現代采礦學知識講義(已修改)

　

【正文】 緒 論一、采礦學的研究范疇采礦學的定義： 是研究在一定技術經濟條件下，以一定的規模安全、經濟、高效地開發自然礦產資源，同時維護采礦空間平衡和系統平衡的一門學科。采礦學研究的意義或使命：由于地殼演變過程中所形成的礦產資源具有不可再生性的特點，因此礦床開采是一次性完成的，不管資源多么豐富，儲量多么大，總有開采完的那一天，在人類科學技術發展能夠達到尋找出新的替代能源之前，我們只能研究如何采取措施最大限度的延長現有資源的使用壽命，如何保護好我們賴以生存的資源與環境等，不僅僅是我們這一代，兩代人發展，還關系到我們的子孫后代的發展大計，這也正是我們國家為什么要把實現可持續發展定為基本國策的原因，通過采礦學的研究學習，我們可了解到節約資源與安全生產的重要性，取得經濟效益與保護環境的相輔相成而非對立的關系，更好地為國民經濟建設提供礦產資源；（1）國民經濟建設需要大量的自然礦產資源，據統計80%以上的原材料源于礦產資源的開采。（2）經過了很多年的開采有些資源呈現枯竭趨勢（耗竭性）、我國人口眾多，人均資源占有量低，2010年前我國四十種主要礦物將有20種出現短缺（3）礦山安全生產形勢嚴俊，各類礦山安全事故頻發。（4）礦業開發帶來的環境負效應：廢石堆、尾礦庫、露天坑、地下水等，有的地方對環境的破壞相當嚴重。（5）經濟效益是保證企業健康發展的前提，也才能使企業良性發展，但是絕對不能片面追求經濟效益，而冒險蠻干，不遵守經濟發展規律。采礦學研究范疇包括三個層面：即兩個平衡，合理的工程與工藝，設備設計參數選擇； 采礦生產的兩個平衡：空間的平衡、生產系統的平衡（1）空間平衡：A、地下礦工作面、采空區穩定；（不出現冒頂、透水等）B、露天礦不滑坡；（邊坡穩定，不會出現大的邊坡坍塌移動）C、通道準備始終保持超前于開采；（開拓、采準、切割、回采）（2）生產系統平衡：各生產系統間合理匹配（采礦、運輸、提升、通風、排水、壓氣、供水、供電、通訊等各系統）。 采用合理的工程與工藝 安全、高效、經濟 采用合理開拓方式（平硐、豎井、斜井等），地下采礦方法（崩落法，地表是否允許陷落？空場法空區如何處理？露天采用什么穿孔、爆破、采裝、運輸、排土工藝比較合適等？） 設備設計參數選擇：型號、數量，匹配問題，（鑿巖，運輸，提升設備裝備等的選擇設計，地下以及露天工藝參數的選擇設計等）二、礦業工程技術發展歷程貫穿于采礦技術發展歷史的主線是采礦方法的演變和采礦手段的進步。從石器時代原始的手工開采，發展到后來的爆破破巖、機械鉆具，高效采裝、運輸；到今天的大規模的現代化開采；采礦技術發展基本體現在效率提高、勞動條件改善、生產的科學性等方面。在漫長的人類長河中，人類的采礦實踐也經歷了由手工到機械，由低級到高級，開采規模越來越大，生產技術越來越高，由初期的地表開采發展到現今的開采地下幾千米的礦石，人類在采礦方面的技術取得了長足的進步，采礦工具或設備不斷改進。緒論表1（見采礦學講義圖表部分PPT2）序號歷史時期作 業 特 征1原始開采利用簡單工具機械力破巖（石器時代手工開采）2爆破破巖利用炸藥破巖，提高了破巖效率（17世紀初黑火藥的應用，是采礦工藝發生重大變化，1867年諾貝爾發明炸藥用于爆破破巖）3機器的使用提升運輸效率提高（18世紀工業革命后，機器的使用）4鑿巖工具改善提高了穿孔效率，大規模提高了采礦效率（19世紀空氣壓縮機的出現導致風動鑿巖機的發明，動力機械鑿巖代替手工鑿巖）5大規模機械化開采開采強度、效率提高（二十世紀初）6現代化采礦多學科知識應用，提高了生產效率與質量建國快60年了，我國的采礦業發展到今天，我國的采礦業已經有了飛躍發展，但是我們還應該充分認識到，我國的采礦業與世界上先進國家的采礦業相比還有一定的差距，還需要我們年輕一代繼續去努力。三、兩個專業方向學習的意義采礦專業：是最主干的專業基礎課程，是各類設計的基礎，學習采礦專業知識最主要的渠道，地下開采，露天開采等。礦物加工專業：了解開采過程，作為選礦技術、生產管理者的基本要求；了解開采帶來的加工問題的原因（廢石混入、礦石的貧化、合格塊度等）等。四、礦床開采方式及其存在的基本問題（結合兩個平衡）當前存在的開采方式：地下開采、露天開采、特殊開采（海洋、采砂、生物化學法等），常規的主要開采方式為地下和露天開采兩種。常見的開采方式：(1)露天開采: 剝離、穿孔、爆破、采裝、運輸、排土等工藝。(2)地下開采：開拓、采準、切割、回采等工藝。(3)露天、地下聯合開采：露天開采淺層礦床，地下開采深部礦床。(4)特殊開采①大洋采礦②石材開采：③溶浸、溶解、熔融開采④月球采礦⑤煤礦中的“三下”開采五、當前的研究方向與學科發展*國內就我國行業現狀，總體來講不均衡，因體制、種類、規模不同差異較大，與國外存在一定差距（參考教材P615）。近些年來在本學科知識應用與研究方面主要有：（1）巖體力學及其應用；（一直接都在研究，只是進展不大，近些年計算機及大量軟件的應用對于本學科的研究提供了方便）（2）充填技術的發展與應用；（近些年又熱了起來）（3）現代決策技術的應用；（借助于新型的理論與技術如專家系統，決策支持系統等）（4）礦山環境保護與災害防治；（人們的意識越來越強，這方面加強了）（5）與其他相關學科的滲透；（礦山行業取得了長足的進展）國外發展現狀理論上與國內相差不大，與國內研究相比有以下特點：（1）研究更注重實效；（注重于解決問題，而我們只是停留在紙上居多，問題解決的少）（2）機械化、自動化程度高；（這是我們差距特別明顯的地方，國外有無人礦山，我們還沒有）（3）環保意識強；（水資源、土地、礦區生態環境的保護等）（4）溶浸技術發展較成熟；（運用適當的化學溶劑，借助于某些微生物的生物化學作用，溶解、浸出、回收礦床和礦石中的有價值的成分。用于不能用常規采礦方法來經濟地開采的潛在資源，可充分回收礦產資源）六、礦業面臨的機遇與挑戰對當前新一輪“采礦熱”的認識客觀地講，當前我國礦產資源開發行業處在一個非常好的發展時期，國內經濟快速發展增長的需要、國際原材料價格的提高使得礦產品價格成倍增長，形成了一股新的“淘金熱”，使得礦業在前些年的劣勢得以遏制，呈現出一派欣欣向榮的景象，但業內人士必須清醒認識到，國內礦業在環境保護、職業衛生安全、職工福利等方面還存在很多欠賬，直接的礦山職工并沒有獲得多少待遇，福利并沒有提高多少或者根本沒有提高，環境保護依然很差甚至更糟，很多礦山企業只是在利用這個機會在片面地追求經濟利益，其他的一概不管，我國礦業發展與西方國家存在較大差距，暫時的利潤在扣減了上述支出后就不存在當前的“暴利”現象。必須清醒認識礦業發展面臨的挑戰①資源的枯竭與劣化趨勢；（越來越明顯，很多礦山要閉坑，資源越來越少等）②環保壓力，當前清潔生產、無廢（無害）礦山的發展；③傳統學科與新興學科的對比；④開采條件劣化；（礦石品位低，技術條件差等）七、關于我國礦山安全現狀的認識我國礦山安全現狀：地下采空區的威脅，尾礦庫的問題，露天采坑閉坑等造成事故的原因簡析：片面追求經濟利益，國家監管力度不夠等，沒有形成一個良好的發展運行機制。八、學習要求與考核方式對于采礦方向的同學絕不能局限在課堂內容，廣泛涉獵相關參考材料的內容，礦物加工專業方向的同學基本概念、基本方法必須清楚，以消化課堂教學內容為主。暫定閉卷考核第一章 礦床地下開采基本概念167。礦床特征一、礦床分類一般按其礦體形狀、傾角和厚度三個因素進行分類。（習慣上稱為礦體三要素）。（1）按礦體形狀分類1）層狀礦體——這種礦體是一層一層的。多源于沉積或變質沉積礦床。特點是：① 層狀礦床的品位，傾角和厚度變化不大，比較穩定。② 礦床規模比較大。③ 多見于黑色金屬礦床。（亂礦多見）地表 圖1 層狀礦床（見PPT4）2）脈狀礦體這類礦床主要是由于熱液和氣化作用，將礦物充填于地殼的裂隙中生成的礦床。特點是：① 礦脈與圍巖接觸處有蝕變現象② 礦床賦存條件不穩定；③ 有用成分含量不均勻；（品位變化大）。（有色金屬，稀有金屬及貴重金屬硫礦床多屬此類）。 圖2脈狀礦床(見PPT5) 3）塊狀礦床這類礦床主要是充填接觸交代分離和氧化作用形成的。特點：① 形狀很不規則。呈不規則的透鏡狀，礦株等形；② 礦體大小不一；③ 礦體與圍巖的界限不明顯； （2）按礦體厚度分類1）礦體厚度的概念： 圖3 塊狀礦床（見PPT6） 礦體厚度是指礦體的上盤與下盤之間的垂直距離或水平距離。前者稱為礦體的真厚度，后者稱為礦體的水平厚度。 b——為垂直厚度； a——為水平厚度； φ——a與b夾角； α——礦體傾角； 對于急傾斜礦體，常用水平厚度，對于緩傾斜礦體，水平或傾斜礦體常用垂直厚度。（也即真厚度。若文中不加說明時，一般指真厚度）。圖4 礦體厚度表示圖（見PPT7）2）分類：可分五類① 極薄礦脈。（一個肩寬）開采時要采一部分圍巖，才能保證正常的工作寬。（用淺孔鑿巖開采的方法）② 薄礦脈——,淺孔回采。③ 中厚礦體——10米之間。一般此時礦塊沿走向布置，多用淺孔回采。 ④ 厚礦體礦體厚度為10——40米，（此時40米為使用沿走向布置與垂直走向布置礦塊的界限，也可以用沿走向布置礦塊）。一般用深孔回采。 ⑤ 極厚礦體 礦體厚度40米以上，深孔回采。（3）按礦體傾角分類1） 近水平礦體礦體傾角小于5176。（包括微傾斜礦體）。可使用有軌或無軌運搬設備直接進入采場運搬礦石。2）緩傾斜礦體礦體傾角在5176。——30176。之間?？刹捎萌肆螂娏?，運輸機等機械設備運搬礦石。3）傾斜礦體礦體傾角在30176?！?5176。之間。可借助于溜槽，溜板或外力拋擲等方法，進行自重運搬礦石。4）急傾斜礦體礦體傾角應大于55176?？衫玫V石自重的重力運搬方法。二 、礦石和廢石的概念（1）礦物——在地殼中，由于地質作用形成的自然元素和自然化合物，統稱為礦物。（2）礦石——凡是在地殼中的礦物集合體，在現在技術經濟水平條件下，能以工業規模從中提取國民經濟必須的（有用的）礦物產品的都叫礦石。（3）礦體——礦石的聚集體叫礦體。（一個礦體是一個獨立的地質體，具有一定的幾何形狀，具有一定的空間位置等）。（4）礦床——礦床是礦體的總稱。（對于某一礦區而言，一個礦床由一個或幾個礦體組成，礦床又可分為工業礦床和非工業礦床）。 ① 工業礦床——在當前技術經濟條件下，符合開采和利用要求的礦床叫工業礦床。② 非工業礦床——與上述情況反之，叫非工業礦床。 （5）圍巖——礦體周圍的巖石叫圍巖。①上盤圍巖——指礦體上部圍巖。②下盤圍巖——指礦體下部圍巖。（6）夾石——夾在礦體中的巖石叫夾石。 圖5 礦體圍巖表示（見PPT8）（7）廢石的概念在采礦過程中所采出的圍巖或夾石，一般稱為廢石。（或者說廢石是：礦床周圍的圍巖以及夾石、根本不含有用成分或者含量過少，當前不宜作為礦石開采的稱之為廢石）。三、礦石品位的概念（一）礦石品位的概念通常我們把礦石中凡是可供利用的元素或礦物稱為有用成份。礦石中所含有用成分的多少用品位來表示。所謂品位就是：礦石中有用成份的重量與礦石重量之比，常用百分數（%）表示。品位=礦石中有用成分重量/礦石重量 100%（或克/噸）一般金屬品位是指礦石中該種金屬元素含量的百分數。還有克拉/噸（金剛石），對于貴重金屬（金鉑等）礦石的品位是用克/噸表示。這是因為這些貴重金屬在礦石中含量很少。四、礦石和圍巖的性質★礦石和圍巖的性質主要包括有：硬度、堅固性、穩固性、碎脹性、結塊性、氧化性、自燃性及含水性等。（一）礦巖的硬度礦巖的硬度是指礦巖抵抗工具侵入的性能。礦巖的硬度取決于礦巖的組成，即取決于礦巖顆粒的硬度，形狀，大小，晶體結構以及顆粒間膠結物的情況等，礦巖的硬度除了對鑿巖有很大影響外，往往影響礦巖的堅固性和穩固性。（二）礦巖的堅固性人們在長期的實踐中認識到，有些巖石不容易破壞，有一些則難于破碎。難于破碎的巖石一般也難于鑿巖，難于爆破，則它們的硬度也比較大，概括的說就是比較堅固。因此，人們就用巖石的堅固性這個概念來表示巖石在破碎時的難易程度。亦有如下定義：礦巖的堅固性是指礦巖抵抗外力破壞的綜合能力。堅固性的大小用堅固性系數來表示，（許多書中硬度系數，也叫普氏系數f值）。堅固性系數 (R的單位 kg/cm2)式中R——為巖石標準試樣的單向極限抗壓強度值。通常用的普氏巖石分級法就是根據堅固性系數來進行巖石分級的如：① 極堅固巖石 f=15～20（堅固的花崗巖，石灰巖，石英巖等）② 堅硬巖石 f=8 ～10（如不堅固的花崗巖，堅固的砂巖等）③ 中等堅固巖石 f=4 ～6 （如普通砂巖，鐵礦等）④ 不堅固巖石 f=～3 （如黃土、）礦巖的堅固性也是一種抵抗外力的性質，但它與礦巖的強度卻是兩種不同的概念。（三）礦巖的穩固性★（1）礦巖穩固性的概念：穩固性是指礦巖在一定暴露面積下和在一定時間內不自行垮落的性能?；蛘哒f穩固性是指礦巖允許暴露的面積大小和允許暴露的時間長短