武山銅礦三期采礦裝備建設探討

陳智宏，劉殿華

（江西銅業集團有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦是一座地下開采礦山，日處理能力達5000t以上，是江西銅業集團公司最大的井下開采礦山，在全國井下礦山中亦屬大型銅硫礦山。為擴大生產規模，2003年開始實施“二期技改”工程［1］，2009年7月達產達標，日均采選綜合能力由3000t提升至5000t。2018年開始“三期技改”，設計采選綜合能力預提升至10000t/d。

武山銅礦采掘規模在國內同類型礦山中排名靠前，但因建礦時間久遠，同時二期技改過程中并沒有涉及過多的生產工藝改造，特別是井下開采工藝及施工過程中的鑿巖、爆破等工藝，因為經驗的積累，安全性有保障，依然沿用老法，但生產效率難有本質的提升。隨著近年來科學技術發展，特別是基礎建設工程領域的大型設備、先進工法、自動化技術廣泛應用到礦山領域，使國內新建礦山機械化、自動化及智能化水平逐日遞增［2］，相比較而言，武山銅礦現有采選技術已顯得不入流，生產效率亦受制約。為此，以“三期技改”為契機，武銅從預可研開始，投入了大量的人力、物力用于“三期”先進采選技術的研究及輔助決策，有針對性的提出了一系列先進思想，如膏體充填工藝、井下中段出礦無人駕駛技術、選礦工藝流程實現自動化等。但受武山銅礦水文地質條件復雜、礦巖及圍巖穩定性較差等因素影響，井下先進的采掘施工工藝及大型機械化設備設施應用還是非常困難、問題也很復雜，實現機械化、自動化的難度很大，給“三期技改”完成由5000t/d向10000t/d生產能力擴產增添了阻力。同時配套采掘施工的提升、運輸、供風、供水、供電、通風、通信等系統，自動化程度低，也在很大程度上制約了綜合生產效率的提升。

因此，針對“三期技改”采礦能力提升，是必要在采礦工藝改進及機械化、自動化水平提升方面尋求一套高效、適合該礦山今后發展的思路，以期順利實現10000t/d生產能力的目標。

2 現狀

武山銅礦自二期技改后，特別是近幾年受招工困難、安全環保壓力大等因素的影響，對生產流程中部份區域進行了自動化及機械化改造，但總體上自動化、機械化程度很低。改造主要有。

（1）采礦車間于2018年對南區、北區空壓站集中控制改造（中國瑞林），實現了南區、北區空壓機集中控制、空壓機冷卻水自動控制、機房遠程視頻監控中控室遠程控制系統，以及云端APP空壓機監控系統，初步減少了4名作業人員。

同年，也對北壓壓縮空氣系統余熱回收利用進行了改造，實現了空壓機運行余熱回收用于員工洗浴用的熱水，擯棄了柴油機鍋爐的運行、維護，減少了柴油熱水機組的操作運行及維護人員，規避了特種設備設施運行的安全風險。

另外，2009年投入使用的北帶膠結充填站地表站房內大部份儀器儀表均實現了自動化，確保了充填料漿配合比、濃度、流速等數據的穩定，同時也確保了充填安全。

（2）掘進車間于2017年對兩個副井信號聯鎖進行了改造，實現了在罐籠發送提升信號并聯鎖罐籠安全門的開關，大大提高了提升效率及提升安全性。另外，在2018年對北-460m水泵房的排水泵開展了自動化改造，減少了井下作業人員，同時排水用電單耗有所下降。

（3）選礦車間截止目前，在推進自動化控制方面，已完成了-410m中段鐵板給礦機、銅精一尾泵遠程監控、污水處理調酸與石灰添加的自動控制等遠程自動化改造，1500t水池遠程控制等項目正有序展開。在推進技術改造方面，累計完成自磨機中心卸料槽及格子板襯板的改型、除鐵器改造等17個創新項目。

（4）綜合車間近幾年來對4#、2#泵站進行了自動化改造，實現了泵站遠程控制。

3 發展展望

隨著用工緊張及井下作業人員年齡偏大，勞動強度高的工作危險系數在逐年攀升，對礦山企業的發展極為不利。著眼武山銅未來的發展，井下零用人在現階段及“三期技改”完成后都是難以實現的，但逐步減少用人，對一些重復性而有規律性的工作，充分運用科技革新帶來的機械化、自動化是可行的，也是勢在必行的。在今后工作中，特別是三期建設過程中，加強對國內外機械化、自動化、智能化成果的學習、了解和應用，有利于武山銅礦在部分工藝上快速的形成機械化、自動化，并緩解用工及安全管理壓力。結合對國內部分礦山的考察，對比武山銅礦相關工藝的現狀，該礦后期建設過程中“機械化、自動化”的發展應從以下幾個方面著手。

3.1 井下采掘方面

一直以來，我國的地下采礦工藝技術與國際先進水平相比差距較大［3］，主要是鑿巖、裝藥到裝運全部流程仍難以解決效率低下、安全性差等難題。與國外先進技術相比，我國的無人采礦技術研究尚處于起步階段，而采礦自動化設備及礦山生產管理控制系統的研制和開發也遠沒有形成規模。但近年來，隨著我國綜合國力的增強，經濟、技術同步高速發展，國內部分礦山在采掘施工方面也實現了“分區域無人施工”，如梅山鐵礦、凡口鉛鋅礦等企業已經采用遙控鑿巖臺車［4］。云南普朗銅礦在自然崩落法施工過程中采用自動定位SB-1354液壓鑿巖臺車鉆鑿中深孔及采用淺孔臺車鉆大孔擴槽。在裝藥方面，國內大型礦山基本都實現了裝藥車自動裝藥。河北杏山鐵礦與北京北礦億博科技有限責任公司合作，研制了乳化炸藥井下混裝車。為徹底消除井下二次爆破破壞巷道頂板穩固性，及周邊人員安全等安全風險，國內部分礦山引進了加拿大BTI公司生產的BX30型移動式液壓碎石臺車，用于處理采區大塊。而這些機械化、自動化技術的應用均得益于先進采礦方法的引入與推廣，如前述梅山鐵礦、杏山鐵礦等，都采用生產效率高的高分段崩落法采礦嗣后充填工藝。

結合武山銅礦現狀，要實現產量規模的突破及井下用工的壓縮，是必要引入適合于礦山且效率更高的采礦方法。對比國內大型井下礦山應用情況，采取人工鋼筋混凝土底柱VCR采礦法嗣后充填工藝，對武山“三期”達產更有利，同時該種采礦方法能解決現有采礦盤區過多、管理難度大、單產能力不足、用工多、成本高、充填作業連續性差、充填作業占用采礦作業時間長、機械化及自動化實現困難等難題。在運用該采礦方法后，也便于如鑿巖臺車或遙控鑿巖臺車、乳化炸藥井下混裝車、撬毛車、液壓碎石臺車、混凝土噴射臺車、液壓支護、錨桿臺車、井下混凝土輸送泵及混凝土運輸車、快速拼裝支護鋼模等大型設備設施的投入應用。同時，采礦盤區減少后，難大范圍的形成集中出礦，便于中段出礦自動化的形成。

3.2 井下采場運輸及中段出礦方面

井下運輸及自動化出礦在國內很多礦山已成為現實，如前面所介紹的河北杏山鐵礦、安徽張莊礦業及云南普朗銅礦，通過采取與計控室聯合開發，設計和實施電機車遠程遙控駕駛系統，將機械、電氣、通訊、自動化控制、計算機等技術有機合成，形成主控室操作、遠程遙控放礦、放礦視頻監視、電機車遠程操控、遠程操控自我保護等管理系統［5］，以及機車、運行、裝礦、卸礦等多個軟件管理單元，實現網絡化、數字化、可視化的生產運行模式［6］，電機車運行由井下駕駛變為地表遠程操控，改善了崗位工作環境的同時也降低安全風險，實現了有軌運輸自動化或地表遠程控制出礦。所以說，在有軌運輸方面，武山銅礦只需充分借鑒國內一些先進礦山的經驗，并結合自身的現狀，在三期建設過程中提前謀劃、提前布局，實現井下有機運輸遠程控制應該不成問題。而無軌運輸方面，在解決井下導航差、設備定位準確性低的問題后，采取上述高效采礦方法后，形成集中出礦，使井下定位、控制等信號點減少并集合，實現自動控制或遠程控制并沒有太大的難度。

3.3 井下通信方面

井下通信作為礦山日常生產、應急處理時聯系勾通及遠程（自動）控制實現的基礎性工程，在礦山建設及開發中有其不可或缺的地位，而無線通信又以其極高的便捷性及可靠性，已成為井下通信及實現自動化、智能化的最佳之選。

但井下采礦作業環境高度復雜，信號通透性差且可見度低，這極大限制了無線通信的應用。伴隨著充填系統的完善、井下六大系統的建設，武山銅礦近年來對井下采掘運輸作業面引進了多形式的通信技術，如有線電話、基于泄漏電纜無線通信、及中國移動井下基站等。而其中以有線電話通信最為可靠，泄漏通信及中國移動井下基站受井下潮濕、偏酸性的環境及布線不規范（或人為破壞）等因素的影響，可靠性在逐年下降，其中中國移動井下基站已95%不可用。

由此可見，武山銅礦通信系統甚是薄弱。為適應后期機械化、自動化升級的要求，當前必須要加強對這一問題的認識，并從現在開始，通過與相關院校或企業合作的方式，提升我礦通信的實力。近年來國內、外一直都致力于探索、研發適合井下應用的無線通信體系。正在研究和已應用的井下通信系統所采用的技術手段有：①電力線載波通信；②感應通信；③漏泄通信；④甚低頻穿透地層通信［7］。前三種現已比較成熟，國內多數礦均為前三種通信方式，只是在未端加以其它技術支持，如wifi等，武山銅礦亦可在現有通信基礎上，完善移動通信井下基站，并有意識的多引進幾家移動通信網絡，做到一用多備，并使井下固定作業場所全覆蓋，以利于現有井下施工的通信便捷，也為后期自動化控制系統建設提供基礎。

3.4 斜坡道運行及主井提升方面

由于斜坡道運輸巷內一般為單車道雙向通行，不僅影響車輛的運行效率，也存在著較大的安全隱患。隨著國家對井下人員安全的日益重視和監管力度的不斷加強，大中型采礦企業井下斜坡道運輸安全生產監控系統開始研制和裝備。隨著武山銅礦采深的不斷增加，為確保材料運送量滿足生產，各采掘施工單位在逐年增加材料運送車輛，斜坡道運輸十分繁忙，安全威脅不斷攀升。結合國內大型井下礦山斜坡道建設及管理經驗，建立適合武山的斜坡道管理系統是也必要的。如河北馬城鐵礦、杏山鐵礦等，通過與計控室聯合開發、建立主斜坡道信號自動控制系統，采用帕累托最優控制原理，上、下行車輛車輪碾壓壓感線圈后，信號燈自動變換，控制車輛運行，保證了出入井車輛有序會車，實現車輛安全運行，也提高了車輛運行效率。

主井提升是制約礦山生產規模的重要工序，國內部分礦山主井提升已向自動化甚至智能化發展。武山銅礦也可以在“三期”建設過程中，通過設立計控室，與計控室控制系統聯合開發，將主、副井提升控制引入計控室集中控制，并配以視頻監控設施，實現井下皮帶自動或遠程控制啟停，主井提升自動提放礦的操作，減少井下看護人員及地表操作人員。同時主井實現自動控制（運行）后，裝卸礦間隔時間有效的得以降低，提升效率也有所提升。配合地表礦、廢石皮帶自動啟停，主井能實現從溜井落礦到選礦堆場（礦倉）自動化控制，可以極大的節約了人工并有效的防范了提礦過程中對作業人員的危害。

3.5 選礦處理方面

選礦處理自動化及遠程控制在國內的應用更多了，近年來新建礦山基本都實現了選礦自動控制。但武山銅礦在選礦處理過程中，受投入年代久遠的影響，暫難有條件實現，“三期”建設時選礦自動化當屬必選之舉。因此，為實現提升到出產品全過程自動化或遠程控制，將選礦堆場改為圓桶礦倉還是有其可行性和必要性。第一，圓桶礦倉配合鐵板給礦機、皮帶輸送能夠很好的實現自動化控制；第二，圓桶礦倉以其均勻下礦的特點，對配礦更為有利，有利于穩定選別指標；第三，原礦堆場因其范圍的限制有諸多弊端。范圍太大，需挖掘機輔助攤鋪或集中，增加設備及操作人員，也存在一定的安全不確定性。范圍小，礦堆雖集中，但存量小。因此，考慮自動化及人員投入的成本及安全性，圓桶礦倉較原礦堆場更有優越。

3.6 供風、供水、供電及通風方面

供風、供水、供電及通風等井下輔助作業，因其設備位置固定，實現自動化比井下其它設施要更有利些，因此，國內近幾年新建的礦山也都基本實現了供風、供水、供電及通風自動化運行，部分投入生產年代長的大型礦山也都在積極的開展這方面的自動化改造。所以對武山銅礦來說，只要在初步設計等設計階段充分考慮好這方面自動化實施的問題，實現起來并非難事。

4 需解決的幾個問題

（1）如上述實行井下采掘、運輸的機械化，投入的設備設施將會是大型化及配套性的，則要求采掘施工（開拓、采準及采礦）的斷面也要更大[8]，以便于井下移動設備運行自如、便捷快速，達到充分發揮大型設備的優勢。同時斷面增大，在現階段沒有更好的采礦方法替代的情況下，也有利于武山采掘效率的提升、生產規模的提高。斷面大有其有利的面，但也有其不利的一面，資金投入及巷道、采空區穩定性的問題需要進一步充分的論證、解決。

（2）由于武山銅礦礦體賦存條件的限制，形成了采場多而散的格局。為使出礦效率提升、從本質上提升開采規模，一方面需要對現有采場采礦方法進一步摸探，尋找到安全性較好的適于武山地質條件的高效采礦方法，文中提出的VCR采礦法嗣后充填工藝是比較適用于武山的安全、高效采礦方法。另一方面，還需規劃中段出礦點的設置及投入與產出的比較。為保證有軌遠程（或自動）控制運行順暢，出礦點難以減少，但絕對不宜過多，同時宜設置為單向一環形道，這就要求采場出礦點要在采區內實現由點向線，再向面的集中，需要設置大采場并增加無軌出礦的距離。這就要對采場合并及無軌運輸設備投入、采區工程投入等成本與減少人員的效益及安全性效益進行比較。

5 需注意的幾點問題及對策

（1）設備選型立足國內外一流，對比、選擇機械化程度較高的井下采、運、充設備，為實現地采本質安全提供有力保障。

（2）充分運用自動化、信息化手段，強化地下開采過程控制，完善安全保證體系。

（3）機械化及自動化在生產過程中，只能是完成有規律性的動作，最后設備設施的維護及突發問題的處理還是要人去解決，因此，持續培養必要的人才，特別是專業技術人才，懂技術又能現場操作的通用性人才還是當前技能人才培養的重點。

（4）井下通信總體上還是以有線為主干，必竟有線的可靠及安全性要好很多，以有線建立井下基站后，再在未端加以泄漏及其它無線技術的支撐以提高井下通信的便捷性。針對武山銅礦井下環境，為增強有線通信的可靠性，有必要建立雙回路通位網絡，同時對于線路防腐及防潮的問題，一方面通過更可靠的手段或技術加以解決，如專業的布線、接頭防腐防潮處理等。另一方，對重要節點，應設置專門的硐室，并按通信專業要求設置硐室的設備設施，保證硐室的干燥及無污染。

（5）武山銅礦井下中段出礦受出礦穿脈內泄水井排水、排碴的影響，出礦并非不受日常采礦、充填等活動的制約，主要是充填的問題。要實現中段出礦遠程或自動化控制，需要解決充填排水、排碴的問題。三期若實現膏體充填，排碴或許會有一定的改善，但井下水溝長期不清理或經常性的清理都會對中段出礦產生不利的影響。解決這一問題，可以從以下幾方面著手。

①將充填排水及出礦中段的排水下延50m到下一個副中段（有軌出礦中段高設置為100m，每50m設一個副中段），將清碴及出礦中段分開，以保證出礦中段的清潔、少淋水。

②對有軌出礦中段的水溝進行正規的混凝土澆筑，并安裝蓋板，在水溝邊（蓋板下）安裝環形高壓水沖洗水管，以確保水溝不積泥。同時各采場充填排水及排碴問題要在中段設置固定的清碴巷道或硐室，清碴巷道及硐室與下分段（下10m或12m的分段）貫通，避免清碴對有軌中段出礦影響。

③為加快三期建設、緩解現有生產銜接困難，有必要對-540m中段以下(-560m)的開拓系統提前介入施工，通在現有出礦出碴系統的-540m與-560m施工一條斜井并安裝皮帶輸送設備，解決-560m出碴的問題。