近海黃金礦床深部開采科技難題及研究展望

劉煥新 王劍波 趙 杰 吳欽正

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司深井開采實(shí)驗(yàn)室,山東 萊州 261442；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

根據(jù)中國工程院咨詢研究項(xiàng)目“我國金屬礦深部開采創(chuàng)新技術(shù)體系的戰(zhàn)略研究”的調(diào)研結(jié)果[1]，當(dāng)前國外開采深度1 000 m以上的深井礦山112座，排在前五位的分別是加拿大(28座)、南非(27座)、中國(16座)、澳大利亞(11座)、美國(7座)，全球范圍內(nèi)的深部礦產(chǎn)資源開采已成為常態(tài)。中國礦產(chǎn)資源開發(fā)將逐步進(jìn)入1 000～2 000 m開采階段[2-3]。山東黃金集團(tuán)擁有包括三山島斷裂帶、焦家斷裂帶和招平斷裂帶等重要成礦帶，并于2017年3月發(fā)布探獲“三山島礦區(qū)西嶺金礦”這一深埋的地下800～2 600 m的世界級巨型單體金礦床，目前已備案金金屬量382.58 t，平均品位4.52 g/t，預(yù)計(jì)2年后可累計(jì)提交資源量550 t。三山島金礦(新立礦區(qū))是我國唯一一座海下開采黃金礦山，西山礦區(qū)和西嶺礦區(qū)礦體均為濱海礦床，西山礦區(qū)目前開采深度已接近-1 000 m。進(jìn)入深部開采后，高應(yīng)力作用下的地壓控制和支護(hù)技術(shù)，通風(fēng)、降溫、提升、排水技術(shù)，高效率低成本回采技術(shù)等都是需要解決的關(guān)鍵難題。

1 近海黃金礦床深部開采關(guān)鍵科技問題

目前，我國尚無成熟的海下和近海開采技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)可參考，尤其是在近海2 000 m以淺，如何在確保安全、經(jīng)濟(jì)的前提下，最大程度地提升深部資源的獲取能力，需全面考慮以下關(guān)鍵科技問題。

1.1 深部高地應(yīng)力與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

深部高應(yīng)力可能導(dǎo)致破壞性的地壓活動(dòng)。包括巖爆、塌方、冒頂、突水等由采礦引起的動(dòng)力災(zāi)害及巖體片狀剝落等巖體失穩(wěn)情況，嚴(yán)重影響著礦山的正常生產(chǎn)。 三山島金礦西山礦區(qū)在-1 140 m水泵房施工過程中發(fā)生明顯的巖石彈射現(xiàn)象(圖1)。

圖1 三山島金礦深部片幫和巖塊滑落明顯Fig.1 Obviously deep rib failing and rock sliding of Sanshandao Gold Mine

進(jìn)入深部開采后，地下工程開挖表現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)空性，深部開拓工程和局部采場出現(xiàn)應(yīng)力集中(圖2)、礦柱開裂、圍巖彈射等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)。深部金屬礦床埋深大、應(yīng)力高，巖體破壞機(jī)理復(fù)雜與破壞模式多樣，其開采過程中應(yīng)力、開裂、變形、能量時(shí)空演化規(guī)律極為復(fù)雜，是深部開采結(jié)果的綜合體現(xiàn)。

圖2 深部開挖引起的應(yīng)力集中Fig.2 Stress concentration caused by deep excavation

1.2 深部支護(hù)和采礦方法

深部巖體結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性會發(fā)生重大變化，淺部的硬巖到深部變成軟巖，彈性體變成潛塑性體[4-5]。適用于淺部的采礦和支護(hù)設(shè)計(jì)理論很多不能適用于深部開采。

進(jìn)入深部開采后，隨著采場地壓問題的突出，目前采用的上向分層充填采礦方法及點(diǎn)柱法已不能更好適應(yīng)和滿足深部開采對安全生產(chǎn)、效率、采礦成本的要求，礦山急待在深部采礦方法和支護(hù)方面取得突破，以便于安全、高效、經(jīng)濟(jì)地回收深部資源。

1.3 深井提升難題

進(jìn)入-1 500～-2 000 m開采后，深部礦石的提升難度和提升成本增加，并成為亟待解決的關(guān)鍵性難題。目前三山島金礦在西嶺礦區(qū)已設(shè)計(jì)并將在近期建設(shè)1條2 000 m深度的豎井，新城金礦已開工建設(shè)1 526 m的深井。開鑿深2 000 m的豎井不僅在國內(nèi)，即使在南非深井開采發(fā)達(dá)的國家也是一個(gè)難題。盡管南非有多個(gè)礦山步入4 000 m[6]以下進(jìn)行開采，但大都是通過2～3級盲豎井開拓，或者針對緩傾斜礦體主要是通過斜坡道開拓與豎井開拓相結(jié)合的方法。因此針對深井提升難題，需重點(diǎn)解決深2 000 m豎井建井技術(shù)、豎井井筒裝備、提升系統(tǒng)可靠性、豎井開鑿過程通風(fēng)問題、復(fù)雜環(huán)境下豎井井壁的穩(wěn)定性等科技問題。

1.4 高滲透壓與海水潰入風(fēng)險(xiǎn)

三山島金礦主要可采礦體均賦存于海底下部巖體中，礦區(qū)存在涌、突水甚至海水潰入的潛在危險(xiǎn)。進(jìn)入-1 000 m以下開采深度，巖體中孔隙水壓的增大對豎井井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，滲流的復(fù)雜性造成突水風(fēng)險(xiǎn)的不確定性和難預(yù)測性，對采礦活動(dòng)造成安全威脅。由于近海深部開采的特點(diǎn)，高滲透壓及海水潰入的風(fēng)險(xiǎn)，由此帶來了豎井施工及采礦活動(dòng)中的注漿堵水、海水突涌突冒的預(yù)測預(yù)報(bào)以及滲流場、應(yīng)力場、溫度場等多場耦合下巖體力學(xué)性質(zhì)的改變等科學(xué)問題，關(guān)系到海下采礦安全。

1.5 深部高地溫

三山島金礦西山礦區(qū)-600 m水平以下局部溫度梯度2.6 ℃/100 m，在-600 m標(biāo)高，原巖溫度達(dá)36 ℃，井下空氣溫度達(dá)34 ℃以上。西嶺礦區(qū)-1 240 m中段，預(yù)測原巖溫度將達(dá)到38.2 ℃，-1 770 m中段將達(dá)到51.8 ℃。深部開采過程中，機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備產(chǎn)生與消耗的能量也不斷增加，轉(zhuǎn)換為熱能而隨風(fēng)流擴(kuò)散，同樣會引起井溫的升高。目前由于地?zé)釂栴}使井下的生產(chǎn)受到了嚴(yán)重的影響，造成礦山深部工程進(jìn)展緩慢。

1.6 充填技術(shù)滯后

泵送膏體輸送工藝、高濃度全尾砂充填技術(shù)、新型高效充填方法、高濃度輸送工藝等現(xiàn)代充填采礦技術(shù)已經(jīng)在世界得到全面推廣應(yīng)用[9]。高濃度漿體/膏體充填技術(shù)經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐，因其具有穩(wěn)定性好、不分層離析、充填成本低等優(yōu)點(diǎn)，已在世界主要采礦國家得到廣泛應(yīng)用，是未來礦井充填技術(shù)的發(fā)展方向。目前，礦山充填系統(tǒng)存在的主要問題是充填體強(qiáng)度低、采場充填接頂率低。為了控制或緩解深部開采造成的地壓活動(dòng)，急需改進(jìn)和研發(fā)充填新技術(shù)，解決充填方式及充填體的強(qiáng)度問題，滿足深部礦體開采的要求。

2 海底金礦床開采成套技術(shù)積累

以三山島金礦為例，通過“海底大型金屬礦床高效開采與安全保障關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，開發(fā)出海底金屬礦床開采中的一整套技術(shù)，包括海底金屬礦開采的開拓方式、回采順序、采準(zhǔn)布置、主要回采工藝與技術(shù)(鑿巖、通風(fēng)、出礦、支護(hù)、充填)、海底地壓控制、巖層變形監(jiān)測、井下突水與安全預(yù)警等一系列技術(shù)，解決海底金屬礦開采時(shí)的“防止海水潰入”、“海域下巖層開采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其控制技術(shù)”、“海底金屬礦開采災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和安全保障體系”等難題，實(shí)現(xiàn)三山島金屬海底礦床的安全高效經(jīng)濟(jì)開采，填補(bǔ)我國海底金屬礦開采的技術(shù)空白，為我國海底金屬礦開采提供示范與榜樣。同時(shí)，制訂出海底金屬礦相關(guān)的技術(shù)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為海底礦山開采提供地壓控制與安全預(yù)警系統(tǒng)，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的海底金屬礦開采技術(shù)。

3 研究展望

3.1 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

面對近海-1 000～-2 000 m深部開采的現(xiàn)狀，需在系統(tǒng)總結(jié)淺部已有技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，著重解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

(1)區(qū)域地應(yīng)力測試及地應(yīng)力環(huán)境。通常而言，淺部原巖應(yīng)力場分布規(guī)律主要以水平方向的構(gòu)造應(yīng)力為主，進(jìn)入一定深度后垂直方向的主應(yīng)力會大于水平方向的構(gòu)造應(yīng)力[10]，當(dāng)進(jìn)入超深階段地應(yīng)力的分布會呈現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)[11]，即三向等壓狀態(tài)。進(jìn)入-1 000 m以下，地應(yīng)力分布是否仍然以水平方向的構(gòu)造應(yīng)力為主，地應(yīng)力值從淺至深是否仍然以線性規(guī)律增長，亟待研究、摸清。系統(tǒng)掌握區(qū)域地應(yīng)力場分布規(guī)律，是開展深部開采采礦方法試驗(yàn)、回采結(jié)構(gòu)參數(shù)、支護(hù)設(shè)計(jì)、豎井設(shè)計(jì)與施工、應(yīng)力遷移規(guī)律及調(diào)控研究、巖爆等動(dòng)力災(zāi)害防治的基礎(chǔ)，具有前瞻性的工作意義。

(2)深部巖體力學(xué)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。進(jìn)入深部以后，巖石破壞會由彈塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺棿嘈云茐纳踔裂有云茐?圍巖變形流變特征顯現(xiàn)。為掌握-1 000～ -2 000 m深部巖體力學(xué)性質(zhì)，需系統(tǒng)開展巖體力學(xué)調(diào)查、巖體質(zhì)量分級工作，建立深部巖體力學(xué)綜合數(shù)據(jù)庫，并研發(fā)相應(yīng)的巖體質(zhì)量智能分級系統(tǒng)，為深部采礦工程設(shè)計(jì)提供支撐。

(3)采礦方法革新。三山島金礦自上個(gè)世紀(jì)80年代運(yùn)用至今的點(diǎn)柱式充填和水平分層充填法在安全及效率上目前已顯現(xiàn)出不適用性。在系統(tǒng)掌握區(qū)域地應(yīng)力分布規(guī)律及深部巖體力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，針對深部高應(yīng)力環(huán)境，開展深部采礦方法試驗(yàn)，進(jìn)行采礦方法革新，提出一套適用于深部的安全、高效采礦工藝技術(shù)體系迫在眉睫。

(4)2 000 m深井開鑿與提升。三山島金礦建設(shè)2 000 m豎井將成為國內(nèi)首例大型深部開拓工程。在施工過程中，需重點(diǎn)研究2 000 m豎井開鑿技術(shù)、井筒綜合機(jī)械化快速施工技術(shù)、一次成井滑膜快速施工工藝、支護(hù)方式與支護(hù)材料。同時(shí)需掌握施工過程及運(yùn)行后地壓管理技術(shù)，保證施工及運(yùn)行后井筒的安全性。另外，施工及運(yùn)行后井筒通風(fēng)、在水—溫度—化學(xué)腐蝕—高地應(yīng)力耦合作用對井壁穩(wěn)定性關(guān)系到人員及井筒的安全。在提升方面，在國內(nèi)安全規(guī)程和國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定下，設(shè)計(jì)提升高度達(dá)到1 500～2 000 m的提升機(jī)面臨巨大的困難?！按筝d荷、大功率、大慣量”條件下，鋼絲繩的直徑、材料及安全系數(shù)、提升機(jī)的選型、性能、制動(dòng)系統(tǒng)和罐籠的選取、提升過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提升機(jī)安全系數(shù)等將是研究的重點(diǎn)。

(5)深部綠色充填工藝與技術(shù)。綠色開采是當(dāng)前深部資源開采的重要理念[14]。充填法對于有效控制巖層移動(dòng)和地表沉陷，確保海下開采安全，同時(shí)對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、有效控制深部開采劇烈的地壓活動(dòng)，避免采場和巷道失穩(wěn)破壞引起各種災(zāi)害的發(fā)生具有重要作用。膏體充填是新型綠色開采技術(shù)，但是具體應(yīng)用過程中管道易裂、易損、充填體難接頂、強(qiáng)度低的問題一直難以解決。所以研發(fā)深部綠色充填工藝與技術(shù)的關(guān)鍵，在于研發(fā)膏體充填材料、膏體充填工藝及高濃度和高倍線下管道輸送技術(shù)、全尾砂濃縮與脫水工藝等技術(shù)。

(6)深部降溫。地下巖層溫度隨深度大約以3 ℃/100 m的梯度上升[15-16]。進(jìn)入-1 000 m開采后，常規(guī)通風(fēng)已不能滿足降溫要求。針對2 000 m以淺的深部開采，在確保開采仍然可盈利的條件下，通過制冷或制冰的方式，向井下輸送冷空氣或?qū)⒅圃斓谋鶟{或粒狀冰進(jìn)入循環(huán)管路，最大限度地降低工作面溫度及控制回采成本，是深部經(jīng)濟(jì)、高效開采的保障。

3.2 基礎(chǔ)理論與技術(shù)支撐

解決上述關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)開展相應(yīng)的基礎(chǔ)科學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)研究，為上述科學(xué)難題和關(guān)鍵技術(shù)的解決提供基礎(chǔ)支撐。

(1)在深部巖體力學(xué)方面，研究真三軸及多場耦合作用下巖石的破壞機(jī)制、巖爆的孕育機(jī)理及防控、采動(dòng)條件下水的遷移(滲流)、高應(yīng)力下深部圍巖大變形控制、應(yīng)力場與能量場的演化規(guī)律研究與分析、開采過程中的應(yīng)力阻斷及卸壓、采動(dòng)條件下支護(hù)與圍巖相互作用機(jī)理等。

(2)在智能化與信息化方面，研究開采過程多元信息演化協(xié)同智能感知技術(shù)、開采過程監(jiān)測大數(shù)據(jù)的集成可視化、協(xié)同分析與智能預(yù)警?；诖髷?shù)據(jù)分析技術(shù)，開展深部金屬礦床開采、充填、支護(hù)過程仿真、優(yōu)化、安全性時(shí)空預(yù)測預(yù)警與動(dòng)態(tài)調(diào)控效應(yīng)的時(shí)空分析等。

(3)在深部通風(fēng)降溫方面，研究深井降溫的熱交換解算方法、巷道采場蓄熱蓄冷及局部預(yù)冷技術(shù)、井下作業(yè)環(huán)境舒適度評價(jià)模型、深井污風(fēng)循環(huán)利用技術(shù)。

(4)在高效、綠色開采方面，開展高效破巖方法和高效采礦工藝技術(shù)研究，建立深部高應(yīng)力條件下開采理論與工藝技術(shù)體系?；谘h(huán)經(jīng)濟(jì)方法研究地下采選一體化、尾礦復(fù)用、無廢開采、風(fēng)水循環(huán)利用技術(shù)，建立減量化、無害化、資源化的深部綠色開采體系，實(shí)現(xiàn)2 000 m以淺黃金礦床安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。

4 結(jié) 語

深地資源勘探開發(fā)是當(dāng)前國家和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重大科技問題。山東黃金集團(tuán)應(yīng)審時(shí)度勢，展望未來發(fā)展，在全面總結(jié)已有技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，面向集團(tuán)所屬礦山，以科學(xué)技術(shù)為驅(qū)動(dòng)力，力爭在深部開采方面作出突出成績，形成示范性基地。主要研究工作歸納為：

(1)以深部巖石力學(xué)及地應(yīng)力環(huán)境為基礎(chǔ)，建立深部巖體力學(xué)數(shù)據(jù)庫，建立深部高效、安全、經(jīng)濟(jì)開采體系和方法，為2 000 m以淺深部開采及企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。其中需重點(diǎn)關(guān)注深部巖爆等動(dòng)力災(zāi)害的機(jī)理、監(jiān)測、防控研究，解決超深豎井施工、提升及運(yùn)行維護(hù)難題。

(2)以滲流理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)開展工程地質(zhì)和水文地質(zhì)工作，開展近?；蚝Ｏ露鄨鲴詈蠗l件下巖體變形控制，掌握水的運(yùn)移規(guī)律與巖體的作用機(jī)理，開展深部開采防水、治水工作，確保近?；蚝Ｏ麻_采安全，嚴(yán)防海水潰入。

(3)以通風(fēng)理論為基礎(chǔ)，以經(jīng)濟(jì)開采為前提，以國外深井降溫技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為指引，開展-1 000 m以下特別是-1 500 m以下通風(fēng)降溫技術(shù)研究，研發(fā)制冷、制冰降溫技術(shù)，最大限度的降低井下工作面溫度。

(4)以綠色發(fā)展為理念，深入開展深部綠色充填工藝技術(shù)研究，研發(fā)充填材料，研發(fā)高濃度充填體輸送技術(shù)，研發(fā)料漿濃縮脫水工藝，解決充填體難接頂、難輸送等難題，建立深部無害化、減量化綠色開采理論技術(shù)體系。

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