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采矿工程设计简介
2014-04-14 15:49:28
 

 

从地表和地壳内开采矿产资源之前所进行的勘察研究、科学分析及计算,最后提出设计文件及图纸的工程设计工作。在冶金工业中,采矿工程通常不包括石油、石材和煤炭等的开采,而仅指提供主要原料的矿山,如黑色金属(铁、锰、铬等)、重有色金属(铜、铅、锌、钨、锡、钼、镍、锑、汞等)、轻有色金属(铝、镁等)、稀有金属(铍、锂、铌、钽等)和贵金属(金、银等)矿,以及提供冶金用辅助原料(菱镁矿、石灰石、白云石、粘土、萤石、硅石、石墨矿等)的开采。采矿工程是发展冶金工业的基础,采矿工程设计涉及十余门专业和学科,是复杂的综合工程技术。 

简史 铜器时代,随着冶铜业的发展,形成自地下采掘铜、铝、锌矿石的采矿技术。17世纪初,中国的黑火药传入欧洲并用于采矿。蒸汽机的出现和电的使用,开始了采矿作业机械化和电气化的进程。19世纪末期至20世纪初,发明了矿用炸药、雷管、导爆索和凿岩设备。20世纪上半叶,采矿技术迅速发展,出现了硝铵炸药,使用了深孔爆破,矿山设备的完善和大型化,形成了机械化采矿工艺。在此基础上,对矿床开拓和采矿方法进行了分类的研究;对矿山地压进行了实测和理论探讨;开展了岩石分级和破碎理论的研究;完善了矿井通风理论;提出了矿山设计、矿床评价和矿山管理的科学方法。20世纪50年代后,由于使用了潜孔钻机、牙轮钻机、凿岩台车等新凿岩设备,以及铵油、浆状、乳化油等廉价安全炸药;采掘、运输、提升等设备大型化、自动化;无人驾驶机车和连续式运输的出现;电子计算机用于矿山管理,规划设计和科学计算,诞生了矿山系统工程学;矿山自动控制系统的建立,岩石力学、利用现代试验设备、测试技术和电子计算机,已能预测和解算矿山设计的复杂问题。因此,采矿设计得到了进一步的提高。

    特点 采矿工程设计与冶金工厂及其他工厂设计相比较,其特点是:(1)采矿的主要对象是矿体,矿址不能自由选择,往往要在交通、水源、动力等条件不利的地点建矿。(2)矿石储量是天然赋存的,不能制造和再生。矿山规模、服务年限与经济效益有关,在服务年限期满、资源枯竭时被迫停产闭矿。(3)矿体赋存条件和形状复杂,品位不均,储量变化较大,使采矿设计难以标准化;建矿周期长,基建投资和投资风险性大。(4)采矿工作条件恶劣,劳动量大,安全性差,不易实现综合机械化和自动化,必须重视劳动保护。(5)由于破坏地表,堆置废石,须进行环境保护和大地复垦。(6)开采时必然混入废石,使矿石贫化降低质量;且部分矿石不能采出而损失于岩石中。因此,降低损失率和贫化率,对矿山企业管理和改善经济效益具有重要意义。(7)采矿设备和人员随着采矿工作面的推移须经常转移,如管理不善,会造成采、掘(j失调,迫使矿山停产。(8)矿山经营效果取决于矿石价值,开采富矿比开采贫矿的经济效益好。矿山为提高经济效益,通常在贫富矿并存的条件下,优先开采富矿。 

设计依据 经批准(或确认)的可行性研究报告和矿床详细地质勘探报告是采矿设计的首要依据。还有矿石选冶试验报告、水文地质、工程地质、地形测量、气象、地震、建筑材料以及供电、供水、交通、机修、汽修等外部协作条件和岩石力学研究成果等资料,均为设计的主要依据,也是保证设计质量的前提条件。

    设计基本内容 一般应包括:矿山设计地质工作、露天采矿工程设计、地下采矿工程设计和矿山总体布置与公用设施设计。有些矿山外部运输条件特殊,适宜采用架空索道运输时,须做架空索道设计;砂矿床开采,还包括露天矿水力开采设计。 

自然界赋存的金属矿床中,矿石的有用成份品位常常不符合直接冶炼或使用要求,需经选矿或人工造块,常将选矿厂、烧结厂和球团厂建于同一地点,成为联合企业(见选矿厂设计、烧结厂设计、球团厂设计) 

开采方法及其选择根据矿床类型及技术、装备条件,经技术经济比较后,选取技术上可行、经济上合理的开采方法。开采方法按被采矿床的类型可以分为:一般矿床的开采、砂矿床的开采、可溶矿床的开采和海底沉积矿床的开采。 

一般矿床开采 通常有露天开采法、地下开采法和联合开采法。(1)露天开采法。从敞露地表的采矿场剥离废石采出矿石的开采方法(见露天采矿工程设计)(2)地下开采法。通过井巷工程从地下采出矿石的开采方法(见地下采矿工程设计)(3)联合开采法。用露天开采法和地下开采法同时开采一个矿床的方法。 

砂矿床开采 根据开采设备的不同,砂矿开采分为机械开采法、水力开采法和采砂船开采法。

    (1)水力开采法。 用水枪冲采砂矿,并用水力运输的开采方法(见露天矿水力开采设计)

    (2)采砂船开采法。采砂船在中国主要用于开采砂金,其次是开采河滩和海滨砂矿。采砂船分为链斗式、单斗式、吸扬式等。链斗式使用最广,占世界总船数的70%以上,中国也多用链斗式采砂船。 

采砂船的开采顺序可以分为上行开采法、下行开采法和混合开采法。上行开采法,船设于矿体下游端部,逆河流上行开采;下行开采法,船在矿体上游端部,沿河流下行开采;混合开采法,多艘船相背或相向开采,依矿床及地形条件选取。 

采砂船开拓方法有修筑坝或挖掘基坑以及联络道的设计。掘坑开拓法,沿矿体边界或矿体附近,开掘安装采砂船的坑;筑坝开拓法,修筑若干横穿河谷的挡水坝,提高水位,使采砂船能进入采区工作;联合开拓法,上述二法的联合使用。 

采砂船采矿方法按工作面推进方向可以分为横向采矿法、纵向采矿法和联合采矿法:横向采矿法,沿矿体横向分成条带进行采矿;纵向采矿法,沿矿体纵向分成条带进行采矿;联合采矿法,是上述二法联合使用。有的文献则将采矿方法称为开采路线,而将挖斗在工作面上的运动轨迹和移动方式称为采矿方法,并分为常规法、换桩法、调船法和调尾法。 

可溶矿床开采 将矿床原地转化为可流动的状态——液态、气态、熔融状态或悬浮微粒状态,然后将其采出的设计,通称溶浸采矿设计,其方法有热熔采矿法、浸取采矿法和溶解采矿法。通常根据矿床特点,经试验研究和技术经济比较后选取。

    (1)热熔采矿法。从钻孔压入过热水,熔融地下自然硫等,从同一钻孔将其排出地表的回采有用矿物的方法。

    (2)浸取采矿法。用酸、碱或盐做溶剂,溶浸金属矿物,使其中的有用金属进入溶液,再行提取。由于加入某些细菌能加速浸取过程,所以又称细菌采矿法或化学采矿法。回采方式分为露天浸取、矿井浸取和钻孔浸取等。

    (3)溶解采矿法。通过钻井或井巷注入淡水,溶解矿床中的有益组分,使之成为溶液提取至地面,进行加工回收。回采方式分为钻井水溶和井巷硐室水溶等。 

海底沉积矿开采 用海洋采矿船和运输船采掘海底沉积的锰结核及软泥等矿物的技术。采矿系统由集矿设施、提升装置、海面系统等组成。其中多处于试验研究中。仅有红海的软泥开采为工业生产。

    (1)集矿设施。用集矿机在海底采集锰结核等沉积采ca物,有的还需要钻孔机进行爆破松动相配合,机上和船上必须装设多种监测仪表和通讯联络装置,以便在船上操纵在海底工作的机械。

    (2)提升装置。将海底矿物运至海面船上的设施,目前各国试验研究的提升方式有:单铲斗提升、连续多斗提升以及水力气力提升等。

    (3)海面系统。主要包括船上的集矿和提升操纵系统,海上运输和港口设施。采矿船的设计必须与集矿、提升系统的设计紧密配合。

    (4)潜水式采矿船。是集矿与提升系统合为一体的设备,其设计也必须与海面系统相配合。 

设计原则 第一,严格掌握建矿基本条件。包括:(1)矿山资源已基本勘探清楚,并有主管储量委员会审查批准的矿床详细地质勘探报告书;(2)对于水文地质条件复杂的矿床,其水文地质基本勘探清楚,并有专门的水文地质勘探报告书;(3)矿石的选冶性能和加工工艺基本研究清楚,并有矿石加工试验报告书;(4)进行了矿山开采环境评价,并提出了矿山开采环境评价报告;(5)进行了矿山开采的土地复垦研究;(6)水、电、交通运输、燃料供应、设备修理及征地拆迁等外部条件基本具备,并签订了协议书或意向书;(7)建设资金基本可靠;(8)作好建厂调查研究,取得必要的有关资料。 

第二,结合矿山特点。包括:(1)由于矿床赋存条件和开采技术条件的多变,地形地貌及矿岩力学性质的差异,选矿厂厂址位置的不同,矿山装备水平的高低以及国家对产业技术政策的要求等因素的影响,致使矿山的生产能力和工艺中各系统方案具有多样性和复杂性。在采矿设计中必须进行多方案的技术比较和论证,才能制定出合理的技术方案,绘制出详细的蓝图;(2)矿床资源和矿床赋存条件,从勘探到生产,逐步被人们揭露、认识和掌握。矿山开采储量随生产发展不断减少和消失、开采范围不断扩大和延深。在设计采矿能力、选择设备、人力安排和确定回采顺序时,须注意基建探矿、生产探矿、采剥平衡、采掘平衡及采充平衡;(3)重视矿产资源的综合开发利用。认真研究确定合理的开采顺序,尽量提高矿产资源开发的回采率,降低贫化率,以提高矿山经济效益;(4)重视矿山安全生产,采场顶板管理、矿柱回采、采空区处理、劳动保护和安全卫生设施等均符合有关法规的要求。对生产中的尘毒、噪声、高温等危害职工身体健康的治理措施和防止发生伤亡事故的安全设施,必须与主体工程同时设计;(5)地下开采设计中的关键是采矿方法的正确选择、回采工艺的先进可靠、采掘装运设备的高效经济等。因此,依靠岩石力学及系统工程解决地下开采设计中的关键问题,能够使矿山顺利投产和达产。

第三,正确处理各项技术经济问题。包括:(1)重视采矿工程建设的经济效益,认真作好各项经济分析研究,合理使用建设资金,发挥投资的最大经济效益。其经济效益指标要根据国内外市场对矿产品的需求和具体条件确定;(2)开采矿区()的选择要本着先富后贫,贫富兼采,先近后远,先易后难的原则,一般应优先开采品位较高,开采和选冶性能较好,交通运输和水、电等供应方便,基建工程量少,投资省、成本低、经济效益好的矿区()(3)矿床的开采方法通常根据各个矿床的具体赋存条件研究确定。由于露天开采劳动条件好,矿产资源的回采率高,矿山生产能力易达到,在经济效益相差不大时,一般优先采用露天法开采。一些矿产的开采方法(见国内外一些矿产开采方法表)(4)矿山设计规模要考虑技术上可能、经济上合理及市场需要三个方面的因素来确定,还应研究由小到大、分期建设,使矿山还贷能力强,投资收益率高;(5)各个矿山的装备水平一般要根据矿山的设计规模、设备来源及经济效益等因素研究确定。建设规模大的矿山,关键设备通常采用先进高效的设备。如需引进国外先进设备,要做设备引进的可行性研究;(6)设计中要重视环境保护、节约能源、节约用地等要求。并均需纳入设计。  


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