一 问题的提出

随着工业的发展, 科学技术和生产水平的提高, 矿物开采品位不断下降, 其中钨由0.8%降至0.25%, 锡由1.68%降至0.2%, 铜由1.8%降至0.7%以下, 埋藏不深, 运输方便, 开采条件较好的富矿已大量开采。由于开采深度的加深和原矿品位的下降, 运输量和运输距离将大大增加。生产用材料、燃料、动力价格的提高及职工工资水平的上升等因素, 生产成本势必不断提高。

世界一些金属市场饱和, 能源材料的节约, 新型材料对一些金属的取代, 世界金属市场价格波动的冲击, 对金属矿山的开采提出了新的挑战。一些金属供求不平衡和供大于求还可能日趋严重, 形势十分严峻。

我国金属矿山多数用空场法、留矿法回采, 对空区处理还没有给予足够的重视。据国内40多个矿山调查, 采空区总量为8278万米³, 已处理空区4613万米³, 占空区总量的56%, 未处理的空区3665万米³, 占44%^〔1〕。究其原因, 有认识问题, 也有投资、成本以及管理等问题。一些矿山每年增长的空区量大于处理量, 矿山采矿和空区处理失调, 由此而危及矿山安全生产和持续生产。如锡矿山南矿, 东川烂泥坪白锡腊矿区, 大吉山、盘古山钨矿, 水口山、西林铅锌矿, 寿王坟、铜宫山铜矿等曾先后发生空区冒落, 造成地压灾害, 直接或间接地造成回采困难, 损失了大量资源。据不完全统计, 损失钨金属储量1640吨, 铜金属量1292吨, 铅锌矿石112.1万吨。据调查矿山的极不完全统计, 损失各种设施和设备达1361万元^〔1〕。

大量排弃的废石、尾砂都堆积在各个矿山的山坡和低凹山谷的尾砂库内。据调查, 全世界每年要采出150~180亿米³的岩石量。地下矿与露天矿废石、尾砂占地面积为1:5, 美国每年排弃的废石占地约4.8万公顷, 苏联2.5万公顷, 我国占地约12万亩。近几年南方离子吸附型稀士矿开发占地猛增。如按“六五”期间我国各种矿产品计划产量, 套用国外标准推算, 我国每年将被尾砂、废石覆盖和生产设施占地约30万亩。我国人口众多, 占用如此大量的土地, 免不了影响农业和林业生产的发展。在排弃的废石、尾砂中含有各种有害元素, 污染环境, 一些矿山每年治理废水污染、复田造地花费的资金也不少。

二 国内外发展趋势

世界上一些采矿业发达国家, 为了矿山取得高额利润和适应国家法律、法令的约束, 在矿山开采工艺方面, 不遗余力地进行了探索和改革, 如瑞典的斯特拉萨、基律钠, 加拿大的盖克和加佩斯, 美国的乌吉得等矿山的矿石粗碎、中碎、磨矿均在地下进行, 意大利的萨拉法萨铅锌矿在地下巷道中实行矿石破碎和重悬浮液分选分离50%比重较轻的脉石, 秘鲁的马德加尔铜锌矿从粗碎到浮选至获得精矿的整个选矿工艺均在地下巷道中进行, 加拿大的索洛铜矿将日处理能力1350吨选矿厂布置在地下巷道内^〔2〕。

大量采用管道运搬矿石产品。早在本世纪初, 地面用管道运输煤、石灰石、铜和铁精矿等运距已达700公里以上, 年运输能力已达1800~2000万吨。西德的E·V·D林登等研究表明, 当提升高度为500、1000米, 运输量为1000、3000、9000(吨/日)时用管道输送地下破磨15~0.1毫米的矿石, 其费用低于常规的竖井、斜井和带式运输, 而其粒度越细, 流速越高, 耗电也小, 费用更低^〔3〕。朝鲜茂山-—清津铁精矿年运量100万吨管路运输线投资及运营费见表 1、表 2, 年运量100万吨, 运输距离100公里的情况下, 管道输送的基建投资只占铁路投资的40%左右, 运营费只占41%左右^〔4〕。

布干维尔铜矿投产以来废水回收设备的操作参数表明(表 3), 当浮选矿浆浓度降低1%, 则铜和金的回收率提高0.3%, 同增加回收率有关的废水回收系统具有允许浮选给料浓度平均可从41%降至37%的固体含量。废水返回到选厂的价值证明了设置废水回收装置是合算的, 如表 4。试验初期, 执行结果是高比率BCL的起泡剂混合物(配比为70%的甲基异丁甲醇, 30%的乙二醇)中的乙二醇返回选厂, 使得浮选回路的泡沫非常多, 后配比转变90%的甲基异丁基甲醇, 10%的乙二晾, 更加昂贵的乙二醇的消耗量降低, 使总的试剂费用(不包括絮凝剂)的降低达30万克(1克=0.98美元), 废水回收使选矿收到较大的经济效益。又如保加利亚布鲁芝(Brudtse)矿床含钨(贫)铜-泪-黄铁矿复合矿石的混合优先浮选过程中, 采用循环水供给系统, 获得了满意的金属回收率指标。在进行硫化矿物浮选或使用脂肪酸进行白钨矿浮选后, 循环水中油酸30浓度为7.5毫克/升时, 得到的铜-钼精矿含铜23%, 硫30%和含钼1%, 铜与钼的回收率分别为99%、89.5%, 黄铁矿精矿含硫50%, 回收率95%^〔5〕。

我国几乎所有矿山的选厂尾砂都是用管道或溜槽输送至尾砂坝内。一些矿山用水、尾砂、水泥或废石胶结充填空区, 基本上实现了管道或钻孔运输。有些矿山采用水平分层充填和VCR采矿售开采。金川矿二工区的高浓度水砂充填空区; 广东红岭钨矿324、370两个相邻中段改变采矿顺序, 先采324, 后采370等经验对提高矿石回采率, 减少矿石贫化, 利用废石、尾砂自重充填空区, 缓解地压威胁, 提供了宝贵的经验。

三 开采工艺设想

为了探索适合我国地下金属矿山的顺利开发的新途径, 使采选之间相互关联并溶融成一体, 应变以克服目前突出存在的问题, 提出如下设想:

1.我国地下金属矿采场高度一般为45米左右, 有些矿山还设有附中段, 这样就人为地增加了采准工程量, 增加了矿山的采矿成本。几十年来, 采场高度控制在45米左右的原因:一是掘进天井因通风、提升材料困难, 二是使用留矿法时间长, 采不上去, 放不出来。目前瑞典基鲁钠铁矿阶段高度达235米, 许多有色金属矿如乌登矿和伦斯吐姆矿, 使用充填法采矿, 其阶段高度为100米^〔6〕。高阶段可减少整个矿山井巷工程, 加速矿山建设。我国天井掘进技术已发展了钻进法, 如能进一步完善大口径钻孔, 分段爆破一次成井, 采场使用小型机械运送材料, 采场下部上盘用锚杆支护, 那末一些矿山的阶段高度就可增加到80~120米。

2.对资源多的老矿山进行改造。钨、锡矿山将手选及重选改在井下已开采完中段的通风及穿脉巷道中, 废石就地充填空区, 可以减少70%以上的提升费用, 新建及露天闭坑改为井下开采的矿山, 选矿工艺全部改在井下。据初步计算, 基建投资比地面减少35%, 钢材、水泥节省20%, 地皮费可以全部省去, 井下选矿通风、两班照明、选矿工人井下劳动保护和保健费等与地面运输、矿石提升可以相抵不计。除井下解决移动式破、磨选矿设备以外, 一些其它选矿设备就得考虑地面拆卸, 井下装配安装或制造成适合井下运搬尺寸的部件并装, 尾砂分级后就地充填。开拓井只提升精矿、运送原料及人员。一些矿山井筒运输的紧张局面就大大缓和, 新建和改建井筒提高运输能力就没有必要了。

3.我国钨、锡矿山大多数利用坑内排出的矿坑水进行重选、磨矿, 一些选矿厂还保留氰化物浮选工艺, 废水处理费用较高, 应大力推广选矿用水大闭路全循环工艺, 以控制废水的扩散, 减少环境污染, 提高矿山企业的经济效益和社会效益。

4.开展选厂尾矿的综合利用和二次原料的深度加工, 是经济效益、社会效益和环境效益的潜力所在。

我所1981年对湖北大冶铜录山铜矿尾砂库及生产流程中的尾矿用SQC湿式强磁选机进行小试和半工业性试验, 使尾矿中的铁回收率提高到93%, 1983年以后, 该矿将4台SQC-2720型强磁选机用于生产, 每年可从尾砂库和原生产流程中回收商品铁100余万吨, 年纯利可达360万元。近几年我所对西华山、大吉山等钨矿开展钨细泥的研究, 提高了钨、锡、铋等元素的收率, 也取得了较大的经济效益。

众所周知, 攀技花钒钦磁铁矿从选矿尾砂中回收钛精矿, 包头白云鄂博矿过去只考虑铁, 自1978年以来, 综合回收稀土元素和铌, 取得了重大成果, 地处交通不便的盘古山钨矿, 在停电期间利用废石, 尾砂修建了公园、体育场等公共设施, 成为我国冶金系统第一个环境清洁优美的矿山。年产100万吨的姑山铁矿研究将尾砂用作建筑材料, 开展深度加工, 近期效益为150万元/年, 远期可达250万元/年以上。我国地处铁路沿线的金属矿山, 特别是靠近城镇的金属矿山, 如对废石、尾砂进行破碎、分级可用于筑路、制备混凝土砂浆和重型混凝土, 或加工钢筋混凝土制品。诸如此类做法, 值得引起重视和推广。

5.从江西、湖南13个主要钨矿区地压活动的宏观观测和少数矿区的原岩应力测试表明, 这些矿区均非处于高地质构造应力区, 岩体中的应力场主要是重力应力场。而急倾斜、倾科矿体的金属矿山的地压活动, 主要是脉群开采后岩石夹墙的失稳破坏而造成的, 且往住都是从岩石夹墙的断裂构造发育的部位失稳破坏开始的, 如果增强夹墙的稳定性, 在夹墙未破坏之前采场进行充填, 使采空区上下盘和充填体连成一体, 限制岩体形变, 使其抗衡岩石中的应力变化、将处于相对稳定状态。

矿山岩石力学观点认为:开采顺序是矿山应力控制措施之一。它不受“从远到近、从上到下、上部超前”等规定的限制。而是依据不同矿区原岩应力分布, 工程地质条件和次生应力场特征, 选择对围岩应力改善最佳的开采顺序。印度(KOLAR)科拉金矿实践表明, 为避免在多中段作业的矿块中产生过高的应力集中, 发生大面积冲击地压灾变, 将采掘顺序使下水平开采超前上水平一个中段高度, 从而使采空区从原来的“V字形”排例转变为“倒V字形”, 己采出了大量矿石, 而岩爆发生的频率及烈度都大为降低。在一些地质和岩石力学条件探清的矿山, 有条件改变“自上而下”的采掘顺序, 崩落矿石从回采工作面到地表要经过多次各种容器倒运的生产模式, 采用“自下而上”:选矿主要工艺设备布置在上部巷道内, 尾砂、废石利用自重充填空区, 以解决充填料的来源, 充采平衡, 使采选工艺溶融一体。

“采用“自下而上”的采掘顺序, 用尾砂、废石充填空区, 也必须除去-74微米的部份, 不必用水泥胶结, 不受养护及含水量的限制, 特别在开采急倾斜脉状矿床时, 可以不留顶、底柱。耙斗或其它设挤通过充填表面底板上时, 其密度可以相应地增加, 空顶绝不会存在, 充填效果最好。尤其是硫化矿物较高的金属矿山, 其自然粘度较大, 效果更佳。

在采场附近实现破、磨工艺, 除了为管道运输提供必要的条件, 也是在地下完成全部选矿工艺循环必要的一环。这样, 金属矿山引起的变苹, 带来的社会、经济和环境效益, 势必比无轨运输要优越得多。

我国在本世纪末钢铁产量要翻番, 有色金属要满足四化的要求, 除继续学习国外的先进技术、管理, 加快矿山的建设和改造外, 尤为重要的是要在评价主要生产指标时, 必须结合矿床的具体条件, 对社会、经济、环境效益进行综合考虑和综合评价, 制定和实行相应的生产措施, 开辟符合我国国情的采选准融工艺, 努力发展具有中国特色的地下开采工艺。