鉆孔水力開采簡史和趨勢

中國很久前即開始人工淘采砂礦，1673年曾用附近高山天然水源，開鑿明溝，引水沖淘砂礦。1929年在廣西水巖壩砂錫礦用水槍砂泵開采，在望高砂錫礦用自然水壓,裝備水力提升器開采,節(jié)省了電源,經濟效果良好。1949年后，砂礦露天水力開采由開采砂錫、砂金發(fā)展到開采鎢鈦錳礦、鈮鉭鐵礦、鋯英石、金剛石等，甚至用水力開采粘土。使用水力開采的礦山、基建時間短、投資少、設備簡單、生產率高、成本低、投資見效快、技術經濟效果良好。 砂礦床開拓基坑開拓法 采場內開掘長約40~50m、寬10m的基坑，坑內布置砂泵揚送。視礦體厚薄,基坑可一次或分段掘到礦床底板，坑內礦漿池深度一般為1.5m左右。

塹溝開拓法 開掘塹溝，在溝內設輸?shù)V溝道，自流運輸砂礦。如越過凹地，可與自流倒虹管配合，不用動力，經濟可靠(圖1)。 平硐溜井開拓法 開掘平硐和溜井通向礦體。在溜井中安設溜漿管，平硐底板鑲砌沖礦溝。本法適用于喀斯特山坡地區(qū)的低凹分散礦塊，為節(jié)約動力，應盡量采用自流運輸，避免砂泵揚送。目前使用的平硐長度已達2.6Km。溜井分垂直和傾斜兩種,前者應用較多。溜井用密集支柱支護。溜漿管的管徑通常為350mm,礦漿通過該管送入平硐中的沖礦溝。沖礦溝布置方式有兩種:①砌筑于平硐底板上，適用于服務年限短的礦山;②在平硐底板下面開掘。管道與沖礦溝的連結處設有緩沖池，以減少沖擊力，防止礦漿從管內流出時飛濺。管道上部入口處應設格篩，以防大塊和泥團阻塞管道。

采礦方法主要是沖采,有時要進行殘礦回收,在有些砂土中需預先松動和清理廢石。沖采水槍的進水管直徑為150~200mm，噴嘴直徑常用38~65mm，壓頭為50~150m;耗水量為采砂量的1.7~14倍,在高山缺水地區(qū),控制在3倍以下。水槍距工作面的最小距離,通常與階段高度值相近。水槍移動步距為4~6m,砂泵移動步距為50~200m;或先將礦漿池前移,當砂泵吸入管加長至50~90m后，再移動砂泵。

水力開采一般不適用于嚴寒地區(qū)。在氣溫低于 5℃的地區(qū)，應有防寒措施，如對水泵、砂泵和水管等進行防凍;在水管較低點設放水閘門，工作停止時注意放水;設置備用水管;采用高階段時,采取減少水量的措施,將水壓提高50~60%;采場底板坡度比夏季加大25~30%等。

沖采法 有逆向、側向、順向及聯(lián)合沖采法，以逆向沖采法應用較多(圖2)。該法系將水槍對準工作面,用射流在臺階底部掏槽，使砂土坍陷,與水混合成礦漿，逆向流往礦漿池和沖礦溝，可充分利用射流沖擊力，減少耗水量。由于部分殘礦不能回收，采場底板有裂隙或溶洞時，又有部分礦石沉積，礦石損失率一般為5~10%。沖采時表土和夾層混入,使出礦品位降低;但同時有部分廢石被篩出，又可使出礦品位相對提高，一般實際貧化率為5~10%。 砂礦的預松動 可提高水槍效率，降低水電消耗和采礦成本。松動方法有爆破法和水壓法。前者使用較多，經濟效果良好，在高山缺水地區(qū)更為顯著，每噸砂礦的耗水量可降至1.7t。后者適用于具有滲透性的砂礦，在距階段坡頂線2~3m處插入一排鋼管，插深約2m,管距約3m，壓入高壓水。經數(shù)小時可使土巖塌落，采一噸砂礦耗水0.5~0.7t。此法與底部掏槽相結合,效果良好。

殘礦回收 有的殘礦是由于工作面底板坡度而形成，有的則為殘留于喀斯特溶洞中的砂礦。前者一般先用爆破法松動殘礦，然后用水槍逆向沖采，再調整噴嘴直徑，用順向沖采法清掃底板殘礦，并用小型移動砂泵揚送礦漿至主砂泵的礦漿池內或沖礦溝中;不能沖走的廢石,可用人工或機械清理。后者可用膠管小水槍沖采，配合小型移動砂泵;如溶洞狹小，可用水力射流提升器回收。

水力運輸分自流和加壓兩類,前者不耗費電力,生產成本低，又分溝道運輸和管道運輸兩種方式。溝道運輸可就地取材，基建投資少，中國廣泛采用。在地形條件限制時，往往輔以自流管和倒虹管。

溝管線路選擇應滿足:①基建工程量小，架空部分少，施工方便，利于維修;②線路盡可能取直，線路轉角不小于120°;③使大部分砂礦或剝離物能自流運輸，少用輔助砂泵;④自流運輸?shù)臏系榔露却笥谏暗V流動的臨界水力坡度,線路轉角處最好有100mm的落差;⑤溝道坡度過大時，用跌水落差調整，以減少磨損;⑥在地形有起伏時，可用自流管和倒虹管，在最低處設排礦閥。

自流運輸 ①溝道斷面 有半圓形、矩形和梯形。后兩種在生產中廣泛被采用。矩形斷面的開挖工程量小，流深較大，砌筑方便,但更換溝底襯板不方便,大泥團較多時易阻塞溝道，水力半徑小。梯形斷面與之相反。取二者之長，可以上半部為矩形，下半部為梯形。沖礦溝的深度應為礦漿流深的2倍以上。

② 溝道坡度 礦漿自流溝道的最小坡度，與漿中的土巖粒度、礦漿濃度和襯砌材料有關，平均粒徑愈大，要求的坡度也愈大。一般應比臨界坡度大10%以上。當?shù)V漿濃度為20~30%時，沖礦溝最小坡度約4~6%。

③ 襯砌材料 常用的有石灰?guī)r、大理巖、花崗巖、耐磨鑄鐵和輝綠巖制品等。各種主要襯砌材料的優(yōu)缺點和通過萬噸礦石的實際材料磨損率見表。 溝幫和溝底的磨損比約為1:3;距溝底5cm以上的部位磨損很少。

④ 泥團處理 沖礦溝內礦漿流動時，常有泥塊粘裹石塊而成的大量泥團,阻塞沖礦溝,造成事故;含泥率高的礦區(qū)尤甚。泥團呈球狀，較堅韌,必須沖壓打擊,才能破碎。處理泥團的主要設施有六面條篩和電動圓筒篩。

⑤ 倒虹管運輸 通過寬闊較深的洼地，可用倒虹管自流輸送砂礦。倒虹管由鋼管與鑄鐵管組成;用輝綠巖鑄石襯里的倒虹管，使用效果更好。用倒虹管時流量愈大,礦漿濃度愈大,所需的靜壓頭就越高。為減少水力坡度，降低靜力壓頭，必須合理選擇管徑。管徑必須由大到小，逐漸減小，并用漸縮管相互連接。入口段礦漿的流速須大于1.4m/s，揚送段流速不低于3m/s，礦漿在管道中流速為臨界流速的 1.1倍。礦漿入口處設置間距25mm的條篩，在谷底平緩段安裝球形閥，以清洗和排放阻塞管道的干結礦石;礦漿入口處還應設清水池，以調節(jié)礦漿濃度和流量，并在突然停電時用來沖盡管內礦砂。條篩前的礦漿溝應安設閘門和儲礦池，以便控制和調節(jié)砂礦量。平緩段的彎管角度應大于120°~160°，以避免轉彎處所形成的渦流區(qū)。

加壓運輸 地形條件不允許自流運輸時，用砂泵加壓水力運輸。砂泵一般均采用吸入式。如果需要串聯(lián)作業(yè)時，中間升壓泵可采用注入式。但一般不采用并聯(lián)作業(yè)。礦漿在管道內呈紊流狀態(tài)。固體顆粒在礦漿中的運動狀態(tài)相當復雜，有高流速狀態(tài)、臨界流速狀態(tài)和低流速狀態(tài)。礦漿在管道內流速與礦漿濃度、管徑、礦石粒度和管道阻力系數(shù)有關。臨界流速狀態(tài)最經濟。正確選定流速數(shù)值，可降低電耗和生產成本，減小壓頭損失和管道磨損。為防止管道阻塞，最小流速應為最大粒徑礫石自由沉降速度的1.5~2倍。

礦漿在管道內運動的壓頭損失，在清水運動壓頭損失的基礎上，考慮到礦漿比重和附加能量的影響來確定。壓頭損失與流速關系極大:流速低于臨界流速時，將有固體顆粒沉降于管道底部而增大阻力;流速過大時，由于管道內的摩擦，消耗能量，也增大壓頭損失。正確選擇臨界流速，才能保證壓頭損失最小。選擇最有利的礦水比(單位時間內運出的干礦重量與耗水量之比)，可降低水、電消耗和生產成本，提高砂泵與管道的運輸能力。

砂漿管道磨損很大,選用管道要注意管壁的厚度,尤其要選擇適宜于臨界流速的管徑以減小磨損。使用的鋼管每季應翻轉一次，每次轉60°~120°,以延長使用年限。如使用200mm的無縫鋼管，管壁厚8mm時，通過35~40萬米3的砂礦后即完全磨壞，不能再用。

供水水力開采需大量用水，供水方法有自流、機械加壓和聯(lián)合法。為節(jié)約用水，采場用水主要取自選廠尾礦池(或水力排土場)。將用過的水澄清回收，循環(huán)使用，水源來水作為生產過程耗損水量的補充，僅占總用水量15%左右。旱季耗損多，占20~25%，雨季只占5~10%。加壓泵站的位置定在礦區(qū)中央的高地為宜,以便充分利用靜水壓頭和縮短管道長度，減少壓頭損失。泵站貯水池的容積，應能貯備4~5小時的用水量。