钻孔水力开采

中国很久前即开始人工淘采砂矿，1673年曾用附近高山天然水源，开凿明沟，引水冲淘砂矿。1929年在广西水岩坝砂锡矿用水枪砂泵开采，在望高砂锡矿用自然水压,装备水力提升器开采,节省了电源,经济效果良好。1949年后，砂矿露天水力开采由开采砂锡、砂金发展到开采钨钛锰矿、铌钽铁矿、锆英石、金刚石等，甚至用水力开采粘土。使用水力开采的矿山、基建时间短、投资少、设备简单、生产率高、成本低、投资见效快、技术经济效果良好。 砂矿床开拓基坑开拓法 采场内开掘长约40~50m、宽10m的基坑，坑内布置砂泵扬送。视矿体厚薄,基坑可一次或分段掘到矿床底板，坑内矿浆池深度一般为1.5m左右。

堑沟开拓法 开掘堑沟，在沟内设输矿沟道，自流运输砂矿。如越过凹地，可与自流倒虹管配合，不用动力，经济可靠(图1)。 平硐溜井开拓法 开掘平硐和溜井通向矿体。在溜井中安设溜浆管，平硐底板镶砌冲矿沟。本法适用于喀斯特山坡地区的低凹分散矿块，为节约动力，应尽量采用自流运输，避免砂泵扬送。目前使用的平硐长度已达2.6Km。溜井分垂直和倾斜两种,前者应用较多。溜井用密集支柱支护。溜浆管的管径通常为350mm,矿浆通过该管送入平硐中的冲矿沟。冲矿沟布置方式有两种:①砌筑于平硐底板上，适用于服务年限短的矿山;②在平硐底板下面开掘。管道与冲矿沟的连结处设有缓冲池，以减少冲击力，防止矿浆从管内流出时飞溅。管道上部入口处应设格筛，以防大块和泥团阻塞管道。

采矿方法主要是冲采,有时要进行残矿回收,在有些砂土中需预先松动和清理废石。冲采水枪的进水管直径为150~200mm，喷嘴直径常用38~65mm，压头为50~150m;耗水量为采砂量的1.7~14倍,在高山缺水地区,控制在3倍以下。水枪距工作面的最小距离,通常与阶段高度值相近。水枪移动步距为4~6m,砂泵移动步距为50~200m;或先将矿浆池前移,当砂泵吸入管加长至50~90m后，再移动砂泵。

水力开采一般不适用于严寒地区。在气温低于 5℃的地区，应有防寒措施，如对水泵、砂泵和水管等进行防冻;在水管较低点设放水闸门，工作停止时注意放水;设置备用水管;采用高阶段时,采取减少水量的措施,将水压提高50~60%;采场底板坡度比夏季加大25~30%等。

冲采法 有逆向、侧向、顺向及联合冲采法，以逆向冲采法应用较多(图2)。该法系将水枪对准工作面,用射流在台阶底部掏槽，使砂土坍陷,与水混合成矿浆，逆向流往矿浆池和冲矿沟，可充分利用射流冲击力，减少耗水量。由于部分残矿不能回收，采场底板有裂隙或溶洞时，又有部分矿石沉积，矿石损失率一般为5~10%。冲采时表土和夹层混入,使出矿品位降低;但同时有部分废石被筛出，又可使出矿品位相对提高，一般实际贫化率为5~10%。 砂矿的预松动 可提高水枪效率，降低水电消耗和采矿成本。松动方法有爆破法和水压法。前者使用较多，经济效果良好，在高山缺水地区更为显著，每吨砂矿的耗水量可降至1.7t。后者适用于具有渗透性的砂矿，在距阶段坡顶线2~3m处插入一排钢管，插深约2m,管距约3m，压入高压水。经数小时可使土岩塌落，采一吨砂矿耗水0.5~0.7t。此法与底部掏槽相结合,效果良好。

残矿回收 有的残矿是由于工作面底板坡度而形成，有的则为残留于喀斯特溶洞中的砂矿。前者一般先用爆破法松动残矿，然后用水枪逆向冲采，再调整喷嘴直径，用顺向冲采法清扫底板残矿，并用小型移动砂泵扬送矿浆至主砂泵的矿浆池内或冲矿沟中;不能冲走的废石,可用人工或机械清理。后者可用胶管小水枪冲采，配合小型移动砂泵;如溶洞狭小，可用水力射流提升器回收。

水力运输分自流和加压两类,前者不耗费电力,生产成本低，又分沟道运输和管道运输两种方式。沟道运输可就地取材，基建投资少，中国广泛采用。在地形条件限制时，往往辅以自流管和倒虹管。

沟管线路选择应满足:①基建工程量小，架空部分少，施工方便，利于维修;②线路尽可能取直，线路转角不小于120°;③使大部分砂矿或剥离物能自流运输，少用辅助砂泵;④自流运输的沟道坡度大于砂矿流动的临界水力坡度,线路转角处最好有100mm的落差;⑤沟道坡度过大时，用跌水落差调整，以减少磨损;⑥在地形有起伏时，可用自流管和倒虹管，在最低处设排矿阀。

自流运输 ①沟道断面 有半圆形、矩形和梯形。后两种在生产中广泛被采用。矩形断面的开挖工程量小，流深较大，砌筑方便,但更换沟底衬板不方便,大泥团较多时易阻塞沟道，水力半径小。梯形断面与之相反。取二者之长，可以上半部为矩形，下半部为梯形。冲矿沟的深度应为矿浆流深的2倍以上。

② 沟道坡度 矿浆自流沟道的最小坡度，与浆中的土岩粒度、矿浆浓度和衬砌材料有关，平均粒径愈大，要求的坡度也愈大。一般应比临界坡度大10%以上。当矿浆浓度为20~30%时，冲矿沟最小坡度约4~6%。

③ 衬砌材料 常用的有石灰岩、大理岩、花岗岩、耐磨铸铁和辉绿岩制品等。各种主要衬砌材料的优缺点和通过万吨矿石的实际材料磨损率见表。 沟帮和沟底的磨损比约为1:3;距沟底5cm以上的部位磨损很少。

④ 泥团处理 冲矿沟内矿浆流动时，常有泥块粘裹石块而成的大量泥团,阻塞冲矿沟,造成事故;含泥率高的矿区尤甚。泥团呈球状，较坚韧,必须冲压打击,才能破碎。处理泥团的主要设施有六面条筛和电动圆筒筛。

⑤ 倒虹管运输 通过宽阔较深的洼地，可用倒虹管自流输送砂矿。倒虹管由钢管与铸铁管组成;用辉绿岩铸石衬里的倒虹管，使用效果更好。用倒虹管时流量愈大,矿浆浓度愈大,所需的静压头就越高。为减少水力坡度，降低静力压头，必须合理选择管径。管径必须由大到小，逐渐减小，并用渐缩管相互连接。入口段矿浆的流速须大于1.4m/s，扬送段流速不低于3m/s，矿浆在管道中流速为临界流速的 1.1倍。矿浆入口处设置间距25mm的条筛，在谷底平缓段安装球形阀，以清洗和排放阻塞管道的干结矿石;矿浆入口处还应设清水池，以调节矿浆浓度和流量，并在突然停电时用来冲尽管内矿砂。条筛前的矿浆沟应安设闸门和储矿池，以便控制和调节砂矿量。平缓段的弯管角度应大于120°~160°，以避免转弯处所形成的涡流区。

加压运输 地形条件不允许自流运输时，用砂泵加压水力运输。砂泵一般均采用吸入式。如果需要串联作业时，中间升压泵可采用注入式。但一般不采用并联作业。矿浆在管道内呈紊流状态。固体颗粒在矿浆中的运动状态相当复杂，有高流速状态、临界流速状态和低流速状态。矿浆在管道内流速与矿浆浓度、管径、矿石粒度和管道阻力系数有关。临界流速状态最经济。正确选定流速数值，可降低电耗和生产成本，减小压头损失和管道磨损。为防止管道阻塞，最小流速应为最大粒径砾石自由沉降速度的1.5~2倍。

矿浆在管道内运动的压头损失，在清水运动压头损失的基础上，考虑到矿浆比重和附加能量的影响来确定。压头损失与流速关系极大:流速低于临界流速时，将有固体颗粒沉降于管道底部而增大阻力;流速过大时，由于管道内的摩擦，消耗能量，也增大压头损失。正确选择临界流速，才能保证压头损失最小。选择最有利的矿水比(单位时间内运出的干矿重量与耗水量之比)，可降低水、电消耗和生产成本，提高砂泵与管道的运输能力。

砂浆管道磨损很大,选用管道要注意管壁的厚度,尤其要选择适宜于临界流速的管径以减小磨损。使用的钢管每季应翻转一次，每次转60°~120°,以延长使用年限。如使用200mm的无缝钢管，管壁厚8mm时，通过35~40万米3的砂矿后即完全磨坏，不能再用。

供水水力开采需大量用水，供水方法有自流、机械加压和联合法。为节约用水，采场用水主要取自选厂尾矿池(或水力排土场)。将用过的水澄清回收，循环使用，水源来水作为生产过程耗损水量的补充，仅占总用水量15%左右。旱季耗损多，占20~25%，雨季只占5~10%。加压泵站的位置定在矿区中央的高地为宜,以便充分利用静水压头和缩短管道长度，减少压头损失。泵站贮水池的容积，应能贮备4~5小时的用水量。