蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·423· 入三相对称的电流后，在中气隙产生一个磁场，此气 高压水射流破岩技术.高压水射流分为连续射 隙磁场沿直线方上呈正弦分布，峰值随着时间平移， 流和脉冲射流两种类型.连续射流是连续喷射且压 称为行波磁场（图中V为三相电机的V相）.行 力稳定：脉冲射流是间断发射，压力随时间变化.水 波磁场与永磁体建立的磁场发生作用便产生电磁推 射流的能量集中，横向分力很小.目前高压水射流 力，在这个电磁推力的作用下，实现罐笼直线向上 技术研制的采煤机、切割机和清洗机在软岩中已有 移动B 应用 传统的箕斗、罐笼等提升方式，都是机械提升方 激光破岩技术.利用高能激光束作用于岩石 式，除向无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术发 表面，产生大量热能使岩石迅速受热膨胀，引发岩 展外，欧盟国家前些年还曾试验开发水力提升技术. 石局部热应力升高，当热应力超过岩石极限强度 这种提升方式在井下对矿石进行粗选、破碎和磨矿， 时，岩石就会发生热破裂，从而实现岩矿切割叨 之后用泵扬送到地面选矿场，可大幅降低提升成本， 2000年，俄罗斯的一个物理研究所完成了高能激 实现废石不出坑便于井下充填，同时也减少了环境 光钻井破岩可行性试验，证明兆瓦级激光器能满 污染，为建立“无废矿山”创造条件.由于无需开挖 足硬岩破岩能量要求，破岩效率比金刚石钻头高 竖井，不仅减少了井巷工程的投资和维护费用，而且 10~100倍B7=9 提高了采矿工程的安全性.德国的普鲁萨格金属公 等离子爆破破岩技术.利用电能将炮孔中的电 司和瑞典基律纳铁矿是水力提升系统的先行者.进 解液分解产生高压、高温等离子气体，通过等离子气 入超深开采之后，水力提升必须分多段提升才能完 体的迅速膨胀形成冲击波，达到类似炸药的爆破效 成，这也制约了水力提升的效率和提升高度，真正能 果胸.1993年，等离子破岩技术在加拿大东魁北克 够实现无高度限制是无线直线电机驱动垂直提升技 的Gaspe矿进行了现场试验，在强度为140~350 术.无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术，设备 MPa的硬岩工作面爆破中获得成功o 小，运动灵活，效率高，无提升高度的限制，是适合超 目前，地下矿山的开采方法主要有空场法、崩落 深井提升的技术和设备 法、充填法三种，根据矿石开采价值和空区维护难 3.4传统采矿模式和开采方法与工艺的变革 度，选择开采方法.我国大部分金矿和品味高的稀 为了适应深部开采应力环境条件、地质构造、岩 有金属矿山采用充填法；这些矿山大多存在围岩稳 体力学结构与特性的变化，特别是为了满足深部无 定性差，相邻作业区采场和巷道维护困难等问题，例 人采矿作业需求，极大地提高采矿的效率、保证采矿 如栾川钼矿.铁矿价值低，但矿体体积大、整体性 工程的稳定和安全，对用于浅部的传统采矿模式、方 好，围岩稳定性好，所以首选开采效率高、支护成本 法与工艺进行根本的变革是完全必要的，主要包括 低的崩落法进行开采，这已成为选择采矿方法的传 采矿开挖和支护加固两个方面. 统观念，也是开采价值和支护成本相平衡的结果. 从长远出发，采用机械连续切割破岩取代传统 但随着采矿深度不断增加，特别当开采深度超过 爆破开采，具有重要意义.传统爆破采矿工艺的弊 1500m或更深以后，在高地应力的作用下，地压活 端一方面在于爆破对围岩和环境的破坏，另一方面 动会越来越剧烈，为了有效控制地压活动，保证采矿 矿石和废石一起爆落采出，大幅增加提升量.采用 安全，充填法将是多数进入深部开采的地下矿山不 机械切割采矿的优越性在于：开采过程不需实施爆 得不采用的开采方法，这也是未来采矿方法的一项 破，提高了围岩稳定性：不受爆破安全边界的限制， 重要改变.为了使铁矿这样的矿山能够采用充填 扩大了开采空间：机械切割提高了采矿准确性，使矿 法，必须从工艺和材料两个方面入手降低充填成本， 石贫化率降到最低.德国维特根(Virtgen)公司生产 提高充填法的经济性。全尾砂膏体充填，可在低水 的切割机在切削矿石中同时将矿石破碎；可实现 泥耗量条件下获得高质量的充填体，能有效维护空 切割落矿、装载、运输采矿过程的连续作业，从而创 区、控制岩爆，代表着充填技术的发展方向.德国 造了连续采矿的条件.采用连续切割设备取代传统 PM公司采用的膏体泵送充填技术，将尾矿砂浆 爆破采矿也是实施智能化采矿、建设无人矿山的必 浓缩到浓度78%左右，泵送到井下工作面，再添加 然需要，这涉及到传统采矿工艺技术的大规模变革， 3%左右的水泥用以充填采场.我国金川公司引进 是采矿方法和工艺的战略性转变.除机械连续切割 该技术，采用戈壁碎石集料、全尾砂与水泥制备成浓 破岩采矿方法以外，有研究价值的新型连续破岩切 度81%~83%的膏体，充填体抗压强度达到40MPa 割采矿方法还有： 以上阳蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 入三相对称的电流后，在中气隙产生一个磁场，此气 隙磁场沿直线方上呈正弦分布，峰值随着时间平移， 称为行波磁场［34］( 图中 V 为三相电机的 V 相) ． 行 波磁场与永磁体建立的磁场发生作用便产生电磁推 力，在这个电磁推力的作用下，实现罐笼直线向上 移动［35］． 传统的箕斗、罐笼等提升方式，都是机械提升方 式，除向无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术发 展外，欧盟国家前些年还曾试验开发水力提升技术． 这种提升方式在井下对矿石进行粗选、破碎和磨矿， 之后用泵扬送到地面选矿场，可大幅降低提升成本， 实现废石不出坑便于井下充填，同时也减少了环境 污染，为建立“无废矿山”创造条件． 由于无需开挖 竖井，不仅减少了井巷工程的投资和维护费用，而且 提高了采矿工程的安全性． 德国的普鲁萨格金属公 司和瑞典基律纳铁矿是水力提升系统的先行者． 进 入超深开采之后，水力提升必须分多段提升才能完 成，这也制约了水力提升的效率和提升高度，真正能 够实现无高度限制是无线直线电机驱动垂直提升技 术． 无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术，设备 小，运动灵活，效率高，无提升高度的限制，是适合超 深井提升的技术和设备． 3. 4 传统采矿模式和开采方法与工艺的变革 为了适应深部开采应力环境条件、地质构造、岩 体力学结构与特性的变化，特别是为了满足深部无 人采矿作业需求，极大地提高采矿的效率、保证采矿 工程的稳定和安全，对用于浅部的传统采矿模式、方 法与工艺进行根本的变革是完全必要的，主要包括 采矿开挖和支护加固两个方面． 从长远出发，采用机械连续切割破岩取代传统 爆破开采，具有重要意义． 传统爆破采矿工艺的弊 端一方面在于爆破对围岩和环境的破坏，另一方面 矿石和废石一起爆落采出，大幅增加提升量． 采用 机械切割采矿的优越性在于: 开采过程不需实施爆 破，提高了围岩稳定性; 不受爆破安全边界的限制， 扩大了开采空间; 机械切割提高了采矿准确性，使矿 石贫化率降到最低． 德国维特根( Virtgen) 公司生产 的切割机在切削矿石中同时将矿石破碎［36］; 可实现 切割落矿、装载、运输采矿过程的连续作业，从而创 造了连续采矿的条件． 采用连续切割设备取代传统 爆破采矿也是实施智能化采矿、建设无人矿山的必 然需要，这涉及到传统采矿工艺技术的大规模变革， 是采矿方法和工艺的战略性转变． 除机械连续切割 破岩采矿方法以外，有研究价值的新型连续破岩切 割采矿方法还有: 高压水射流破岩技术． 高压水射流分为连续射 流和脉冲射流两种类型． 连续射流是连续喷射且压 力稳定; 脉冲射流是间断发射，压力随时间变化． 水 射流的能量集中，横向分力很小． 目前高压水射流 技术研制的采煤机、切割机和清洗机在软岩中已有 应用． 激光破岩技术． 利用高能激光束作用于岩石 表面，产生大量热能使岩石迅速受热膨胀，引发岩 石局部热应力升高，当热应力超过岩石极限强度 时，岩石就会发生热破裂，从而实现岩矿切割［37］． 2000 年，俄罗斯的一个物理研究所完成了高能激 光钻井破岩可行性试验，证明兆瓦级激光器能满 足硬岩破岩能量要求，破岩效率比金刚石钻头高 10 ～ 100 倍［37--38］． 等离子爆破破岩技术． 利用电能将炮孔中的电 解液分解产生高压、高温等离子气体，通过等离子气 体的迅速膨胀形成冲击波，达到类似炸药的爆破效 果［39］． 1993 年，等离子破岩技术在加拿大东魁北克 的 Gaspe 矿进行了现场试验，在强度为 140 ～ 350 MPa 的硬岩工作面爆破中获得成功［40］． 目前，地下矿山的开采方法主要有空场法、崩落 法、充填法三种，根据矿石开采价值和空区维护难 度，选择开采方法． 我国大部分金矿和品味高的稀 有金属矿山采用充填法; 这些矿山大多存在围岩稳 定性差，相邻作业区采场和巷道维护困难等问题，例 如栾川钼矿． 铁矿价值低，但矿体体积大、整体性 好，围岩稳定性好，所以首选开采效率高、支护成本 低的崩落法进行开采，这已成为选择采矿方法的传 统观念，也是开采价值和支护成本相平衡的结果． 但随着采矿深度不断增加，特别当开采深度超过 1500 m 或更深以后，在高地应力的作用下，地压活 动会越来越剧烈，为了有效控制地压活动，保证采矿 安全，充填法将是多数进入深部开采的地下矿山不 得不采用的开采方法，这也是未来采矿方法的一项 重要改变． 为了使铁矿这样的矿山能够采用充填 法，必须从工艺和材料两个方面入手降低充填成本， 提高充填法的经济性． 全尾砂膏体充填，可在低水 泥耗量条件下获得高质量的充填体，能有效维护空 区、控制岩爆，代表着充填技术的发展方向． 德国 PM 公司［41］采用的膏体泵送充填技术，将尾矿砂浆 浓缩到浓度 78% 左右，泵送到井下工作面，再添加 3% 左右的水泥用以充填采场． 我国金川公司引进 该技术，采用戈壁碎石集料、全尾砂与水泥制备成浓 度 81% ～ 83% 的膏体，充填体抗压强度达到 40 MPa 以上［42］． · 324 ·