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科技管理
2010-12-15
科技管理

大间距集中化无底柱采矿新工艺研究

1、立项背景(相关科学技术状况及其存在的问题)
  国外无底柱分段崩落法正朝着设备大型化、液压化、结构参数增大的方向发展。我国采用无底柱分段崩落采矿法开采的铁矿石产量占全部地下开采量的85%以上,大多采用低分段小间距(10×10m)的结构参数,采用的钻孔设备主要是老式气动凿岩机配以台车或台架,一般极限深度为13~15m。因此,普遍存在技术落后、效率低、采掘比大、作业点分散、成本高等共性问题,制约着我国地下矿山的发展。
  当前,制约我国无底柱分段崩落法不能采用大结构参数的瓶颈问题是没有价格适中的高效中深孔凿岩设备。近年来,虽有少数几家矿山引进了国外高效中深孔凿岩设备—全液压采矿钻车,但价格昂贵,台套价高达200多万元,大多数矿山买不起,而且结构复杂,维修保养困难。因此,开发一种钻进性能高、价格便宜、结构简单、便于维护的国产高效地下中深孔凿岩设备成为当务之急。
  随着大结构参数无底柱采矿法的采用,在这种大结构参数条件下的低贫化放矿问题也是一个突出问题。这个问题不解决,开采矿石的损失和贫化问题就不能解决,这不仅浪费了矿产资源,也影响着经济效益的提高。
  鲁中冶金矿业集团公司是我国大型黑色地下矿山企业之一, 已探明地质储量2.74亿吨。 该公司的三个主要矿体地质条件复杂,埋藏深、矿体破碎、地应力大、稳固性较差,属地质条件复杂的难采矿床;现采用无底柱分段崩落法采矿,存在结构参数小(10×10m)、钻孔效率低、地压复杂等制约生产效率提高的问题,迫切需要实施 大 结构参数和集中化开采的技术改造。以该矿山作为本项研究的试验点,在矿床赋存条件、采矿方法结构参数、装备水平、生产能力和经营状况等方面对我国目前大多数地下铁矿山更具代表性,研究所取得的成果推广更有现实意义。
  因此,国家科学技术部于2001年向鲁中冶金矿业集团公司下达了《国家“十五”科技攻关课题任务书》“大间距集中化无底柱采矿新工艺研究”,由鲁中冶金矿业集团公司与长沙矿冶研究院、东北大学共同承担科研任务。
   
2、详细科学技术内容(总体思路、技术方案、实施效果)
  
总体思路:凿岩设备首先研制完成适合于大结构参数的地下中深孔气液联动采矿钻车及配套钎具,奠定本攻关课题的设备基础;与此同时,以实验室物理模拟和计算机仿真为手段,确定合理的大结构参数和控制放矿制度,形成配套技术;研究新生产条件下的集中开采模式及相应的生产、安全保障支持系统,形成工作面、工序、设备等有序、高效的集中方式;最终形成适合于大参数、集中化、高强度开采的拥有自主知识产权的成套技术成果,并在试验矿山和其它地下矿山推广应用。
    技术方案:该课题技术方案包括以下几个方面:中深孔地下气液联动凿岩设备;无底柱分段崩落法大结构参数确定方法;大参数下低贫化放矿理论及放矿方式;集中化开采技术;地压控制技术;采矿计算机智能辅助决策系统。
    实施效果:本研究以鲁中冶金矿业集团公司为工程依托单位,鲁中冶金矿业公司、长沙矿冶研究院和东北大学联合攻关,达到的主要技术经济指标:
    *采矿技术经济指标
  将鲁中矿山公司小官庄铁矿现有无底柱采矿方法的构成要素(分段高×进路间距)由10×10m扩大到15×15 m,并达到以下指标:
  (1) 采掘比:由60~70米/万吨降低到27~30米/万吨;
  (2) 采矿强度:由38吨/米2?年提高到52吨/米2?年;
  (3) 全员劳动生产率:达到 2100吨/人?年;
  (4) 放矿贫化率:由29%下降到20%以下;

*中深孔气液联动凿岩设备的试验研究和工业应用业已表明:
  (1)气液联动凿岩设备与气动凿岩设备相比具有高的钻速,随孔深的增加,其优势表现愈显著,平均钻速约为气动凿岩设备的二倍。最大钻深已达27.2m,并尚有钻进能力,而一般气动凿岩设备的有效钻深最高仅为18m,气液联动凿岩设备已具备实施高分段深孔钻进的能力。
  (2)气液联动凿岩设备实际达到的台班效率为60m/台班~82m/台班,最高达91m/台班,其最高台班效率比YGZ90气动凿岩设备的实测台班效率(48m/台班,均采用S76钎头)高出近一倍。上述试验结果,显示了气液联动凿岩设备钻深大、钻速快的突出优势。
  (3)气液联动凿岩设备采用钻架式分体结构,由台架、操纵台和液压动力站三部分组成,总重1.12t,简单轻便,拆卸运输方便,适用于井下、特别是移动频繁、地质和运输条件差的工点采用。目前设备的总造价约15万元/台,仅为国外中深孔液压钻车价格的1/10,达到了考核指标要求控制在引进钻车价格的1/5以内的要求。
目前设备已投入鲁中冶金矿业集团公司高分段大间距集中化无底柱采矿中使用。
    *解决的关键技术
  (1)地下中深孔气液联动凿岩设备;
  (2)大结构参数条件下的低贫化放矿技术。

  
 3、重大科技成果、专利情况
  研制出我国第一台中深孔气液联动凿岩设备及配套钎具,与目前应用的YGZ90气动凿岩设备相比,其钻进能力(钻速、钻深)具有显著的优势,已可满足高分段、大间距无底柱采矿的需要,是我国地下中深孔凿岩技术和设备的一项重大突破;并相应完成了气液联动凿岩设备的钻进理论研究,在理论上有所突破,对指导气液联动凿岩设备的设计和应用有重要意义。
  完成了大结构参数下的低贫化放矿技术研究,在大结构参数条件下控制覆岩下矿岩界面整体平行移动,实现低贫化放矿,该项低贫化放矿技术可在我国地下矿山推广应用。
申请国家发明专利三项,实用新型专利一项:
  ⑴一种可匹配凿岩能量的钎头,申请号:200310103887.9
  ⑵一种柱面承载管式钎杆,申请号:200310103889.8
  ⑶一种凿岩机的钎尾结构,申请号:200310103888.3
  ⑷一种用于地下采矿的中深孔气液联动凿岩设备,申请号:032270674。
  专利号:032270674
   
4、创新点
  (1) 地下中深孔气液联动凿岩设备 本设备为复合型创新,采用压气冲击机构,结构简单、工作可靠;旋转机构采用液压,具有体积小、功率大的特点,可使凿岩机在大扭矩条件下进行旋转-冲击破岩,即除冲击破岩外,还充分利用岩石剪切强度远小于抗压强度这一特点,进行剪切破碎岩石,故其凿速和能量利用率远高于一般凿岩机,使之具有和液压凿岩机相近的钻速优势;同时由于只旋转需要液压动力,相对液压凿岩机而言,简化了液压系统,大大降低了整机造价。
  (2) 根据矿石堆体与放出体最大吻合条件,提出了确定无底柱分段崩落法大结构参数理论和方法。
  (3) 在对放矿方式、截止品位、放矿顺序等理论与试验研究基础上,确定小官庄铁矿低贫化放矿新技术体系,使小官庄铁矿贫化率由29%下降到20%以下。
   
5、应用情况(包括推广及论文引用情况)
  本项研究所提供的技术成果已于2002年以鲁中冶金矿业集团小官庄铁矿为试验基地投入生产应用,其中地下中深孔气液联动凿岩设备已投入三台进入生产使用,累计钻进28000m,平均延米钻速为矿山现用气动凿岩设备的二倍,钻深达27m以上,其采矿方法构成要素由原来的10×10m扩大为15×15m,回采率81.04%,贫化率10.84%,采矿强度由38t/m2?年提高到50-60t/m2?年,劳动生产率达到2100 t/人?年。攻关期间三年共获得经济效益12426万元,平均年经济效益为4142万元。
  我国现有黑色地下矿山50座,其中地下重点铁矿山16座,现有大中型地下铁矿山的矿石产量为1500~2000万吨/年,85%以上采用无底柱分段崩落法采矿;此外,化工、有色、建材等行业也有不少矿山采用这种方法,本项成果在鲁中应用好的基础上,可在我国大中型地下矿山(特别是地质条件差的矿山)大面积推广应用。
  该研究成果在国内地下矿山推广,采矿成本可下降25%;可获得巨大的经济效益。

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