砂巖薄層鈾礦床刨采技術(shù)的探索性研究

王澤江，趙 紅，邵磊昌，宋麗霞，郭 元

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京101149)

鈾礦產(chǎn)資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)前中國(guó)正處于工業(yè)化高速發(fā)展階段，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體實(shí)力的不斷壯大，對(duì)鈾礦物原料的需求量和比重逐年攀升。但有相當(dāng)一部分砂巖型鈾礦因礦層薄，難以采用露天開(kāi)采；而采用常規(guī)地下炮采方法，又有成本高、效率低、安全難以保障等缺點(diǎn)。因此，立足國(guó)內(nèi)當(dāng)前鈾資源分布和開(kāi)發(fā)條件，積極探索安全高效、技術(shù)裝備先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保的薄層鈾資源開(kāi)發(fā)技術(shù)勢(shì)在必行。

薄礦層是指厚度在0.8～4.0 m的礦層。薄煤層安全、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采是一個(gè)世界性的難題，由于煤層薄、開(kāi)采作業(yè)空間小，導(dǎo)致工作條件惡劣，回采效率低，經(jīng)濟(jì)效益差，同時(shí)存在安全難以保障、機(jī)械化程度低等現(xiàn)象[1]。薄層鈾礦床的大規(guī)模開(kāi)采在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)應(yīng)用；但鈾礦床的開(kāi)采工藝與煤礦床的開(kāi)采工藝有異曲同工之處，鈾礦除了具有獨(dú)特的放射性防護(hù)需求外，其他的安全開(kāi)采難度一般不及同樣地質(zhì)條件的煤礦。

從目前的開(kāi)采技術(shù)來(lái)看，刨采技術(shù)在煤炭開(kāi)采領(lǐng)域已經(jīng)十分成熟[2-3]。因此，在薄鈾礦層的高效化、自動(dòng)化開(kāi)采研究過(guò)程中，可借鑒薄煤層自動(dòng)化、智能化的刨采工藝。探索研究薄層鈾礦床刨采工藝是一項(xiàng)前瞻性、基礎(chǔ)性的工作，不僅可以為砂巖型薄層鈾礦床的大規(guī)模連續(xù)化、機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)探索技術(shù)途徑，同時(shí)也可為這種方法應(yīng)用的可行性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)損益和應(yīng)用前景提供依據(jù)。

1 薄層鈾礦床圍巖及礦石特性

1.1 薄礦層開(kāi)采方法現(xiàn)狀

采礦方法的選擇涉及礦山生產(chǎn)的方方面面，其影響因素眾多。適宜的采礦方法就是對(duì)這些影響因素進(jìn)行綜合分析，以獲得最優(yōu)效果為目的，其基本原則包括[4]：符合礦床的地質(zhì)賦存條件；采場(chǎng)回采安全可靠性高；采礦效率高，成本低，綜合經(jīng)濟(jì)效益好；采場(chǎng)布置和回采工藝簡(jiǎn)單；合理的貧化率和損失率；充分利用礦山現(xiàn)有條件；機(jī)械化裝備水平高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等。

薄礦層的開(kāi)采方法通常需考慮礦層的空間形狀、埋深、礦巖力學(xué)特性、賦存狀態(tài)等，借鑒煤礦成熟的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，近水平薄煤層的開(kāi)采方法有：1)綜合機(jī)械化開(kāi)采法；2)螺旋鉆機(jī)采煤法；3)刨煤機(jī)開(kāi)采法。綜合機(jī)械化開(kāi)采法由于增大功率會(huì)增大機(jī)身尺寸，從而增大了對(duì)礦層采高的要求，這對(duì)于薄層鈾礦床的開(kāi)采局限性很明顯。螺旋鉆機(jī)采煤法在礦巖硬度很低時(shí)才可采用，且其鉆采速度慢、過(guò)礦巖能力差，若應(yīng)用于層理不明顯的鈾礦開(kāi)采時(shí)，其效率會(huì)更低，缺點(diǎn)也更加凸顯。刨煤機(jī)開(kāi)采法適用的條件應(yīng)盡量滿(mǎn)足：礦層厚度在0.9 m以上，礦層厚度及地質(zhì)條件變化小，礦層傾角不大于10°，礦層中硬以下(f<3～4)或礦層硬度大但水平節(jié)理發(fā)育或遇水等易軟化[5]。北方大部分砂巖型薄層鈾礦床滿(mǎn)足以上刨采的基本條件，可將刨采作為主要的新型開(kāi)采方法予以考慮。

1.2 礦床的地質(zhì)賦存特征

某鈾礦床是中國(guó)北方具有代表性的松軟砂巖型鈾礦床，主礦層處于非滲透層或弱滲透層中，礦石工業(yè)類(lèi)型以富含黏土礦物的鈾礦石為主，富含碳酸鹽的鈾礦石次之，屬于軟弱巖層為主的層狀礦床。礦層賦存層位及圍巖主要為泥質(zhì)膠結(jié)砂巖、泥巖和粉砂巖，層間結(jié)合良好，無(wú)節(jié)理裂隙發(fā)育，抗壓、抗剪強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差。礦層形態(tài)主要呈板狀，產(chǎn)狀平緩。

1.3 地質(zhì)適應(yīng)性分析

從礦床的工程地質(zhì)條件來(lái)看，該礦床地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層產(chǎn)狀平緩，礦體及頂、底板較完整且為成巖度較低的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖。礦層呈近水平層狀賦存，厚度薄，穩(wěn)定性較差，工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類(lèi)型，滿(mǎn)足采用刨采方式的基本條件。

從礦床水文地質(zhì)條件來(lái)看，主礦層處于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面附近的非滲透層中，礦床附近無(wú)地表水體，主要充水層富水性弱，地下水補(bǔ)給條件極差。礦體周?chē)鸁o(wú)其他采空區(qū)、水體、溶洞積水的存在，亦沒(méi)有與暗流或河流導(dǎo)通的可能性，回采過(guò)程中無(wú)需特殊的水文地質(zhì)防范措施，礦床屬于以孔隙充水為主的簡(jiǎn)單水文地質(zhì)類(lèi)型，有利于刨采技術(shù)應(yīng)用。

從礦床的巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，巖石三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的靜泊松比平均值約為0.3，巖樣內(nèi)部微裂隙、孔隙較為發(fā)育，巖石三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的泥巖黏聚力為0.332 MPa，內(nèi)摩擦角為16.99°，該礦床的圍巖及礦層硬度均較小，尤其是礦層硬度值f<2，滿(mǎn)足刨采對(duì)礦巖硬度的要求。

綜合分析看出，該礦床地質(zhì)條件滿(mǎn)足采用刨采方式的基本要求。

2 刨采系統(tǒng)構(gòu)成與礦層的可刨性分析

2.1 刨采系統(tǒng)的構(gòu)成與自動(dòng)化控制

薄礦層刨采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足高產(chǎn)高效、設(shè)備自動(dòng)化(集中)控制、安全可靠性高、國(guó)產(chǎn)設(shè)備能夠與引進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)可靠連接等要求，確保采運(yùn)平衡，最大限度地發(fā)揮薄礦層刨采的優(yōu)勢(shì)[6]。因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)工作面的長(zhǎng)度，科學(xué)設(shè)置刨深，選用能刨割相應(yīng)硬度礦巖的刨采機(jī)組，提高刨采速度，相應(yīng)地提高液壓支架的移架速度，與大運(yùn)量、高強(qiáng)度的工作面輸送機(jī)相匹配，運(yùn)輸巷道也采用長(zhǎng)距離、相應(yīng)運(yùn)量的帶式輸送機(jī)。

在煤礦中，井下工作面自動(dòng)化刨采技術(shù)是利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、設(shè)備工況檢測(cè)和故障診斷技術(shù)、電液控制技術(shù)和視頻技術(shù)等，將采礦設(shè)備信息與生產(chǎn)工藝過(guò)程控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、液一體化自動(dòng)控制[7]。借鑒成熟的煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)所采用的刨采設(shè)備，刨采自動(dòng)化工作面裝備布置如圖1所示。

1—運(yùn)輸平巷帶式輸送機(jī)；2—刨采機(jī)刨頭；3—轉(zhuǎn)載機(jī)與破碎機(jī)；4—可彎曲刮板輸送機(jī)；5—刨鏈；6—牽引裝置；7—端頭支架；8—液壓支架。圖1 刨采工作面成套裝備布置示意

為實(shí)現(xiàn)某鈾礦層的高效安全刨采，根據(jù)礦床的賦存特征和工程地質(zhì)條件，擬定選用先進(jìn)的全自動(dòng)化刨采成套設(shè)備，初步擬定的刨采工作面主要刨采設(shè)備及規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

全自動(dòng)化刨采工藝初步分為4個(gè)階段：刨采機(jī)刨礦、裝礦，刮板輸送機(jī)運(yùn)礦，電液控制系統(tǒng)自動(dòng)聲光報(bào)警、噴霧、推溜，電液控制系統(tǒng)自動(dòng)拉架[8]。因此，工作面設(shè)備具有嚴(yán)格的啟動(dòng)順序：乳化液泵站→噴霧泵站→破碎機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→運(yùn)輸機(jī)→刨煤機(jī)。上述設(shè)備啟動(dòng)后，信息會(huì)自動(dòng)反饋給PROMOS控制系統(tǒng)。PROMOS控制系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化工作面的控制核心，操作人員只需在順槽內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)(MCU)或PROMOS服務(wù)器監(jiān)視與控制即可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行，進(jìn)而完成采礦過(guò)程，PROMOS控制系統(tǒng)啟動(dòng)程序如圖2所示。

表1 自動(dòng)化刨采工作面主要設(shè)備配置及規(guī)格參數(shù)

圖2 PROMOS控制系統(tǒng)啟動(dòng)程序

2.2 礦層的可刨性分析

礦層可刨性是指礦石的可破碎特性，它直接影響刨采機(jī)械的工作性能。目前，中國(guó)對(duì)礦巖可刨性的研究很不完善，沒(méi)有制訂統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得刨采系統(tǒng)的選型配套不盡合理，可靠性不高，工作面產(chǎn)量較低，設(shè)計(jì)制造長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)[9]。根據(jù)調(diào)查研究和統(tǒng)計(jì)分析，影響礦層可刨性的主要因素包括礦石的硬度、礦巖堅(jiān)固性和礦石的天然賦存狀況等。因此，在研究礦巖可刨性主要因素的基礎(chǔ)上，有必要建立薄礦層可刨性分級(jí)指標(biāo)，并進(jìn)行定量化處理，等級(jí)指標(biāo)的分值見(jiàn)表2。

表2 礦層可刨性評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)某鈾礦床礦的性質(zhì)和特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)大量的文案調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、巖石力學(xué)試驗(yàn)及綜合歸納分析，建立了該鈾礦床可刨性分級(jí)評(píng)價(jià)的三級(jí)指標(biāo)體系，如圖3所示。

圖3 礦層可刨性分級(jí)評(píng)價(jià)的三級(jí)指標(biāo)體系

本次研究的礦床可刨性分級(jí)是在上述準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上，采用專(zhuān)家打分法估測(cè)各層次因素的重要性，再應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到最終該礦床的可刨性綜合指數(shù)，各因素及其權(quán)重評(píng)分見(jiàn)表3。

表3 礦巖可刨性的德?tīng)柗品ㄔu(píng)價(jià)因素權(quán)重

根據(jù)建立的礦石可刨性分級(jí)指標(biāo)體系和綜合評(píng)價(jià)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與試驗(yàn)得到的巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，采用德?tīng)柗品治龇▽?duì)礦層的可刨性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出某礦床的可刨性綜合指數(shù)i=77.37，據(jù)表2可知，屬于易刨礦層，故采用刨采方式技術(shù)可行。

3 刨采工藝與常規(guī)炮采工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較

3.1 刨采與常規(guī)炮采的技術(shù)分析比較

根據(jù)通常的開(kāi)采工藝，刨采以保守生產(chǎn)估算，炮采按正常生產(chǎn)估算。設(shè)定2種采礦方法的順槽長(zhǎng)度均為1 500 m，設(shè)備及工器具折舊期均為10年，均采用礦井全負(fù)壓通風(fēng)，年平均有效生產(chǎn)天數(shù)均為330 d。經(jīng)計(jì)算，刨采工作面長(zhǎng)度為150 m，每班進(jìn)尺1 m，日平均進(jìn)尺3 m；炮采工作面長(zhǎng)度為50 m，日平均進(jìn)尺2 m，二者主要技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)比較見(jiàn)表4。

3.2 刨采與常規(guī)炮采的經(jīng)濟(jì)分析比較

采用生產(chǎn)能力指數(shù)法分別對(duì)鈾礦全自動(dòng)化刨采生產(chǎn)工藝與常規(guī)炮采工藝進(jìn)行投資估算，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 刨采生產(chǎn)工藝與常規(guī)炮采的技術(shù)分析與比較

注：搬家倒面周期，刨采按2 a計(jì)算，炮采按3 a計(jì)算。

表5 刨采生產(chǎn)工藝與常規(guī)炮采的經(jīng)濟(jì)分析與比較

從以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可以看到刨采較常規(guī)的炮采優(yōu)勢(shì)十分明顯。從技術(shù)角度考慮，刨采工作面自動(dòng)化程度高，呈現(xiàn)大規(guī)模無(wú)人化生產(chǎn)，預(yù)估的年產(chǎn)量為59.4萬(wàn)噸；而采準(zhǔn)工程量小，勞動(dòng)定員少，工人可在順槽中操縱機(jī)器生產(chǎn)，大幅度減少了工作面作業(yè)時(shí)間，因此減少了作為高危行業(yè)的采礦生產(chǎn)的事故發(fā)生概率，同時(shí)可有效預(yù)防和控制職業(yè)病危害，大大提高采場(chǎng)開(kāi)采的安全性[10]。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，刨采由于采用大規(guī)模長(zhǎng)工作面集中開(kāi)采，因此其采準(zhǔn)工程量小，采準(zhǔn)建設(shè)投資更少；刨采工作面的自動(dòng)化生產(chǎn)帶來(lái)了勞動(dòng)定員數(shù)量減少，從而降低了人工費(fèi)用。刨采工作面自動(dòng)無(wú)人化生產(chǎn)效率更高，其年產(chǎn)量估算為59.4 萬(wàn)噸，約為炮采年產(chǎn)量的4.5倍，而年均投資約為炮采的1.6 倍，其生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于炮采，而增量投資卻很小，這使得刨采的噸礦成本(103元/t)遠(yuǎn)小于炮采的噸礦成本(294元/t)。因此，刨采的生產(chǎn)效率更高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

刨采工藝與常規(guī)炮采相比的不足之處：1)刨采無(wú)法開(kāi)采邊角礦，礦石損失率較大；2)刨采的地質(zhì)適應(yīng)性較差，無(wú)法高效通過(guò)斷層，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)頂?shù)装迤鸱兓?、礦層中有大塊堅(jiān)硬夾石等情況，局部嚴(yán)重的地質(zhì)構(gòu)造帶可能影響工作面推進(jìn)速度，造成設(shè)備的損壞，甚至不得不丟棄部分設(shè)備；3)刨采機(jī)開(kāi)采堅(jiān)硬礦石的能力不強(qiáng)，使得刨采機(jī)的使用局限性加大，設(shè)備關(guān)鍵部件的可靠性不高，刨頭調(diào)向裝置的靈敏度不高，使刨煤機(jī)推進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)“飄刀”或“啃底”現(xiàn)象，造成刨頭推進(jìn)過(guò)程中控制困難；4)刨采工藝的前期投資較大，建設(shè)與安裝時(shí)間較長(zhǎng)，且整套工藝系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性較常規(guī)炮采要大。

4 結(jié)論

1)中國(guó)北方部分砂巖型鈾礦床具有礦石質(zhì)軟、賦存規(guī)模大、地質(zhì)條件穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，采用刨采方式開(kāi)采該類(lèi)薄鈾礦層具有廣闊應(yīng)用前景。

2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明：預(yù)估的某鈾礦床采用刨采方式年產(chǎn)量可達(dá)59.4萬(wàn)噸，噸礦成本僅為103元。相對(duì)常規(guī)炮采而言，刨采具有顯著的技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)效益，可為類(lèi)似砂巖型薄層鈾礦床開(kāi)采提供借鑒。

3)刨采方式是一種集約化、自動(dòng)化、高效安全的生產(chǎn)方式，在理想的同等條件下均優(yōu)于常規(guī)炮采方式。但刨采方式對(duì)礦石硬度、地質(zhì)條件變化、礦石遇水軟化泥化、頂?shù)装遄兓葪l件適應(yīng)性較差，生產(chǎn)系統(tǒng)整體運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險(xiǎn)；且生產(chǎn)前期投資大，對(duì)配套設(shè)備性能要求高，采用刨采方式開(kāi)采存在開(kāi)采條件限制嚴(yán)苛、適應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，決策前應(yīng)充分調(diào)查研究，權(quán)衡利弊。