關于金屬礦深部礦體開采方案及應對風險措施

梁阿拉坦巴根

（正藍旗民樂北山螢石礦業有限責任公司，內蒙古 錫林郭勒盟 027200）

全球化趨勢的逐步深入為我國經濟快速發展帶來了契機，也極大的帶動了礦采產業的發展，然而日積月累的開采下，我國地層淺部礦產資源的儲存量已明顯不足，為繼續滿足礦產資源的需求，我國的礦采產業開始呈現一種由淺部開采向深部開采轉移的趨勢。但是隨著開采深度的延伸，問題也接踵而來，與淺部礦床的資源開采相比，深部礦床的開采具有很明顯的“三高效應”，即高應力、高溫、高巖溶水壓，其次還伴隨著高井深帶來的排水與通風的成本問題，安全問題等等，并且因地下資源開采過深而帶來的地表沉陷預測與控制也是礦采產業發展過程中不可避免且亟需解決的難題，因此，就深部礦體開采面臨的相關問題進行必要的探討分析，并提出科學合理的應對措施，對進一步促進礦采產業的發展有著不可忽視的重要意義。

1 金屬礦深部開采現狀

世界范圍內，礦產資源的深部開采是大多數國家目前和未來都必須面對的難題，深部礦采的成功甚至可以作為衡量一個國家國力的標準之一，因此礦產資源的深部開采受到越來越多的國家的關注。在這樣的大環境下，我國金屬礦的采礦規模也得到了前所未有的飛速發展。就目前而言，我國已探明儲量的金屬礦產有54種，已建成的縣級以上的國有金屬礦山高達900余座，金屬礦石的年產量增長到了4億噸，居世界首列[1]，而在我國的金屬礦產開采中，地下開采有著極其重要的地位，特別是有色金屬與貴金屬，絕大多數都在采取著地下開采的方式，但是由于地層淺部礦床儲存資源的有限，面對部分礦山不得已開始使用深礦井進行開采，根據我國工業現有的發展速度進行推測，未來我國的礦采深度將會以每年9m的趨勢逐年增加[2]，這就意味著今后每年都會有著新礦山加入到深井礦采的行列中，而隨著深礦井的逐漸增多，礦體開采問題也日益突出。如何使中國的金屬礦開采技術取得突破性的進步，提高金屬礦山開采的安全性和高效性，依然是礦采產業未來努力的目標。

2 深部開采面臨的主要問題

深部礦床資源的開采與地層淺部相比，開采所需的技術條件更為苛刻，開采時的作業環境也更加惡劣，不僅增加了井下作業人員的工作風險，還在考驗著礦采企業的專業能力。根據我國多年的礦采經驗，總結出深部礦床的開采特點，或者說是開采時面臨的主要問題如下：

2.1 高應力

高應力又被稱為高地應力。隨著礦井深度的延伸，礦井周邊的巖體所受到的垂直應力呈線性增加，經專業儀器評測，礦井每深入100m，周圍巖體的垂直應力便會上升2.6MPa，而巖體受到的水平應力的變化更是復雜[3]。在這種情況下，高地應力便為礦巖聚集高能量從而發生巖爆事件創造了條件。可以說，高地應力是導致深部采礦災害事故頻發的主要原因之一，而在其影響下所帶來的主要問題包括三點，即：原巖應力增大，巖體塑性增加，礦山壓力顯現劇烈。

（1）原巖應力主要指地層中未受施工影響的自然應力，包括自重應力，構造應力以及原本存在于巖體內部的水對巖體施加的內部應力[4]。當礦井深度逐步增加時，原巖的自重壓力便會迅速增加，同時因為原巖本身受到破壞，導致構造應力與內部應力失衡，且隨著深度的增加，兩種應力的釋放愈加困難，失衡程度也就更加嚴重，最終造成原巖應力普遍增大。

（2）事物本身都具備著一定的可塑性，只是外在表現或大或小，巖石也不例外。根據過往實驗可以得出，巖石的變形特性與其受力狀態息息相關，當達到一定的開采深度時，原巖應力足夠大且無法完全釋放，巖體便會進入完全塑性狀態，也即靜水壓力狀態[4]。

（3）礦山壓力顯現是由礦山壓力所直接決定的，也可以說是礦采深度增加后，原巖應力和巖體塑性也隨之增加的集中外在體現，當礦山壓力逐步趕超礦井自身可承受力時，礦井便會出現礦山壓力顯現強烈的情況，具體表現為巷道維護越發困難，地溫升高，勘探結果不明等情況。

2.2 高溫

所謂高溫具體指高地溫，通常為井下巖層的溫度，正常未礦采情況下，地溫便會隨著地下深度的增加呈線性增加。進行礦采后，地溫更是直接決定了礦井中采挖工作面的環境溫度，也就是所說的礦井溫度。因為國家對于深礦井的一般定性為垂直深度800m以上，所以深礦井中的掘進頭溫普遍在50℃～60℃左右，有時甚至會超過人能承受的生理極限，無形中增加了井下作業人員的安全風險，同時也成為了礦井事故的誘發因素之一。目前我國大部分礦井仍在依靠傳統的降溫方法以治理礦井熱害，如通風、濕噴、機械制冷等。

2.3 高巖溶水壓、高井深

地層下蘊含著豐富的地下水，廣泛賦存于地面以下巖石的空隙中，當開采深度達到一定程度時，在高地應力的影響下，巖體內部的高巖溶水壓會因為無法釋放而突出巖體表層，從而導致礦井突水，嚴重時巖體涌水量會瞬間淹沒礦井巷道，或者是在高巖溶水壓的作用下，發生礦井巷道壁坍塌事故[5]。另外，由于礦井大多位于地層深處，高井深的環境大大增加了排水、通風、巷道維護與礦產送出所耗費的管理成本，這些都會導致礦采生產成本增加，繼而使礦采企業經濟效益迅速下降。

2.4 深部礦巖的高強度、高硬度

依據礦采經驗，大型、超大型金屬深部礦床多是來源于大型巖漿巖和變質巖巖基體，以花崗巖、石英巖、大理巖為代表，此類巖石具有高強度和高硬度，破除本身就具備一定難度，同時還由于處于地層深處，受到作業面環境和作業人員的限制，金屬深礦的開采可謂極為不易。此外，還有研究表明[6]，當礦井每延深500m，巖體的密度便會增加0.05t/m3，并且巖體受到的高地應力也會作用于其內部，使深部礦巖成為高儲能物體，所以礦采時如果方式不當，便會有著極大的風險發生巖爆，而一旦發生該類情況，在深礦井下狹窄且不穩定的環境中很容易在瞬間產生連鎖反應，造成巷道的突然失穩崩塌、采場頂板的突發性坍落以及礦柱的突然性斷裂等等。

2.5 深部開采技術不足

目前在我國進入深部開采的礦山中，大部分還是在使用著淺部礦體的采礦工藝和技術，致使深部礦采風險系數較高，礦采效率低下，另外，在礦采設備方面，深部礦采的礦山中更是只有少數幾座實現了機械自動化的全應用[7]。從全國范圍來看，深部礦采使用的工藝更新程度不高，機械化和自動化設備普及面嚴重不足，掘進效率低下的同時耗費了大量的礦采成本，另外設備做不到智能化和人工化就會導致大多數礦采工作仍舊需要人工參與，如此不僅會增加人工成本，降低安全系數，也會使得整體的礦采進度相較緩慢。

2.6 地質監測手段不全

就我國深部礦采現狀的整體來看，前期地質勘測工作不夠完善，開采過程中的地壓監測系統運用也有待加強，雖然我國現在已經有幾座深井開采的金屬礦山建立起了地壓監測系統，但實際運用卻相當不足，無法對礦采時的地壓情況進行及時系統地統計和分析；對于采礦可能誘發的地質災害或巖爆情況也做不到時間和空間上的準確判斷；通過巖體活動評估礦采過程，進而輔助礦采生產的作用也沒有完全發揮出來[8]。

3 深部開采風險的應對措施

（1）改善深井巷道的安排方式。隨著礦采深度的增加，礦壓也會在原巖應力和高巖溶水壓的增長中作用于巷道，如何將礦山壓力合理有效的釋放，避免其直接作用于巷道，進而提高巷道的穩定性便是礦采企業所要關注的重點。針對深部礦井和淺部礦井的不同特點，深部礦井巷道安排時要在淺部礦井巷道的安排方式上進行改進，原本的淺部礦井巷道因為巖體高地應力、高巖溶水壓等程度的有限，所以巷道安排可以選擇較為均勻受力的方式，以節約礦采成本，但深部礦井巷道周圍巖體的各項應力值都已難以預估，再使用均勻受力的方式將會增加巷道塌陷的風險，故此深部礦井巷道應避開巖體應力的峰值，并在開采前對開采程序做出優化，盡可能將巖體應力對巷道的影響降到最低，從而提升礦井巷道的安全性與穩定性[9]。除此之外，根據礦采經驗，當礦采深度超過700m時，巷道礦壓的顯現問題普遍突出，底鼓也成為了最常見的地壓現象，特別是在采準巷道中尤為嚴重。底鼓的出現不僅導致巷道的維護成本大幅度增長，更是為礦采帶來了極高的安全風險，因此在巷道的維護方面，底鼓作為影響深井巷道安全性的主要因素，應當作為巷道維護的主要內容，但我國目前并未總結出切實有效的底鼓防治措施，可以說深井巷道的維護已經成為我國礦采產業中最為薄弱的環節。

（2）做好礦井環境降溫，減少熱害。在礦采過程中，尤其是深部礦采，高地溫的現象無法避免，且處理不當很容易引發事故。因此對于深熱礦井，為改善井下作業環境，應當做到“事事備于前”，在礦井進行初步開挖時就要最大限度的做好通風系統的優化，通過選取較好的風井位置，加大礦井內部的進風量，提高其通風能力，一般來說，通過調熱風道等措施都可以改善井下環境；研制各種有效裝置收集井下礦采過程中出現的粉塵廢氣，之后進行統一處理，以供礦井進行內部風循環使用，與此同時還可以采取各種手段阻斷井下熱源向風循環流動，以保持風循環溫度始終如一，必要時也可采取制冷措施來降低風溫[10]；做好個人防護準備措施，在井下地溫較高，而風循環在制冷措施的參與下也無法起到理想效果時，就需要對長時間處于熱環境下的作業人員做好個人降溫防護，如配備冷卻服等；最后在以上方式均不能奏效的情況下，便需要對礦井整體進行局部制冷或集中制冷，但一般來說，這種降溫方式所耗費的成本較高，且我國目前金屬礦山礦深不足千米，熱害帶來的影響尚不需要進行集中制冷降溫。

（3）加強前期深部地質的勘探工作，確定金屬礦山所處的地理環境以及地下巖層、水的結構分布，盡可能的避免高強度、高硬度巖層聚集區，并且依據前期可靠的地質勘探結果，充分了解地下斷層的空間結構、圍巖穩定狀態與礦井巷道之間的關系，為做好巷道設計提供準確有效的方案或技術基礎。同時要妥善運用現有儀器，加強對礦體及其周圍巖體應力的采集深度，并結合一定的室內實驗手段對數據做出預測分析，進而掌握礦采工作面及其周圍的應力分布趨向，從中找尋出礦壓顯現的規律。

（4）改進圍巖的控制技術，減少圍巖因受力而發生的變形損壞。在我國的深井礦采中，圍巖支護方式通常分為主動支護和被動支護，主動支護是在掘進時就對圍巖進行加固圍護，依靠圍巖自身起到的控制作用來減少圍巖的變形或損壞，被動支護則是在圍巖發生變形損壞后進行防護控制。為了更好的把控圍巖的剪脹變形程度，取得更好的支護效果，深井礦采時應因地制宜，根據圍巖不同的性質選擇主動或被動支護，例如地質較好地段可選用錨網索進行主動支護，地質不良地段可采用錨網索進行被動支護或復合支護[11]。

（5）做好深井礦采工藝的技術改造。時至今日，在深部礦井的開采過程中，大部分礦山依舊沿用著淺部礦床的采礦工藝和技術，比如傳統的房式采礦法，即先進行礦房的采挖，最后留下部分礦柱作為圍巖支撐。就結果來看，房式采礦在淺部礦采工作中起到了不錯的效果，但卻不適用于深部礦采。因為在深部礦井的掘進中，礦柱很可能會在多種地應力的反復作用下產生嚴重的礦柱型巖爆，繼而對圍巖乃至整個礦井造成不可逆轉的危害，所以在惡劣的深部礦井開采條件下，常規的礦采方式、支護方法以及礦采工藝已然不足以滿足礦采要求，因此，引進或做好國內外深井礦采工作的技術改造工作就顯得極為重要，就目前而言，國際上較為切實可行的深井礦采工藝包括盤區房柱法、二步驟充填開采法、無間柱連續充填采礦法等[12]。做好深井礦采工藝的技術改造不僅可以延長礦山的服務年限，降低礦采過程中的安全風險，還可以減少礦采成本，提高礦采企業的經濟效益。

（6）加快礦采設備智能化進程。結合我國深部礦采現狀，要實現深部礦采的安全性、高效性和低成本，不僅需要在前期做好以地質巖層結構勘測為主要內容的礦采準備，還要在實施礦采時做到新工藝新技術的運用推廣，同時結合過往礦采經驗，大力發展高效智能的礦采設備，做到礦采智能化、信息化、自動化和機械化，在提高礦采效率的同時以設備代替人工去適應深井開采的惡劣環境，為礦采提供足夠的安全保障。

4 結語

中國是世界上礦產的資源大國，隨著社會進步和科學技術的發展，國家對于礦產資源的需求量日益增加，金屬礦山的開采技術也在不斷提高，做到對礦產資源安全、高效、綠色開采以及開發后的合理利用，必將對中國的經濟發展起到積極地推動作用，然而伴隨著礦產開采逐漸向深部延伸的趨勢，我國在金屬礦山的采礦經驗愈顯不足，尤其是深井礦床的開采，面對如地表沉陷預測與控制、巖爆、突水通風等問題時，缺乏完善的理論體系和完備的技術手段，由此可見，隨著國家經濟進一步的發展，未來的礦產深部開采將會面臨的一系列的問題，這些問題也會成為我國今后安全生產的難題與挑戰，因此進行礦采時必須做到未雨綢繆，降低和防范因深部礦采所帶來的風險或危害，同時加大礦采技術和礦采設備的創新力度，及早形成一套完整的礦采理論，實現深部礦床的安全、高效、綠色、低成本開采，從而保證我國礦采產業的可持續發展。