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我国基于稀土资源保护的境界外矿体开采技术突破瓶颈

2019-01-22 14:52:25   来源:科技日报

  近日,2018年中国冶金矿山企业协会冶金矿山科学技术奖获奖项目公布,由包钢集团矿山研究院牟英杰等为主要创造人,完成的“基于稀土资源保护的白云鄂博东矿境界外矿体开采技术研究”项目斩获“2018年中国冶金矿山科学技术特等奖”。
  包钢集团矿山研究院始建于1963年,是包钢(集团)公司从事矿产资源开发和白云鄂博资源综合利用新技术、新工艺研发及产业化转化的专业机构,具有技术力量雄厚、专业配套齐全、实验设备先进、技术领先、科研成果丰硕、影响面广等优势。
  白云鄂博矿床是一座罕见的大型综合性多金属共生矿床
  确保前后期安全高效开采稀土资源至关重要
  白云鄂博铁矿是我国具有代表性的大型露天矿山,是包钢生存和发展的重要原料基地。自1957年建矿以来一直采用露天方式开采,目前已形成主矿采场、东矿采场和西矿采场。经过60多年的开采,东矿采场境界内保有铁矿石储量已不足2千万吨,采场面临闭坑停产的压力,届时包钢的铁矿石供应将会出现巨大缺口。根据矿山最新地质资料,东矿境界外蕴藏着巨量的铁、铌、稀土资源,因此尽早规划、合理开发这部分资源,可以有效缓解东矿生产压力,延续矿山生命周期,保障包钢(集团)公司铁矿石原料供给安全。
  白云鄂博矿床是一座罕见的大型综合性多金属共生矿床,含有稀土、铌等多种需要保护的资源,与其他矿山比较有它的独特性。其中稀土被广泛应用于国民经济生产的各个领域,是涉及到国家安全的战略资源和高科技材料。包钢从建设之初,就对白云鄂博承担起了开发利用与资源保护双重战略任务。“保护性开采”既是包钢可持续性发展的需要,也是国家赋予包钢的社会责任。因此矿山在露天开采过程中,严格按照工业品位指标,对稀土白云岩、含铌混合岩等有用岩石,通过分穿、分爆、分采、分运、分堆等措施进行了有效保护。
  根据矿山地质资料,东矿境界外铁矿体上、下盘均为稀土白云岩,其形态沿走向为透镜状,沿倾斜方向为层状、似层状,与铁矿体产状近于一致。对于东矿境界外资源开发过程中,如何确保前期在铁矿石开采时不破坏稀土资源,后期能安全高效开采稀土资源?如何确保在露天——地下、地下应力重分布的复杂开采环境下安全开采稀土资源?等等一系列问题亟待解决。为了解决以上难题,开展了基于稀土资源保护的白云鄂博东矿境界外矿体开采技术研究课题,通过该项工作为包钢(集团)公司在决策合理利用东矿深部资源提供科学、合理的判断依据。
  近十年围绕稀土资源保护性开采问题开展攻关获得突破
  基于稀土资源保护的境界外矿体开采技术达到国际领先水平
  近十年来,“基于稀土资源保护的白云鄂博东矿境界外矿体开采技术研究”项目团队围绕稀土资源保护性开采问题开展技术攻关,一系列关键技术获得突破,其中一种水力增压爆破方法等5项获发明专利授权,一种大块率低的水力增压爆破的装药结构等4项获实用新型专利,发表论文10余篇。专家意见认为:基于稀土资源保护的境界外矿体开采技术达到国际领先水平。
  项目团队针对白云鄂博东矿多资源赋存特殊性,提出了稀土资源原位保护的分区段构建保护墙方法,在铁矿开采前为稀土的保护树立了屏障,确保稀土资源后期开发利用。
  开发出对上下盘稀土保护环境下夹心铁资源的低扰动、水力增压破岩技术。提出了水力增压爆破能量利用率和合理水柱高度计算理论,开发出差异微差-柔性缓冲的精准延时减振爆破技术,实现了铁矿高效能落矿,同时保障了夹心铁资源在开采时,上下盘稀土资源的低扰甚至无扰。
  通过理论计算和相似模拟试验,揭示了铁矿开采后的充填体与稀土之间的相互力学关系,提出了后期稀土开采对充填体的损伤变形破坏模式,发明了有利于提高整体稳定性的充填体布筋方式。实现了铁矿开采后的环境再造,保障了开采系统的整体稳定,为后期稀土资源安全无损开采创造了条件。
  构建开拓系统、采矿方法、基建投资、运营成本等多条件约束下的产能模型,优化选择深部资源的合理生产规模。在确保生产规模前提下,开展采掘设备的多方案配套选型研究。
  两年后南区境界外资源可实现安全开采
  届时将有100万吨/年的境界外资源供给包钢集团
  白云鄂博矿区为我国著名的稀土赋存矿区,包钢集团白云鄂博东矿经过60多年的开采,按照开采设计境界内保有储量仅可服务约3年。而东矿境界外赋存有巨量的矿产资源,该部分资源的开发利用,将可延长东矿服务年限,保障包钢集团的原材料供给。
  根据“基于稀土资源保护的白云鄂博东矿境界外矿体开采技术研究”项目研究成果,境界外资源可分为南区、北区及深部资源3个采区,该部分采用分期分区地下方式开采。对于上下盘稀土资源研究采用预筑充填隔离保护墙技术开采,根据研究可有效保护稀土资源不扰动破坏,同时保证夹心铁资源的开采。根据多目标决策确定的南区100万吨/年、深部采区300万吨/年生产规模合理可行。
  2017年底,包钢(集团)公司在组织专家对该项目验收后,包钢(集团)公司立项同意尽快对东矿境界外资源(一期)即南区工程进行建设。目前已基本完成了东矿境界外资源(一期)开采可行性研究报告编制工作,正在开展相关批复的办理工作。预计2年后南区境界外资源可实现安全开采,届时将有100万吨/年的境界外资源供给包钢集团。
  白云鄂博东矿采用基于稀土资源保护的境界外矿体开采研究成套技术,按照工程进度可实现东矿露天-地下的不停产过渡,可采出东矿境界外铁矿石资源量1.539亿吨,保障了包钢集团原材料的供给。其中深部1230m水平以下矿体1.318亿吨、采场境界外挂帮矿体0.221亿吨,延长东矿矿山生命周期57年,创造利税约76.65亿元。同时该研究成果对于白云鄂博主矿及巴润铁矿境界外资源开采具有借鉴推广作用,该成套技术安全上可靠、技术上可行、经济上合理,可为包钢(集团)公司下一步对东矿境界外资源的开发利用提供合理、科学的判断依据。

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