石膏礦山液壓破碎與鉆爆協同開采試驗研究

田鵬

(湖南宏業石膏礦業有限公司,湖南 常德市 415300)

0 引言

我國的天然石膏資源豐富,已探明的石膏保有儲量約570億t,居世界首位,但優質石膏匱乏。石膏資源大部分用于水泥制造業,作為新型建材的應用不足。

石膏礦以沉積型礦床為主,常形成巨大的礦層或透鏡體。緩傾斜中厚礦體的開采因無法控制損失率、貧化率,一直是個世界級難題,主要采用房柱法、底盤漏斗法、機械化上向水平分層充填法以及預切頂全面法開采緩傾斜中厚礦體[1]。目前,石膏礦地下開采以房柱法最為普遍和成熟,主要采用基于化學炸藥的鉆爆法進行回采,存在爆破噪聲、振動、沖擊波、飛石等有害效應,并容易導致圍巖損傷[2],存在安全隱患大、生產成本高等一系列問題。

我國煤炭行業已經實現了綜合機械化采煤,并向著智能化的方向不斷發展,本文借鑒煤炭行業的發展經驗,圍繞石膏礦山緩傾斜中厚礦體非爆破開采技術進行探討,并在某石膏礦山開展了試驗與研究,取得了良好的效果。

1 非爆破開采技術比選

1.1 主要非爆破開采技術

目前,主要的非爆破開采技術包括靜態破碎劑、二氧化碳爆破、巖石劈裂機、液壓破碎錘、連續采礦機、高壓水射流沖擊破巖、微波破巖、熱沖擊破巖、激光破巖、等離子體液電沖擊破巖等技術[3-4]。各種技術的主要優缺點見表1。

表1 主要非爆破開采技術優缺點對比表

1.2 適合石膏礦的非爆破開采技術

非爆破開采技術和鉆爆法相比,普遍具有安全、環保的優勢,避免了雷管炸藥危險性高、爆破有害效應多、衍生破壞大等危害,對頂板破壞較輕,在一定程度上改善了傳統鉆爆法的作業條件和作用效果,但也普遍存在成本高、效率低的問題。

作為地下礦山,采場臨空面少,對巖石的鉗制作用比較明顯。因此,靜態破碎劑、二氧化碳爆破、巖石劈裂機等對臨空面要求較高的開采技術,在露天礦山應用的效果較好,但在地下礦山的應用效果較差。而且這些開采技術更適合硬質脆性巖石。石膏的普氏硬度系數為2,屬于典型軟巖。常德市部分地下石膏礦山也曾引進上述開采技術進行了試驗,試驗效果不佳,開采效率很低。

石膏具有遇水軟化的顯著特征,《石膏礦地下開采安全技術規范》(AQ 2015—2008)明確提出:采場不宜采用濕式作業,不允許進行灑水或清洗采場礦壁;石膏礦山不宜采用水力鑿巖;溜井中的石膏礦石,每次下班前應放空,以免礦石凝結封堵溜井。因此,高壓水射流沖擊破巖等以水為介質,連續采礦機等粉塵較多,需要灑水降塵的采礦方法,均不適合石膏礦山。

以采煤機為核心的煤礦綜采技術已成為煤礦的主流開采技術,并使煤礦的開采由機械化逐步走向自動化、智能化[5],部分高價值金屬非金屬礦山也在引進,并取得了良好的效果[6-8]。經過考察,適合石膏開采的連續采礦機,每臺售價高達數百萬元,而且需要使用上千伏的高壓電。經測算,單純回采成本就與常德市地區普通天然石膏原礦坑口價持平,從經濟的角度上來講,該技術不具有在石膏礦山應用的可行性。

綜上所綜,液壓破碎錘兼顧了安全、環保、效率和投資回報率,可在現有挖掘機上直接進行改裝,其綜合性價比高,但也面臨著臨空面不足的問題。因此,計劃采用先爆破掏槽,增加巖石的自由臨空面,為后續液壓作業創造有利的力學結構條件,然后用液壓破碎錘落礦的采場機械化聯合鉆爆法開采思路,并在某石膏礦開展了生產試驗。

2 某石膏礦山概況

2.1 開采技術條件

某石膏礦礦區處于歇駕山向斜北翼,巖層呈單斜產出,礦山主采礦層賦存于下第三系古新統沙市組上段,屬內陸湖相沉積型礦床。呈層狀、似層狀產出,礦層連續、形態規則,未見斷層,礦層產狀嚴格受區段地質構造控制,即與頂底板圍巖產狀基本一致。整個礦層向南東傾斜,傾角平緩,平均傾角為12°左右,厚24.45～41.06 m。礦層的礦物成分較簡單,主要為石膏、硬石膏,一般含有纖維石膏,其纖膏含量為0.9%～5.5%。

2.2 采礦方法

該礦山的采礦方法為淺孔房柱法,沿走向劃分礦塊,礦塊又劃分為礦房和礦柱。礦房寬度為10 m,礦房高度為10 m,房間礦柱采用方形礦柱,頂底板均為含石膏的粉砂質泥巖,考慮到石膏層屬較堅固巖石,抗壓強度可達38 MPa,穩固性好,開采時留設3m 作為護頂層。

淺孔房柱法在該礦山應用效果較好,建礦以來未發生地面塌陷、裂縫或地面沉降現象,礦山地面呈穩定狀態。

3 試驗過程及結果

3.1 設備選型

目前,艾迪精密、浙江貝力特等液壓破碎錘品牌在市場上處于優勢地位,經過售后服務等多方面考慮,某石膏礦對現有的SY335H 型挖掘機進行改造,安裝了貝利特公司155直角靜音型液壓破碎錘,并進行了機械化采礦試驗,初步驗證緩傾斜中厚礦體采場機械化聯合鉆爆法開采的可行性,貝利特公司155型液壓破碎錘的性能指標見表2。

表2 155型液壓破碎錘的性能指標

3.2 現場試驗

2022年9 月,在采場進行了為期一個月的試驗,分別采用了鉆爆法、液壓破碎錘法、機械化聯合鉆爆法3種方式,并詳細記錄了作業時間、采礦量、耗材情況、破巖效果等各項指標。

機械化聯合鉆爆法的具體作業流程如下。

(1)爆破掏槽。采用液壓破碎錘對頂幫浮石進行“敲幫問頂”,消除安全隱患。在工作面中下部采用煤電鉆打水平掏槽孔,布孔方式為桶形,孔深3 m,然后裝藥、爆破,形成掏槽洞。

(2)通風。新鮮風流由運輸巷進入工作面,沖洗工作面的污風由回風上山至回風巷,最后由風井排出地表。局部通風不良地段采用局扇輔助通風。

(3)液壓破碎錘破巖落礦。將液壓破碎錘釬桿與掏槽洞附近的石膏表面垂直,并保持一定壓力后再開動破碎錘,沿著掏槽洞不斷將周邊的石膏破碎,直到工作面高度的石膏礦體全部破碎崩落,注意頂板盡量成拱形。最后對于崩落的大塊石膏,采用破碎錘進行二次破碎。

(4)出礦。采用無軌運輸,用L936型地下鏟運機進行裝載,由礦用地下自卸汽車運輸至主井,經箕斗提升至地面。

由于采場只有一個自由面,巖石的鉗制作用比較明顯,液壓破碎錘直接進行機械作業,存在效率低、進度慢等問題。經過現場試驗,先采用鉆爆法進行掏槽,創造較多的自由面,比直接作業生產效率更高,速度更快。

3.3 技術經濟指標

試驗結束后,經過統計分析,鉆爆法、液壓破碎錘法、機械化聯合鉆爆法3種開采方式的技術經濟指標見表3。

表3 3種開采方式的技術經濟指標

由表3可知,在開采工效方面,單純液壓破碎錘法低于鉆爆法,這和此前了解的情況一致,采用機械化聯合鉆爆法后,工效顯著提高,幾乎和鉆爆法持平。

在直接成本方面,使用破碎錘的成本略低于鉆爆法,主要是隨著數碼電子雷管的推廣,雷管成本翻了5倍,同時,鉆爆法需要的作業人員和管理人員相對更多。

4 結論

(1)經過現場試驗和統計分析,機械化聯合鉆爆法的采礦直接成本低于傳統的鉆爆采礦法,生產效率基本持平。與此同時,管理成本和安全成本顯著下降,各類爆破有害效應得到明顯減弱,作業人數和勞動強度大幅降低。

(2)本次試驗周期較短,主要是對采場機械化聯合鉆爆法應用的可行性進行試驗和量化統計,未形成系統的開采模式,統計的有關數據可能存在一定誤差,和長期采礦成本可能有一定的差異。

(3)非爆破機械化開采具有圍巖擾動小、剝落礦石塊度小、粉塵少、作業人員少等優點,有效提高了礦山生產過程的安全性。但也存在著生產效率偏低的問題,本次試驗通過少量民爆物品的使用,不僅大幅度提高了生產效率,而且由于民爆物品一次性用量的劇減,各類爆破有害效應得到了明顯減弱,安全性大大提高,證明了采場機械化聯合鉆爆法開采石膏礦的技術適用性和經濟可行性。

(4)石膏等礦山由于產品價格不高,應用采礦機進行機采的經濟投資回報率不足。本試驗提供了一條新的解決方案,采用機械化聯合鉆爆法的方式,兼顧不增加成本和不降低產量,一次性投入小,見效快,提高了采礦的安全性,為其他同類礦山的高效開采與安全綠色生產提供了參考。