采矿技术的现状及发展趋势

采矿技术的现状及发展趋势

一、世界采矿工业的现状

由于世界上人口的增加和人类生活水平的提高,对各类矿物的需要量逐年在增加，但随着开采技术的进步，矿石的产量增加了，可是品位都在下降，例如：铁矿石平均品位，苏联在65年为40.8%，70年为37.3%，到76年为36.1%；美国51年为49.5%，71年为34％，到77年大部分为20－36％。美国在1900年只开采含铜6％以上的矿石，70年代平均开采品位则为0.7%，80年代开采的斑铜矿平均品位为0.53%，在本世纪（21世纪）预期要降到0.2%，至于边界品位以下的金属资源，回溶浸法生产的铜，已占其年产量的5％，75年美国用此法浸铜，占其年产量的20％，76年开采12,600吨铀，其中用溶浸法的有500吨。用这种方法还可以回收矿石中的钼，镍，金和其他有色金属，能够取得很有希望的成果。

另一个增加矿石的来源，是加大开采深度。现在开采较深的一些矿床，主要是有色金属，其开采深度已超过2000米的地下矿山，有美国南达科塔州的铅矿区为2280米和爱达荷州的科马尔德，艾林铅矿区为2340米；加拿大镍矿有的达到2400米；印度科拉尔金矿已到3240米；南非西部底卜斯金矿开拓深度到达3800米，估计到5000米时，在经济上仍为合算，国外许多金属矿露天开采深度都在增大。最深的老矿—美国宾汉姆露天铜矿，深度已到800米。而我国的某些矿山的开采深度也在逐年增加，例如云锡公司的地下开采也将要达到2000米左右。

由于陆地上矿产资源日益枯竭，人类开发海底矿物的时代已经到来。海底矿产资源储量极为丰富，初步探明深海中的锰结核矿石储量约为2－3万亿吨，其中以太平洋的含矿品位较高，约为150亿吨（含锰24％，镍1.06%，铜0.53%，钼0.9%，钴0.35%）磷结核约100亿吨，软泥为1000万亿吨。而且这些含有多种金属和非金属的矿产储量，均属于自生矿物，如锰结核在一年中的自生量，锰可供世界用三年，钴四年，镍一年。由此可见，海洋采矿的发展，前途是十分壮观的。

矿石的产量增加了，可是矿山数目的增加，远不及矿山规模加大来得快，国外已投产或正在建设中的年产矿石1000万吨以上或采剥总量超过2000万吨的大型露天矿山，至少有60－70座，仅美国和苏联，就各有20座，其中年产矿石4000万吨或采剥总量8000万吨左右的特大型露天矿，即有20多座，如美国明塔克铁矿为年产矿石6000万吨,矿岩采剥总量1亿2千万吨,美国宾汉姆铜矿年产矿石量为3780万吨，矿岩采剥总量1亿6千万吨。至少地下矿山也同样趋向大型化，西方地下开采的矿山，无论是金属矿山及一些主要非金属矿山，从69年到79年的10年内，虽然是产量增加了，但矿山个数却保持在590座左右，年产量大于1百万吨的有197座，其中有56个大于3百万吨。目前最大的地下矿山，有超过2000万吨的，如瑞典基律纳铁矿，有超过1000万吨的，如美国圣曼略耳铜矿和来麦格斯铜矿。

由于矿石开采量大和贫矿多，在开采方式上露天矿得到发展，以美国为例，过去20年来，地下开采平均每年只增加矿石量0.36％，而露天开采却每年平均递增采剥总量80％，按金属品种：铁铜，铝，钼等矿石开采，露天矿的比重较大。以铁为例，苏联为85％，美国94％，澳大利亚为100％，加拿大，巴西，利比里亚，南非，智利，委内瑞拉和印度也主要是露天开采，铜矿方面，美国和苏联也分别各占60％和65％。

二、世界采矿科学技术的成就及发展趋势

世界采矿工业的科学技术成就及发展可归纳为以下几个方面：

（一）、机械化、自动化和计算机应用：

矿山规模的扩大，主要取决于贫矿开采和设备大型化，但大型设备的发展，基本趋向于稳定，现在主要是对已有设备进一步改进，特别是注意节能，适当提高效率，加强预防，维修来延长设备寿命，要求具有更好的灵活性和耐用性，以及提高辅助作业的机械化程度，这是当前的奋斗目标。

1、露天矿技术装备水平，在穿孔上普遍采用铅头直径为200－380毫米的牙轮钻机，而最大直

径可达444毫米。潜孔钻机在中、小型露天矿仍是主要的穿孔设备，但孔径仍不超过200－250毫米。

在装载设备上，电铲仍是主要工具，斗容从3.8－6.1米3，已增大至9.2－15.2米3，较大的有20－30.5米3，个别剥离表土的最大索斗铲已达170米3。液压铲也在发展，在挖掘矿石上，最大的斗容已达17.5米3，主要用在较松软的煤矿，采石场和表土的装载，其在金属矿山的使用正在增长。轮胎式前端式装载机在金属矿山各种辅助作业中，早就得到了广泛的应用，现已发展到成为装载设备，最大斗容已达9米3，煤矿有的已达14－17米3，近几年来为露天矿此种设备所提供的新产品和改进产品比较突出，使其装载能力有了惊人的提高，但是装载机还是有其局限性，特别是从规格和能量上来看，不能取代电铲。

露天矿的运输工作占有很重要的地位，是一种费用最高，花费劳动力最多的工作，所需劳动力占全矿50－60％，运输费用占总成本的50％左右特别是露天矿深度的增加，这个问题就显得突出。在国外，汽车仍是主要运输矿岩的设备，85吨级以上的是电动轮汽车，而汽车的载重量，现在处于两个极端：一是小到18吨，二是大到270吨，甚至到350吨级。当前矿山企业主张载重200吨级汽车是最佳规格。由于露天矿用汽车节油越来越被重视，有些矿山公司采用架线辅助装置的电动轮汽车。如南非的柏拉博拉铜钛矿，节约油量占总耗量的34％，还有发展代用燃料或燃料涤加剂，如采用木酒精代替部份柴油，试验液态氢，以及把柴油和蓄电能结合在一起的混合式发电机等。轮胎是限制汽车重型发展的主要因此之一，日本小松汽车公司运用航空工业的成就，制造成一种高强度的轮胎，引起了汽车工业界的重视。在国外，采用单一铁路运输的露天金属矿，只有美国伦西铜矿和苏联南部采选公司露天矿等少数几个矿山，但是使用铁路比汽车联合运输的矿山，还是比较多的。苏联铁路运输的比重较大，80年全苏露天铁矿的铁路运输量约占有30％左右。为了提高铁路运输能力，苏联除广泛采用120吨和150吨以上的电机车外，还使用1,200马力的内燃机车，并在一些深露天矿推广使用电气自翻车的载重量为180吨。另外，皮带运输机在国外露天矿的应用，正在大力发展，已由用在松软和中硬的矿岵，扩大到坚硬的矿岩；皮带运输机的运输能力大，爬坡可达180，与汽车和铁路运输相比较，可以缩短运距，降低矿石成本。并已采用移动式破碎机和钢绳胶带运输机，来解决大块和皮带摩损的问题。汽车－固定式或半固定式破碎机－胶带运输机的联合运输方法，近20年来有了很大的发展，主要是用在开采深度较大的或扩建的露天矿，如智利的丘基卡马塔铜矿，深度已超过400米，采用了这一方法，经济效益很好。因此，从50年代起，苏联就着手研究这种运输方法在金属露天矿中的应用问题，而且在78年就有了19座黑色冶金露天矿在采用。

国外露天矿在机械化中，非常重视辅助作业的机械化问题。在露天采场和公路路面的清理和维护工作上，都配置有碾路机，压道机，水车，撤砂车等。在维护和检修工作上，除设有机修车间外，还专门设有检修设备的车辆和润滑车，加油车，吊车等，开赴现场，对各种设备进行维修，润滑和加油。在生产作业上，采用凿岩台车与落锤或液压破碎机破碎大块，装药车进行装药，推土机或前端式装载机装运矿石，清理工作面和排土。

总之，随着露天矿井开采规模的大型化，国外露天矿先进采矿装备有两个最大特点：一是采矿装备大型化，二是装备自动化智能化。１９９５年小松公司推出了２７２吨的９３０Ｅ矿用汽车，１９９８年卡特彼勒公司又推出了ＣＡＴ７９７型３２７吨矿用汽车。为了与大型矿用汽车配套，Ｐ＆Ｈ４１００型电铲斗容已达３５立米，４铲就可装满一辆３２７吨级矿用汽车。５９Ｒ、６１Ｒ牙轮钻机钻孔孔径已达４４５ｍｍ，轴压力达１８４吨和１５２吨，扭矩达２万Ｎ·M和３万多Ｎ·M。进入２０世纪９０年代以来，国外露天矿大型设备单机载计算机实时监控已有了成功的应用。近年来，美国模块采矿系统公司、卡特彼勒公司借助于全球定位系统（ＧＰＳ）和高性能的数据通讯网络技术，先后开发了有关计算机软件，对各种设备进行自动化智能化控制管理。

2、地下矿山机械设备在国外，近二十年来成就也是很显著的。主要在设备的机动，灵活，高效的大型化。竖井钻机在美国发展很快，直径为1.5－7.44米，平均仍只有1.8米，井深可达1.680米，主要用作通风或其他目的的辅助井筒；1.2－3.0米直径的井筒，平均月成井速度为150－250米。但是普通凿井方法在目前仍是通用的方法，南非金矿区平均进尺100米/月。62年创造6.7米净径的381米/月的最高纪录。天井钻进技术正在取代传统的凿岩爆破方法，主要用于钻进矿石溜井和通风天井，

也用来钻进辅助天井，采场人行天井，切割天井，充填井和安全通道。80年代在世界25个国家中便有290台天井钻机在使用。目前钻3.6米直径的天井是普遍的，深度可达900米。直径大于6米以下天井的钻进费用，要比普通法的掘进费用更为便宜。掘进速度快2－3倍，工作更安全，成井更稳固，通风阻力较小。虽然平巷全断面钻机在美国许多矿山都试用过，而且新的一代钻机还有许多改进，但矿山平巷钻进法大量推广，还要一段较长的时间，通常仍是采用凿岩爆破方法，苏联米尔蓄利姆赛伊铅锌矿在76年创造最高纪录1034.6米/月。

国外地下矿山的凿岩设备，特别是在巷道掘进上，推广了液压凿岩机，但是风动凿岩机具有结实、简单、容易维修和设备价格低等优点，并在不断地改进和完善中，现在仍难断言哪种将占有优势地位。凿岩机用的柱齿钻头的优点，近年来已显示出来大直径在市场上日益占有主导地位，而且小直径也已研制成功，正在推广中。配有1－3台凿岩机的金液压台车，现已广泛地在应用，有利于实现凿岩的自动化，近几年来潜孔钻机在地下钻大直径落矿深孔已得到大量推广，直径为100－200毫米的炮孔，孔深可达53米，穿孔速度可达到3.0－4.5米/时。地下牙轮钻机已在苏联、加拿大等国使用，钻头直径为200毫米，孔深60－130米。

无轮装运卸设备中，铲运机日益在国外地下矿石有重要地位，对于断面大的巷道，装运卸设备中的前装机比生产运机更受人们欢迎。这些无轨装运卸设备，能普遍地提高劳动生产率一倍以上。在80年地下矿山中，已有地下秃轮装运卸设备25000多台，铲斗容积为0.76－13米3，目前最大者已达18米3。但是绝大多数的装运卸设备是用柴油驱动的，由于空气污染和通风费用的不断增长，电动铲运机是一种新的动向，有取代柴油铲运机的趋势，拖成电缆式铲运机正在推广。无轮柴油驱动的车辆，叫辅助车辆，如装药车，混凝土浇灌车、撬毛车、液压二次破碎机、架棚机、锚杆安装车、人车、材料车、润滑车等都已广泛地推广使用，降低了矿工繁重的体力劳动，减少井下工人数量，获得了明显的成效。汽车运输用地下矿山主要运输路使用，正在逐渐地增多，但有轨运输仍是主要方式，在西方国家大型地下矿山中，还有70％如美国汉德逊钼矿，瑞典的基律纳铁矿等都是有轨运输，还推广了振动技术的连续回采工艺，即振动出矿机→转载机→皮带运输机→矿石溜井→振动溜口→矿车的连续放矿和运搬工艺，使整个流水线有可能实现自动化控制。

坚硬矿石的采矿机正在大力试验，如南非金矿的冲击锤式液压采矿机，法国洛林铁矿的120HR 型采矿机，美国白松铜矿的长壁式刨岩机等，都已取得一定的成绩，可是这些设备都还存在有钻头强度，可靠性和适应性以及工作面运搬与支护等问题有待进一步完善，所以目前只能说采矿机还是处萌牙时期。

总之地下采矿装备将向以下几个方向发展：（1）装备成龙配套，机械化程度高。国外先进地下矿采矿装备从凿岩装药到装运，井下全部实现了机械化配套作业，各道工序无手工体力操作，无繁重体力劳动。各种类型的液压钻车、液压凿岩机、柴油或电动及遥控铲运机是极普通的基本装备。为了适应机械化成龙配套，装备大型化、微型化、系列化、标准化、通用化程度高。（2）装备无轨化、液压化、自动化程度高。国外目前先进的采矿装备已完全实现了无轨化、液压化。在自动化方面，已成功地引进了无人驾驶、机器人作业等新技术。（3）装备技术性能成熟，可靠性高。国外矿山企业往往选用全球知名采矿设备专业厂家产品，如采用世界有名的采矿设备厂家阿特拉斯公司、瓦格纳公司、ＧＨＨ公司、艾姆科公司产品。这些全球性知名厂家产品技术性能成熟，可靠性高，技术服务周到。

3、遥控和自动化技术的应用：

在当前采矿工业中迫切需要。露天矿的大型钻机和巨型电铲有的已经实现了遥控，露天矿机车的自动化运输早已应用；露天矿全部自动化，已具备可能的条件。

地下矿山的自动化难度较大，但是瑞典基律纳铁矿在主要运输水平采用自动控制系统；美国汉德逊钼矿的15.5公里主平不同和地面至选厂7公里距离的铁路上，运输工作已全部自动控制，矿井提升、排水、通风、压气等。在一些技术发达的国家里，早已实现了自动化。地下凿岩作业已普遍采用一人操纵多机台车，从开孔到凿岩结束和钎子退回原位，全部实现了自动化。为了改善劳动条件，试用了喷射混凝土的遥控装置。瑞典有一座充填法矿山，也实现了装、运、卸的自动化。预计

随着逐步实现连续采矿作业，自动化水平将越来越高，但实现全部自动化尚有一段距离。

4、电子计算机在探矿和露天矿中的应用，已成为一件平常的事情；但是在地下矿山因作业较为复杂，而发展缓慢。继南非拍拉博拉露天铜钛矿采用电子计算机控制调度汽车运输系统之后，加拿大赖特山露天铁矿，保家利亚米德特露天铜矿和美国皮马露天铜矿也都装设了类似的计算机系统。另外，在露天矿采矿生产作业中，如牙轮钻机和皮带运输机的自动控制。边坡监测系统的自动化等，电子计算机的应用，已经是比较成功的。

在地下矿山方面，瑞典有些矿山设置有中心控制室，用电子计算机操纵列车，从矿企装矿、配矿、运行到卸矿。美国克来麦格斯钼矿在使用阶段自然崩落法中，采用了电子计算机处理矿石数量及质量，合理制订放矿制度，实现均匀持续放矿，以提高采矿回收率和降低贫化率。

在矿山企业管理上，电子计算机已用于地质测探、测量、矿石储量计算、生产、基建、工程服务、供销、财务、计划等方面都有很大成绩。

在研究工作上，澳大利亚南威尔士大学在计算机上模拟地下采场，能分析应力集中，位移以及相互关系，有利于矿柱与矿层的设计。美国利用模拟计算机，在井巷设计中分析整个掘进过程各工序的成本和效率，使设计工作合理化。瑞典用计算机研究巷道掘进凿岩爆破参数，南斯拉夫研究计算机在维修工作上的应用。

总之，电子计算机在矿山的应用，日益增加，内容也极其广泛，是未来实现无人或少人矿山，不可缺少的手段。

由于金属矿山的机械化和自动化水平的提高，电子计算机也得到广泛和应用，改变了矿山工作人员和职能机构的组成结构，人员组成中机械人员与采矿人员的比例，由40年代以采矿人员为主体，目前变成各占人数一半。另外，矿山上的设备维修工作，由过去只有很小的维修业务，到目前不仅没有小、中修还设有大修车间。这些反映出三十多年来，矿山在演变中出现了一个很大的变化。随着电子计算机，空间技术和原子能的运用和发展，无人的采矿和挖掘工作面将会普遍出现，在恶劣环境和繁重的劳动以及深海区的海下采矿等条件下，将会用机械人操作，以代替人工作业，由电子计算机来控制；在大规模开展溶浸法采矿时，将采用原子能爆破等等，这些都是控技术革命所给予采矿工作者的繁重任务，必将取得辉煌的成果。

（二）、新材料、新技术和新工艺

近廿年来，矿山在新材料、新技术和新工艺方面，有了较大成就，也促进了矿山采矿工业面貌的改变。

1、矿用材料的炸药，起爆器材和喷锚支护都有了很大的进展，在国外，铵油炸药和浆状炸药在互相竞争的情况下，进展很显著，据美国矿业局统计：74年美国金属矿山炸药使用的总量中，铵油炸药占59.5％，浆状炸药占34.5％，而其它炸药只占6％左右。乳化油炸药是70年代发展起来的一类新型抗水炸药，受到各国的普遍重视，其强大的生命力已经显现出来。

瑞典塑料管电子导爆装置，是70年代在提高爆破安全性方面的最大革新。这种起爆系统能防止杂散电流，不致引起炸药早爆，有利于孔底起爆，已经用于露天开采，竖井开凿，地下掘进和采矿。

摩擦锚杆是近十年来发展起来的新型锚杆，在国外得到大量采用，目前，美国年用量在350万根。相当于锚杆总量的50％在国外锚杆新品种很多，如美国的水泥锚杆，瑞典的水压膨胀锚杆等都有发展前途，另外有一种钢丝绳锚索，是用来维护和加强露天矿边坡和地下坡的采场顶部矿体及上、下盘，深度可超过20米，现已全面推广应用。至于喷射混凝土技术，随着喷射设备和混凝土组分的改进，混凝土强度一般可达420公斤/厘米2。瑞典卢基公司研究一种湿式喷射混凝土的方法，使溅出的物料损失率，由干式最多40％，降低到不超过18％，产生的粉尘也大大地减少。瑞典波立登公司使用含有钢钎维的喷射混凝土联合支护方法，对破碎岩层是最有效的方法，有时还可以加上金属网，防止碎块冒落，保证安全作业。

2、在爆破技术和工艺上，也有了很大的进步。国外露天矿广泛采用多排微差爆破技术，以增加每次爆破的矿岩量，减少爆破次数，提高设备利用率，改善爆破质量。美国巴比特铁矿同时爆破的炮孔数为3－6排，多者达8－10排，一次爆破10万吨矿岩量已习以为常，有的达到100－200万吨。

美国最大的一次爆破量达20－25排孔，矿岩量达300万吨。由点到面使用多排孔微差爆破和高威力炸药，可使大块率降低，美国巴比特铁矿为1.5％，苏联有的矿山甚至小于1％。

在地下爆破技术和工艺的改进上，除在推广微差爆破和光面爆破处，也增加了一次爆破量，特别是在充分利用爆破能量上，取得一定的进展。美国皮里奇铁矿在76年用浆状炸药483吨，回采矿柱270万吨，这是世界上最大的一次地下大爆破。加拿大克雷顿铜钼矿在77年也用浆状炸药一次回采214万吨矿柱，并用起爆迟管器使每次迟管炸药量控制在允许限度4,086公斤以内，使爆破下面及其附近运输巷道的震动和冲击波控制到最小，也改善了爆破效果。这种复杂的起爆迟管系统，从第一段到最后一段只用1,500毫秒时间。加拿大国际镍公司从充分利用爆破能量观点出发，研究成功球状药包爆破，并提出只要药包直径与长度比不小于1:6，即可认为是球状药包。由于球状药包的出现，导致出现新的矿柱回采方法、采矿方法、采场切割方法和天井掘进方法。是地下开采过程中一项很有价值的发现。

为了提高回采强度，进一步有利于机械化，许多地下矿山采用斜坡道开拓，一般都是竖井－斜坡道联合方案。后者通常用作运输人员、材料和设备的辅助通道，可与采场直接联通大大减轻了人员的体力劳动，减少转运次数和运送时间，提高了劳动生产率，于是出现了机械化房柱法、机械化充填法、机械化崩落法、机械化分段法等，使地下开采面貌出现了一个崭新的场面。另外，斜坡道还可以作露天转入地下的联合开拓巷道，实践证明，也是行之有效的。

由于采矿设备和技术的发展，虽然在露天矿山采矿方法变化不明显，但是采矿方法却有了较显著的变革。据现在估计，地下矿山采出金属矿石量，约占全世界金属矿石总量的30％，有些国家地下采出金属矿石量的比重还很高，瑞典87％、法国95％、联邦德国97％、日本98％、南非73％；而各种采矿方法在全世界采出矿石的比重：分段空场法25％、房柱法15％、充填法20％、分段崩落法10％、自然崩落法15％、其他方法15％。这些地方采矿方法在变革中，有些比较突出。在美国的阶段自然崩落法研究中，对预测矿体可崩性的研究上，取得了明显的成就可以根据矿体中的裂隙和节理的分布情况，将这种方法运用到坚硬的矿石中，如美国汉德逊钼矿便是一个例子，在瑞典基鲁纳铁矿，为了解决无底柱与分段崩落法的贫化率高，通风困难，每次爆破量少，装运费用高以及深度增大引起的稳定性问，试验了分段崩落－留矿法新方案。据观察，情况良好。在苏联对改进无底柱分段崩落法上，推广了一种高低分段，无底柱崩落采矿法，还在茨克顿采选公司《青年》铬矿试验了人造柔性假顶的无底柱分段崩落法，以图降低开采贫率和提高矿石回收指标。在加拿大、日本、澳大利亚等国，充填法得到发展；充填工作已实现管道化，砂浆中固体重量浓度为65－75％，充填料大部份是选厂尾砂，美国矿务局在金属砂中试验成功电动力脱水技术和美国乔伊公司研制定型离心脱水备；特别是在胶结充填法中，充填体能有效地支撑地压，又可以下回回采，更使这类采矿方法得到迅速推广。于是出现许多新方案如：点柱式上向分层充填法，下向分层充填法，无底柱分段充填法等，使充填采矿法在未来的深部开采中，以及在当前环保条例日益严格的情况下，将会得到进一步的发展，可能使矿厂进入地下。只把精矿用管道送上地表，因而矿井提升会有变化，地面可不要尾矿设施。完全改变了现在矿山的面貌，这一设想的实现为期也不会太远。在薄层矿脉开采上，30年来进度不大；美国已在着重提高分层充填采矿法的机械化程度和用冲击破碎镐进行落矿等两方面下功夫。

总之，在当前矿山安全和环保条例日益严格的情况下，西方国家的矿石生产成本在上涨，但是某些主要金属产品价格又在下落，解决这个矛盾，除加强矿山机械化和自动化外，必须改进和创造更好的矿山开采技术，及其生产工芝和矿用材料，以期达到进一步提高开采强度，改善工作条件和取得最大的经济效益应是迫不及待的任务。特别是开采技术的改变，会引起一个由量变到质变的过程，能促使采矿工业来一个一次大革命。现在看来这种趋向潜在可能性很大，要改变也为期不会太远了。