能适应海底地形变化，因而造成采矿效率较低，无法满足商业开采要求。因此，CLB采矿法于70年代末被放弃。

(2)海底遥控车采矿方法：该方法主要是由法国人提出的。海底遥控车为无人驾驶潜水采矿车，主要由集矿机构、自行推进、浮力控制和压载四大系统组成。在海面母船的监控下，采矿车按照指令潜入海底采集结核，边采集结核边排放压舱物；装满结核后浮出水面并到母船接受仓卸下结核，待装好压舱物后又进行下一个作业循环，海面母船通常可控制数台采矿车同时作业。

根据法国原子能委员会1978年研究结果，采矿车每循环一次需6小时，每次只能采集100kg结核。由于采矿系统投资大．产品价值不高，在几十年内没有经济效益．故法国大洋结核研究开发协会已于1983年停止研究，决定放弃该项目。但这种采矿车的采运原理被视为有前途的采集技术。

(3)流体提升采矿方法：该方法是当采矿船到达采区后，将集矿机和提升管接好并逐步放人海船集矿机用于采集海底沉积物中的结核并进行初步处理，在除去过大结核的同时将合格尺寸的结核输入提升管底端，以水力或气力提升方式使管内的水以足够的速度向上运动．将结核输送到海面采矿船

上。1978年至1979年，以美国为主的国际财团在太平洋矿区按1／4～1／5工业生产比例进行了流体提升采矿法的海上中间试验．并获成功。目前国际上较为公认的是流体提升式采矿方法，且最具有丁业应用前景。

6．2 在国内大洋多金属核采矿情况

我国在充分总结国外大洋采矿技术研究经验和存在问题的基础上制定出优先发展南集矿机、泵提升组成的流体提升式采矿方法

(1)大洋采矿的基础研究和试验：在大洋采矿作业时，要求集矿机在水深5 000m左右的海底软泥上行走．采集赋存于海底的多金属结核，它除了要适应于深海底恶劣环境外．还需适应复杂海底地形地貌的变化；同时从保护环境的角度出发，不应对海底环境产生过度的破坏。要达到这些要求．集矿机采用的集矿方法和行走方式是至关重要的。为此．在解决好集矿方式和行走装置等工作机械的理论基础上．根据单位工作机构的实验结果，研制出了集矿模型机。完成了水力和气力提升机理研究及不同体积浓度输送参数试验，进行计算机仿真，建立完善了水力提升数学模型，并对工业开采水力提升参数进行了预测和初步优化。

(2)大洋采矿试验室建设：大洋采矿关键技术和设备研究都需要进行大量的试验，建造模拟海洋采矿环境的试验条件，进行试验研究，以求重点突破．减少耗资巨大的海上试验费用。为此专门建成占地4 000m2，既可进行集矿技术研究和设备性能试验，又可进行管道提升方法和工艺参数研究的大型海洋采矿综合试验室。它的建成为我国更好地开展大洋采矿项目的研究开发提供了条件；同时也标志着我国大洋采矿试验研究条件达到国际先进水平。

(3)海上中间试验方案制定：大洋采矿是一项高风险产业，根据对工业采矿具有代表性、经济性，设备不能过大过重。但要满足综合检验方案可行性和设备性能原则，中国大洋协会组织专家完成了《大洋多金属结核海上中试设计》。计划在完成采矿各子系统室内试验，解决关键技术和设备之后，完成工业开采规模1／5～1／10的海上中间试验。通过中试

力求在采矿技术上有重大突破，积累开采经验。http://248795581.qzone.qq.com

大洋多金属结核开采时机主要取决以下4种因素：①全球政治、经济稳定；②镍、钴、铜、锰4种金属的国际市场需求逐年看好；③大洋多金属结核开采与冶炼的技术进步，特别是成本效益的提高；④海洋科学的进步。随着21世纪人类开发利用海洋的到来，大洋采矿技术显得尤为重要。现代高新技术的发展为大洋资源开发铺设了桥梁，它的形成和发展将对世界海洋经济、文化及人类海洋意识产生积极深远的影响。

7 结束语

关于国外矿山的采矿技术发展趋势除了前述的七个方面以外。还有自然崩落采矿技术日趋完善，应用也在不断扩大，另外在凿岩爆破也有大量的新技术涌现，矿山岩石力学与工程已经作为一个独立的学科．在矿山的建设和生产中发挥越来越大的作用。

随着工业的发展．对矿物资源的需求在不断的增加，目前不管是发达国家和发展中国家都把占有资源、开发资源做为战略性措施来考虑，因此在开采上涌现了大量的高效、安全、低成本的采矿技术和方法，需紧跟先进技术的步伐，开发好资源。