李奔騰

(中鋁中州礦業(yè)有限公司, 河南 焦作市 454174)

河南省作為重要的鋁工業(yè)發(fā)展基地,隨著氧化鋁和耐火材料行業(yè)的快速發(fā)展,省內(nèi)鋁土礦資源日趨減少,供需矛盾日益加劇,有不少用戶除了到距離相對較近的山西、陜西地區(qū)收購礦石外,開始到距離較遠(yuǎn)的廣西、貴州甚至國外收購礦石。另外隨著多年的開發(fā),適合于露天開采的鋁土礦體已為數(shù)不多,開始轉(zhuǎn)向地下開采,礦山建設(shè)投資和生產(chǎn)成本也隨之加大,因此如何采取有效措施降低礦石損失和貧化,提高回采率,使有限的資源發(fā)揮最大效益,是地下開采鋁土礦過程中急需解決的一項(xiàng)重要難題。

1 河南省鋁土礦地下開采現(xiàn)狀

河南省鋁土礦的開采長期以來,由于成本和安全方面的原因,多以露天開采為主。地下開采鋁土礦山數(shù)量不多且開采規(guī)模小,整體處于試驗(yàn)探索階段,目前尚沒有一套成熟的地下采礦方法。

河南省鋁土礦地下開采多采用斜井或豎井開拓,全面法或房柱法采礦,在回采過程中,利用規(guī)則或不規(guī)則點(diǎn)柱支撐頂板,點(diǎn)柱一般作為永久損失,不進(jìn)行回收,礦石損失率較高,一般在30%～40%。鋁土礦夾層多,且頂?shù)装鍑鷰r不穩(wěn)固,開采過程中容易混入,因此貧化率也較高。

2 影響開采損失貧化的主要因素

2.1 礦體形態(tài)產(chǎn)狀的復(fù)雜性

河南省鋁土礦床均產(chǎn)于由奧陶系或寒武系碳酸鹽巖形成的古巖溶風(fēng)化侵蝕面上,因此礦體形態(tài)嚴(yán)格受基底古巖溶地形控制,多呈層狀、似層狀、透鏡狀和漏斗狀,礦體沿走向和傾向均呈波狀起伏,產(chǎn)狀和礦厚變化較大,給地下采礦工程施工造成了較大困難。

如澠池縣段村－雷溝礦區(qū)雷溝礦段34勘探線(見圖1)。

圖1 雷溝礦段34勘探線剖面圖

從圖1中可以看出,350 m標(biāo)高以下礦體呈似層狀,礦厚僅1.01～1.1 m,鑿巖、出礦作業(yè)空間高度不夠。若礦巖混采,貧化較大,采出礦石無法利用;若先開采底板圍巖,形成作業(yè)空間后再回采礦石,底板圍巖也必須倒運(yùn)出采場,采礦成本將大幅增加,因此大部分地下鋁土礦山對這部分資源在開采過程中予以舍棄,造成礦石損失增加,回采率降低。350～360 m標(biāo)高礦體呈透鏡狀,礦厚1.1～8.25 m,礦體傾角9°～45°,厚度和傾角急劇變化,不僅造成采準(zhǔn)巷道施工和回采難度增大,貧化率增加,而且為保證安全,采場礦柱尺寸也相應(yīng)增大,造成損失率也增大。360 m標(biāo)高以上礦體開采條件相對較好,可利用房柱法進(jìn)行開采。

2.2 鋁土礦質(zhì)量控制的復(fù)雜性

從礦石加工技術(shù)性能來看,鋁土礦質(zhì)量的優(yōu)劣不僅取決于有用成分Al2O3含量的高低,而且取決于雜質(zhì),特別是SiO2的含量。礦石Al2O3含量與SiO2含量的比值(A/S)不僅決定了氧化鋁的生產(chǎn)工藝,而且直接影響到氧化鋁企業(yè)的生產(chǎn)能力、總回收率、原料、燃料消耗及產(chǎn)品的直接費(fèi)用,因此《鋁土礦、冶鎂菱鎂礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0202－2002)中將礦石Al2O3含量和A/S均作為鋁土礦的工業(yè)指標(biāo),這是與其它金屬礦床的顯著不同點(diǎn)。而雜質(zhì)SiO2含量在圍巖和夾層中含量較高,在采礦過程中混入少量圍巖和夾層也會對礦石A/S值產(chǎn)生較大影響,質(zhì)量控制難度較大。

如澠池縣段村－雷溝礦區(qū),鋁土礦體直接頂板主要為粘土頁巖、炭質(zhì)頁巖、粘土礦及級外品等,其厚度從0.18～20.04 m,平均厚度2.22 m。礦體的直接底板主要為鐵質(zhì)頁巖、粘土礦及級外品、赤鐵礦(或菱鐵礦)等,其厚度0.10～29.15 m,平均厚度5.68 m。夾層主要為粘土礦、粘土頁巖、炭質(zhì)頁巖及鐵礬土,在677個(gè)見礦工程中有100個(gè)工程見夾層,占見礦工程的14.77%,夾層厚0.80～17.13 m,一般厚2～3 m,平均厚度2.56 m。段村－雷溝鋁土礦礦石與圍巖化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 鋁土礦礦石與圍巖化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出礦石頂?shù)装搴蛫A層中SiO2含量較高,若廢石混入率按10%計(jì)算(其中頂板占1%,夾層占4%,底板占5%),采出礦石質(zhì)量為Al2O363.76% 、SiO212.13% 、Fe2O33.9% 、S 0.92%,A/S 5.26,A/S 降低了 1.37,貧化率為 20.66%;Al2O3含量降低了2.92%,貧化率為4.38%。另外由于礦石頂?shù)装搴蛫A層中有害雜質(zhì)S含量較高,采出礦石中S含量增加了0.16%,貧化率21.05%?？梢姀U石混入對礦石A/S和有害雜質(zhì)S含量影響很大。原礦中A/S越高,S含量越低,影響越大。根據(jù)鋁土礦質(zhì)量的特點(diǎn),開采過程中要嚴(yán)格控制圍巖混入。

2.3 工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性

河南省鋁土礦礦石本身大多屬半堅(jiān)硬－堅(jiān)硬的巖層,穩(wěn)固性較好,而礦體的直接頂板和直接底板均為軟弱巖層,頁理發(fā)育,穩(wěn)固性差,工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。這對以往鋁土礦露天開采沒有什么影響,但對地下開采影響較大,主要是頂板管理復(fù)雜,措施不當(dāng)將造成安全事故。

由于礦體直接頂板巖層穩(wěn)固性差,在礦石開采過程中不允許暴露,因此全面法和房柱法開采時(shí)采用預(yù)留護(hù)頂?shù)V壁的辦法保護(hù)頂板,護(hù)頂?shù)V壁厚度根據(jù)礦石的穩(wěn)固性和層理發(fā)育情況而定,一般0.5～0.8 m,這樣造成礦石損失率增大,礦厚越小,護(hù)頂?shù)V壁損失占比越大。

護(hù)頂?shù)V壁的厚度目前沒有先進(jìn)的手段來控制,只能根據(jù)專業(yè)技術(shù)人員和鑿巖工的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷,若預(yù)留過厚,礦石損失將增加;若預(yù)留厚度太小,頂板容易出現(xiàn)垮塌,會造成部分礦石無法回采和頂板圍巖混入,最終也影響礦石損失和貧化。

2.4 民采采空區(qū)的影響

河南省鋁土礦區(qū)自上世紀(jì)70年代中期開始,受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使,小規(guī)模民采盛行,大多數(shù)鋁土礦區(qū)均遭到嚴(yán)重破壞,在100 m以內(nèi)民采鋁土礦井分布較多,直到近幾年在地方政府的治理下才得以有效扼制。這些民采礦井大多采富棄貧,礦石回采率低,資源浪費(fèi)較大。

民采井和老窿由于數(shù)量多,時(shí)間跨度長,多數(shù)坑道出現(xiàn)坍塌、積水,對采空區(qū)的空間分布和狀態(tài)僅能通過地表現(xiàn)場調(diào)查和物探手段開展探測研究,難度大,準(zhǔn)確性低。

采空區(qū)破壞了礦體的完整性,在接近采空區(qū)進(jìn)行采礦時(shí),若沒有進(jìn)行超前探測,摸清采空區(qū)位置及形態(tài),在揭穿后,巖石應(yīng)力進(jìn)行重新分布,很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,對正在回采的工作面巖層造成破壞,發(fā)生冒頂片幫事故,另外采空區(qū)內(nèi)的老空水、有害氣體和充填物會引發(fā)突水、突泥、有害氣體突然涌出等災(zāi)害,不僅嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn),而且會帶來大面積礦石無法開采和廢石混入,造成礦石的損失和貧化。

3 降低損失貧化的措施和方法

3.1 加強(qiáng)生產(chǎn)勘探工作

依據(jù)《鋁土礦、冶鎂菱鎂礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T0202－2002),沉積型鋁土礦控制的工程間距為(100～200)m×(100～200)m,但由于河南省鋁土礦區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,以上工程網(wǎng)度不能查明采場的礦體空間位置、形態(tài)、產(chǎn)狀、厚度及其變化情況。另外由于地質(zhì)勘查工程大多是在地表施工的,隨著鉆孔深度的增大和穿過巖層性質(zhì)的差異,鉆孔的傾角、方位角會發(fā)生彎曲而偏離原設(shè)計(jì)的位置,若孔斜與方位校正工作沒有做到位,用原設(shè)計(jì)的鉆孔軸線編繪地質(zhì)界線和礦體,在空間位置上會產(chǎn)生很大偏差。

鑒于以上原因,在地質(zhì)勘查階段提交的地質(zhì)資料僅能做為整個(gè)礦區(qū)估算資源儲量和初步設(shè)計(jì)的依據(jù),不能做為采場施工圖設(shè)計(jì)的依據(jù)。對于地下開采而言,礦體的空間位置、形態(tài)、產(chǎn)狀、厚度,不僅影響到采礦方法的選擇,而且影響到采切工程的布置。在采場施工圖設(shè)計(jì)前,必須在井下進(jìn)行生產(chǎn)勘探,以摸清每個(gè)采場礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀、厚度和保有資源儲量。

在生產(chǎn)勘探時(shí),在按設(shè)計(jì)工程網(wǎng)度進(jìn)行勘探基礎(chǔ)上,要加強(qiáng)勘探過程中的地質(zhì)研究工作,邊勘探邊分析研究,根據(jù)工程見礦情況及時(shí)調(diào)整勘探方案,必要時(shí)補(bǔ)充一些加密工程,以詳細(xì)查明礦體空間位置、產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造等。

對以往采空區(qū)調(diào)查和地質(zhì)勘查中發(fā)現(xiàn)的采空區(qū)在生產(chǎn)勘探方案設(shè)計(jì)時(shí)要予以充分考慮,盡可能探明采空區(qū)范圍,為采場設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

3.2 加強(qiáng)采礦方法的研究

采礦方法及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇直接影響到礦石損失率和貧化率,目前鋁土礦地下開采大多采用全面采礦法和房柱采礦法,但由于河南省鋁土礦受基底古巖溶地形控制,礦體形態(tài)復(fù)雜多變,采礦損失率和貧化率較高,因此應(yīng)加強(qiáng)采礦方法探索和研究,針對不同礦體靈活選擇采礦方法和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

對于礦厚在3 m以下的薄礦體,優(yōu)先選用全面采礦法,利用品位低的礦石或圍巖做為不規(guī)則礦柱支撐頂板,護(hù)頂?shù)V壁厚度根據(jù)礦石的穩(wěn)固程度適當(dāng)減小,以降低礦石的損失率。

對于傾角在45°以上的中厚礦體,可以選用留礦法,每次采下的礦石暫時(shí)只放出1/3左右,其余的存留于采場內(nèi),作為繼續(xù)上采的工作平臺和對圍巖起支撐作用,待礦房回采作業(yè)全部結(jié)束后,再全部放出。這樣采場內(nèi)礦柱可以不留或少留,既解決了由于礦體傾角大造成的采場礦柱易垮塌問題,也減少了采場礦柱損失。

對于大厚度礦體,應(yīng)加強(qiáng)充填采礦方法的應(yīng)用研究,最大限度地提高礦石回采率。

傳統(tǒng)的電耙出礦工藝存在不少缺點(diǎn),一是生產(chǎn)效率低;二是鋁土礦底板為軟弱巖層,電耙耙運(yùn)礦石時(shí)極易破壞底板,造成底板巖層混入,貧化率增大;三是當(dāng)?shù)V體產(chǎn)狀突變或礦體變薄鑿巖空間不夠時(shí),采切工程難以繼續(xù)向前施工,造成部分礦體開采成本劇增或無法開采,礦石損失增大。為此應(yīng)積極探索機(jī)械化開采工藝,通過在采場內(nèi)施工斜坡道,使扒渣機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)、膠輪車等機(jī)械設(shè)備能夠方便進(jìn)入各個(gè)回采工作面,采準(zhǔn)和生產(chǎn)過程中爆破出的巖石可以就近倒運(yùn)到采場內(nèi)附近已結(jié)束開采的區(qū)域內(nèi),無需倒運(yùn)出采場,既提高了生產(chǎn)效率,又解決了損失率和貧化率高的問題。

采場施工圖設(shè)計(jì)是采場施工和生產(chǎn)的依據(jù),必須先設(shè)計(jì)后施工,并且要制定和完善采場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和審查程序,確保設(shè)計(jì)的規(guī)范性和合理性。設(shè)計(jì)和審查過程中要對礦石損失率高度重視,在保證安全前提下,通過調(diào)整采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和礦柱位置等方法,盡可能降低礦石損失率,以有效利用礦產(chǎn)資源。

3.3 建立采場技術(shù)檔案

從地質(zhì)勘查到生產(chǎn),隨著揭露礦體工程的增加和認(rèn)識程度的提高,礦區(qū)資源儲量估算將越接近實(shí)際,有時(shí)可能發(fā)生較大的變化,因此礦區(qū)年度儲量動態(tài)監(jiān)測工作尤為重要,而礦區(qū)是由一個(gè)個(gè)采場組成的,要做好整個(gè)礦區(qū)的儲量動態(tài)監(jiān)測,必須對每個(gè)采場分別建立技術(shù)檔案,及時(shí)掌握每個(gè)采場的儲量動態(tài)變化情況。

每個(gè)采場的技術(shù)檔案包括采場施工圖設(shè)計(jì)、采切工程地質(zhì)編錄、二次圈定報(bào)告、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)臺賬、閉坑報(bào)告等。

采切工程地質(zhì)編錄要在每個(gè)采切工程如上山、平巷、天井等施工完成后及時(shí)進(jìn)行,同時(shí)要和生產(chǎn)勘探報(bào)告、設(shè)計(jì)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)礦體位置、產(chǎn)狀、厚度等發(fā)生較大變化時(shí),要分析原因。

整個(gè)采場采切工程結(jié)束后要及時(shí)組織編制二次圈定報(bào)告,重新圈定礦體范圍和估算保有資源儲量,通過與生產(chǎn)勘探報(bào)告、設(shè)計(jì)進(jìn)行對比分析,查明每個(gè)采場礦體范圍、產(chǎn)狀、厚度及保有資源儲量的變化情況及原因。

采出礦量和質(zhì)量要隨著采切工程和回采的進(jìn)行,每天進(jìn)行統(tǒng)計(jì),形成生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)臺賬。

在采場回采結(jié)束后,要依據(jù)二次圈定報(bào)告、生產(chǎn)計(jì)臺賬及時(shí)編制閉坑報(bào)告,計(jì)算采場回采率和貧化率,并和設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比,偏差較大時(shí)要認(rèn)真分析原因,提出補(bǔ)救和改進(jìn)措施。

3.4 加強(qiáng)現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)和監(jiān)督

(1)合理選擇回采順序,有效減少礦石損失。回采順序包括礦房之間的回采順序和礦房內(nèi)工作面的回采順序。由于地下開采鋁土礦區(qū)工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜,回采順序選擇是否合理,不但影響生產(chǎn)安全,而且會造成礦石損失。

礦房之間回采順序要堅(jiān)持從采場一端到另一端,嚴(yán)禁從兩端向中央開采,防止形成局部應(yīng)力集中,對采場未開采礦房的礦巖造成破壞。

礦房內(nèi)工作面回采順序,采用房柱法開采時(shí),要先施工切割上山,與上中段貫通形成通風(fēng)系統(tǒng)后,再以切割上山為自由面向兩側(cè)擴(kuò)幫,擴(kuò)幫自上而下全部完成后再進(jìn)行壓頂,壓頂完成后再切削礦房之間的點(diǎn)柱,壓頂和切點(diǎn)柱均可以自上而下倒退式回采。這樣可以大大減少頂板的暴露時(shí)間,保證回采工作的安全有序進(jìn)行,避免冒頂造成大量礦石損失。礦房內(nèi)工作面回采順序見圖2。

(2)加強(qiáng)現(xiàn)場施工管理,有效控制圍巖混入。采切工程如平巷和上山開口時(shí),技術(shù)人員要對開口位置進(jìn)行確認(rèn)和取樣分析,準(zhǔn)確掌握礦體頂?shù)装逦恢脴?biāo)高,在采切工程施工過程中,技術(shù)人員要每班進(jìn)行跟蹤,發(fā)現(xiàn)礦體產(chǎn)狀發(fā)生變化要及時(shí)調(diào)整施工的方位和坡度,確保采切工程在礦體中沿底板進(jìn)行施工,避免因施工位置及標(biāo)高不合理而造成礦巖混采。

護(hù)頂?shù)V壁厚度的控制至關(guān)重要,技術(shù)人員要根據(jù)設(shè)計(jì)和礦石的穩(wěn)固性合理確定,確定后每班要監(jiān)督施工隊(duì)做好探頂工作,避免破頂和預(yù)留礦壁過厚。

在接近頂板進(jìn)行爆破時(shí),要采用光面爆破技術(shù),盡可能減少對頂板巖層的破壞;采場頂板穩(wěn)固性差時(shí),要及時(shí)進(jìn)行支護(hù),避免冒頂造成礦石損失和貧化。

圖2 礦房內(nèi)工作面回采順序

4 結(jié) 語

河南省鋁土礦資源受基底古巖溶地形控制,礦體形態(tài)產(chǎn)狀和工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜,必須采取有效措施降低損失和貧化,使有限的鋁土礦資源充分發(fā)揮效益。