石膏礦山液壓破碎與鉆爆協(xié)同開采試驗(yàn)研究

田鵬

(湖南宏業(yè)石膏礦業(yè)有限公司,湖南 常德市 415300)

0 引言

我國的天然石膏資源豐富,已探明的石膏保有儲(chǔ)量約570億t,居世界首位,但優(yōu)質(zhì)石膏匱乏。石膏資源大部分用于水泥制造業(yè),作為新型建材的應(yīng)用不足。

石膏礦以沉積型礦床為主,常形成巨大的礦層或透鏡體。緩傾斜中厚礦體的開采因無法控制損失率、貧化率,一直是個(gè)世界級(jí)難題,主要采用房柱法、底盤漏斗法、機(jī)械化上向水平分層充填法以及預(yù)切頂全面法開采緩傾斜中厚礦體[1]。目前,石膏礦地下開采以房柱法最為普遍和成熟,主要采用基于化學(xué)炸藥的鉆爆法進(jìn)行回采,存在爆破噪聲、振動(dòng)、沖擊波、飛石等有害效應(yīng),并容易導(dǎo)致圍巖損傷[2],存在安全隱患大、生產(chǎn)成本高等一系列問題。

我國煤炭行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化采煤,并向著智能化的方向不斷發(fā)展,本文借鑒煤炭行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn),圍繞石膏礦山緩傾斜中厚礦體非爆破開采技術(shù)進(jìn)行探討,并在某石膏礦山開展了試驗(yàn)與研究,取得了良好的效果。

1 非爆破開采技術(shù)比選

1.1 主要非爆破開采技術(shù)

目前,主要的非爆破開采技術(shù)包括靜態(tài)破碎劑、二氧化碳爆破、巖石劈裂機(jī)、液壓破碎錘、連續(xù)采礦機(jī)、高壓水射流沖擊破巖、微波破巖、熱沖擊破巖、激光破巖、等離子體液電沖擊破巖等技術(shù)[3-4]。各種技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 主要非爆破開采技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

1.2 適合石膏礦的非爆破開采技術(shù)

非爆破開采技術(shù)和鉆爆法相比,普遍具有安全、環(huán)保的優(yōu)勢(shì),避免了雷管炸藥危險(xiǎn)性高、爆破有害效應(yīng)多、衍生破壞大等危害,對(duì)頂板破壞較輕,在一定程度上改善了傳統(tǒng)鉆爆法的作業(yè)條件和作用效果,但也普遍存在成本高、效率低的問題。

作為地下礦山,采場(chǎng)臨空面少,對(duì)巖石的鉗制作用比較明顯。因此,靜態(tài)破碎劑、二氧化碳爆破、巖石劈裂機(jī)等對(duì)臨空面要求較高的開采技術(shù),在露天礦山應(yīng)用的效果較好,但在地下礦山的應(yīng)用效果較差。而且這些開采技術(shù)更適合硬質(zhì)脆性巖石。石膏的普氏硬度系數(shù)為2,屬于典型軟巖。常德市部分地下石膏礦山也曾引進(jìn)上述開采技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)效果不佳,開采效率很低。

石膏具有遇水軟化的顯著特征,《石膏礦地下開采安全技術(shù)規(guī)范》(AQ 2015—2008)明確提出:采場(chǎng)不宜采用濕式作業(yè),不允許進(jìn)行灑水或清洗采場(chǎng)礦壁;石膏礦山不宜采用水力鑿巖;溜井中的石膏礦石,每次下班前應(yīng)放空,以免礦石凝結(jié)封堵溜井。因此,高壓水射流沖擊破巖等以水為介質(zhì),連續(xù)采礦機(jī)等粉塵較多,需要灑水降塵的采礦方法,均不適合石膏礦山。

以采煤機(jī)為核心的煤礦綜采技術(shù)已成為煤礦的主流開采技術(shù),并使煤礦的開采由機(jī)械化逐步走向自動(dòng)化、智能化[5],部分高價(jià)值金屬非金屬礦山也在引進(jìn),并取得了良好的效果[6-8]。經(jīng)過考察,適合石膏開采的連續(xù)采礦機(jī),每臺(tái)售價(jià)高達(dá)數(shù)百萬元,而且需要使用上千伏的高壓電。經(jīng)測(cè)算,單純回采成本就與常德市地區(qū)普通天然石膏原礦坑口價(jià)持平,從經(jīng)濟(jì)的角度上來講,該技術(shù)不具有在石膏礦山應(yīng)用的可行性。

綜上所綜,液壓破碎錘兼顧了安全、環(huán)保、效率和投資回報(bào)率,可在現(xiàn)有挖掘機(jī)上直接進(jìn)行改裝,其綜合性價(jià)比高,但也面臨著臨空面不足的問題。因此,計(jì)劃采用先爆破掏槽,增加巖石的自由臨空面,為后續(xù)液壓作業(yè)創(chuàng)造有利的力學(xué)結(jié)構(gòu)條件,然后用液壓破碎錘落礦的采場(chǎng)機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法開采思路,并在某石膏礦開展了生產(chǎn)試驗(yàn)。

2 某石膏礦山概況

2.1 開采技術(shù)條件

某石膏礦礦區(qū)處于歇駕山向斜北翼,巖層呈單斜產(chǎn)出,礦山主采礦層賦存于下第三系古新統(tǒng)沙市組上段,屬內(nèi)陸湖相沉積型礦床。呈層狀、似層狀產(chǎn)出,礦層連續(xù)、形態(tài)規(guī)則,未見斷層,礦層產(chǎn)狀嚴(yán)格受區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造控制,即與頂?shù)装鍑鷰r產(chǎn)狀基本一致。整個(gè)礦層向南東傾斜,傾角平緩,平均傾角為12°左右,厚24.45～41.06 m。礦層的礦物成分較簡單,主要為石膏、硬石膏,一般含有纖維石膏,其纖膏含量為0.9%～5.5%。

2.2 采礦方法

該礦山的采礦方法為淺孔房柱法,沿走向劃分礦塊,礦塊又劃分為礦房和礦柱。礦房寬度為10 m,礦房高度為10 m,房間礦柱采用方形礦柱,頂?shù)装寰鶠楹嗟姆凵百|(zhì)泥巖,考慮到石膏層屬較堅(jiān)固巖石,抗壓強(qiáng)度可達(dá)38 MPa,穩(wěn)固性好,開采時(shí)留設(shè)3m 作為護(hù)頂層。

淺孔房柱法在該礦山應(yīng)用效果較好,建礦以來未發(fā)生地面塌陷、裂縫或地面沉降現(xiàn)象,礦山地面呈穩(wěn)定狀態(tài)。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1 設(shè)備選型

目前,艾迪精密、浙江貝力特等液壓破碎錘品牌在市場(chǎng)上處于優(yōu)勢(shì)地位,經(jīng)過售后服務(wù)等多方面考慮,某石膏礦對(duì)現(xiàn)有的SY335H 型挖掘機(jī)進(jìn)行改造,安裝了貝利特公司155直角靜音型液壓破碎錘,并進(jìn)行了機(jī)械化采礦試驗(yàn),初步驗(yàn)證緩傾斜中厚礦體采場(chǎng)機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法開采的可行性,貝利特公司155型液壓破碎錘的性能指標(biāo)見表2。

表2 155型液壓破碎錘的性能指標(biāo)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2022年9 月,在采場(chǎng)進(jìn)行了為期一個(gè)月的試驗(yàn),分別采用了鉆爆法、液壓破碎錘法、機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法3種方式,并詳細(xì)記錄了作業(yè)時(shí)間、采礦量、耗材情況、破巖效果等各項(xiàng)指標(biāo)。

機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法的具體作業(yè)流程如下。

(1)爆破掏槽。采用液壓破碎錘對(duì)頂幫浮石進(jìn)行“敲幫問頂”,消除安全隱患。在工作面中下部采用煤電鉆打水平掏槽孔,布孔方式為桶形,孔深3 m,然后裝藥、爆破,形成掏槽洞。

(2)通風(fēng)。新鮮風(fēng)流由運(yùn)輸巷進(jìn)入工作面,沖洗工作面的污風(fēng)由回風(fēng)上山至回風(fēng)巷,最后由風(fēng)井排出地表。局部通風(fēng)不良地段采用局扇輔助通風(fēng)。

(3)液壓破碎錘破巖落礦。將液壓破碎錘釬桿與掏槽洞附近的石膏表面垂直,并保持一定壓力后再開動(dòng)破碎錘,沿著掏槽洞不斷將周邊的石膏破碎,直到工作面高度的石膏礦體全部破碎崩落,注意頂板盡量成拱形。最后對(duì)于崩落的大塊石膏,采用破碎錘進(jìn)行二次破碎。

(4)出礦。采用無軌運(yùn)輸,用L936型地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行裝載,由礦用地下自卸汽車運(yùn)輸至主井,經(jīng)箕斗提升至地面。

由于采場(chǎng)只有一個(gè)自由面,巖石的鉗制作用比較明顯,液壓破碎錘直接進(jìn)行機(jī)械作業(yè),存在效率低、進(jìn)度慢等問題。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),先采用鉆爆法進(jìn)行掏槽,創(chuàng)造較多的自由面,比直接作業(yè)生產(chǎn)效率更高,速度更快。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)束后,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析,鉆爆法、液壓破碎錘法、機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法3種開采方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表3。

表3 3種開采方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

由表3可知,在開采工效方面,單純液壓破碎錘法低于鉆爆法,這和此前了解的情況一致,采用機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法后,工效顯著提高,幾乎和鉆爆法持平。

在直接成本方面,使用破碎錘的成本略低于鉆爆法,主要是隨著數(shù)碼電子雷管的推廣,雷管成本翻了5倍,同時(shí),鉆爆法需要的作業(yè)人員和管理人員相對(duì)更多。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析,機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法的采礦直接成本低于傳統(tǒng)的鉆爆采礦法,生產(chǎn)效率基本持平。與此同時(shí),管理成本和安全成本顯著下降,各類爆破有害效應(yīng)得到明顯減弱,作業(yè)人數(shù)和勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。

(2)本次試驗(yàn)周期較短,主要是對(duì)采場(chǎng)機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法應(yīng)用的可行性進(jìn)行試驗(yàn)和量化統(tǒng)計(jì),未形成系統(tǒng)的開采模式,統(tǒng)計(jì)的有關(guān)數(shù)據(jù)可能存在一定誤差,和長期采礦成本可能有一定的差異。

(3)非爆破機(jī)械化開采具有圍巖擾動(dòng)小、剝落礦石塊度小、粉塵少、作業(yè)人員少等優(yōu)點(diǎn),有效提高了礦山生產(chǎn)過程的安全性。但也存在著生產(chǎn)效率偏低的問題,本次試驗(yàn)通過少量民爆物品的使用,不僅大幅度提高了生產(chǎn)效率,而且由于民爆物品一次性用量的劇減,各類爆破有害效應(yīng)得到了明顯減弱,安全性大大提高,證明了采場(chǎng)機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法開采石膏礦的技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)可行性。

(4)石膏等礦山由于產(chǎn)品價(jià)格不高,應(yīng)用采礦機(jī)進(jìn)行機(jī)采的經(jīng)濟(jì)投資回報(bào)率不足。本試驗(yàn)提供了一條新的解決方案,采用機(jī)械化聯(lián)合鉆爆法的方式,兼顧不增加成本和不降低產(chǎn)量,一次性投入小,見效快,提高了采礦的安全性,為其他同類礦山的高效開采與安全綠色生產(chǎn)提供了參考。