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概述

  采矿ore mining是自地壳内或地表开采矿产资源的技术和科学。一般指金属或非金属矿床的开采,广义的采矿还包括煤和石油的开采及选矿。其实质是一种物料的选择性采集和搬运过程。采矿工业是一种重要的原料采掘工业,如金属矿石是冶金工业的主要原料,非金属矿石是化工原料和建筑材料,煤和石油是重要的能源。多数矿石需经选矿富集,方能作为工业原料。

  采矿科学技术的基础是岩石破碎、松散物料运移、流体输送、矿山岩石力学和矿业系统工程等理论。需要运用数学、物理、力学、化学、地质学、系统科学、电子计算机等学科的最新成果。采矿工业在已基本达到的高度机械化基础上,通过改进综采设备的设计、造型、材质、制造工艺、检验方法和维修制度等,将进一步提高其生产能力和设备利用率。同时矿井在提升、运输、排水、通风、瓦斯监控等许多环节将实现自动化和遥控。地下和露天矿都将实现计算机集中自动管理监控。有的国家已将机器人试用于井下回采工作面,开采对人员损害较大的矿种。另一方面,随着人类对地下矿产的不断开采,开采品位由高到低,资源紧缺,迫使使用低品位矿产,选择适当的采矿和选矿方法,进行综合采选、综合利用,提高矿产资源的利用率和回采率,降低矿石的损失率和贫化率。采矿和选矿过程中生成的有毒气体、废水、废石和粉尘等物质以及噪声和振动等因素,对环境、土地、大气和水质等造成危害,一直是人们关心的课题。各国研究环保问题中进一步提出了资源的长期利用问题,特别着眼于废渣、废石、废液的重复使用、破坏后土地复用等。制订强有力的法律,采取有效措施确保矿山环境。

简史

  原始人类已能采集石料,打磨成生产工具,采集陶土供制陶,就是最早采矿的萌芽。中国古代的采矿历史悠久,从湖北大冶铜绿山古铜矿遗址出土有用于采掘、装载、提升、排水、照明等的铜、铁、木、竹、石制的多种生产工具及陶器、铜锭、铜兵器等物,证实春秋时期已经使用了立井、斜井、平巷联合开拓,初步形成了地下开采系统。至西汉时期,开采系统已相当完善。此时在河北、山东、湖北等地的铁、铜、煤、砂金等矿都已开始开采。战国末期秦国蜀太守李冰在今四川省双流县境内开凿盐井,汲卤煮盐。明代以前主要有铁、铜、锡、铅、银、金、汞、锌的生产。17世纪初,欧洲人将中国传入的黑火药用于采矿,用凿岩爆破落矿代替人工挖掘,这是采矿技术发展的一个里程碑。19世纪末20世纪初,相继发明了矿用炸药、雷管、导爆索和凿岩设备,形成了近代爆破技术;电动机械铲、电机车和电力提升、通讯、排水等设备的使用,形成了近代装运技术。20世纪上半叶开始,采矿技术迅速发展,出现了硝酸铵炸药,使用了地下深孔爆破技术,各种矿山设备不断完善和大型化,逐步形成了适用于不同矿床条件的机械化采矿工艺。提出了矿山设计、矿床评价和矿山计划管理的科学方法,使采矿从技艺向工程科学发展。20世纪50年代后,由于使用了潜孔钻机、牙轮钻机、自行凿岩台车等新型设备,采掘设备实现大型化、运输提升设备自动化,出现了无人驾驶机车。电子计算机技术用于矿山生产管理、规划设计和科学计算,开始用系统科学研究采矿问题,诞生了系统采矿工程学。矿山生产开始建立自动控制系统,利用现代试验设备、测试技术和电子计算机,预测和解算某些实际问题。因此采矿工程学科被正式提出并得到了公认。

特点

  采矿的生产环境和生产过程与其他工业相比较,具有以下特点:

  ①采掘加工的主要原料是自然赋存的矿体。矿址不能自由选择,矿床的工业储量不能输入,也不能再生。矿山的生产能力、服务年限和经济效益密切相关。每个矿山都要经历建矿、投产、正常生产、减产和闭矿的历程。

  ②采矿设备和人员经常随采矿进程和加工对象转移,没有固定的加工车间。被开采的矿体必须掘进一系列巷道,进行采矿准备工作(采准),才能开始回采。开拓、采准和回采工作互相协调,才能保证矿山正常生产。否则就会造成采剥失调或采掘失调,迫使矿山减产。

  ③开采工作总的趋势是采掘条件愈来愈差,采出矿石的品位逐渐降低,随之成本可能增高。由于岩石的混入会使矿石贫化,降低质量,还有部分矿石不能采出,而损失于地下。因此要不断改进采矿和选矿技术,开展综合利用,以降低成本。降低贫化率和损失率是采矿生产中重要的质量管理工作,具有很大的经济潜力。

  ④矿体赋存条件和形状复杂,品位分布不均。工业储量在开采过程中可能会有较大变化,使采矿设计难于标准化,加之建矿周期长,基建投资大,故投资风险性也大。

  ⑤采矿工作在露天或地下采场。劳动量大,工作条件差,安全性差,不易实现综合机械化和自动化,故需特别重视改善劳动保护和环境条件。

  ⑥一个矿山的经营效果,在很大程度上决定于所开采矿石的市场供求和价值高低。因此对矿山管理水平的评价,不能像其他工业一样,单纯地以绝对经济效益为准。

分类

  采矿分为普通机械化开采和特殊采矿。

普通机械化开采

  绝大部分矿床用普通机械化方法开采。机械化开采又分为露天开采(包括矿石和砂矿)和地下开采两大类。露天开采将矿体上覆的岩层剥离,然后自上而下顺次开采矿体。露天矿敞露地表,可以使用大型采矿机械,作业较安全,矿石损失少,贫化率低,生产能力大,采矿成本低,大型贫铁矿床和建筑材料矿床多用此法。当矿体赋存深度大,矿体厚度小,剥离工作量很大,其经济效益低于地下开采或需要保护地表和景观时,则用地下开采方法。赋存条件复杂,工业储量较小的有色和稀有金属矿床多用此法。近年来,地下矿山应用尾砂胶结充填采矿法,可有效地保护地表和处理尾矿污染。在一些国家大量发展露天开采后,随着开采深度增大和环境保护要求提高,地下开采有增加的趋势。

特殊采矿法

  特殊采矿法包括地下物理化学采矿和海洋采矿。物理化学方法是浸取、溶解或熔融有用成分,将溶液或熔融体自地下举升至地面提取。这类方法投资省、见效快、工作条件好,只适用于铜、铀等某些金属矿物和盐、碱、自然硫等。滨海大陆架上和洋底蕴藏着大量有用矿藏,但洋底的锰结核尚处于试采阶段。整个特殊采矿法开采的矿产所占比例极小。

开发和开采过程

  矿床开发步骤见图示。矿床开采包括基建开拓工程和生产采矿工程两大项。矿山地下开拓要掘进一系列巷道或沟道以通达矿体,建成完整的采矿生产系统,交付生产使用。
采矿

  采矿生产过程有两类:

主要生产过程

  包括:①采准、切割,为回采准备生产条件。②回采,将矿石崩落破碎,装入运输容器。地下回采包括落矿、出矿作业(见地下采矿方法);露天回采包括穿孔、爆破和采装作业(见露天采矿方法)。③运输,将装入运输容器的矿石运交选矿厂或矿仓(见矿井提升、矿井运输、露天矿运输)。④管理巷道地压、立井地压、采场地压以及露天矿边坡。⑤在矿石运输过程中,通过矿仓、堆栈,将矿石混匀,保证生产的矿石质量稳定。⑥将巷道掘进和剥离产出的废石排弃至废石场。

  由于矿床地质条件和矿山技术条件的不同,采矿方法种类繁多,不同的采矿方法,其采矿工艺流程、采矿机械设备、采区巷道布置和开采顺序也不同。采矿方法选择不当,将长期影响矿山生产的技术指标和经济效益。各主要生产过程都须选用适宜的机械设备,才能获得最佳经济效果。

辅助生产过程

  包括:①人员、材料和设备运送;②电和压气等动力供应;③通风、防尘等劳动保护;④排水、供水;⑤设备维修安装;⑥安全和环境保护;⑦地质、测量以及仓库管理等其他辅助工作。

采矿理论

  采矿科学技术的基础是岩石破碎、松散物料移运、流体输送、矿山岩石力学和矿业系统工程等理论。需运用数学、物理、化学、力学、地质学、系统科学、运筹学、信息论、控制论、电子计算机应用等学科的最新成果。

  岩石破碎理论揭示破碎岩石的能耗和破碎效果间的联系,探求破碎载荷和岩石坚固性及破碎参数间的关系。据以研制高效、经济的采掘机具和器材,寻求新的岩石破碎方法和技术。

  松散物料移运理论研究自矿块、溜井中放出松散矿岩的移动规律和对矿块内巷道地压显现的影响,装载机构和移运设备与松散矿岩的作用机理,据以确定合理的矿块结构参数和采取降低矿石贫化的技术措施,研究高效经济的装运设备。

  流体输送理论 研究矿内空气动力学,流体和固体两相流输送理论,据以保证和改善矿内空气条件,设计风力和水力输送充填材料的合理系统。

  矿山岩石力学理论研究岩体的物理力学性质及矿床开采中发生的力学过程,揭示采场和巷道地压显现规律和围岩与支架的相互作用原理。据以提出正确的地压管理方法,确定合理的矿床开采的结构参数,评价巷道和边坡的稳定性,预测地表及岩层移动和解决深部开采时的岩爆问题。

  矿业系统工程 研究采矿系统的规划、设计、生产计划、工艺过程和管理最佳化数学模型,评价标准,建立矿山电子计算机自动控制系统。

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