武山銅礦三期采礦裝備建設(shè)探討

陳智宏，劉殿華

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦是一座地下開采礦山，日處理能力達(dá)5000t以上，是江西銅業(yè)集團(tuán)公司最大的井下開采礦山，在全國井下礦山中亦屬大型銅硫礦山。為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，2003年開始實(shí)施“二期技改”工程［1］，2009年7月達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，日均采選綜合能力由3000t提升至5000t。2018年開始“三期技改”，設(shè)計采選綜合能力預(yù)提升至10000t/d。

武山銅礦采掘規(guī)模在國內(nèi)同類型礦山中排名靠前，但因建礦時間久遠(yuǎn)，同時二期技改過程中并沒有涉及過多的生產(chǎn)工藝改造，特別是井下開采工藝及施工過程中的鑿巖、爆破等工藝，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)的積累，安全性有保障，依然沿用老法，但生產(chǎn)效率難有本質(zhì)的提升。隨著近年來科學(xué)技術(shù)發(fā)展，特別是基礎(chǔ)建設(shè)工程領(lǐng)域的大型設(shè)備、先進(jìn)工法、自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用到礦山領(lǐng)域，使國內(nèi)新建礦山機(jī)械化、自動化及智能化水平逐日遞增［2］，相比較而言，武山銅礦現(xiàn)有采選技術(shù)已顯得不入流，生產(chǎn)效率亦受制約。為此，以“三期技改”為契機(jī)，武銅從預(yù)可研開始，投入了大量的人力、物力用于“三期”先進(jìn)采選技術(shù)的研究及輔助決策，有針對性的提出了一系列先進(jìn)思想，如膏體充填工藝、井下中段出礦無人駕駛技術(shù)、選礦工藝流程實(shí)現(xiàn)自動化等。但受武山銅礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜、礦巖及圍巖穩(wěn)定性較差等因素影響，井下先進(jìn)的采掘施工工藝及大型機(jī)械化設(shè)備設(shè)施應(yīng)用還是非常困難、問題也很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化的難度很大，給“三期技改”完成由5000t/d向10000t/d生產(chǎn)能力擴(kuò)產(chǎn)增添了阻力。同時配套采掘施工的提升、運(yùn)輸、供風(fēng)、供水、供電、通風(fēng)、通信等系統(tǒng)，自動化程度低，也在很大程度上制約了綜合生產(chǎn)效率的提升。

因此，針對“三期技改”采礦能力提升，是必要在采礦工藝改進(jìn)及機(jī)械化、自動化水平提升方面尋求一套高效、適合該礦山今后發(fā)展的思路，以期順利實(shí)現(xiàn)10000t/d生產(chǎn)能力的目標(biāo)。

2 現(xiàn)狀

武山銅礦自二期技改后，特別是近幾年受招工困難、安全環(huán)保壓力大等因素的影響，對生產(chǎn)流程中部份區(qū)域進(jìn)行了自動化及機(jī)械化改造，但總體上自動化、機(jī)械化程度很低。改造主要有。

（1）采礦車間于2018年對南區(qū)、北區(qū)空壓站集中控制改造（中國瑞林），實(shí)現(xiàn)了南區(qū)、北區(qū)空壓機(jī)集中控制、空壓機(jī)冷卻水自動控制、機(jī)房遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控中控室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以及云端APP空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，初步減少了4名作業(yè)人員。

同年，也對北壓壓縮空氣系統(tǒng)余熱回收利用進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)運(yùn)行余熱回收用于員工洗浴用的熱水，擯棄了柴油機(jī)鍋爐的運(yùn)行、維護(hù)，減少了柴油熱水機(jī)組的操作運(yùn)行及維護(hù)人員，規(guī)避了特種設(shè)備設(shè)施運(yùn)行的安全風(fēng)險。

另外，2009年投入使用的北帶膠結(jié)充填站地表站房內(nèi)大部份儀器儀表均實(shí)現(xiàn)了自動化，確保了充填料漿配合比、濃度、流速等數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，同時也確保了充填安全。

（2）掘進(jìn)車間于2017年對兩個副井信號聯(lián)鎖進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了在罐籠發(fā)送提升信號并聯(lián)鎖罐籠安全門的開關(guān)，大大提高了提升效率及提升安全性。另外，在2018年對北-460m水泵房的排水泵開展了自動化改造，減少了井下作業(yè)人員，同時排水用電單耗有所下降。

（3）選礦車間截止目前，在推進(jìn)自動化控制方面，已完成了-410m中段鐵板給礦機(jī)、銅精一尾泵遠(yuǎn)程監(jiān)控、污水處理調(diào)酸與石灰添加的自動控制等遠(yuǎn)程自動化改造，1500t水池遠(yuǎn)程控制等項(xiàng)目正有序展開。在推進(jìn)技術(shù)改造方面，累計完成自磨機(jī)中心卸料槽及格子板襯板的改型、除鐵器改造等17個創(chuàng)新項(xiàng)目。

（4）綜合車間近幾年來對4#、2#泵站進(jìn)行了自動化改造，實(shí)現(xiàn)了泵站遠(yuǎn)程控制。

3 發(fā)展展望

隨著用工緊張及井下作業(yè)人員年齡偏大，勞動強(qiáng)度高的工作危險系數(shù)在逐年攀升，對礦山企業(yè)的發(fā)展極為不利。著眼武山銅未來的發(fā)展，井下零用人在現(xiàn)階段及“三期技改”完成后都是難以實(shí)現(xiàn)的，但逐步減少用人，對一些重復(fù)性而有規(guī)律性的工作，充分運(yùn)用科技革新帶來的機(jī)械化、自動化是可行的，也是勢在必行的。在今后工作中，特別是三期建設(shè)過程中，加強(qiáng)對國內(nèi)外機(jī)械化、自動化、智能化成果的學(xué)習(xí)、了解和應(yīng)用，有利于武山銅礦在部分工藝上快速的形成機(jī)械化、自動化，并緩解用工及安全管理壓力。結(jié)合對國內(nèi)部分礦山的考察，對比武山銅礦相關(guān)工藝的現(xiàn)狀，該礦后期建設(shè)過程中“機(jī)械化、自動化”的發(fā)展應(yīng)從以下幾個方面著手。

3.1 井下采掘方面

一直以來，我國的地下采礦工藝技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比差距較大［3］，主要是鑿巖、裝藥到裝運(yùn)全部流程仍難以解決效率低下、安全性差等難題。與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國的無人采礦技術(shù)研究尚處于起步階段，而采礦自動化設(shè)備及礦山生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)也遠(yuǎn)沒有形成規(guī)模。但近年來，隨著我國綜合國力的增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)同步高速發(fā)展，國內(nèi)部分礦山在采掘施工方面也實(shí)現(xiàn)了“分區(qū)域無人施工”，如梅山鐵礦、凡口鉛鋅礦等企業(yè)已經(jīng)采用遙控鑿巖臺車［4］。云南普朗銅礦在自然崩落法施工過程中采用自動定位SB-1354液壓鑿巖臺車鉆鑿中深孔及采用淺孔臺車鉆大孔擴(kuò)槽。在裝藥方面，國內(nèi)大型礦山基本都實(shí)現(xiàn)了裝藥車自動裝藥。河北杏山鐵礦與北京北礦億博科技有限責(zé)任公司合作，研制了乳化炸藥井下混裝車。為徹底消除井下二次爆破破壞巷道頂板穩(wěn)固性，及周邊人員安全等安全風(fēng)險，國內(nèi)部分礦山引進(jìn)了加拿大BTI公司生產(chǎn)的BX30型移動式液壓碎石臺車，用于處理采區(qū)大塊。而這些機(jī)械化、自動化技術(shù)的應(yīng)用均得益于先進(jìn)采礦方法的引入與推廣，如前述梅山鐵礦、杏山鐵礦等，都采用生產(chǎn)效率高的高分段崩落法采礦嗣后充填工藝。

結(jié)合武山銅礦現(xiàn)狀，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量規(guī)模的突破及井下用工的壓縮，是必要引入適合于礦山且效率更高的采礦方法。對比國內(nèi)大型井下礦山應(yīng)用情況，采取人工鋼筋混凝土底柱VCR采礦法嗣后充填工藝，對武山“三期”達(dá)產(chǎn)更有利，同時該種采礦方法能解決現(xiàn)有采礦盤區(qū)過多、管理難度大、單產(chǎn)能力不足、用工多、成本高、充填作業(yè)連續(xù)性差、充填作業(yè)占用采礦作業(yè)時間長、機(jī)械化及自動化實(shí)現(xiàn)困難等難題。在運(yùn)用該采礦方法后，也便于如鑿巖臺車或遙控鑿巖臺車、乳化炸藥井下混裝車、撬毛車、液壓碎石臺車、混凝土噴射臺車、液壓支護(hù)、錨桿臺車、井下混凝土輸送泵及混凝土運(yùn)輸車、快速拼裝支護(hù)鋼模等大型設(shè)備設(shè)施的投入應(yīng)用。同時，采礦盤區(qū)減少后，難大范圍的形成集中出礦，便于中段出礦自動化的形成。

3.2 井下采場運(yùn)輸及中段出礦方面

井下運(yùn)輸及自動化出礦在國內(nèi)很多礦山已成為現(xiàn)實(shí)，如前面所介紹的河北杏山鐵礦、安徽張莊礦業(yè)及云南普朗銅礦，通過采取與計控室聯(lián)合開發(fā)，設(shè)計和實(shí)施電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控駕駛系統(tǒng)，將機(jī)械、電氣、通訊、自動化控制、計算機(jī)等技術(shù)有機(jī)合成，形成主控室操作、遠(yuǎn)程遙控放礦、放礦視頻監(jiān)視、電機(jī)車遠(yuǎn)程操控、遠(yuǎn)程操控自我保護(hù)等管理系統(tǒng)［5］，以及機(jī)車、運(yùn)行、裝礦、卸礦等多個軟件管理單元，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、可視化的生產(chǎn)運(yùn)行模式［6］，電機(jī)車運(yùn)行由井下駕駛變?yōu)榈乇磉h(yuǎn)程操控，改善了崗位工作環(huán)境的同時也降低安全風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)了有軌運(yùn)輸自動化或地表遠(yuǎn)程控制出礦。所以說，在有軌運(yùn)輸方面，武山銅礦只需充分借鑒國內(nèi)一些先進(jìn)礦山的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自身的現(xiàn)狀，在三期建設(shè)過程中提前謀劃、提前布局，實(shí)現(xiàn)井下有機(jī)運(yùn)輸遠(yuǎn)程控制應(yīng)該不成問題。而無軌運(yùn)輸方面，在解決井下導(dǎo)航差、設(shè)備定位準(zhǔn)確性低的問題后，采取上述高效采礦方法后，形成集中出礦，使井下定位、控制等信號點(diǎn)減少并集合，實(shí)現(xiàn)自動控制或遠(yuǎn)程控制并沒有太大的難度。

3.3 井下通信方面

井下通信作為礦山日常生產(chǎn)、應(yīng)急處理時聯(lián)系勾通及遠(yuǎn)程（自動）控制實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)性工程，在礦山建設(shè)及開發(fā)中有其不可或缺的地位，而無線通信又以其極高的便捷性及可靠性，已成為井下通信及實(shí)現(xiàn)自動化、智能化的最佳之選。

但井下采礦作業(yè)環(huán)境高度復(fù)雜，信號通透性差且可見度低，這極大限制了無線通信的應(yīng)用。伴隨著充填系統(tǒng)的完善、井下六大系統(tǒng)的建設(shè)，武山銅礦近年來對井下采掘運(yùn)輸作業(yè)面引進(jìn)了多形式的通信技術(shù)，如有線電話、基于泄漏電纜無線通信、及中國移動井下基站等。而其中以有線電話通信最為可靠，泄漏通信及中國移動井下基站受井下潮濕、偏酸性的環(huán)境及布線不規(guī)范（或人為破壞）等因素的影響，可靠性在逐年下降，其中中國移動井下基站已95%不可用。

由此可見，武山銅礦通信系統(tǒng)甚是薄弱。為適應(yīng)后期機(jī)械化、自動化升級的要求，當(dāng)前必須要加強(qiáng)對這一問題的認(rèn)識，并從現(xiàn)在開始，通過與相關(guān)院?；蚱髽I(yè)合作的方式，提升我礦通信的實(shí)力。近年來國內(nèi)、外一直都致力于探索、研發(fā)適合井下應(yīng)用的無線通信體系。正在研究和已應(yīng)用的井下通信系統(tǒng)所采用的技術(shù)手段有：①電力線載波通信；②感應(yīng)通信；③漏泄通信；④甚低頻穿透地層通信［7］。前三種現(xiàn)已比較成熟，國內(nèi)多數(shù)礦均為前三種通信方式，只是在未端加以其它技術(shù)支持，如wifi等，武山銅礦亦可在現(xiàn)有通信基礎(chǔ)上，完善移動通信井下基站，并有意識的多引進(jìn)幾家移動通信網(wǎng)絡(luò)，做到一用多備，并使井下固定作業(yè)場所全覆蓋，以利于現(xiàn)有井下施工的通信便捷，也為后期自動化控制系統(tǒng)建設(shè)提供基礎(chǔ)。

3.4 斜坡道運(yùn)行及主井提升方面

由于斜坡道運(yùn)輸巷內(nèi)一般為單車道雙向通行，不僅影響車輛的運(yùn)行效率，也存在著較大的安全隱患。隨著國家對井下人員安全的日益重視和監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)，大中型采礦企業(yè)井下斜坡道運(yùn)輸安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)開始研制和裝備。隨著武山銅礦采深的不斷增加，為確保材料運(yùn)送量滿足生產(chǎn)，各采掘施工單位在逐年增加材料運(yùn)送車輛，斜坡道運(yùn)輸十分繁忙，安全威脅不斷攀升。結(jié)合國內(nèi)大型井下礦山斜坡道建設(shè)及管理經(jīng)驗(yàn)，建立適合武山的斜坡道管理系統(tǒng)是也必要的。如河北馬城鐵礦、杏山鐵礦等，通過與計控室聯(lián)合開發(fā)、建立主斜坡道信號自動控制系統(tǒng)，采用帕累托最優(yōu)控制原理，上、下行車輛車輪碾壓壓感線圈后，信號燈自動變換，控制車輛運(yùn)行，保證了出入井車輛有序會車，實(shí)現(xiàn)車輛安全運(yùn)行，也提高了車輛運(yùn)行效率。

主井提升是制約礦山生產(chǎn)規(guī)模的重要工序，國內(nèi)部分礦山主井提升已向自動化甚至智能化發(fā)展。武山銅礦也可以在“三期”建設(shè)過程中，通過設(shè)立計控室，與計控室控制系統(tǒng)聯(lián)合開發(fā)，將主、副井提升控制引入計控室集中控制，并配以視頻監(jiān)控設(shè)施，實(shí)現(xiàn)井下皮帶自動或遠(yuǎn)程控制啟停，主井提升自動提放礦的操作，減少井下看護(hù)人員及地表操作人員。同時主井實(shí)現(xiàn)自動控制（運(yùn)行）后，裝卸礦間隔時間有效的得以降低，提升效率也有所提升。配合地表礦、廢石皮帶自動啟停，主井能實(shí)現(xiàn)從溜井落礦到選礦堆場（礦倉）自動化控制，可以極大的節(jié)約了人工并有效的防范了提礦過程中對作業(yè)人員的危害。

3.5 選礦處理方面

選礦處理自動化及遠(yuǎn)程控制在國內(nèi)的應(yīng)用更多了，近年來新建礦山基本都實(shí)現(xiàn)了選礦自動控制。但武山銅礦在選礦處理過程中，受投入年代久遠(yuǎn)的影響，暫難有條件實(shí)現(xiàn)，“三期”建設(shè)時選礦自動化當(dāng)屬必選之舉。因此，為實(shí)現(xiàn)提升到出產(chǎn)品全過程自動化或遠(yuǎn)程控制，將選礦堆場改為圓桶礦倉還是有其可行性和必要性。第一，圓桶礦倉配合鐵板給礦機(jī)、皮帶輸送能夠很好的實(shí)現(xiàn)自動化控制；第二，圓桶礦倉以其均勻下礦的特點(diǎn)，對配礦更為有利，有利于穩(wěn)定選別指標(biāo)；第三，原礦堆場因其范圍的限制有諸多弊端。范圍太大，需挖掘機(jī)輔助攤鋪或集中，增加設(shè)備及操作人員，也存在一定的安全不確定性。范圍小，礦堆雖集中，但存量小。因此，考慮自動化及人員投入的成本及安全性，圓桶礦倉較原礦堆場更有優(yōu)越。

3.6 供風(fēng)、供水、供電及通風(fēng)方面

供風(fēng)、供水、供電及通風(fēng)等井下輔助作業(yè)，因其設(shè)備位置固定，實(shí)現(xiàn)自動化比井下其它設(shè)施要更有利些，因此，國內(nèi)近幾年新建的礦山也都基本實(shí)現(xiàn)了供風(fēng)、供水、供電及通風(fēng)自動化運(yùn)行，部分投入生產(chǎn)年代長的大型礦山也都在積極的開展這方面的自動化改造。所以對武山銅礦來說，只要在初步設(shè)計等設(shè)計階段充分考慮好這方面自動化實(shí)施的問題，實(shí)現(xiàn)起來并非難事。

4 需解決的幾個問題

（1）如上述實(shí)行井下采掘、運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械化，投入的設(shè)備設(shè)施將會是大型化及配套性的，則要求采掘施工（開拓、采準(zhǔn)及采礦）的斷面也要更大[8]，以便于井下移動設(shè)備運(yùn)行自如、便捷快速，達(dá)到充分發(fā)揮大型設(shè)備的優(yōu)勢。同時斷面增大，在現(xiàn)階段沒有更好的采礦方法替代的情況下，也有利于武山采掘效率的提升、生產(chǎn)規(guī)模的提高。斷面大有其有利的面，但也有其不利的一面，資金投入及巷道、采空區(qū)穩(wěn)定性的問題需要進(jìn)一步充分的論證、解決。

（2）由于武山銅礦礦體賦存條件的限制，形成了采場多而散的格局。為使出礦效率提升、從本質(zhì)上提升開采規(guī)模，一方面需要對現(xiàn)有采場采礦方法進(jìn)一步摸探，尋找到安全性較好的適于武山地質(zhì)條件的高效采礦方法，文中提出的VCR采礦法嗣后充填工藝是比較適用于武山的安全、高效采礦方法。另一方面，還需規(guī)劃中段出礦點(diǎn)的設(shè)置及投入與產(chǎn)出的比較。為保證有軌遠(yuǎn)程（或自動）控制運(yùn)行順暢，出礦點(diǎn)難以減少，但絕對不宜過多，同時宜設(shè)置為單向一環(huán)形道，這就要求采場出礦點(diǎn)要在采區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)向線，再向面的集中，需要設(shè)置大采場并增加無軌出礦的距離。這就要對采場合并及無軌運(yùn)輸設(shè)備投入、采區(qū)工程投入等成本與減少人員的效益及安全性效益進(jìn)行比較。

5 需注意的幾點(diǎn)問題及對策

（1）設(shè)備選型立足國內(nèi)外一流，對比、選擇機(jī)械化程度較高的井下采、運(yùn)、充設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)地采本質(zhì)安全提供有力保障。

（2）充分運(yùn)用自動化、信息化手段，強(qiáng)化地下開采過程控制，完善安全保證體系。

（3）機(jī)械化及自動化在生產(chǎn)過程中，只能是完成有規(guī)律性的動作，最后設(shè)備設(shè)施的維護(hù)及突發(fā)問題的處理還是要人去解決，因此，持續(xù)培養(yǎng)必要的人才，特別是專業(yè)技術(shù)人才，懂技術(shù)又能現(xiàn)場操作的通用性人才還是當(dāng)前技能人才培養(yǎng)的重點(diǎn)。

（4）井下通信總體上還是以有線為主干，必竟有線的可靠及安全性要好很多，以有線建立井下基站后，再在未端加以泄漏及其它無線技術(shù)的支撐以提高井下通信的便捷性。針對武山銅礦井下環(huán)境，為增強(qiáng)有線通信的可靠性，有必要建立雙回路通位網(wǎng)絡(luò)，同時對于線路防腐及防潮的問題，一方面通過更可靠的手段或技術(shù)加以解決，如專業(yè)的布線、接頭防腐防潮處理等。另一方，對重要節(jié)點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置專門的硐室，并按通信專業(yè)要求設(shè)置硐室的設(shè)備設(shè)施，保證硐室的干燥及無污染。

（5）武山銅礦井下中段出礦受出礦穿脈內(nèi)泄水井排水、排碴的影響，出礦并非不受日常采礦、充填等活動的制約，主要是充填的問題。要實(shí)現(xiàn)中段出礦遠(yuǎn)程或自動化控制，需要解決充填排水、排碴的問題。三期若實(shí)現(xiàn)膏體充填，排碴或許會有一定的改善，但井下水溝長期不清理或經(jīng)常性的清理都會對中段出礦產(chǎn)生不利的影響。解決這一問題，可以從以下幾方面著手。

①將充填排水及出礦中段的排水下延50m到下一個副中段（有軌出礦中段高設(shè)置為100m，每50m設(shè)一個副中段），將清碴及出礦中段分開，以保證出礦中段的清潔、少淋水。

②對有軌出礦中段的水溝進(jìn)行正規(guī)的混凝土澆筑，并安裝蓋板，在水溝邊（蓋板下）安裝環(huán)形高壓水沖洗水管，以確保水溝不積泥。同時各采場充填排水及排碴問題要在中段設(shè)置固定的清碴巷道或硐室，清碴巷道及硐室與下分段（下10m或12m的分段）貫通，避免清碴對有軌中段出礦影響。

③為加快三期建設(shè)、緩解現(xiàn)有生產(chǎn)銜接困難，有必要對-540m中段以下(-560m)的開拓系統(tǒng)提前介入施工，通在現(xiàn)有出礦出碴系統(tǒng)的-540m與-560m施工一條斜井并安裝皮帶輸送設(shè)備，解決-560m出碴的問題。