金屬礦山深部礦體開采工藝的技術改造

李學鋒,譚定新,劉湘蓮

(廣西大學資源與冶金學院， 廣西 南寧 530000)

1 深部礦床開采技術條件的特點

深部礦床資源的開采技術條件與淺部相比，主要表現為“三高一擾動” ，即“高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動”。這些不利條件不僅惡化了工作環境，導致動力災害如巖爆、冒頂等日趨增多，更嚴重的是使井下作業人員的心理、生理承受力脆弱而產生的傷亡增加。

1.1 深部礦巖的高壓、高溫環境

(1) 高地應力。隨著礦井開采深度的增加，巖體的垂直應力呈線性增加趨勢，大約每100 m增加2.6 MPa，水平應力變化復雜；深部地應力場是以水平構造應力為主的三向不等壓空間應力場。據南非地應力測定，在3500～5000 m之間, 地應力水平為95～135 MPa 。國內礦山如安徽銅陵冬瓜山銅礦在-730 m 處最大主應力大約為35～40 MPa；凡口鉛鋅礦在-650 m水平最大主應力為31．2 MPa，最大主應力接近水平方向,最大主應力與垂直應力之比為1.02～1.7。高地應力為礦巖高能量聚積和巖爆發生創造了條件，高應力的存在是造成深部采礦災害事故頻發的主要原因之一。

(2) 高地溫。常溫帶以下，地層深度每下降100 m，巖層溫度就升高3℃～5℃。開采深度達1000 m以上的礦井, 巖層溫度將達到30℃～50℃。據測定,在南非西部礦井3000 m深處, 巖層溫度高達80℃；在我國銅陵冬瓜山銅礦1100 m深處的作業面, 巖層最高溫度超過40℃。深井熱害問題，已極大地損害了作業人員的健康和工作能力,使勞動生產率大大下降。

(3) 高巖溶水壓和高井深。 隨著開采深度增加，其巖溶水壓將升高, 使礦井突水災害更加嚴重；如銅陵冬瓜山銅礦主豎井掘到- 994 m深時,瞬時涌水量達1285 m3/h,水壓8 MPa,水溫41℃ ,造成井筒淹沒。此外高井深環境將使礦石提升和排水的成本增加，管理困難。

1.2 深部礦巖的高硬度、高強度特性

(1) 高硬度、高強度特性。大型巖漿巖和變質巖巖基體如花崗巖、石英巖、大理巖等是組構大型、超大型金屬深部礦床的源地，這類巖石基本都是高硬度和高強度的硬巖。前蘇聯采礦專家在研究中也發現,深度每向下延深500 m ,由于重力作用使礦巖的密度增加0.05 t/m3，礦巖的f系數提高1.25～1.45 ,彈性模量提高2.5 GPa。由于深部高地應力的存在，相當于在巖體內部預先施加了應力，使深部礦巖成為高儲能體。國內外已有研究和現場監測結果表明, 當巖體內部彈性能達到或超過1.0×105 J/m3時，將發生巖爆。

(2) 動力響應的突變性。在深部開采條件下,巖體破壞具有強烈的沖擊破壞性質, 其破壞過程往往是突發、無前兆的突變過程。巷道的突然坍塌和失穩, 采場頂板的突然大面積冒落和坍塌以及礦柱的突然倒塌和折斷為主要的破壞形式。

2 深部礦體開采工藝的改進

在深部開采過程中，大部分礦山都沿用淺部礦體的采礦工藝和技術。比如采用傳統的房式采礦法，把礦塊分為礦房和礦柱，先回采礦房，后再回收礦柱；或留下部分礦柱以支撐圍巖，控制地壓活動。但是在深部“三高一擾動”特殊的地質力學環境下，礦柱一方面承受很大的靜壓力，另外還要承受其它采場開采產生的動應力擾動，礦柱在動靜壓力的反復作用下，就有可能產生嚴重的礦柱型巖爆。在這種情況下，要想回收礦柱，必然會導致生產安全條件差、礦石回收率低、作業成本高。

由于深部開采條件的惡化，常規的開挖方式、支護方法以及采礦工藝，都不能完全適應深部開采的要求。為此，國內外礦業工作者針對具體的礦山開采技術條件進行了開采工藝等方面的改進，以實現深部資源的高效、安全、經濟開采，也取得了不菲的成效。

2.1 盤區房柱法

美國白松銅礦是個埋藏深度很大的(915 m)緩傾斜大礦體，一直采用普通房柱法開采，隨著開采深度的增加，礦柱尺寸也隨之加大，礦石回采率已降至57%。

因此，在610 m水平試驗了盤區房柱采礦法，如圖1所示。盤區房柱采礦法的主要思想是：當盤區寬度小于1/3采深時，盤區間留剛性礦柱，其寬高比為7，并作為永久損失，以控制頂板巖層不冒透地面。盤區中間留柔性礦柱，其寬高比為2。隨盤區內礦石的回采，柔性礦柱自行片落；這樣將上部巖體壓力轉移到盤區剛性礦柱上，而盤區內開采則處于壓力拱內，壓力降低，不僅使回采作業安全，而且極大地提高了礦石回收率，礦石回采率由57%提高到了62%～71% 。

圖1 盤區房柱法與傳統房柱法比較

2.2 二步驟充填開采法

紅透山銅礦是我國目前開采深度最大的硬巖金屬礦山，同時也是世界上淺孔留礦法應用深度第一的礦山(到-707 m中段即1157 m深度)。隨著開采深度的增大,礦山地壓顯現由松脫地壓轉變為巖爆地壓，即由淺部地質構造控制的冒頂、片邦等現象，逐步發展為伴有巖塊彈射、爆裂甚至大量巖體瞬間崩落等現象為主，嚴重威脅礦山生產安全。礦山不得不對淺孔留礦法進行技術改造，改用留礦和分段回采的全面充填開采法，即一步礦房用留礦回采并嗣后膠結充填, 二步礦房用分段回采嗣后尾砂充填，如圖2所示。

圖2 兩步驟采礦礦塊劃分及回采關系

礦山近10年的生產實踐結果表明, 留礦和分段回采組合的二步連續開采法, 由于全面充填了采空區, 避免了階段間礦柱出現較高的應力集中現象，保證了回采過程中的工作安全；既發揮出空場法回采強度大、生產效率高的優點, 又實現了采場穩定性好和礦石回收率高。

2.3 無間柱連續充填采礦法

上向分層充填采礦法一直是黃沙坪鉛鋅礦、南京鉛鋅銀礦等的主要采礦方法, 與其它金屬礦山地下開采一樣, 一個礦塊劃分礦房和礦柱，先采礦房，再采礦柱。隨著開采深部的增加，原巖應力進一步增大，采場頂板及上盤圍巖應力集中對生產工人的作業安全和礦山正常生產帶來了嚴重威脅。因此進行無間柱階梯式連續回采分層充填采礦法試驗。

如圖3所示，無間柱連續充填采礦法是將整個中段礦塊劃分為一個回采單元。在回采過程中，采切、回采、充填三大工序在不同的空間平行連續進行, 相鄰采場呈階梯式錯開分層作業。 即采用一步驟回采、連續推進的方式。

試驗結果證明，無間柱階梯式連續回采分層充填采礦法從根本上避免了原上向分層充填采礦法中兩步驟礦柱回采所造成的大量礦石損失, 礦石回采率從不到80%提高到90%以上,礦石綜合回采率大于86%, 礦石貧化率小于5%；同時大大簡化了生產管理, 確保了回采作業安全。不僅既延長了礦山服務年限, 又提高礦山經濟效益。

3 深部礦體開采面臨的問題

雖然我國礦業工作者對地下金屬礦山深部開采進行了大量研究，并取得了不少的成果,但同世界先進礦業國家相比,仍有很大的差距。目前,我國地下金屬礦山深部開采技術面臨的問題主要有4個方面。

圖3 無間柱階梯式連續回采分層充填采礦法

(1) 深部開采的理論研究有待加強與深入。深井采礦存在高溫、高壓、廢石處理、礦石提升、深井排水等一系列問題，但人們的注意力過分集中在高應力礦巖的巖爆機理與預測預報方面。即使對巖爆機理與預測預報的研究也未能有效同采礦工藝技術相結合，取得有利于控制高應力與高井溫環境的深井采礦方法。在深井水力開采、廢石處理、水力制冷及水力提升等方面研究進展更是緩慢。

(2) 深部開采設計仍然采用傳統的經驗類比設計方法。深部礦體高溫高壓開采環境，迫切需要開展以地應力為切入點的金屬礦采礦設計優化，以能量聚集和演化為主線的巖爆預測及防治，應用數值分析、虛擬現實等現代計算和模擬手段來確定安全經濟合理的開采設計方案，實現采礦設計從傳統的經驗類比向科學的定量計算轉變。

(3) 深部開采的機械化和自動化程度不高。目前我國進入深井開采的礦山只有少數幾座實現了全盤機械化采掘作業, 今后還需要進一步改進和完善鑿巖、爆破、運礦等設備的無軌化、液壓化，開發研制新型智能化設備，如全水壓破巖設備、地下低矮式破碎機、大功率水力制冷設備、深井泵送運輸設備等；并不斷提高設備智能化、無人化，以適應深井開采的惡劣環境。

(4) 地壓監測系統的運用有待加強和提高。雖然我國深井開采的礦山已有幾座建立了微震監測系統，但如何通過地震數據分析與解釋，確定采礦誘發的地震在時間和空間上的分布規律和巖爆可能發生位置，通過巖體活動對采礦過程的反應監測，輔助礦山進行巖石工程設計和指導采礦生產則任重而道遠。

4 結 語

我國深部開采正面臨著一系列問題, 要實現深部礦體安全、高效、低成本開采, 必須加強深部開采理論的研究, 推動采礦新工藝新技術的運用；大力發展高效裝備配套及自動化、智能化的數字礦山技術；同時提升礦山的風險評價與安全保障技術。

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