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采矿基本知识
1采矿基本知识
1.1概述
1.1.1基本概念
(1)矿石:
凡是地壳中的矿物集合体,在现代技术经济条件下,能以工业规模从中提取国民经济所必需的金属或非金属矿物产品的,就叫矿石。
矿石的聚集体叫矿体,矿床是矿体的总称。
一个矿区,可由一个或若干个矿体组成。
(2)废石:
矿体周围的岩石(围岩)以及夹在矿体中的岩石(夹石),不含有用成份或含量过少。
当前不宜作为矿石开采的,则成为废石。
矿石和废石的概念是相对的。
品位(边界品位、工业品位)、储量、岩浆岩、沉积岩、变质岩
1.1.2矿石种类
(1)金属矿石
按所含金属种类的不同分为:
a.贵重金属矿石(金、银、铂等);
b.有色金属矿石(铜、铅、镊、锑、钨、锑、锡、钼等);
c.黑色金属矿石(铁、锰、铬等);
d.稀有金属矿石(钽、铊等);
e.放射性矿石(铀、钍等)。
按所含金属成分分单一金属矿石和多金属矿石。
按金属矿物性质、矿物组成和化学成分分为:
a.自然金属矿石:
金属以单一元素存在于矿床中的矿石,如金、银、铂等。
b.氧化矿石:
指矿石矿物的化学成分分为氧化物、碳酸盐及硫酸盐,如赤铁矿,红锌矿,铁锰矿,赤铜矿,白铅矿等。
c.硫化矿石:
即矿石矿物的化学成分为硫化物,如黄铜矿,方铅矿,辉钼矿等。
d.混合矿石:
矿石中含有前三种矿物中的两种以上的混合物。
(2)非金属矿石
石膏:
主要成分为硫酸钙,按其中含结晶水的多少又分为石膏和无水石膏两种。
石膏又称二水石膏,软石膏,水石膏。
纯理论含量:
氧化钙32.5%,三氧化硫46.6%,水20.9%。
由于形成条件不同,各矿床石膏化学成分也是颇有出入的。
硬石膏:
是一种含有各种杂质的硫酸盐。
理论成分为:
氧化钙41.2%,三氧化硫58.8%。
如云母,石墨,海泡石,归线石等。
1.1.3矿岩力学性质
(1)坚固性:
矿石的坚固性是一种抵抗外力的性能(综合外力:
工具冲击、机械破碎、爆破等作用力)。
国内用矿岩的极限抗压强度来表示。
硬度是抵抗工具侵入的性能。
强度是抵抗压缩、拉伸、弯曲和剪切等单向作用力的性能。
(2)稳固性:
是指矿石或矿岩在空间允许暴露面积的大小和暴露时间长短的性能。
a、极不稳固:
不允许有暴露面积,掘巷道时用超前支护;
b、不稳固:
允许不支护的暴露面积<50m2;
c、中等稳固:
50~200m2;
d、稳固:
200~800m2;
e、极稳固的:
允许不支护的暴露面积>800m2。
3、结块性:
指采下的矿石遇水和受压并经过一段时间后又连结成整体的性质。
对放矿、装车、运输不利。
4、氧化性和自然性:
指高硫矿石在水和空气的作用下,变为氧化矿石的性质。
氧化后的矿石,选矿回收率降低。
含硫矿石(含硫18~20%以上)具有自然性,即在空气中氧化、放热,导致火灾。
象山硫铁矿平均含硫18%,用无底柱分段崩落发,其覆盖矿岩应能粘结形成悬顶,使矿石回收率增加。
不能用留矿法,不能做崩落法的覆盖层,充填料
5、含水性:
矿石或岩石吸附和保持水分的特性叫含水性。
6、碎涨性:
岩石破碎后碎块之间有较大的空隙,其体积比原岩体积增大的性质称破碎性。
破碎后体积与原岩体积之比称碎涨系数(松散系数)。
一般坚硬岩石1.2~1.5,矾土矿为软岩,1.95~2.088。
1.2金属矿床的工业特征
1.2.1矿床的赋存要素
金属矿床的矿体形状、厚度及倾角,对于矿床开拓和采矿方法的选择,有直接的影响。
因此,金属矿床的分类,一般按其矿体形状、倾角和厚度三个因素进行分类。
按矿体形状分类:
a、层状矿床;
b、脉状矿床;
c、块状矿床。
按矿体倾角分类:
a、水平和微倾斜矿体倾角小于5°;
b、缓倾斜矿床倾角为5°~30°;
c、倾斜矿体倾角为30°~55°;
d、极倾斜矿体倾角大于55°。
按矿体厚度分类:
a、极薄矿体厚度在0.8米以下;
b、薄矿体厚度在0.8~4米之间;
c、中厚矿体厚度在4~15米之间;
d、厚矿体厚度为15~40米之间;
e、极厚矿体厚度大于40米。
1.2.2矿床的工业特征
赋存条件不确定
品位变化大
地质构造复杂
矿岩坚固
含水
采矿工作地点的流动性强
1.3金属矿床开采的基本要求
1.3.1概述
确保开采安全、劳动条件
符合环保
高效可持续:
劳动生产率、损失分化、矿石成本、开采强度
1.3.2金属矿开采单元的划分
1、矿田:
规划一个矿山企业开采顺序的全部矿床或一部分。
2、井田:
规划一个矿井开采的全部矿床或其一部分。
例:
古冶矾土矿即是一个矿田,国各庄采区为一个采区。
3、阶段:
在开采缓倾斜、倾斜和急倾斜矿体时,在井田中每隔一定的垂直距离,掘进一条或几条与走向一致的主要运输巷道,将井田在垂直方向上划分为矿段,这个矿段叫阶段。
4、阶段高度:
上下两个相邻阶段运输巷道底版之间的垂直距离,叫阶段高度。
5、矿块:
在阶段中沿走向每隔一定距离,掘进天井连通上下两个相邻运输巷道,将阶段再划分为独立的回采单元,称为矿块。
6、盘区:
为了采矿工作方便,将井田用盘区运输巷道划分为长方形的矿段,此矿段称为盘区。
7、采区:
在盘区中沿走向每隔一定距离,掘进采区巷道连通相邻两个盘区运输巷道,将盘区再划分为独立的回采单元,这个单元称为采区。
盘区相当于阶段,采取相当于矿块。
2地下采矿工程
2.1矿床的开拓方法
从地面掘进一系列巷道通达矿体,以便把地下将要采出的矿石运至地面,同时把新鲜空气送入地下污浊空气排出地表,把矿坑水排出地表,把人员、材料和设备等送入地下和运出地面,形成提升、运输、通风、排水以及动力供应等完整系统,称为矿床开拓。
2.1.1竖井开拓法
当矿体赋存在地平面以下,矿体倾角≧45º,或≦15º,而埋藏较深的矿体,常采用此开拓方法。
(1)下盘竖井开拓
在矿体下盘岩石移动带以外开掘竖井,再掘阶段石门通达矿脉。
这种方法在我国金属矿山应用最广。
优点:
井筒保护条件好,不需要留保安矿柱,矿体倾角大于75º更为有利
缺点:
石门长度随开采深度增加而增加。
(2)上盘竖井开拓
在矿体上盘岩石移动带以外开掘竖井,再掘进阶段石门通达矿体。
这种开拓方法与下盘竖井开拓比较存在严重的缺点。
主要是上部阶段要掘进很长的石门,基建时间长,基建初期投资较大。
(3)侧翼竖井开拓
井筒布置在矿体侧翼。
这种开拓方法井巷掘进和井下运输只能是单向的,掘进速度受到一定的限制。
2.1.2斜井开拓法
(1)脉内斜井开拓法
当矿体沿倾斜起伏不大,无褶皱和断层,才有可能采用脉内斜井开拓。
在我国小型煤矿采用的多,金属矿床一般变化较大,脉内斜井需留保安矿柱,又受甩车道的限制,故用的较少。
(2)下盘斜井开拓法
斜井布置在矿体下盘围岩中,斜井通过石门与矿体联系,石门长度比竖井石门短得多。
也有伪倾斜的斜井。
tgγ=sinβtgα
3、侧翼斜井开拓法
2.1.3平硐开拓法
当矿体(或其大部分)赋存在地平面以上时,广泛使用平硐开拓法。
(1)垂直矿体走向下盘平硐开拓
当矿脉和山坡的倾斜方向相反时,则由下盘掘进平硐穿过矿脉开拓矿床,这种开拓方法叫做下盘平硐开拓方法。
(2)垂直矿体走向上盘平硐开拓方法
当矿脉与山坡的倾斜方向相同时,则由上盘掘进平硐穿过矿脉开拓矿床,这种开拓方法叫做上盘平硐开拓方法。
采用下盘平硐开拓法和上盘平硐开拓法时,平硐穿过矿脉,可对矿脉进行补充勘探。
(3)沿矿脉走向平硐开拓方法
当矿脉侧翼沿山坡露出,平硐可沿矿脉走向掘进,成为沿脉平硐开拓法。
平硐一般设在卖内;但当矿体厚大且矿石不够稳固时,则平硐设于下盘岩石中。
这种开拓方法的优点是能在短期开始采矿;各阶段平硐设在脉内时,在基建期间便可顺便采出一部分矿石,以抵偿部分基建投资。
平硐还可补充勘探作用。
其缺点是平硐设在脉内,必须从井田边界后退开采。
2.1.4斜坡道开拓法
地下开采使用无轨设备之后,其开拓方式应作相应的改变,它的主要变化是要开掘供无轨设备上下通行的斜坡道,
斜坡道有两种:
一种是与地表相通的主要斜坡道。
另一种是连接阶段间的辅助斜坡道。
前者作为地下使用无轨设备出入地表的主要斜坡道。
斜坡道开拓法:
当斜坡道主要用于运输矿岩(无轨车辆)时,称为斜坡道开拓法。
当没有提升井筒时,斜坡道主要是供无轨设备出入并兼做通风和辅助运输之用,此时称辅助开拓巷道。
阶段间的辅助斜坡道几乎是必不可少的。
它不仅可以转移铲运机等无轨设备、同时也是行人、运料和通风的通道,也属于辅助开拓巷道。
(1)螺旋式斜坡道
圆柱螺旋线或圆锥螺旋线,根据具体情况可以设计成规则螺旋线或不规则螺旋线。
螺旋线的坡度一般为10%~30%。
(2)折返式斜坡道
是直线段和曲线段联合组成;直线段变换高程,曲线段变换方向,便于无轨设备转弯;曲线段的坡度变缓或近似水平;直线段的坡度一般不大于15%。
在整个线路中,直线段长而曲线段短。
2.1.5联合开拓法
用两种主要开拓巷道组合起来开拓一个或几个矿体,称联合开拓法。
(1)平硐与盲竖井联合开拓法
适用条件:
用平硐开拓的矿山,如果在平硐水平以下尚有一部分矿体时,则需用竖井进行下部矿体开拓。
竖井可采用盲竖井,也可以采用明竖井。
采用明竖井:
井筒石门长,井口安井架,工程量小
采用盲井:
井筒石门短,掘地下调车场和卷扬机硐室
(2)明竖井与盲井联合开拓法
(3)斜井与盲井联合开拓法
(4)斜坡道联合开拓法
2.2主要开拓巷道
2.2.1开拓巷道的特点
1、平硐与井筒(竖井和斜井)的比较
(1)基建时间短:
因为平硐施工简便,施工条件好,比竖井或斜井的掘进速度快得多
(2)基建投资少:
平硐的单位长度掘进费用比井筒低的多,维护费用也少,没有井底车场,洞口设施简单,布设井架,提升机房,所以投资费省
(3)排水费用低:
一般自流排水
(4)快事运输费用低:
平硐一般用电机车,用溜井下放矿石,比较井筒提升,运输费用低的多
(5)通风容易:
往往可自然通风,困难时期加扇风机
(6)生产安全可靠:
平硐的运输能力达,运人、运货安全性好
平硐优点很多,因此,埋藏在地平面以上的矿体,平硐开拓是首选方案,一般平硐长度限制在3000-4000米以内为宜
2、竖井与斜井的比较
工程量:
斜井长石门短井底车场简单
井筒装备:
竖井井筒装备复杂,而斜井内管道、电缆、提升钢丝绳比竖井长,即经营费用高
地压、支护:
写景承压大,维护费用高
提升:
竖井提升速度快,能力大提升费用低,斜井提升速度慢,能力小,设备修理,钢丝绳磨损大
排水:
斜井排水管道长,设备费,安装费,修理费较大,因管道阻力随管道长度恶热增加,故排水费用高
施工:
竖井比斜井容易机械化,采用的施工设备和装备较多,要求技术管理水平较高
斜井施工较简便、需要的设备和装备少,适合中小矿山
安全:
竖井井筒不易变形,提升过程中停工事故较少;斜井井筒易变形,提升容器易发生脱轨脱钩事故
3、斜坡道与其它主要开拓巷道的比较
掘进快,凿岩台车、铲运机效率高;多用途;工程量大。
2.2.2开拓巷道的选择
主要是根据矿山地形、地质条件和矿体赋存条件来选定(规模、深度;倾角;围岩性质)
国内:
赋存地平面以上的脉状矿床或矿床上部多采用平硐
赋存地平面以下的脉状矿床多采用竖井、斜井
对竖井、斜井:
建国初期,技术水平机械化程度低多采用斜井开拓,随着机械化程度和技术水平的提高,又多改用竖井。
因为竖井提升能力大、安全性好。
后来钢丝绳胶带输送机运输用斜井运输矿石,可把矿石直接运往选厂,生产能力显著提高,所以竖井开拓又有了很多优点,有了一定的发展前途。
斜坡道开拓:
国内外,把斜坡道作为主要的开拓巷道的为数甚少,多做辅助开拓巷道。
总之,开拓巷道类型的选择,必须满足下列要求:
(1)确保安全生产,创造良好的劳动卫
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