砂巖薄層鈾礦床刨采技術的探索性研究

王澤江，趙 紅，邵磊昌，宋麗霞，郭 元

(核工業北京化工冶金研究院，北京101149)

鈾礦產資源是國民經濟發展和社會進步不可或缺的物質基礎，當前中國正處于工業化高速發展階段，隨著國民經濟總體實力的不斷壯大，對鈾礦物原料的需求量和比重逐年攀升。但有相當一部分砂巖型鈾礦因礦層薄，難以采用露天開采；而采用常規地下炮采方法，又有成本高、效率低、安全難以保障等缺點。因此，立足國內當前鈾資源分布和開發條件，積極探索安全高效、技術裝備先進、經濟合理、節能環保的薄層鈾資源開發技術勢在必行。

薄礦層是指厚度在0.8～4.0 m的礦層。薄煤層安全、經濟的開采是一個世界性的難題，由于煤層薄、開采作業空間小，導致工作條件惡劣，回采效率低，經濟效益差，同時存在安全難以保障、機械化程度低等現象[1]。薄層鈾礦床的大規模開采在國內還沒有相關應用；但鈾礦床的開采工藝與煤礦床的開采工藝有異曲同工之處，鈾礦除了具有獨特的放射性防護需求外，其他的安全開采難度一般不及同樣地質條件的煤礦。

從目前的開采技術來看，刨采技術在煤炭開采領域已經十分成熟[2-3]。因此，在薄鈾礦層的高效化、自動化開采研究過程中，可借鑒薄煤層自動化、智能化的刨采工藝。探索研究薄層鈾礦床刨采工藝是一項前瞻性、基礎性的工作，不僅可以為砂巖型薄層鈾礦床的大規模連續化、機械化、自動化生產探索技術途徑，同時也可為這種方法應用的可行性、技術經濟損益和應用前景提供依據。

1 薄層鈾礦床圍巖及礦石特性

1.1 薄礦層開采方法現狀

采礦方法的選擇涉及礦山生產的方方面面，其影響因素眾多。適宜的采礦方法就是對這些影響因素進行綜合分析，以獲得最優效果為目的，其基本原則包括[4]：符合礦床的地質賦存條件；采場回采安全可靠性高；采礦效率高，成本低，綜合經濟效益好；采場布置和回采工藝簡單；合理的貧化率和損失率；充分利用礦山現有條件；機械化裝備水平高，工人勞動強度低等。

薄礦層的開采方法通常需考慮礦層的空間形狀、埋深、礦巖力學特性、賦存狀態等，借鑒煤礦成熟的開采經驗，近水平薄煤層的開采方法有：1)綜合機械化開采法；2)螺旋鉆機采煤法；3)刨煤機開采法。綜合機械化開采法由于增大功率會增大機身尺寸，從而增大了對礦層采高的要求，這對于薄層鈾礦床的開采局限性很明顯。螺旋鉆機采煤法在礦巖硬度很低時才可采用，且其鉆采速度慢、過礦巖能力差，若應用于層理不明顯的鈾礦開采時，其效率會更低，缺點也更加凸顯。刨煤機開采法適用的條件應盡量滿足：礦層厚度在0.9 m以上，礦層厚度及地質條件變化小，礦層傾角不大于10°，礦層中硬以下(f<3～4)或礦層硬度大但水平節理發育或遇水等易軟化[5]。北方大部分砂巖型薄層鈾礦床滿足以上刨采的基本條件，可將刨采作為主要的新型開采方法予以考慮。

1.2 礦床的地質賦存特征

某鈾礦床是中國北方具有代表性的松軟砂巖型鈾礦床，主礦層處于非滲透層或弱滲透層中，礦石工業類型以富含黏土礦物的鈾礦石為主，富含碳酸鹽的鈾礦石次之，屬于軟弱巖層為主的層狀礦床。礦層賦存層位及圍巖主要為泥質膠結砂巖、泥巖和粉砂巖，層間結合良好，無節理裂隙發育，抗壓、抗剪強度低，穩定性差。礦層形態主要呈板狀，產狀平緩。

1.3 地質適應性分析

從礦床的工程地質條件來看，該礦床地質構造簡單，地層產狀平緩，礦體及頂、底板較完整且為成巖度較低的粉砂巖、泥質粉砂巖及泥巖。礦層呈近水平層狀賦存，厚度薄，穩定性較差，工程地質條件屬簡單類型，滿足采用刨采方式的基本條件。

從礦床水文地質條件來看，主礦層處于當地侵蝕基準面附近的非滲透層中，礦床附近無地表水體，主要充水層富水性弱，地下水補給條件極差。礦體周圍無其他采空區、水體、溶洞積水的存在，亦沒有與暗流或河流導通的可能性，回采過程中無需特殊的水文地質防范措施，礦床屬于以孔隙充水為主的簡單水文地質類型，有利于刨采技術應用。

從礦床的巖石力學試驗數據來看，巖石三軸抗壓強度試驗的靜泊松比平均值約為0.3，巖樣內部微裂隙、孔隙較為發育，巖石三軸抗壓強度試驗的泥巖黏聚力為0.332 MPa，內摩擦角為16.99°，該礦床的圍巖及礦層硬度均較小，尤其是礦層硬度值f<2，滿足刨采對礦巖硬度的要求。

綜合分析看出，該礦床地質條件滿足采用刨采方式的基本要求。

2 刨采系統構成與礦層的可刨性分析

2.1 刨采系統的構成與自動化控制

薄礦層刨采工作面自動化生產系統應滿足高產高效、設備自動化(集中)控制、安全可靠性高、國產設備能夠與引進設備實現可靠連接等要求，確保采運平衡，最大限度地發揮薄礦層刨采的優勢[6]。因此，應合理設計工作面的長度，科學設置刨深，選用能刨割相應硬度礦巖的刨采機組，提高刨采速度，相應地提高液壓支架的移架速度，與大運量、高強度的工作面輸送機相匹配，運輸巷道也采用長距離、相應運量的帶式輸送機。

在煤礦中，井下工作面自動化刨采技術是利用先進的網絡技術、自動控制技術、通信技術、計算機技術、設備工況檢測和故障診斷技術、電液控制技術和視頻技術等，將采礦設備信息與生產工藝過程控制結合起來，實現機、電、液一體化自動控制[7]。借鑒成熟的煤炭生產系統所采用的刨采設備，刨采自動化工作面裝備布置如圖1所示。

1—運輸平巷帶式輸送機；2—刨采機刨頭；3—轉載機與破碎機；4—可彎曲刮板輸送機；5—刨鏈；6—牽引裝置；7—端頭支架；8—液壓支架。圖1 刨采工作面成套裝備布置示意

為實現某鈾礦層的高效安全刨采，根據礦床的賦存特征和工程地質條件，擬定選用先進的全自動化刨采成套設備，初步擬定的刨采工作面主要刨采設備及規格參數見表1。

全自動化刨采工藝初步分為4個階段：刨采機刨礦、裝礦，刮板輸送機運礦，電液控制系統自動聲光報警、噴霧、推溜，電液控制系統自動拉架[8]。因此，工作面設備具有嚴格的啟動順序：乳化液泵站→噴霧泵站→破碎機→轉載機→運輸機→刨煤機。上述設備啟動后，信息會自動反饋給PROMOS控制系統。PROMOS控制系統是整個自動化工作面的控制核心，操作人員只需在順槽內對計算機(MCU)或PROMOS服務器監視與控制即可實現各設備自動化運行，進而完成采礦過程，PROMOS控制系統啟動程序如圖2所示。

表1 自動化刨采工作面主要設備配置及規格參數

圖2 PROMOS控制系統啟動程序

2.2 礦層的可刨性分析

礦層可刨性是指礦石的可破碎特性，它直接影響刨采機械的工作性能。目前，中國對礦巖可刨性的研究很不完善，沒有制訂統一的標準，使得刨采系統的選型配套不盡合理，可靠性不高，工作面產量較低，設計制造長期處于停滯狀態[9]。根據調查研究和統計分析，影響礦層可刨性的主要因素包括礦石的硬度、礦巖堅固性和礦石的天然賦存狀況等。因此，在研究礦巖可刨性主要因素的基礎上，有必要建立薄礦層可刨性分級指標，并進行定量化處理，等級指標的分值見表2。

表2 礦層可刨性評價指標

根據某鈾礦床礦的性質和特點，經過大量的文案調研、現場試驗、巖石力學試驗及綜合歸納分析，建立了該鈾礦床可刨性分級評價的三級指標體系，如圖3所示。

圖3 礦層可刨性分級評價的三級指標體系

本次研究的礦床可刨性分級是在上述準備工作基礎上，采用專家打分法估測各層次因素的重要性，再應用統計方法計算得到最終該礦床的可刨性綜合指數，各因素及其權重評分見表3。

表3 礦巖可刨性的德爾菲法評價因素權重

根據建立的礦石可刨性分級指標體系和綜合評價模型，結合現場調查與試驗得到的巖石力學試驗參數，采用德爾菲分析法對礦層的可刨性進行綜合評價，得出某礦床的可刨性綜合指數i=77.37，據表2可知，屬于易刨礦層，故采用刨采方式技術可行。

3 刨采工藝與常規炮采工藝的技術經濟分析比較

3.1 刨采與常規炮采的技術分析比較

根據通常的開采工藝，刨采以保守生產估算，炮采按正常生產估算。設定2種采礦方法的順槽長度均為1 500 m，設備及工器具折舊期均為10年，均采用礦井全負壓通風，年平均有效生產天數均為330 d。經計算，刨采工作面長度為150 m，每班進尺1 m，日平均進尺3 m；炮采工作面長度為50 m，日平均進尺2 m，二者主要技術參數與指標比較見表4。

3.2 刨采與常規炮采的經濟分析比較

采用生產能力指數法分別對鈾礦全自動化刨采生產工藝與常規炮采工藝進行投資估算，主要經濟指標比較結果見表5。

表4 刨采生產工藝與常規炮采的技術分析與比較

注：搬家倒面周期，刨采按2 a計算，炮采按3 a計算。

表5 刨采生產工藝與常規炮采的經濟分析與比較

從以上技術經濟分析可以看到刨采較常規的炮采優勢十分明顯。從技術角度考慮，刨采工作面自動化程度高，呈現大規模無人化生產，預估的年產量為59.4萬噸；而采準工程量小，勞動定員少，工人可在順槽中操縱機器生產，大幅度減少了工作面作業時間，因此減少了作為高危行業的采礦生產的事故發生概率，同時可有效預防和控制職業病危害，大大提高采場開采的安全性[10]。從經濟角度考慮，刨采由于采用大規模長工作面集中開采，因此其采準工程量小，采準建設投資更少；刨采工作面的自動化生產帶來了勞動定員數量減少，從而降低了人工費用。刨采工作面自動無人化生產效率更高，其年產量估算為59.4 萬噸，約為炮采年產量的4.5倍，而年均投資約為炮采的1.6 倍，其生產效率遠高于炮采，而增量投資卻很小，這使得刨采的噸礦成本(103元/t)遠小于炮采的噸礦成本(294元/t)。因此，刨采的生產效率更高，經濟效益明顯。

刨采工藝與常規炮采相比的不足之處：1)刨采無法開采邊角礦，礦石損失率較大；2)刨采的地質適應性較差，無法高效通過斷層，無法有效應對頂底板起伏變化、礦層中有大塊堅硬夾石等情況，局部嚴重的地質構造帶可能影響工作面推進速度，造成設備的損壞，甚至不得不丟棄部分設備；3)刨采機開采堅硬礦石的能力不強，使得刨采機的使用局限性加大，設備關鍵部件的可靠性不高，刨頭調向裝置的靈敏度不高，使刨煤機推進過程中容易出現“飄刀”或“啃底”現象，造成刨頭推進過程中控制困難；4)刨采工藝的前期投資較大，建設與安裝時間較長，且整套工藝系統連續運行的風險性較常規炮采要大。

4 結論

1)中國北方部分砂巖型鈾礦床具有礦石質軟、賦存規模大、地質條件穩定、水文地質條件簡單等特點，采用刨采方式開采該類薄鈾礦層具有廣闊應用前景。

2)技術經濟分析表明：預估的某鈾礦床采用刨采方式年產量可達59.4萬噸，噸礦成本僅為103元。相對常規炮采而言，刨采具有顯著的技術先進性與經濟效益，可為類似砂巖型薄層鈾礦床開采提供借鑒。

3)刨采方式是一種集約化、自動化、高效安全的生產方式，在理想的同等條件下均優于常規炮采方式。但刨采方式對礦石硬度、地質條件變化、礦石遇水軟化泥化、頂底板變化等條件適應性較差，生產系統整體運轉的穩定性存在一定風險；且生產前期投資大，對配套設備性能要求高，采用刨采方式開采存在開采條件限制嚴苛、適應性風險高的問題，決策前應充分調查研究，權衡利弊。