金屬礦山深部礦體開采工藝的技術(shù)改造

李學(xué)鋒,譚定新,劉湘蓮

(廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院， 廣西 南寧 530000)

1 深部礦床開采技術(shù)條件的特點(diǎn)

深部礦床資源的開采技術(shù)條件與淺部相比，主要表現(xiàn)為“三高一擾動” ，即“高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的開采擾動”。這些不利條件不僅惡化了工作環(huán)境，導(dǎo)致動力災(zāi)害如巖爆、冒頂?shù)热遮呍龆啵鼑?yán)重的是使井下作業(yè)人員的心理、生理承受力脆弱而產(chǎn)生的傷亡增加。

1.1 深部礦巖的高壓、高溫環(huán)境

(1) 高地應(yīng)力。隨著礦井開采深度的增加，巖體的垂直應(yīng)力呈線性增加趨勢，大約每100 m增加2.6 MPa，水平應(yīng)力變化復(fù)雜；深部地應(yīng)力場是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主的三向不等壓空間應(yīng)力場。據(jù)南非地應(yīng)力測定，在3500～5000 m之間, 地應(yīng)力水平為95～135 MPa 。國內(nèi)礦山如安徽銅陵冬瓜山銅礦在-730 m 處最大主應(yīng)力大約為35～40 MPa；凡口鉛鋅礦在-650 m水平最大主應(yīng)力為31．2 MPa，最大主應(yīng)力接近水平方向,最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比為1.02～1.7。高地應(yīng)力為礦巖高能量聚積和巖爆發(fā)生創(chuàng)造了條件，高應(yīng)力的存在是造成深部采礦災(zāi)害事故頻發(fā)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(dá)1000 m以上的礦井, 巖層溫度將達(dá)到30℃～50℃。據(jù)測定,在南非西部礦井3000 m深處, 巖層溫度高達(dá)80℃；在我國銅陵冬瓜山銅礦1100 m深處的作業(yè)面, 巖層最高溫度超過40℃。深井熱害問題，已極大地?fù)p害了作業(yè)人員的健康和工作能力,使勞動生產(chǎn)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(zāi)害更加嚴(yán)重；如銅陵冬瓜山銅礦主豎井掘到- 994 m深時,瞬時涌水量達(dá)1285 m3/h,水壓8 MPa,水溫41℃ ,造成井筒淹沒。此外高井深環(huán)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(qiáng)度特性

(1) 高硬度、高強(qiáng)度特性。大型巖漿巖和變質(zhì)巖巖基體如花崗巖、石英巖、大理巖等是組構(gòu)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(qiáng)度的硬巖。前蘇聯(lián)采礦專家在研究中也發(fā)現(xiàn),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(shù)提高1.25～1.45 ,彈性模量提高2.5 GPa。由于深部高地應(yīng)力的存在，相當(dāng)于在巖體內(nèi)部預(yù)先施加了應(yīng)力，使深部礦巖成為高儲能體。國內(nèi)外已有研究和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明, 當(dāng)巖體內(nèi)部彈性能達(dá)到或超過1.0×105 J/m3時，將發(fā)生巖爆。

(2) 動力響應(yīng)的突變性。在深部開采條件下,巖體破壞具有強(qiáng)烈的沖擊破壞性質(zhì), 其破壞過程往往是突發(fā)、無前兆的突變過程。巷道的突然坍塌和失穩(wěn), 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(jìn)

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(shù)。比如采用傳統(tǒng)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(zhì)力學(xué)環(huán)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(chǎn)生的動應(yīng)力擾動，礦柱在動靜壓力的反復(fù)作用下，就有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的礦柱型巖爆。在這種情況下，要想回收礦柱，必然會導(dǎo)致生產(chǎn)安全條件差、礦石回收率低、作業(yè)成本高。

由于深部開采條件的惡化，常規(guī)的開挖方式、支護(hù)方法以及采礦工藝，都不能完全適應(yīng)深部開采的要求。為此，國內(nèi)外礦業(yè)工作者針對具體的礦山開采技術(shù)條件進(jìn)行了開采工藝等方面的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)深部資源的高效、安全、經(jīng)濟(jì)開采，也取得了不菲的成效。

2.1 盤區(qū)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(yàn)了盤區(qū)房柱采礦法，如圖1所示。盤區(qū)房柱采礦法的主要思想是：當(dāng)盤區(qū)寬度小于1/3采深時，盤區(qū)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(qū)中間留柔性礦柱，其寬高比為2。隨盤區(qū)內(nèi)礦石的回采，柔性礦柱自行片落；這樣將上部巖體壓力轉(zhuǎn)移到盤區(qū)剛性礦柱上，而盤區(qū)內(nèi)開采則處于壓力拱內(nèi)，壓力降低，不僅使回采作業(yè)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(qū)房柱法與傳統(tǒng)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(yīng)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(xiàn)由松脫地壓轉(zhuǎn)變?yōu)閹r爆地壓，即由淺部地質(zhì)構(gòu)造控制的冒頂、片邦等現(xiàn)象，逐步發(fā)展為伴有巖塊彈射、爆裂甚至大量巖體瞬間崩落等現(xiàn)象為主，嚴(yán)重威脅礦山生產(chǎn)安全。礦山不得不對淺孔留礦法進(jìn)行技術(shù)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(jié)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(guān)系

礦山近10年的生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果表明, 留礦和分段回采組合的二步連續(xù)開采法, 由于全面充填了采空區(qū), 避免了階段間礦柱出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證了回采過程中的工作安全；既發(fā)揮出空場法回采強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn), 又實(shí)現(xiàn)了采場穩(wěn)定性好和礦石回收率高。

2.3 無間柱連續(xù)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(yīng)力進(jìn)一步增大，采場頂板及上盤圍巖應(yīng)力集中對生產(chǎn)工人的作業(yè)安全和礦山正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重威脅。因此進(jìn)行無間柱階梯式連續(xù)回采分層充填采礦法試驗(yàn)。

如圖3所示，無間柱連續(xù)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(xù)進(jìn)行, 相鄰采場呈階梯式錯開分層作業(yè)。 即采用一步驟回采、連續(xù)推進(jìn)的方式。

試驗(yàn)結(jié)果證明，無間柱階梯式連續(xù)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(chǎn)管理, 確保了回采作業(yè)安全。不僅既延長了礦山服務(wù)年限, 又提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

3 深部礦體開采面臨的問題

雖然我國礦業(yè)工作者對地下金屬礦山深部開采進(jìn)行了大量研究，并取得了不少的成果,但同世界先進(jìn)礦業(yè)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(shù)面臨的問題主要有4個方面。

圖3 無間柱階梯式連續(xù)回采分層充填采礦法

(1) 深部開采的理論研究有待加強(qiáng)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(yīng)力礦巖的巖爆機(jī)理與預(yù)測預(yù)報(bào)方面。即使對巖爆機(jī)理與預(yù)測預(yù)報(bào)的研究也未能有效同采礦工藝技術(shù)相結(jié)合，取得有利于控制高應(yīng)力與高井溫環(huán)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(jìn)展更是緩慢。

(2) 深部開采設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)方法。深部礦體高溫高壓開采環(huán)境，迫切需要開展以地應(yīng)力為切入點(diǎn)的金屬礦采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化，以能量聚集和演化為主線的巖爆預(yù)測及防治，應(yīng)用數(shù)值分析、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代計(jì)算和模擬手段來確定安全經(jīng)濟(jì)合理的開采設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)類比向科學(xué)的定量計(jì)算轉(zhuǎn)變。

(3) 深部開采的機(jī)械化和自動化程度不高。目前我國進(jìn)入深井開采的礦山只有少數(shù)幾座實(shí)現(xiàn)了全盤機(jī)械化采掘作業(yè), 今后還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善鑿巖、爆破、運(yùn)礦等設(shè)備的無軌化、液壓化，開發(fā)研制新型智能化設(shè)備，如全水壓破巖設(shè)備、地下低矮式破碎機(jī)、大功率水力制冷設(shè)備、深井泵送運(yùn)輸設(shè)備等；并不斷提高設(shè)備智能化、無人化，以適應(yīng)深井開采的惡劣環(huán)境。

(4) 地壓監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)用有待加強(qiáng)和提高。雖然我國深井開采的礦山已有幾座建立了微震監(jiān)測系統(tǒng)，但如何通過地震數(shù)據(jù)分析與解釋，確定采礦誘發(fā)的地震在時間和空間上的分布規(guī)律和巖爆可能發(fā)生位置，通過巖體活動對采礦過程的反應(yīng)監(jiān)測，輔助礦山進(jìn)行巖石工程設(shè)計(jì)和指導(dǎo)采礦生產(chǎn)則任重而道遠(yuǎn)。

4 結(jié) 語

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

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