芻議地下礦山開采技術及其趨勢

楊瑞

（新疆阿舍勒銅業股份有限公司，新疆 阿勒泰 836700）

芻議地下礦山開采技術及其趨勢

楊瑞

（新疆阿舍勒銅業股份有限公司，新疆 阿勒泰 836700）

伴隨著人口的增長，建筑業、煤炭業等行業的發展，對于礦產資源的需求量增大，同時科技的進步與開礦技術的發展，為世界礦業帶來發展機遇。本文簡要介紹了現階段主要應用的地下礦山開采技術，并提出未來地下礦山開采技術主要的發展趨勢，從而在保護環境的前提下，加速礦區產能，促進行業發展。

礦山開采；開采技術；發展趨勢

礦物質為人類的生存及發展提供了能源和資源，對于礦產資源的保護及合理開采、應用應引起重視。20世紀90年代末期，采礦工業就為全世界提供了200億噸的礦產資源 ，總金額高達 2萬億美元 ，占全世界資產總產值的7%。因此礦產工業無論在哪一個階段，都是推動全球經濟持續發展的基礎，更要加以重視。

1 地下礦山開采技術

1.1 地下采礦系統簡介

地下礦山的開采系統中包括地下開采系統以及地面系統。地下開采系統的中心是礦塊，包括以井巷、巷道、線路、管道以及各種裝備組建而成的礦井的運輸、上升、排水、通風、供水、電力、填充、壓氣輸送以及內外壓力平衡等系統，以及礦井下的車廠、井下破碎室、地下儲藏庫、地下炸藥庫等。地上系統則包括礦山口部的建筑以及各種開礦設備，地上的運輸工具、選礦環節、機器維修、地上為地下供電、地下填充系統用填充材料的制作與填充等，以及生產用材料的存放倉庫、炸藥的存放倉庫、尾礦廢礦的儲存空地、辦公以及生活居住場地或建筑，這些系統相互連接組成了采礦地面系統。地下礦山開采的主要場所是地下的礦田，根據礦床礦田的實際情況以及開礦需求，將地下礦田劃分為井字，模仿井田制，對礦田進行挖掘開礦。在進行井田開礦的同時，要設置更多的井口，以保障地下礦工的安全，以及由地下向地面運輸效率的提升。受開采深度影響，不同深度的開采，應用不同的開采技術，以及會收獲到不一樣的經濟效果，并伴隨著礦井深度的增加，開礦的條件也越來越復雜，難度也越來越高，成本也隨之提升。

1.2 地下采礦設備簡介

（1）鑿巖設備。現階段我國所有的采礦部門在礦山開采中，仍在使用氣動鑿巖機，高效液壓鑿巖機在國外已經得到大范圍推廣并廣泛使用，而在我國還沒有進行必要的推廣以及應用。我國雖然有自主研制液壓鑿巖設備，但都未得到大面積的生產、推廣以及應用。一小部分開礦單位應用采礦鑿巖鉆車，但這些鉆車設備多為進口，增加了采礦成本，且國內還沒有自主研發并投入使用的先例。

（2）運輸設備。電耙仍然是大部分礦山的主要出礦及運輸設備，另外，一大部分礦山開始引進并應用柴油鏟運機以及電動鏟運機，部分礦山卻仍在采用過去效率及收益低下的風動鏟斗裝巖機以及電動鏟斗裝巖機，機車用作牽引對石礦進行運送，有部分礦山則應用鏟插機、立爪式裝巖機進行裝載，再應用梭式運輸設備進行巖石運輸。

（3）礦井的挖掘設備。礦井挖掘最常規應用到的方法是吊罐法，另外一部分占比較大的掘進方法是普通法，這種方法對勞動力的要求比較大，勞動力支出成本也會提升，以鉆機作為主要挖掘設備的鉆進方法,雖然有推廣及應用，但范圍小不普遍。目前我國地下礦山應用的鑿巖機多為國產機型，天井鉆機也多為國產機型，未來的應用目標一是要進行自主研發與推廣，另外，就是要求自主研發與推廣的設備水平趕超進口機器。

1.3 地下采礦技術簡介

在地下礦山開采的過程中，常應用到的技術是充填采礦法和空場采礦法。

（1）充填采礦法。充填采礦法是一種人工支互的采礦方法。在采礦房或者礦塊中，伴隨回采工作面推進，于采空區輸送填充物，從而進行地壓管理、減少圍巖崩落以及地表移動現象的產生，并且在填充物填充體上進行回采。這種方法廣泛應用于開采現場圍巖不穩定的稀有寶石或礦石；也應用于地表情況不穩定，采礦條件復雜的開采場地，如水體周圍，大型建筑物的地下等。其方法的應用優勢在于方法的適用性強，應用這種方式進行初步采礦，礦石的回采率高，工作現場安全可以保障，填充材料可以是工業上的廢料或是部分生活垃圾，做到廢物的合理應用，也保護了地表形態，但缺點在于工藝較為復雜、成本高。

施工中根據常用填充材料的不同，可以將充填采礦法分為3類。第一類，干式充填法。其主要應用的填充物是開采出的碎石、廢渣等，經過打碎后，通過機器或人力輸送至采礦區。第二類，水力充填法。其主要充填物并不是水，而是細砂、碎石，水力為主要輸送途徑，輸送至采礦區。第三類，膠結充填法。它是采礦行業最早應用的充填方式，生產效率低，所需工程量大，導致采礦的成本升高，其主要填充物為水泥、砂石、碎石以及膠凝材料等混合而成的漿狀物質，在物質凝固后具有極強的強度，能夠作用于管道水力輸送至采礦區。

（2）空場采礦法。該采礦方法是將露天采礦場的崩礦技術結合到地下采礦當中，在地下礦區的部分場地，先通過切割形成槽體，之后將切割好的槽體作為自由面以及補償空間，應用大直徑深空進行全階段崩礦，由出礦系統將采礦區內崩落的礦石運出。地下礦山的持續采集包括礦區的連續回采、巖體礦體的連續開采、運送等。連續開采以及運輸技術一直被認為是國家的重點攻破科技項目，國家對此投入巨大，并在實際的應用中取得了不錯的成效。

崩落采礦法包括無底柱分段崩落法和自然崩落法。我國在無砥柱分段崩落法的應用上，始終存在不足。對這些缺陷進行優化，增大進路間距，提升可操作性，易于推廣和應用。應用低貧化放礦技術，在礦層巖石面達到礦口時停止其放出，保障礦石面的完整，減少礦巖的混雜。此技術工藝要求低，操作簡單，帶來的收益大，推廣前景廣闊。自然崩落法的優勢在于其產能大、成本低，適用于礦體較大、礦化均勻易崩落的礦區。拉低礦石面積，破壞礦區的內力平衡，之后形成新的平衡，礦石受新的自然力呈現周期裝自然崩落。采礦設施方面，我國已經盡全力向礦區無軌化、自動化、半自動化方向發展，并取得較大進步，并研制多種鏟運機、鉆車、鉆機鑿巖機等設備。

2 地下礦山開采技術的發展趨勢

無論是現階段還是在采礦行業形成的初期，對于礦區資源的開采，開采過程中及開采作業后，對環境以及自然力的破壞與影響始終難以解決，如礦區在開采后，運輸攜帶出的礦沙、碎渣等對地面環境造成污染，在大風天氣中，由于風力的攜帶作用，將礦石砂粉塵吹散至空氣中，對大氣同樣造成污染；再有，對地下礦產資源的過度開采，導致地下組織出現空擋，極易產生地表沉降以及地面塌陷等現象，危及地下作業人員以及地面行人、居民的生命財產安全。且地下開礦對于環境的影響不僅局限于對自然環境的破環，同時，也影響著人類社會的環境。我國的礦產資源蘊藏面積廣泛，其面積占我國國土總面積的5.7%，并且煤田主要分布在我國西北、華北、東北、華東地區，而這些地區正巧為我國主要的經濟開放區以及農業生產區，開礦對社會環境的影響，就體現在對農業生產系統、經濟開放之間存在的沖突，既要保障在開礦中對于農田的破壞以及開礦場地對農田的占用，也要避免開礦對于地表形態、地面建筑的破壞，而影響城市面貌、貿易往來以及對外開放。所以在未來階段采礦技術的發展趨勢，主要是側重于可持續發展以及對地表形態的保護。

例如在實際開采過程中，可以將全部的尾砂都應用到充填技術當中，將尾砂重新運輸并填充到回采空區，既降低了沉降的可能，又實現了廢物利用的持續發展理念。現階段，在我國的地下開采作業中，空場采礦法的應用占55%，充填法則占有15%，可以在每一個礦區應用尾砂充填技術，解決尾砂的處理難題，也節省了場地、資金以及填充物的支出。

采礦工藝發展的主要方向是提升采礦產量，其探究的重點在于對充填采礦法、空場采礦法的改進，以及崩落采礦法中的階段自然崩落采礦法與強制崩落采礦法的改善與提升，促進施工的低成本、高效率。研發高效率的大穿孔設備、液壓鑿巖設備、礦井鉆進設備以及一鏟運機為主要部分的運輸設備，震動出礦和連續采礦的相關設備，采礦輔助設備等，盡最大能力實現礦山開采的無軌化，降低對自然環境的改造與破環，促進采礦的高效化與自動化、半自動化。促進采礦作業的機械化，研發設備，以提升設備安全性。未來加強對復雜地形、地質等采掘難度較大的礦區的開采研究，如深礦區開采、易碎礦體開采、老礦區的開采與二次開采，以及對周邊環境的改善與對自然災害的預防。

3 結語

地下礦山的開采對于自然環境的影響重大，尤其將影響到地表形態，造成地表沉降，地面塌陷等現象的發生，危及城市形態以及地下作業人員、地上行人居民的生命財產安全。在地下礦山的開采過程中，應用適當的充填開采技術及空場開采技術來有效抑制地表沉降現象的發生。在今后的開采技術發展過程中，可以以提升產能、環境保護為首要目標，從而降低礦山開采對環境的影響程度，促進礦山開采以及環境保護的雙贏。

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TD67

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1671-0711（2017）12（上）-0180-02