1.元明粉的工业用途
芒硝矿石是生产元明粉的矿产资源。元明粉是重要的轻工、化工工业原料,广泛应用于洗涤剂、纺织、造纸、玻璃、制革等行业中;同时也是建筑、医药、食品添加剂、硫酸钡、硫酸钾、硫化钠生产原料,涉及化工、轻工、纺织、建材、医药等20多个行业。
2.芒硝矿地下开采情况
现在,全国范围内仅有四川省境内的芒硝矿和湖南衡阳七里井芒硝矿在进行地下开采芒硝矿产资源,现将四川、湖南衡阳七里井芒硝矿的资源情况、开采情况介绍如下:
(1)四川芒硝资源与开采情况
四川芒硝矿含矿地层为中生界白垩系上统地层,该含矿地层由钙芒硝、石膏、泥岩、泥质粉砂岩及砂岩等岩层组成,属层状结构。地层、矿体硬度f=2～6。矿体单层厚度小于0.4～20m,可以开采矿层或矿层组一般小于20m,矿石品位31%～35%。矿体(层)顶底板围岩主要为紫红色泥岩(含石膏泥岩)、泥质粉砂岩,局部为含钙芒硝泥岩及石膏。工程地质条件属于简单类型。
目前,四川芒硝矿采用房柱法开采芒硝矿层,采下矿石留存原地进行溶浸,故将此采矿方法称为硐室水溶法。一个溶浸采场由几个矿房组成,开采矿层或矿组厚度一般小于10m。现以四川新津联发芒硝有限公司芒硝矿为例介绍硐室水溶法的采矿工艺。
在芒硝矿井下掘进完成采(盘)区采准巷道后,以便掘进采场凿岩、切割、注水和放水巷道。当所有巷道掘进完成后便进行中深孔打眼作业,最后先爆破切割巷道内的中深孔,以便提供自由面,然后再爆破凿岩巷道内的垂直扇形中深孔,最终完成采场大爆破,爆破后矿石留存原地。从注水巷道注入一定温度的热水,浓度达到要求后从放水巷道放出硝水,抽放至地表进行地面加工。
主要技术经济指标如下:
采高:H=8.5～9m;
补偿系数:B=12%～14%;
万吨采掘比:54～59m/t、530～580m3/万t;
炸药单耗:0.3～0.33kg/t;
生产元明粉的矿山成本:50～60元/t。
(2)湖南衡阳七里井芒硝资源与前期开采情况
湖南衡阳七里井芒硝矿属于层状矿床,矿层稳定,产状与地层一致,倾角50～120°,矿体南北长1400m,东西宽1300m。在开采范围内矿体埋深134～326m,厚度17.8～ 92.2m,平均厚度64.47m,属于缓倾斜、极厚矿体。矿石品位29%左右,埋深南浅北深,与地层产状倾向基本一致。沿走向厚度变化不大,沿倾向厚度逐渐变小,即南厚北薄。矿层顶板为青灰色含膏钙芒硝泥岩、含膏泥岩,与矿层呈渐变过度关系,矿层与围岩界线不甚清楚,其物质成分以泥岩(70%～80%)为主,硬石膏10%～15%,钙芒硝10%左右;矿层底板为岩盐岩或含盐钙芒硝泥岩,界线清楚,含盐10%～ 30%,钙芒硝10%～20%,硬石膏5%左右,泥质50%～60%。开采范围内隔水层厚度77～177m,平均厚度123.67m。
2009年～2015年,湖南衡阳七里井芒硝矿采取水平分层的方式开采芒硝矿层,分层厚度10m,其采场布置形式、采矿方法和采矿工艺与四川新津联发芒硝有限公司芒硝矿基本相同,故不再重复叙述。前期开采主要技术指标如下:
采高:H=10m;
补偿系数:B=12%～13%;
炸药单耗:0.27～0.30kg/t;
万吨采掘比:45～50m/万t、500～560m3/万t;
生产元明粉的矿山成本:63～78元/t。
3.湖南衡阳七里井芒硝矿前期开采存在的问题
(1)生产成本高
湖南衡阳七里井芒硝矿的矿石品位为29%左右,矿层含泥质成分多、节理裂隙发育、不易爆,矿石爆破后溶浸首次获得溶浸采场硝水的比重为220～240kg/m3。四川芒硝矿的矿石品位为31%～35%,矿层含砂质成分多、节理裂隙不发育、易爆,矿石爆破后溶浸首次获得溶浸采场硝水的比重为240～280kg/m3。不仅如此,前者的人工工资比后者高30%左右,最终导致元明粉的生产成本比四川芒硝矿高10～20元/t。显然,按原有采矿工艺组织生产要降低生产成本难度较大。
(2)矿山地理位置制约地下采矿活动
湖南衡阳七里井芒硝矿位于衡阳市北8km的松木经开区内,距离衡阳城区较近。随着矿区周边城市化进程加快,目前矿区四周已规划和建设多条公路,同时多个建设项目正在周边加紧建设。
衡阳七里井芒硝矿采用硐室水溶法采矿,井下要进行大爆破工作。因井下大爆破造成的岩体震动对地表影响较大,故需控制一次性大爆破炸药量。这样迫使矿山在进行大爆破工作时不断减少一次性爆破炸药量,从早期的40t/次炸药减少到现在的5t/次以内,但爆破仍然对地表建筑物造成影响,同时造成矿山大爆破工作较为频繁,给矿山的生产和管理工作带来不便。
目前,矿山尾矿库容量仅有460万m3。按硐室水溶采矿法进行采矿活动需要堆放年总采矿量的20%的副产矿石于地表尾矿库。根据矿山现在的生产规模计算,每年需堆放副产矿石22万m3,尾矿库的剩余服务年限仅有8a。为了矿山的可持续发展,需要新征新的尾矿库,这样增加了企业和矿山的成本。
(3)井下进行大爆破工作时安全性低
矿山井下进行大爆破工作前需进行切割采矿工作,而切割采矿工作放炮时产生的粉尘、有毒有害气体都比较大,给工人的身体健康带来威胁;同时,落矿时切割槽两帮及顶部浮石较多,给工人的生命安全带来威胁。不仅如此,进行大爆破工作时一次性参与的人员多、安全管理复杂,这样造成了各种不确定的因素较多,降低了安全的可靠度。
4.绳锯切割矿石在衡阳七里井芒硝矿地下开采的实践与运用
考虑到矿山的安全、生存和可持续发展以及矿石的节理裂隙发育等因素,衡阳七里井芒硝矿在2015年起开始试验绳锯切割矿石。绳锯切割以锯石机为主体,主要采用金刚石绳锯锯切矿石,辅以其它专用机具的开采方法。
(1)绳锯施工原理与要点
绳锯是利用木断的原理设计出来的对脆硬材料进行切割的一种锯。绳锯是针对矿山、荒料、弧形板、大板石材、厚混凝土、不规则的混凝土钢筋、桥梁马路等切割拆除工具。绳锯施工安装方便,使用方法灵活,横切割、竖切割均可。施工要点如下:
①固定绳锯机与导向轮
绳锯机一般安装在垂直切割面的位置,并有一定行走空间,安装在专用轨道或导向轨上。导向轮安装在切割面对应的位置上,安装必须稳定。
②绳锯前打孔作业与安装绳索
绳锯作业前必须提前利用打孔设备在切割体上打好穿绳孔,穿绳孔尽量在一个平面上。利用专用穿绳工具从穿绳孔中穿过,安装在导向轮上,最后缠绕在绳锯机切割轮上,利用压线钳把绳压接在一起。
③相关操作系统的连接及安全防护技术措施
根据现场情况,水、电、机械设备等相关管路的连接应正确规范、相对集中,走线摆放严格执行安全操作规程,以防安全事故发生。绳索切割过程中,绳子运动方向的前面一定要用安全防护栏防护,并在一定区域内设置安全标志,以提示行人不要进入施工作业区域。
④切割
启动电动马达,通过控制盘调整主动轮提升张力,保证金刚石绳适当绷紧,供应循环冷却水,再启动另一个电动马达,驱动主动轮带动金刚石绳索回转切割。切割过程中必须密切观察机座的稳定性,随时调整导向轮的偏移,以确保切割绳在统一平面内。
⑤切割参数的选择
切割过程中通过操作控制盘调整切割参数,确保金刚石运转线速度在20m/s左右,另一方面切割过程中应保证足够的冲洗液量,以保证对金刚石绳的冷却,并把磨削下来的粉屑带走。切割操作做到速度稳定、设备稳定。
⑥切割过程中应注意的问题
如遇到发生卡绳,断绳等现象要有相应措施解决。安全防护措施一定要严格、严密,否则断掉的金刚石绳索上的金刚石串珠会像子弹一样飞出伤人。故现场除搞好必要的防护措施外,一律谢绝来往无关人员观摩。
(2)绳锯切割根据矿石实际情况的实践与运用
经过多次试验,一次对采高20m、采宽25m的矿块进行绳锯切割效率高。利用绳锯切割产生的自由面并辅以少量爆破对矿块整体结构破坏,最后加入热水进行溶浸的形式开采矿石。在切割矿块分层上部布置水平巷道作为绳锯孔施工与穿绳巷道,矿层底部垂直下部布置相同巷道作为绳锯施工和锯切泥沙存放空间。绳锯布置见图1如示。
(3)绳锯切割施工主要包括以下工程
①开拓工程
绳锯切割一次开采高度为20m,每个开采矿块外的开拓巷道沿走向水平布置开拓巷道,开拓工程量可以减少40%～ 50%。
②采准工程
开采矿块下部的采准巷道水平掘进至采场内布置绳锯施工巷道,在其上部置同样巷道,同时局部施工联络巷道和通风斜巷,便于上下部巷道能行人和通风。
③供电、供水
绳锯切割采取金刚石串珠绳锯机,单台绳锯机功率为75kW,提供380V三相电源。绳锯切割时产生大量的泥浆和热量,需要提供冷却水往绳锯面冲洗。
④穿绳孔、绳锯机安装、绳锯切割
开始绳锯前必须进行穿绳孔作业,采取液压钻机施工穿绳孔,尽量减少穿绳孔偏斜。绳锯机安装在开采矿块的下部,需要铺设轨道和导轨才满足绳锯机行走。采取人工穿绳,金刚石绳穿好后,安装在导轮上,启动绳锯机就可以切割矿石了。
⑤绳锯后的爆破作业
绳锯机切割形成切割缝为10mm宽,以切割缝为自由面,作下行爆破孔(孔底距可以比常规爆破增大一倍)。为了有效控制爆破对地表振动影响,辅助爆破可以单排单孔爆破。
⑥绳锯切割成本
绳锯切割矿石,吨矿成本见表1。
⑦成本计算
矿山矿石品位为29%,矿石浸泡回收率取85%,制硝车间生产1t芒硝(元明粉)所需矿石为:1÷29%÷85%≈4.1t,则矿山成本为:4.1×10.9=44.69元/t。
矿山在井下4-5采场、6-1采场、西2-1采场等溶浸采场采取绳锯切割后辅助爆破的采矿形式在生产期间为地面生产提供了较低成本的稳定硝水。
(4)绳锯切割开采的优缺点
①优点
A.节理发育的芒硝矿采取绳锯切割后辅助爆破能达到溶浸效果。衡阳七里井芒硝矿节理发育,采取绳锯切割能有效达到溶浸效果。
B.绳锯锯切效率高,切割速度快。
C.采高与采宽增大,降低巷道掘进量,减少提升至地表排土场的废石量,有利于环保。
D.绳锯开采不再采取大爆破作业,对地表爆破振动有效控制,减少对矿区周边居民与企业影响,有利于矿山长久发展。
E.成本降低大于20元/吨元明粉。衡阳新澧化工地面年产量为60万吨/年,采取绳锯切割能节约1200万元/年。
②缺点
A.绳锯会破坏巷道的完整性,产生顶板危岩。所有绳锯施工必须后退式施工,绳锯机与操作工人必须位于未切割区域。
B.在潮湿环境下进行绳锯施工,有可能产生用电安全问题。
C.绳锯切割后产生大量淤泥。
5.结论
湖南衡阳七里井芒硝矿采取硐室水溶法开采时存在生产成本高、矿山地理位置制约地下采矿活动、井下进行大爆破时安全性低。为了安全、生存和可持续性发展,矿山根据矿石节理裂隙发育、矿层厚度大等因素采用绳锯切割矿石后辅以爆破的采矿形式,有效地降低了生产成本,控制了爆破对地表的振动影响,有利于矿山的长久发展。
摘要：全国芒硝矿地下开采仅有四川和湖南衡阳七里井芒硝矿,衡阳七里井芒硝矿开采成本比四川芒硝矿开采成本高,并且受地理环境影响,衡阳七里井芒硝矿采用绳锯切割在矿山井下开采中有效地降低了生产成本。
关键词：芒硝矿,硐室水溶法,绳锯切割