金屬礦山深部安全開采的可靠性研究

姜廷劍

（樺甸市四道溝建龍礦業有限公司，吉林 樺甸 132400）

我國礦產資源需求量的增加，讓大部分礦山的淺部資源不斷消耗，大量淺部金屬資源開采殆盡，為滿足目前市場金屬消耗需求，國內金屬開采行業也轉向進入深部開采狀態。在這一發展形式下，我國許多地下礦山以進入深部開采或即將進入深部開采[1]。

金屬礦山開采深度的增加，使得礦山開采環境逐漸復雜化，主要表現為開采工作環境溫度升高、礦山巖體應力條件變化明顯，且礦山深部地壓升高、通風降溫差、作業環境惡劣等問題，不僅會增加開采成本，更會增加開采風險。金屬礦山深部開采所存在的問題不僅抑制了金屬礦山金屬生產能力的提升與礦產資源的回收，更限制了礦山開采的安全與高效運行[2]。

為保障我國金屬開采也的可持續發展，滿足目前市場金屬資源需求，因此對金屬礦山深部安全開采的可靠性研究，為金屬礦山深部安全開采提供可靠方向。

1 金屬礦山深部安全開采的可靠性研究

1.1 深部巷道變形與支護

隨著金屬礦山開采深度增加，地應力也隨之增加。受地應力的影響，礦山深部開采過程中維護原理與淺部開采有著明顯區別，這種區別主要由巷道巖體力學性質區別引起。同一礦山中的普通硬巖，在淺部巷道中會呈現征程硬巖特性。而在深部巷道可能會表現出軟巖的特征，引起深部巷道與圍巖的變形。

受到軟巖特征影響，礦山深部原巖處于“淺塑性”狀態，由各向壓力原巖應力場引起超過巖石自身承受能力的強度擠壓，造成巖石潛在狀態破壞[3]。金屬礦山巖體受到力學性質變化影響，深部開采考慮到巖體結構與巖石強度性質，安全開采工程的支護，還需要考慮金屬礦山實際環境的特殊影響，合理控制巖體變形結構，并盡量使巷道圍巖處于三向應力狀態。巷道圍巖挖掘造成的斷裂破壞帶同樣是巷道支撐質量的主要影響因素。在礦山深部高應力環境下，巷道支撐應首先考慮到巖體結構破壞后殘余強度的利用。深部巷道巖體硬度應采用先柔后剛手段，采用能量分析進行深部巷道支護。

1.2 深部低壓顯現與開采動力災害

從根本上講，金屬礦山深部開采中地應力是低下開采、巷道低壓的主要原因[4]。金屬礦山深部巖體本處于原始平衡狀態，在沒有開采活動干擾下，能夠很好保持自身結構平衡。深部開采與地下巷道打破了礦山深部地層原有平衡狀態，導致地應力釋放，從而引發巖體變形與自由面穩定失衡，引起圍巖應力重新分布。圍巖應力集中與過量位移會導致圍巖局部與整體失衡，也就是地壓發生過程與機理。深層地壓主要受到工程地質條件、巖體質量、受力狀態、巖體結構等多種因素影響。深部壓力主要表現為沖擊地壓與變形地壓。沖擊地壓作為一種巖石動力學現象，由圍巖內聚集大量彈性變形所釋放形成。

在金屬礦山內，沖擊地壓主要變現形式為巖爆，在巖石巖體結構在存儲高應變能條件下引發。圍巖應力集中或地應力過大等高應變能外部環境也會引發巖爆。

變形地壓主要由圍巖開挖產生位移引起壓力，是地壓的基本表現形式。如果巖體條件較好，圍巖在發生變形與位移過程中發展到一定程度會停止，維持自身結構穩定性。但受到礦山深部高應力影響，圍巖產生大量變形，出現宏觀破裂、斷面收縮、巷道底鼓等現象。

因此，圍巖必須通過支護才能防止過量變形引起巖體結構破壞。

礦山深部圍巖與支護結構結合條件下，形成共同承載體，他們相互共同變形、相互制約、相互依存。需要及時采取相應的支護才是，才能有效改善圍巖應力結構分布狀態，預防圍巖失穩與破壞。

1.3 礦山深部開采環境地溫升高

與淺部開采不同，隨著金屬礦山開采深度的增加，巖體溫度也逐漸增加。根據實際開采數據表明，隨著金屬開采深部的增加增溫率一般在3℃/100m左右。按照這一數據推斷，深度數千米的礦井，巖體溫度增高所帶來的影響成為礦山開采不能回避的一個安全難題。根據相關資料顯示，人體溫度在超過自身合適溫度后，環境溫度每增加1℃，生產效率降低7%～10%。

因此，礦山深部開采需要采取有效經濟措施，解決礦山深部通風與降溫問題，從而保證深部地下開采正常進行[5]。深度礦井降溫以通風為主要手段，但隨著礦山開采垂直深度增加，開采增加自然通風系統網絡的復雜性。

目前循環通風技術尚不普及，實際應用中面臨著諸多困難，在通風流動過程中自凈作用機理遠沒有達到相對成熟的體系。

礦山深部低溫升高所帶來的熱害環境，讓通風條件更加復雜。而除通風問題外，對一些采用水利充填的礦山，同樣要面臨填充料漿運輸過程中出現的堵管、料漿離析沉淀以及倍管選擇等一系列問題。

2 結語

金屬礦山深部開采已經成為今后金屬礦山可持續發展的主要趨勢。

在金屬礦實際地質基礎上，明確金屬礦山硬巖深部開采動力學特征，結合動靜組合作用動力學模式，通過了解巖爆發生機制，對深部安全開采時深部開采環境的巷道室溫、硬巖開挖能量釋放以及有序調控詳細分析，從而實現金屬礦山深部安全開采實踐較好的發展。