非爆破開(kāi)采工藝在某大型鋁土礦中的應(yīng)用研究

〔摘 要〕針對(duì)某大型鋁土礦采用傳統(tǒng)穿孔、爆破開(kāi)采工藝存在的礦石損失貧化不易控制、開(kāi)采工作量大、效率低等問(wèn)題，提出了一種使用露天采礦機(jī)的非爆破開(kāi)采工藝方案，并通過(guò)將非爆破開(kāi)采工藝方案與傳統(tǒng)爆破開(kāi)采工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。應(yīng)用與實(shí)踐效果證明，露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝具有環(huán)保、高效、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高的特點(diǎn)，其在經(jīng)濟(jì)收益、環(huán)境效益和社會(huì)效益上均更有優(yōu)勢(shì)。

〔關(guān)鍵詞〕非爆破開(kāi)采；露天采礦機(jī)；鋁土礦；開(kāi)采工藝

中圖分類(lèi)號(hào)： TD422 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）05-0017-04

Practical Research on the Application of Non-blasting Mining Technology in a Large Bauxite Mine

QI Yan1， HUANG Chongjie1， KUANG Yong1， YONG Xueyan1， GAO Jiahao1， HUANG Min2

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. Dayushi Leitungsten Mine of Chongyi Zhangyuan Tungsten Co.， Ltd.， Ganzhou， Jiangxi 341516，China）

Abstract" A non-blasting mining technology using surface mining machines is proposed to address the problems of difficult control of ore loss and dilution， large mining workload， and low efficiency existing in the traditional drilling amp; blasting mining technology of a large bauxite mine. The application and practical effects have proven that surface mining machine mining technology has the characteristics of environmental protection， high efficiency， precision， strong adaptability， and high safety. In addition， it is more advantageous in terms of economic benefits， environmental benefits， and social benefits.

Keywords" "non-blasting mining；surface mining machine；bauxite ore；mining technology

我國(guó)金屬和非金屬露天礦的開(kāi)采通常采用傳統(tǒng)的“四大步”工藝，即鉆孔、爆破、鏟裝和運(yùn)輸。該工藝發(fā)展多年，技術(shù)和設(shè)備也很成熟，但生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵、有毒有害氣體和噪聲污染，對(duì)礦山周邊環(huán)境造成較大破壞。同時(shí)，傳統(tǒng)開(kāi)采工藝也存在工作效率低、設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本高以及礦石損失貧化不易控制等問(wèn)題。這些問(wèn)題一定程度上造成了礦石的浪費(fèi)，影響了采出礦石的品質(zhì)。

從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度來(lái)看，傳統(tǒng)“四大步”工藝無(wú)法代表未來(lái)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也與綠色發(fā)展的新發(fā)展理念不符。為改善這些問(wèn)題，尋找更先進(jìn)和環(huán)保的開(kāi)采新工藝，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了諸多研究[1-5]。田書(shū)軍[6]針對(duì)某些礦山存在密集村落、高等級(jí)公路、輸變電線路以及不可移動(dòng)文物等需要保護(hù)的設(shè)施，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)爆破手段開(kāi)采的問(wèn)題，提出了通過(guò)多種機(jī)械設(shè)備結(jié)合對(duì)礦山進(jìn)行非爆破開(kāi)采的技術(shù)；王文建[7]等為解決南非金礦利潤(rùn)下降、爆破開(kāi)采工藝工序繁雜等問(wèn)題，提出了沖擊破碎法、拉槽法、鉆孔破碎法等一系列非爆破開(kāi)采技術(shù)，并指出在一定程度上可降低礦石貧化率；Marc Bascompta[8]等針對(duì)礦山開(kāi)采過(guò)程中不同開(kāi)采技術(shù)所產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題，將傳統(tǒng)穿孔爆破技術(shù)與機(jī)械開(kāi)采技術(shù)二者進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明爆破開(kāi)采技術(shù)所產(chǎn)生的PM2.5、PM10和TSP的排放量要比機(jī)械開(kāi)采的高出2～3倍。這些研究都表明采用非爆破技術(shù)，將現(xiàn)代化的礦石切割技術(shù)和成套裝備引進(jìn)礦山開(kāi)采領(lǐng)域，既能實(shí)現(xiàn)更精確的開(kāi)采，減少礦石的浪費(fèi)，又能運(yùn)用先進(jìn)自動(dòng)化、信息化技術(shù)提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，是未來(lái)礦山行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文擬以某大型鋁土礦為開(kāi)采背景，介紹采礦機(jī)的開(kāi)采工藝原理，并將新式采礦機(jī)開(kāi)采工藝與傳統(tǒng)露天采礦工藝進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，以驗(yàn)證該鋁土礦采用新式露天采礦機(jī)開(kāi)采方案的優(yōu)越性。

1" "礦山概況

某大型鋁土礦為紅土型三水鋁土礦，總計(jì)資源量約為9.8億t（探明+控制+推斷），Al2O3品位高，SiO2含量低，屬優(yōu)質(zhì)鋁土礦。礦體分布如圖1所示。

該大型鋁土礦礦石分為塊狀鋁土礦和土狀鋁土礦兩類(lèi)，分別賦存于鐵帽層和紅土層中。鐵帽層位于地表，紅土層位于鐵帽層之下，二者的總厚度一般不大于20 m。紅土層逐漸過(guò)渡到底板，不含軟弱夾層及其他不利的工程地質(zhì)因素，且礦體一般賦存于坡度小于15°的地段，大部分在3°～6°，少部分地區(qū)大于10°，地勢(shì)起伏不大，整體穩(wěn)固性較好。礦體基本上出露于地表，局部上覆有薄層鐵帽層和腐殖土，構(gòu)成頂板。礦層底板為黏土和鐵質(zhì)黏土，干燥狀態(tài)下具有一定的抗壓強(qiáng)度且完整性較好，但遇水易軟化，總體上穩(wěn)定性較好。綜上來(lái)看，礦區(qū)的地形地貌條件簡(jiǎn)單，地層巖性單一，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，礦體及其底板穩(wěn)定。鋁土礦一般呈層狀賦存于地表，貼近地形走勢(shì)（見(jiàn)圖2），埋藏淺且部分礦體出露地表，礦石開(kāi)采的整體剝采較低。

綜合考慮該紅土型鋁土礦的開(kāi)采技術(shù)條件，擬采用規(guī)模化、高效率、作業(yè)安全的露天開(kāi)采方式。但從礦體賦存條件看，傳統(tǒng)的穿孔、爆破工藝應(yīng)用于紅土型鋁土礦開(kāi)采存在較大問(wèn)題。這是由于礦層上部鐵帽層較硬，下部紅土層較軟，導(dǎo)致控制爆破塊度困難，且礦石損失和貧化難以掌控，特別是上部鐵帽區(qū)只能大塊開(kāi)裂，需要二次破碎。另外，采用傳統(tǒng)的松土機(jī)和推土機(jī)在犁開(kāi)堅(jiān)硬的鐵帽層時(shí)效果不佳，能源消耗過(guò)大，不能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力[3]。因此，針對(duì)該鋁土礦的特點(diǎn)，要克服傳統(tǒng)工藝的缺陷，提高采礦效率，減少資源浪費(fèi)，需要尋找新的開(kāi)采工藝和方法。

2" "露天采礦機(jī)開(kāi)采方案

2.1" 開(kāi)采工藝原理

露天采礦機(jī)（見(jiàn)圖3）是一種專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于無(wú)爆破采礦的機(jī)械設(shè)備，它以高效、精確和環(huán)保的方式進(jìn)行礦石開(kāi)采。

露天采礦機(jī)的工作原理是基于先進(jìn)的切割技術(shù)和機(jī)械控制系統(tǒng)，如圖4所示。操作員通過(guò)操作操縱桿和控制面板，控制切割裝置的運(yùn)行和礦石的采集過(guò)程。機(jī)器根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)和控制指令，進(jìn)行精確切割和高效采集，將礦石送入采集裝置，并通過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)將其輸送到需要的地方進(jìn)行后續(xù)處理。當(dāng)采礦機(jī)前行時(shí)，切削轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，從而分層切削巖層。切削轉(zhuǎn)子的巧妙布置，使開(kāi)采的礦體向轉(zhuǎn)子中部運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)需要通過(guò)收料皮帶和卸料皮帶裝載到運(yùn)輸車(chē)輛上。

2.2" 方案比選

該鋁土礦具有厚度薄、賦存范圍廣、產(chǎn)狀較平緩和力學(xué)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，使用新式露天采礦機(jī)直接開(kāi)采更為適宜。為驗(yàn)證露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝的可行性，對(duì)傳統(tǒng)露天采礦工藝和新式露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效果對(duì)比分析。

1）方案 Ⅰ：露天采礦機(jī)方案。本方案采用露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝，利用采礦機(jī)直接切削礦體達(dá)到破碎礦石的目的，然后用前裝機(jī)裝載至礦用自卸汽車(chē)，運(yùn)往堆場(chǎng)。擬采用采礦機(jī)匹配斗容為7.7 m3的前裝機(jī)裝載礦石至載質(zhì)量為60 t的自卸汽車(chē)。

2）方案 Ⅱ：穿爆+液壓挖掘機(jī)方案。本方案采用常規(guī)露天采礦工藝，即“穿孔—爆破—鏟裝—運(yùn)輸”工藝。先采用鉆機(jī)穿鑿爆破孔，填充炸藥進(jìn)行爆破，然后采用挖掘機(jī)鏟裝破碎后的礦石至礦用自卸汽車(chē)，運(yùn)往原礦堆場(chǎng)。擬采用的采礦設(shè)備為孔徑ψ150 mm的鉆機(jī)、斗容為6.7 m3的液壓反鏟、載質(zhì)量為60 t的自卸汽車(chē)、載質(zhì)量為15 t的裝藥車(chē)。

根據(jù)兩種采礦工藝方案，結(jié)合礦石破碎篩分工藝進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。按照破碎篩分的效果和目標(biāo)產(chǎn)品要求對(duì)采礦設(shè)備進(jìn)行選型與數(shù)量計(jì)算。兩種采礦工藝方案經(jīng)濟(jì)效果比較見(jiàn)表1。

注：“可比指標(biāo)”系指兩方案中各投資分項(xiàng)的不相同部分，如采礦機(jī)、鉆機(jī)、液壓鏟、裝藥車(chē)等，相同部分為不可比項(xiàng)目。

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較可以看出，新式露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝由于不需要頻繁爆破，降低了爆破材料和設(shè)備的使用成本；其高效生產(chǎn)的模式和可自動(dòng)化控制的特點(diǎn)，也減少了人力投入和勞動(dòng)力成本；另外，其開(kāi)采方式對(duì)環(huán)境影響較小，還可以減少環(huán)保治理投入和費(fèi)用。因此，新式露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝相對(duì)于傳統(tǒng)露天采礦工藝具有較顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于埋藏較淺、緩傾斜層狀礦體且賦存較為穩(wěn)定、礦石力學(xué)強(qiáng)度不高的礦床，露天采礦機(jī)更具有普遍使用和推廣價(jià)值。

2.3" 應(yīng)用與實(shí)踐效果

露天采礦機(jī)采用機(jī)械切削的方法對(duì)鋁土礦進(jìn)行切削，切削后的礦石塊度小于150 mm。切削的寬度由采礦機(jī)的規(guī)格決定，切削的深度可調(diào)，一般在30～50 cm。露天采礦機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見(jiàn)圖5。

大型鋁土礦的開(kāi)采工藝為采用露天采礦機(jī)進(jìn)行分層開(kāi)采，將采場(chǎng)劃分成長(zhǎng)方形的采區(qū)，每個(gè)采區(qū)的寬度是切削寬度的整數(shù)倍，深度為切削深度，長(zhǎng)度一般大于200 m。這樣每個(gè)采區(qū)可以劃分成若干個(gè)條帶，在采區(qū)內(nèi)分條帶開(kāi)采，露天采礦機(jī)開(kāi)采后的物料留在原地或側(cè)甩集中堆至一側(cè)。對(duì)于范圍大的采場(chǎng)（寬gt;200 m），采礦機(jī)可以采用跟進(jìn)環(huán)繞式采礦作業(yè)。對(duì)于寬度較小的采場(chǎng)，采礦機(jī)開(kāi)采完一個(gè)條帶后，掉頭開(kāi)采下一個(gè)條帶。每層開(kāi)采并鏟裝完成后再開(kāi)采下一層，采剝工藝如圖6所示。

相比傳統(tǒng)的穿孔爆破工藝，選用露天采礦機(jī)在技術(shù)上具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）環(huán)保性。相比傳統(tǒng)的爆破采礦方法，露天采礦機(jī)不需要爆破，減少了爆破帶來(lái)的環(huán)境污染和噪聲污染。同時(shí)，一些現(xiàn)代化的露天采礦機(jī)還配備了噪聲和粉塵控制裝置，進(jìn)一步減少了作業(yè)過(guò)程中的噪聲和粉塵。

2）高效性。露天采礦機(jī)采用先進(jìn)的切割技術(shù)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠高效地切割和采集礦石；相比傳統(tǒng)人工采礦方式，也可大幅提高采礦效率和產(chǎn)量，降低勞動(dòng)力成本，在超大規(guī)模生產(chǎn)的礦山極具優(yōu)勢(shì)。

3）精確性。露天采礦機(jī)具備精確的切割功能，能夠根據(jù)需要進(jìn)行精確切割和采集操作，這使采礦過(guò)程更加精細(xì)化，能夠有效地控制礦石質(zhì)量和規(guī)格。

4）適應(yīng)性。露天采礦機(jī)具有出色的機(jī)動(dòng)性，自身配備動(dòng)力系統(tǒng)，便于移動(dòng)和迅速投入生產(chǎn)。它能夠在坡度小于15°的緩傾斜礦體地區(qū)進(jìn)行采礦，適應(yīng)各種地形條件和復(fù)雜的采礦環(huán)境，能夠在礦山中靈活移動(dòng)和操作，適應(yīng)采礦場(chǎng)地的變化。此外，它的卸料方式非常靈活，既可以選擇原地卸料，也可以配備卸料皮帶等設(shè)備進(jìn)行靈活卸料，與汽車(chē)、帶式輸送機(jī)等后續(xù)設(shè)備配套使用。

5）安全性。露天采礦機(jī)操作相對(duì)安全，采用露天采礦機(jī)減少了使用爆炸物的風(fēng)險(xiǎn)。此外，機(jī)器的自動(dòng)化和智能化控制系統(tǒng)可以避免人員在危險(xiǎn)環(huán)境下直接參與作業(yè)，降低了作業(yè)過(guò)程中的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，露天采礦機(jī)在非爆破采礦中具有高效、精確、環(huán)保和安全等多個(gè)優(yōu)勢(shì)，其利用現(xiàn)代化技術(shù)手段，通過(guò)自動(dòng)化和機(jī)械化方式直接開(kāi)采礦石，提高了采礦效率和質(zhì)量，保障了環(huán)境和人員安全，實(shí)現(xiàn)了非爆破采礦的目標(biāo)。雖然該工藝前期的投入較大（設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用較高），但從后期可節(jié)約的經(jīng)營(yíng)費(fèi)用和提高的開(kāi)采效率上來(lái)看，采礦機(jī)帶來(lái)的綜合效益更佳。因此，不僅在鋁土礦，對(duì)于其它同類(lèi)型礦山，非爆破露天采礦機(jī)的應(yīng)用也將是一種創(chuàng)新和發(fā)展方向。

4" "結(jié)論

通過(guò)露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝在某大型鋁土礦的應(yīng)用案例分析，可以得到以下結(jié)論：露天采礦機(jī)能夠直接對(duì)礦石進(jìn)行開(kāi)采，無(wú)需傳統(tǒng)的爆破過(guò)程，減少了對(duì)環(huán)境的破壞，降低了傳統(tǒng)采礦工藝的噪聲污染和粉塵污染，符合綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。該工藝既能大幅度提高采礦效率，又可精確控制開(kāi)采范圍和深度，減少資源浪費(fèi)。與傳統(tǒng)爆破開(kāi)采相比，更高效、更精確、更環(huán)保、更安全，在經(jīng)濟(jì)收益、環(huán)境效益和社會(huì)效益等方面優(yōu)勢(shì)明顯。非爆破露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝的應(yīng)用在采礦行業(yè)是一項(xiàng)新突破，該工藝改變了傳統(tǒng)采礦方式，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣意義。

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