我國金屬礦山深部開采發展現狀及對策研究

吳欽正，劉興全，李桂林，陳科旭，劉洋

(山東黃金礦業科技有限公司 深井開采實驗室分公司， 山東 萊州市 261442)

0 引言

我國對有色金屬資源量的需求將大幅度增長，對資源的消耗程度達到前所未有的高峰期。由于對有色金屬的需求過大，淺部資源提供的原材料供給遠遠不能滿足社會建設需求，深部礦產資源的開采利用勢在必行。相較于淺部而言，地質采礦條件發生了質的變化，深部資源開發面臨著更為嚴重的安全生產挑戰。現階段對于深部開采尚無明確定義及劃分標準，但由于開采需求，各國專家學者也都給出了“深部”的定義[1]。我國將1000～2000 m深度的金屬礦山定義為深井[2]。以我國對“深部”的定義為基準，全世界達到深部開采的礦山超過80座[3]。在我國超過1000 m的金屬礦山多達19座，其中撫順紅透山銅礦采準工程布置達到1357 m[4]；銅陵冬瓜山礦床開拓深度達1120 m[5]；遼陽弓長嶺鐵礦達產深度為1000 m；會澤鉛鋅礦最深已達1377 m[6]；靈寶崟鑫金礦開拓已達1500 m[7-8]，乳山金礦、凡口鉛鋅礦、夾皮溝金礦等也將相繼進入深部開采。

1 深部開采所面臨的問題

深部開采過程中，復雜地質力學條件使礦山采準工程受“三高一擾動”影響，嚴重限制了深部資源的開發利用[10]。以巖爆為主的深井地壓災害問題嚴重威脅著礦山高效生產及人員財產安全；高地熱嚴重惡化了礦山生產條件，降低了生產效率；高井深則使得礦山提升、通風、排水難度不斷加大，增加了礦山的投入成本；采礦擾動則導致巷道所承受的圍巖壓力遠遠大于原巖應力，從而引起巖體錯位和破壞，進一步增加了資源深部開發利用的難度。因此，深部開采面臨著地壓不斷增大，巖爆頻繁發生，巖石不斷軟化，巷道越來越不穩定，巷道支護困難，地溫逐漸升高，礦山提升、通風、排水難度不斷加大等一系列問題。在這一系列問題中，解決高應力所帶來的安全問題是深部資源開發利用的重要前提保證，對深部開采技術的發展尤為重要。近些年來，國內外越來越多的專家學者加入了對深部高應力問題研究的行列，并且取得了一些重要研究成果，但是由于深部巖體工程環境的復雜性，高應力問題仍然是困擾深部資源開發利用的重大科學難題。隨著深部開采的逐漸加深，地壓活動頻率不斷加劇，以巖爆為代表的地壓顯現逐漸成為深井開采面臨的主要地壓災害，針對深部開采所面臨的一系列地壓災害問題，研究合理的開采技術，能夠為我國深部資源的開發利用奠定基礎[11]。

2 高應力問題研究現狀

在深部條件下，自重應力、構造應力場和殘余構造應力場共同構成了深部高應力場。受深部高應力影響，深部巖石的物理力學性質發生重大變化，巖體表現出十分特殊的力學行為，傳統的巖石力學理論已經很難解釋高應力作用下的巖石破壞機理。許多學者采用物理力學試驗、計算機仿真模擬、現場監測對高應力條件下巖體力學特性及行為進行了大量的研究工作，并獲得了豐富的科研成果，對深部金屬礦山開采技術的發展做出了突出貢獻。

為了取得一些現場無法獲得的重要數據和參數，通常需要進行物理力學試驗，通過對試驗過程的觀察和試驗結果的分析得出一些重要研究成果，從而對現場施工進行指導。陳坤福等[12]運用大尺度三維模擬試驗、原位測試及數值模擬試驗，研究了深部巷道圍巖破壞過程中的應力響應機制、圍巖變形演化規律以及破壞機理，同時分析了支護體與承載體共同作用機理，針對性地提出了深部高應力巷道破裂巖體的過程控制機理與技術。李夕兵等[13]基于動靜組合理論，利用霍普金斯試驗分析了硬巖礦山開采過程中的動力學問題。唐禮忠等[14]通過對大理巖試樣進行了改變平均應力和循環應力幅值的循環擾動試驗，發現了動力擾動對巖石性質的影響。陳景濤等[15]設計了復雜應力路徑下的硬巖真三軸加載試驗，模擬了高應力條件下隧洞開挖問題，分析了巖石的變形破壞規律，得到了高應力條件下硬巖的強度準則及破壞力學條件。黃書嶺[16]通過對深部脆性巖石進行多角度力學和流變試驗研究，提出了適用于高應力下的強度準則及其本構模型，并將這一研究成果結合智能反演理論，應用于重大水利水電巖石工程建設中，解決工程建設中遇到的實際工程問題。蔡朋[17]針對錦屏水電站復雜應力環境，設計了單軸、三軸試驗在內的多種試驗，得到了復雜環境下的硬巖力學行為及破壞判別條件。

隨著科技快速發展，計算機高速運算及智能輔助功能開發日臻成熟，使用數值仿真計算工程問題成為現代工程分析的重要手段。在計算機建立好的巖體模型上，給定邊界條件并進行加卸載模擬，從而對巖體的穩定性和破壞機理進行研究分析。李夕兵等[18]基于有限差分法，運用FLAC3D軟件分析了高應力條件下動力擾動問題，得到高應力環境下的巖體初始應力環境越大，其抵抗外界擾動能力越差。王御宇等[19]應用數值仿真技術對深部開采卸壓技術進行模擬分析，以此為依據選擇最優卸壓措施，為凡口礦地壓控制提供了可靠依據。孟慶彬等[20]對同一環境下的不同形狀巷道斷面變形及塑性發育進行了模擬分析，得出了不同側壓系數的影響。高謙等[21]以金川深部高應力的巷道變形的問題為導向，針對性地提出了多手段融合的圍巖綜合控制技術，其主要技術為預應力錨索技術，為深部巷道圍巖支護提供了一種新方法。聶韜譯等[22]對高地應力條件下出現的劈裂破壞這一特殊的工程地質現象，運用FLAC3D軟件進行巷道劈裂破壞數值模擬研究，分析了埋深、側壓力系數、體積模量、剪切模量對巷道劈裂破壞的影響規律，為高地應力下地下工程的穩定性評價及支護設計提供參考。孟慶彬等[23]軟巖巷道在高應力環境下出現大變形、強流變、變形快的問題，以Burgers模型為基礎，建立了深部高應力巷道圍巖的流變模型，將其寫入FLAC3D軟件并進行計算，分析了巷道埋深、側壓系數、彈性模量、黏滯系數等對于巷道蠕變的影響。

現場監測主要是利用各種測試方法對巖體所承受的應力、變形、破壞進行觀測，獲取所需要的第一手資料，通過分析總結得出一些規律，從而為解決礦山深部開采面臨的地應力問題提供理論指導。伍佑倫等[24]融合綜合監測與遠程技術，提出無人值守地壓監控技術，對礦山地壓活動進行監測研究。方建勤等[25]針對典型高峰型地壓災害，將“系統礦山壓力”作為新概念提出，并將其與“局部礦山壓力”進行對比分析，基于此建立了一種新的地壓研究思路與方法。杜建華等[26]通過大量分析現場地壓活動規律，提出了綜合地壓監測預警技術，有效地對地壓活動進行了監測預警。侯瑋等[27]通過現場監測獲得了深部巷道沖擊地壓的發生規律，分析得到了巷道的破壞形式，針對性地提出了防沖技術。徐連滿等[28]針對覆巖結構運動導致的巷道圍巖動力破壞進行了研究，分析了回轉動力作用下巷道采動支承壓力分布規律，為深部巷道礦壓控制提供科學指導。馬春德[29]針對高應力軟巖巷道，將高應力環境、巖性、構造等條件作為測試因素，分析了多因素綜合作用下高應力軟巖巷道的圍巖變形規律及松動圈的時空作用規律。李航空等[30]對杏山鐵礦進行了巷道收斂監測，對圍巖應力及變形進行了分析研究，對深部礦山開采過程中的地壓規律進行了解釋。張廣超等[31]綜合運用現場調研、數值模擬、工程驗證等方法研究了高應力巷道圍巖大變形問題，并針對性地提出了特異性支護方案，即一種能夠發揮高強錨網索懸吊作用、可縮性環形支架抗變形作用、注漿加固強化圍巖強度的多層次綜合支護技術。朱杰兵等[32]對卸荷條件下的瞬時力學響應以及長時流變特性進行試驗揭示，研究工程巖體的應力和位移的變化規律以及圍巖的長期穩定性，并結合現場實測數據開展相應的工程驗證工作。嚴鵬等[33]針對靜水壓力下隧道釋壓后的動態卸荷效應及破壞機制進行了研究，并計算了其破壞范圍。

物理試驗、計算機模擬、現場監測仍然是未來高應力問題的重要研究手段。國內學者雖然取得了豐碩成果，但是針對高應力條件下巖體的力學特性、時效特征、變形力學行為、破碎誘導機理等仍缺乏足夠的理論研究和工程實踐；對原巖應力場、采礦擾動高應力場、地質構造和巖體結構的測量研究上仍未達到質的突破；對高應力下巷道、采場失穩機理和控制仍缺乏更深入的認識。因此，對深部開采所面臨的高應力問題的研究仍然是未來深部開采研究的重要課題。

3 深部開采技術研究現狀

隨著礦山開釆深度的不斷增加，地壓活動頻率逐漸加劇，以巖爆為代表的地壓顯現逐漸成為深井開采面臨的主要地壓災害，為深部礦產資源的開發利用帶來了巨大的挑戰。因此，國內有關學者在這一方面做了非常多的理論和實踐研究，通過總結分析，解決深部地壓活動災害的方法有以下3種：選擇合理的采礦參數、開展地壓監測和研究合理的卸壓開采方式。其中采礦參數包括采場結構尺寸、開采順序、充填方案等。

在采礦參數的設計中，由于采場結構尺寸和充填方案的確定受礦山具體環境和條件的限制，很難進行調整，因此，開采順序優化是開采環節中最為重要的一環。優化開采順序布置，能夠有效釋放巖體蓄能，對于防止突發地壓災害也有重要作用[34]。經驗法、數值仿真計算、遺傳算法、神經網絡算法等方法都是進行開采順序優化的有效方法[35]。江露等[36]為解決普民鐵礦采區穩定性問題，對三種開采順序分布開挖進行了仿真模擬，通過對間柱及采空區的應力監測，進行了采場及空區穩定性研究，確定了合理的采礦參數。趙智等[37]運用數值模擬軟件對青海格爾木錫鐵山鉛鋅礦山進行了3種不同的礦房回采方案的數值模擬計算，確定了合理的回采順序。孟兆蘭等[38]分析了小官莊鐵礦應力分布情況，揭示了高應力回采過程中地壓顯現規律，確定了合理的回采順序。余小明等[39]分析了東馬鞍山礦體在不同開采順序下空區及間柱的側向位移、應力響應規律及塑性區擴展發育情況等，得到了合理的回采順序。淡永富[40]基于凡口鉛鋅礦的礦床賦存條件，分析了現行回采工藝，針對性地提出了間隔組合式回采順序，有效解決了礦山地壓災害頻發的問題。吳博成等[41]針對礦山開采地壓活動問題，詳細地分析了礦體賦存條件、后退式回采與地壓活動的關系、地壓活動原因及其影響，提出了將后退式回采改為由中央向兩翼回采方案，有效地控制了地壓活動。

地壓監測常用的測試技術有光彈應力技術、聲發射技術、微震測試技術、爆破震動測試技術、原巖應力測試技術、電磁輻射測試技術等。肖清等[42]針對井下開采地壓測試技術的應用，首創ARM嵌入式系統融合地壓監測系統的綜合監測方案，該方案能實現數據信息不間斷采集，實時分析三維應力場，并能夠實現數據無延時傳遞，從而更有效地實現地壓監測預警。陳龍[43]在比較不同的監測方法優缺點的基礎上，建立了一套適用于陳貴劉家畈鐵礦的綜合地壓監測方案。張平[44]運用微震監測系統對紅透山深部地壓活動規律實現了連續監測，利用實時數據分析了金屬礦山硬巖應變型巖爆的發生機理。趙爾丞[45]利用埋入式應力傳感器和振弦式多點位移計對巷道的應力及大變形問題進行了研究，得到了河床下鋁土礦頁巖巷道的應力分布及圍巖大變形規律。

巷道卸壓的原理是通過巷道變形或向深部轉移應力的方式使高應力集中區域應力得到調整，將采場或巷道的應力降低到合理值，改善圍巖的受力，維持其穩定狀態。現階段常用的卸壓方法主要包括卸壓鉆孔、爆破卸壓、掘進卸壓巷、導硐卸壓以及臺階式掘進卸壓等。張勇[47]利用卸壓鉆孔對程潮鐵礦出現應力集中區的東西區結合部進行卸壓處理。程勃等[48]利用光彈性試驗得到了卸壓開采過程中受不同載荷影響下的卸壓方案的光彈性頻譜圖，確定了合理的卸壓方案。謝柚生[49]利用數值模擬軟件分析了4種卸壓方式的卸壓效果，確定了典型礦山的合理卸壓方案。程勃[50]綜合運用理論計算、相似材料模擬和綜合預測分析法開展了典型礦山卸壓措施研究，并提出合理建議。劉元春[51]對卸壓技術的發展歷史進行了梳理，介紹了卸壓開采的現狀及問題，提出了卸壓開采的發展建議。王文杰[52-53]針對影響卸壓的因素進行分析，建立了廢石混入率與各因素之間的數學聯系，依據回采經濟技術指標確定合理的卸壓方式。李俊平等[54]針對急傾斜礦體的采空區，提出了針對性卸壓開采方案及施工參數。王文杰等[55]利用無底柱分段崩落法開采對姑山鐵礦后和睦山1#礦體進行了卸壓開采設計，工程實踐效果良好。閔厚祿等[56]根據中厚礦體的開采特點，針對性地提出了崩落卸壓開采方法。劉建坡等[57]針對破碎圍巖條件下的采準工程，進行了數值仿真分析，探究了通過卸壓工程調控應力場遷移的力學機制，實現了采場結構參數的優化調整。王喜兵等[58]通過爆破松動卸壓，并優化了回采順序，針對性地解決了西石門鐵礦高應力區地壓災害問題。

通過專家學者的不斷努力，對深部開采地壓災害的形成機理、顯現規律進行了大量的觀察和研究，積累了相當豐富的第一手資料，為我國深部開采技術的發展做出了巨大的貢獻。但是，面對深部復雜的巖體力學環境，目前的技術仍不能滿足深部開采發展的需求，對地壓主控因素之間的相互協調關系、深部地壓監測體系和預警系統、高精度的數值模擬采場地壓方面仍需更深入的研究。

4 結論

隨著淺部礦產資源的逐漸枯竭，深部礦產資源的開發利用成為我國未來采礦發展的趨勢，我國越來越多的金屬礦山逐漸進入深部開采階段。深部開采所存在的高應力、高地溫、高巖溶水壓和采礦擾動等問題嚴重影響了深部資源的開發和利用，高地應力和地壓災害問題尤為突出。目前，國內學者針對高應力問題的研究主要是采用物理力學試驗、計算機仿真模擬、現場監測等方法對高應力區的巖爆等地壓災害機理、支護與控制理論、監測技術進行研究，針對地壓災害解決途徑方面主要是優化高應力區礦體的回采順序及采場參數，開展地壓監測和研究合理的卸壓開采方式。在深部高應力作用條件下，深部巖石的物理力學性質發生重大變化，巖體表現出十分特殊的力學行為，因此，針對深部巖石力學基礎理論和工程穩定性研究仍是未來深部開采的重要研究課題。