地下金属矿山开采

第32卷第2期 2008年4月 中国钼业 CHINAMOLYBDENUMINDUSTRY V01．32No．2 April2008 地下金属矿山开采技术发展趋势 冯兴隆1’2，贾明涛1”，王李管1’2，宋明军1一，尚晓明1’2 (1．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083) (2．长沙迪迈信息科技有限公司，湖南长沙410083) 摘要：近十多年来，现代高新技术的发展，给世界矿业带来了机遇，已成为矿业科技发展的源泉和动力。针对国 内外地下金属矿山开采技术的发展，着重论述了深部开采，高效率采矿，连续化、无废化采矿，智能化、数字化矿山4 个领域的发展趋势。 关键词：地下金属矿山；数字化矿山；发展趋势；深部开采 中图分类号：TD853 文献标识码：A 文章编号：1006—2602(2008)02-0009一05 THEDEVELOPMENTTENDENCYOFMININGSCIENCEAND TECHNoLoGYoFUNDERGRoUNDMETALMINE FENGXing—lon91”，JIAMing—ta01一，WANGLi—guanl”，SONGMing—junl”，SHANG．Xiao—min91'2 (1．SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，Hunan，China) (2．DigitalMineCo，Ltd，Changsha410083，Hunan，China) Abstract：Forthelastoverdecade，thedevelopmentofmodemadvancedtechnologyhasofferedopportunitiesfor woddminingindustryandbecome80ureeandpowerofminingscienceandtechnologydevelopment．Accordingto undergroundmetalminingtechnologydevelopmentathomeandabroad，thispaperemphaticallydiscussesthede— velopmenttendencyofdeepmine，highefficiencymining，continuousandnowasteminingandintelligentanddigit- almining． Keywords：undergroundmetalmine；digitalmine；developmenttendency；deepmine 人类不可能脱离物质需要而生存，矿业是人类 不可或缺的物质来源。根据有关资料，1997年采矿 工业为全世界提供了210亿t原材料，总资产高达2 万亿美元，占全世界资产总产值28．2万亿美元的 7．1％。因此，采矿工业过去是、现在是、将来仍然是 全球经济持续发展的基础⋯。 随着长期不断的开发和利用，全球金属资源的 保有量逐渐减少，浅部、高品质的矿床经过长时期的 开发，逐渐开始枯竭。为满足对金属资源日益增长 的需求和应对竞争十分激烈的矿产品市场，世界矿 业发达国家日渐认识到，必须广泛吸收各学科的高 新技术，开拓先进的、非传统的采矿技术，开发其他 的、以往未被利用和充分利用的资源，创造更高效 率、更低成本、最少环境污染和较好安全条件的采矿 模式，提高产量和生产效率、降低生产成本，改善矿 山安全和生产条件嵋J。 收稿日期：2008一01一08 基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490270) 作者简介：冯兴隆(1980一)，男，博士研究生。 近十多年来，现代高新技术的发展，给世界矿业 带来了机遇，如矿山设备大型化、智能化，以及计算 机技术和信息技术，全球卫星定位系统，生物溶浸技 术等在矿业领域的应用，已成为矿业科技发展的源 泉和动力。 围绕上述内容，国内外地下金属矿山开采技术 应特别关注以下4个领域，深部开采，高效率采矿， 连续化、无废化采矿，智能化、数字化矿山。 1 深部开采 随着浅部易采资源的开发利用，地下金属资源 的开发逐步向纵深方向发展。与浅埋矿床相比，由 于深部矿岩的地质构造、赋存条件以及地应力等均 与浅部矿岩有所不同，其开采技术条件更加复杂，面 临着更广泛、更复杂的技术难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，如地压、高温、提 升、回采、充填、排水、通风、支护、环境保护等【2J。 对于“深部”的界定存在着不同的看法，更为广 泛的认识是，以深度为依据，大于800—1000m的 为深部开采[1’3|。据不完全统计，国外采深超千米 万方数据 中国钼业 2008年4月 的金属矿山有80多座¨’4-S]。据上世纪80年代前 期的资料，在国外开采深度超过1000m的非煤矿 山中，加拿大30座，南非15座，美国11座，印度4 座，澳大利亚4座，俄罗斯、波兰、西班牙、赞比亚等 国各2座，乌克兰、挪威、13本、英国、匈牙利、墨西 哥、津巴布韦等国各1座L3J，主要集中在南非、加拿 大、美国、印度等国一J。南非绝大多数金矿的开采 深度在1000m以上，其中西部深水平金矿，采矿深 度达3700m、开拓深度达4500m。预计到2010 年，南非60％的黄金产量将来自2000m深度以 下【lo|。印度的科拉尔金矿区，已有3座金矿采深超 2400In，钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深 3260m。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，已有捷尔任 斯基、基洛夫、共产国际等8座矿山采准深度达910 m，开拓深度已到1570na，预计将来可达到2000～ 2500m。 随着国民经济的高速发展，国家对金属产品的 需求量不断增加。我国的浅表有色金属矿床即将消 耗殆尽，据统计，在未来10—15年时间内，我国将有 三分之一的有色金属矿山开采深度达到或超过 l 000m【11|。目前国内红透山铜矿开拓深度达1 340m，弓长岭铁矿开拓深度距离地表约1000m，云 南会泽铅锌矿深部矿体开拓至1571m，云南大红山 铁矿、广东凡口铅锌矿等矿山开拓深度接近l000 m，冬瓜山铜矿开拓深度达l100m，湘西金矿开采 深度超过850Ill，夹皮沟金矿开采深度达1200m， 此外寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿、 高峰锡矿等许多矿山，都将步人深部开采。 2高效率采矿 近20年来，地下采矿技术发展很快，采矿装备 在实现无轨化和液压化的基础上，正在向大型化、智 能化方向发展。 2．1 采矿装备的机械化、自动化、智能化 采矿工业是全球经济发展的支柱，机械化和自 动化是提高矿山产量、降低生产成本、改善矿山安全 和生产条件切实可行的手段¨2|。图1为美国一座 地下矿山的年产量变化曲线旧J。由该图可以看出， 每一次生产工具的革新，矿山产量将翻一番，自机械 化开采手段之后，生产工具的更新周期大大缩短。 长期以来，瑞典的采矿和设备制造业一直因积 极革新和产品优质可靠而享有盛誉，世界知名的矿 业设备提供商大都与瑞典有关，如ABB公司、阿特 拉斯·科普克公司。从上世纪80年代初开始，该国 开展了一项国家综合研究计划——采矿技术2000 (GRUVTEKNIK一2000)，其目的是开发能够使瑞典 地下矿山生产成本明显降低的采矿 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和装备，包 括自动化铲运机、自动化和半自动化的凿岩、装药和 爆破系统等‘妇·“3。 下 j{卜 ● < ■ 芝 咖 {L 远程遥控和 ，一’ 自动化开采 ， - ． 短距离遥控 一 设备开采I ， ： 机工械化开采 矿 下 ． ^^m办．。， 步 手工开毛弦”⋯’， 计 划 P7．Wy．．．．．．．． 图1 美国某地下矿山产量随开采工具的变化曲线 由矿山、研究机构和设备制造商组成的“芬兰 矿山自动化研究组”，于1992年9月开始执行一项 名为“智能矿山”的五年技术发展计划。该项计划 的目的是，在较短时期内向硬岩开采最主要的领域 引入自动化，以提高生产效率、降低开采成本，同时 改善作业安全和劳动环境，最终形成的“智能矿山” 是，采用实时控制的自动化生产过程和自动或远动 操作的机械设备的自动化高科技型矿山，可以根据 内部和外部条件实现最经济、高效、安全的生产¨5。。 加拿大许多现代矿山的绝大部分日常生产都是 依靠遥控铲运机。如国际镍公司(INCO)斯托比 (Stobie)矿的破碎与提升系统已全部实现自动化作 业，2台WignerSTSB铲运机、3台TamrockDatasolo 1000sixty生产钻车、1台Wigner40t已实现井下无 人驾驶全自动作业，工人在地表即可遥控操纵这些 设备¨2‘16-t7]。此外该国已制订出一项拟在2050年 实现的远景规划，即将加拿大北部边远地区的一个 矿山变为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山 的所有设备¨¨19J。 2．2生产规模大型化、集中化 在过去的30年里，生产工具的机械化极大地促 进了采矿方法的改变，在今后的10年里，自动化和 信息化技术的发展和应用将会在更大程度上改变采 矿方法㈣。 随着设备机械化、自动化程度的提高，越来越多 的国内外矿山开始采用大规模、集中化的采矿方法 进行地下矿产资源的开发，借此提高生产效率、降低 生产成本。 万方数据 第32卷第2期 冯兴隆等：地下金属矿山开采技术发展趋势 目前，国内外应用广泛的地下大规模采矿方法 主要有矿块崩落法、盘区崩落法、深孔分段崩矿法、 垂直漏斗后退式采矿法(VCR法)等。这些方法在 国内外矿山的应用情况见表1[2G。 表1 国内外采用大规模采矿法的矿山 大规模地下采矿系统具有以下技术特点，采切 比低、采准与回采的间隔时间短(及时投产)、机械 化水平高、灵敏度自动化程度高、设备完好率与利用 率高、作业条件安全、矿石回收率高、环境状况良好、 井下作业集中。如基律纳铁矿，其年产量为2300万 t，雇员1750人，井下仅500人，全员劳动生产率达 13143t／人·年。在1045m水平作业时，只需8个 矿块，达到了极高的集中化生产水平。 理论和实践经验表明，大规模采矿方法虽有利 于生产的组织、管理，确保了井下人员、设备的安全 性，但却加强了对采切工程与回采过程的要求，加重 了对少数更先进设备的依赖，提高了对设计、计划、 决策与组织管理手段和技术的要求。这是因为，随 着开采规模加大、矿块作业集中，矿井生产过程易受 “意外事件”冲击的程度加剧。如若对地质条件或 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 实施过程可能面临问题的判断失误，其后 果是严重的，代价将会很大。 3连续化、无废化采矿 地下矿山开采规模的扩大和开采深度的增加， 会带来一系列的技术难题，连续和无废开采技术是 解决这些难题的有效途径之一。连续开采已成为当 今世界各国研究的热点和焦点，对于21世纪矿山向 开采深部化、规模大型化、设备机械化、操作自动化、 生产连续化、管理现代化方向发展具有重大意义。 3．1连续开采 吴爱祥等人陋埸3对地下金属矿山连续开采的 概念和层次进行了全面的论述和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，认为连续开 采主要包括4个层次，矿房的连续回采——I层次； 矿体(矿床)的连续回采——II层次；矿石的连续运 送——III层次；全工艺过程的连续化——Ⅳ层次。 基于爆破落矿技术的连续采矿，是目前国内外 地下金属矿山连续开采研究的主要内容。现阶段的 研究目标主要集中在矿体、阶段或矿块的回采过程 中，落矿、出矿、运矿三大工序相互协调，在不同的空 间平行作业，组成高效率的连续开采工艺系统。 3．2无废化开采Ⅲ瑙1 无废化采矿是21世纪矿业可持续发展的重要 课题之一。所谓无废化采矿，就是最大限度地减少 废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜 绝矿产资源开发的负面影响的工艺技术。目前，国 内外关于无生态危害的无(低)废采矿系统的研究， 主要集中在2个方面。 (1)实现废料产出最小化，尽可能少地采出废 石或直接在原地回收有用成分。如采用合理的开拓 系统和采切比小的采矿方法，从源头上控制废石产 出率；采用上行开采顺序、建设井下选厂，将废石、尾 砂回填采空区；采用地下溶浸、溶化、熔炼、地下气化 等物理、化学工艺开采方法。 (2)采矿废料的综合利用，使不具开发价值的 “个性物”变成矿产资源，提高废料资源化的水平。 如用作生产建筑材料，筑路、充填采空区、土地复垦 万方数据 ·12· 中国钼业 2008年4月 和贫瘠土地改良，回收有用成分，生产矿物化肥，用 作其他工业的原料或添加剂等。 4智能化、数字化矿山 美国兰德公司在2000年3—7月，对未来20年 内美国矿业技术的关键问题和发展趋势进行了深入 的探讨，得出的结论为，在由凿岩和爆破、地压控制、 装载和运输、矿物加工等一系列不连续工艺步骤组 成的采矿工业中，上述单项工艺技术在未来的20年 内不可能发生很大的变化，可能发生变化的是如何 管理和组织这些工艺过程嘶】。兰德报告总结到，IrI' 技术的出现极大地促进了当代生产力的发展。在过 去的时间里，由于采矿领域独特的条件和恶劣的环 境(如人员和设备在三维空间内运动；随着生产过 程的进行生产环境不断发生变化；恶劣的生产环境 限制了高敏感性设备的应用等)，I，I'技术在采矿业 的应用较石油或化工业相对较慢。但随着矿山开采 深度的增加，开采条件的恶化，以及高效机械化采矿 设备价格的不断提高，迅猛发展的信息技术及日益 降低的价格，为提高采矿工艺管理和组织技术水平 提供了一种非常有效的手段，为矿业的二次繁荣提 供了一个良好的发展机遇。兰德报告认为，对未来 采矿工业至关重要的核心11r技术包括以下内 容‘笛一矧。 4．1传感器技术 如变形或应力传感器、有毒气体传感器、设备运 行状态参数传感器、风速传感器、温度传感器、微震 传感器m。柏]、水位传感器、探地雷达H1-421等等，借 助这些传感器，可为实时生产过程监控和优化，提供 大量的原始数据。 4．2定位技术 在露天矿的卡调系统中，GPS定位技术已经得 到广泛应用，而地下矿山由于井下作业环境恶劣、空 间狭长、电磁屏蔽性强，GPS定位技术将不再适用。 目前除个别研发机构和公司正在研制基于陀螺 仪L441的精确定位的技术外，成熟的技术基本属于区 域性的定位。采用的技术多为RnD——射频识别 技术，但基于WIFI的跟踪定位也成为一种技术发 展趋势。 4．3坚固耐用的井下电子设备 由于地下矿山恶劣的环境条件，关键的问题之 一是研制开发能够适应这些条件的、具有高防护等 级的计算机或电子装置。 4．4通讯技术 地下矿山的通讯技术正处于快速发展阶段，几 个典型的发展趋势是，通讯系统从特定部门应用向 全矿范围应用转变，从单一的语音功能向语音、视 频、数据同网传输的综合通讯的转变，从固定点有线 通讯向有线／无线综合通讯的转变。 目前，国内外矿山采用的较为先进的通讯系统 主要有3种，①井下小灵通；②泄露电缆通讯；③基 于IEEE802．11Bb／g无线网络 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的有线／无线综 合通讯。从功能上看，小灵通主要适应于无线语音 通讯，后两者则具有语音、视频、数据同网传输的能 力，属于有线和无线综合集成通讯系统。 经过几十年的发展，借助于CABLEMODEM技 术，目前泄露通讯已经实现了从模拟信号向数字信 号的转变。在泄露通讯系统技术方面尤以澳大利 亚、加拿大等国最为领先，推出的产品也最多。但泄 露技术也存在不足，①带宽和通道数有限，如Flex- corn系统带宽为20—174MHz，最多提供语音和数 据传输通道32个，视频通道16个；②视频通道为独 占的，实际能够用于视频监视的通道数量只有14 个；③数据传输速率较低，最高为56Kb／s。 随着IEEE802．11系列无线通讯协议的出现和 完善，基于无线网络技术的井下综合通讯系统则完 全不受带宽、通道数、传输速率的限制。 4．5计算机软件技术 如何根据反映自然条件和开采过程的各种数 据，进行科学决策和生产过程优化和控制，是计算机 软件要完成的任务。矿业软件的发展经历了一个相 当长的历程，国内外矿业公司和研究单位对实现各 种不同目标的算法进行了大量的研究，并开发了一 系列各具功能的计算机软件系统，三维可视化是其 主要的发展方向之一。 具不完全统计，目前国际上矿业软件从功能上 主要分为环境评价和管理、地质钻孔管理和制图、地 理信息系统(GIS)、爆破设计和块度分析、三维地质 建模、经济评估和金融分析、生产调度、设备运行状 态模拟、岩石力学、设备维修管理、设计和计划、矿山 测量、通风模拟、以及其他一些针对某一系统的专用 软件(如用于跟踪定位的软件系统)等，图2为国际 上比较有名的矿业软件按类别分布图。 上述核心IT技术的综合运用，促进了全矿范围 的信息共享能力，使以往相对独立的各项矿山工作 有机的联为一个整体，使作业地点、生产工具和劳动 力等均为动态的采矿业如制造业或精炼厂这类相对 静态的工业一样，实现了生产过程监控和实时调度， 万方数据 第32卷第2期 冯兴隆等：地下金属矿山开采技术发展趋势 ·13· 使采矿从“工艺技术”问题，向基于海量数据的“科 学”问题转变。 图2国际上成熟的商业矿业软件的分布 5 结语 2l世纪的采矿工业应广泛吸收各学科的高新 技术，开拓先进的、非传统的采矿技术，创造更高效 率、更低成本、最少环境污染和较好安全条件的采矿 模式，为人类提供巨大的物质财富，以满足不断增长 的世界人口对生活质量的需求，促进社会经济的持 续发展。 参考文献 [1]古德生．地下金属矿采矿科学技术的发展趋势[J]． 黄金，2004，25(1)：18—22． [2]贾明涛．基于过程模拟的回采方案优化技术及其在深 井开采中的应用[D]．中南大学，2007． [3]刘同有．国际采矿技术发展的趋势[J]．中国矿山工 程，2005，34(1)：35-40． [4]R．A．S．Johnson．Miningatultra一,lepta，evaluationof alternatives[A]．In：Proceedin98ofthe2ndNorthAmer- ieaRockMechanicsSymp06ium[C]．Montreal：NARIVIS’ 96。1996：359—366． [5]M．Vogel，H．P．Andrast．Alptransit—safetyin13011- struetionaft,achallenge，healthandsafetyaspectsinvery 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