國外深井充填法礦山開采技術(shù)綜述

劉育明， 馬俊生， 郭 雷， 張愛民， 陳小偉， 張少杰， 夏長念

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

我國金屬礦山經(jīng)過幾十年的開采，淺部資源逐步消耗殆盡，一批金屬礦山正在向1000m甚至1500m以上的深井發(fā)展，如冬瓜山銅礦、金川二礦區(qū)、銅綠山銅鐵礦、會澤鉛鋅礦、凡口鉛鋅礦和紅透山銅礦等。隨著開采深度不斷增加，深井礦山開采面臨著高應(yīng)力、高地溫、高井深等一系列問題，導致突發(fā)性工程災(zāi)害和重大惡性事故發(fā)生的可能性進一步增大[1]，因此，很有必要對深井充填采礦技術(shù)進行深入研究。

本文通過對澳大利亞、加拿大、芬蘭和瑞典等礦業(yè)發(fā)達國家的典型深井充填法礦山開采技術(shù)進行分析總結(jié)，包括采礦方法、地壓控制措施等，從而提出我國深井充填法礦山開采技術(shù)的應(yīng)用建議。

2 深井開采的主要特點

深井開采存在高應(yīng)力、高地溫和高井深等特點，容易造成巖層移動、采場垮落、巷道變形與底鼓、巖爆等危險事故，并造成井下作業(yè)環(huán)境惡化，對礦山安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

1)深部巷道變形與支護

由于巖石所處應(yīng)力環(huán)境的差異，巖體力學性質(zhì)的不同，從而導致深部的巷道、采場的維護原理與淺部有明顯區(qū)別。通常淺部十分普通的硬巖在深部可能表現(xiàn)為軟巖的特征，從而引起巷道或圍巖的大變形；淺部的原巖大多

處于彈性狀態(tài)，而深部的原巖則處于“潛塑性”狀態(tài)，由各向不等壓的原巖應(yīng)力場引起的壓、剪應(yīng)力超過巖石強度，造成巖石處于潛在破壞狀態(tài)。深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護，除了必須考慮巖石強度和巖體結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)重視巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，強調(diào)峰后破壞巖體殘余強度的利用，合理控制巖體的峰后變形，盡量使巷道或圍巖處于三維應(yīng)力狀態(tài)，故深井巷道支護應(yīng)以能量分析為設(shè)計準則，采用“先柔后剛”保持和提高巖體的強度。

2)深井地壓顯現(xiàn)與開采動力災(zāi)害

隨著開采深度的增加，地應(yīng)力隨之增大，在1500m時最大主應(yīng)力將超過50MPa，容易造成深部地壓破壞，一般表現(xiàn)為變形地壓或沖擊地壓。變形地壓是因開挖產(chǎn)生的圍巖位移所引起的壓力，這是地壓的最基本形式。深部高應(yīng)力條件下，圍巖具有產(chǎn)生大變形的內(nèi)外部條件，圍巖的過量變形將產(chǎn)生巖層移動、巷道底鼓、片幫、冒頂?shù)?，必須通過支護才能防止過量的變形。沖擊地壓是一種巖石動力學現(xiàn)象，它是圍巖內(nèi)聚集的大量彈性變形能在一定誘因下突然釋放而表現(xiàn)出的一種形式。產(chǎn)生沖擊地壓的兩個因素：一是巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，具有在圍巖內(nèi)儲存高應(yīng)變能的內(nèi)在條件，通常堅硬完整巖體更容易發(fā)生沖擊地壓；二是有產(chǎn)生高應(yīng)變能的外部環(huán)境，如地應(yīng)力大、圍巖應(yīng)力集中的地方。隨著開采深度的增大，地應(yīng)力不斷增大，深部容易出現(xiàn)巖爆和沖擊地壓。

3)地溫升高引起作業(yè)環(huán)境惡化

地下巖層溫度隨著深度的增加而增加。據(jù)統(tǒng)計，常溫帶以下，巖層深度每增加100m，巖層溫度增加1.5～3℃。千米以上的深井，巖層溫度將超過人體溫度。深井開采工作面氣溫的升高導致工作條件的嚴重惡化，在持續(xù)的高溫條件下，人員的健康和工作能力將會受到很大的損傷，這影響到采掘工作的正常進行，使勞動生產(chǎn)率大大下降。據(jù)統(tǒng)計資料表明，超過適合人體溫度后，溫度每增加1℃，工人的勞動生產(chǎn)率將降低7%～10%。

3 國外深井充填開采實例

3.1 澳大利亞Mount Isa銅礦

Mount Isa銅礦位于澳大利亞昆士蘭州西北部蒙特艾薩鎮(zhèn)東北方向55km。銅礦體開采規(guī)模為620萬t/a，年產(chǎn)金屬銅15萬t，Cu平均品位2.4%，采用U62豎井提升礦石，提升能力為660萬t/a，提升高度約為900m，深部礦體由M62盲主井經(jīng)膠帶斜井倒運至U62主井，提升至地表。該銅礦主要包括2個礦體，X41礦體和Enterprise礦體，其中后者開采深度超過了1500m。

采礦方法為分段空場嗣后充填法，并根據(jù)礦體厚度不同劃分為棋盤式布置和后退式回采。Enterprise礦體厚度小，采場尺寸為(30～40m)×(30～40m)×60m(長×寬×高)，單個采場的礦量(20～30)萬t。采場回采順序為后退式回采，每個采場均采用膠結(jié)充填，最后一個回采的采場采用廢石和水泥漿充填。采場礦石采用14t和21t鏟運機出礦，鑿巖根據(jù)炮孔方式分別采用中深孔臺車和潛孔臺車，上向孔采用孔徑102mm的中深孔臺車，下向孔采用孔徑140mm潛孔鑿巖臺車，具體工作示意圖如圖1所示[2-3]。

圖1 Mount Isa礦垂直高分段空場嗣后充填法圖

為了有效控制地壓，除了采場棋盤式布置、后退式回采及選擇合適采場尺寸之外，在巖爆發(fā)生準則、井下爆破控制、微震監(jiān)測等方面也進行了大量實踐工作。

3.2 加拿大Kidd Creek銅鋅礦

Kidd Creek銅鋅礦位于加拿大安大略省蒂明斯以北約27km，最大開采深度近3000m，開采規(guī)模約(200～240)萬t/a，是世界上開采深度最大的金屬礦山之一[4]。采礦方法為深孔空場嗣后充填法，通常采場長15～20m，寬20m，高30～40m，平均每個采場礦量約為3.4萬t。對開采深度較深的3號礦體的采場尺寸進行了修改，將寬度和長度進行縮減，以維持采場的穩(wěn)定。目前礦山開采活動主要集中在D礦體，由于礦山需要擴大產(chǎn)能，考慮到采用空場嗣后充填法以來的良好的安全生產(chǎn)記錄和井下的巖石力學性質(zhì)，為了盡量減少對現(xiàn)有生產(chǎn)的影響，保證生產(chǎn)銜接的平緩過渡，并能滿足現(xiàn)有技術(shù)工人的專業(yè)技術(shù)能力后，礦山準備增大采場尺寸，其寬為20m，長35m，高40m。3號礦體和D礦體采場尺寸如圖2所示。

圖2 3號礦體和D礦體采場尺寸圖

鑿巖巷道布置在采場頂部和底部，分別施工孔徑為114mm的下向和上向孔，在上下鑿巖巷之間施工直徑為0.7～1.0m的切割天井，然后逐排爆破114mm的深孔，每次爆破3～4排孔。最后通過遠程遙控鏟運機進入采場底部進行出礦，鏟運機將礦石卸入礦石溜井。隨著出礦和爆破的進行，采空區(qū)體積也隨之增大，出礦結(jié)束后，隨即對采場進行膏體充填，膏體充填能力可滿足8000t/d的生產(chǎn)能力。

在巖爆支護方式上，礦山生產(chǎn)各期間發(fā)生了明顯的變化。例如在開采初期主要使用機械式和摩擦式錨桿，在連續(xù)發(fā)生巖爆事故后，改進了部分區(qū)域的支護方法，增加了金屬網(wǎng)帶、MCB33錨桿和錨索等支護方式，支護強度大大增加。同時，在部分應(yīng)力集中區(qū)采取了卸壓的處理方式，待卸壓后再進行開采，效果良好。正是由于改進了支護方式和理念，才保證了礦山在后來的巖爆事故中受到的損失很小。

3.3 加拿大Creighton銅鎳礦

Creighton銅鎳礦主要位于大規(guī)模蘇長巖和下盤巖石之間的薩德伯里火成雜巖(SIC)的東南角[5-6]。礦體于1901年開始進行露天開采，迄今已經(jīng)開采了100多年。礦山主要使用豎井、盲井和斜坡道的混合運輸方式，目前開采深度為2130m，生產(chǎn)能力為9700t/d。

生產(chǎn)期間使用了留礦法、自然崩落法、充填法、VCR法和階段空場法等。當前，該礦山深部開采主要使用VCR和階段空場法的混合開采，開采上限范圍為少量的上盤礦體。

目前主要利用9號豎井來運輸供給物料和人員的豎井，9號豎井最低水平為2135m水平，當前生產(chǎn)區(qū)域包括以下幾個工區(qū)。

4工區(qū)：開采位于1130m和1645m水平之間的402號礦體，開采方法為由下而上、先從采場中部開采的混合開采法。

5工區(qū)：回收1645m和2010m水平之間的殘余礦柱。

6工區(qū)：1950m水平以下的深部混合開采，即Creighton深部開采。

該礦山第一次有記錄的地震事件和巖爆發(fā)生在20世紀30年代，在700m開采深度的頂柱和底柱上發(fā)生了巖爆。之后隨著開采深度的增加，在1200m的采準巷道和2000m的底部巷道，生產(chǎn)爆破后開始發(fā)生地震(應(yīng)變巖爆)。底部巷道發(fā)生的大多數(shù)為巖爆，都是由于每天的開采活動引起的，主要是底柱和頂柱開采導致的結(jié)果(礦柱巖爆)，而大多數(shù)的應(yīng)變巖爆都與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)聯(lián)。

Creighton礦的第一個微震系統(tǒng)安裝于1980年，產(chǎn)品為16通道的MP250監(jiān)測系統(tǒng)。之后隨著開采深度的增加，礦山安裝了更多的檢測系統(tǒng)去監(jiān)視更加頻繁的地震活動。目前，Creighton礦運行104通道的Hyperion系統(tǒng)去監(jiān)測全礦范圍。該微震系統(tǒng)服務(wù)于1080m至2420m水平開采區(qū)域。1950m水平安裝了一個64通道的收發(fā)器，2340m水平安裝了24通道的收發(fā)器，1220m水平安裝了一個16通道的收發(fā)器，這些收發(fā)器的工作范圍能夠覆蓋402礦體。

在有巖爆傾向性的環(huán)境或在地震活躍的地質(zhì)構(gòu)造周邊，尤其在礦山早期階段或者開拓采準時，采用配套薄鋼帶的MCB錨桿，或者噴射混凝土拱進行加強支護，實踐證明這些支護系統(tǒng)是有效的。

3.4 加拿大LaRonde金礦

LaRonde金礦為加拿大大型黃金礦山，隸屬于Agnico Eagle礦業(yè)有限公司，位于Montreal市西北部[7]。該礦主要產(chǎn)品為黃金，副產(chǎn)礦石為Ag、Cu、Zn、Pb。礦床埋深從地表延深到井下3110m，是加拿大現(xiàn)存最大的金礦之一。礦山采用豎井開拓系統(tǒng)，其中Penna主井為目前主要生產(chǎn)服務(wù)主井，井深超過2400m，也是西半球最深的單繩提升系統(tǒng)。

LaRonde礦采礦方法為大直徑深孔嗣后充填采礦方法(采場垂直走向布置，少部分沿走向布置)。LaRonde金礦為了降低深井高地壓對采礦的影響，設(shè)計采用卸壓式分區(qū)分塊金字塔開采順序，使地壓隨著礦石開采的推進，不斷釋放壓力。LaRonde金礦回采順序如圖3所示，圖中①、②、③、④、⑤、⑥為開采順序。

圖3 LaRonde金礦回采順序

另外，在礦山井下安裝了在礦山廣泛應(yīng)用的ESG Hyperion便攜式微震監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測巖石應(yīng)力的變化，以便為礦山開采提供參考。

3.5 芬蘭Pyh?salmi銅鋅礦

礦山位于芬蘭中部奧盧省南部皮哈薩米小鎮(zhèn)，為地下銅鋅礦，目前開采深度接近1500m，是歐洲最深的生產(chǎn)礦山，礦山生產(chǎn)規(guī)模為140萬t/a。礦體寬度200m，走向長400m，高度約400m，具有品位低、儲量大的特點[8]。

采礦方法采用空場嗣后充填法進行兩步驟回采，一步驟采場尺寸15～18m，礦石量約50000t；二步驟采場寬20～25m，礦石量超過100000t。一步、二步驟采場長40～60m，高為25m或50m(兩個分段)，4～6個采場同時開采。一步驟采場采用膠結(jié)充填，二步驟采場采用廢石充填，后來考慮地壓問題，老的廢石采場陸續(xù)進行了膠結(jié)充填。

從礦體最底部開始回采，兩步驟回采，逐漸在水平和豎直方向呈箭頭形狀(arrowhead shape)擴展，回采方向大致平行于主要水平應(yīng)力方向且垂直于礦體走向。平面上，采場長軸方向應(yīng)平行于水平主應(yīng)力方向。

礦山采用了Sandvik的Automine Lite自動化出礦系統(tǒng)進行采場礦石出礦，鏟運機為Toro501型。

另外，礦山巖石力學監(jiān)測系統(tǒng)也不斷在優(yōu)化，開始僅計劃在屈服的礦柱用伸長計監(jiān)測，然后用三維計量器進行后處理；但當?shù)V體沉降確認后，伸長計也被用在礦體和廢石接觸的位移監(jiān)測上；此外，固定點測量也被引進到接觸帶的沉降監(jiān)測上。2002年，安裝了一套微震監(jiān)測系統(tǒng)來確定屈服點。視覺損傷映射(visual damage mapping)作為一種識別巖石垮塌的方法，也被用來作為其他監(jiān)測方法的后處理手段。

3.6 瑞典Zinkgruvan鉛鋅礦

Zinkgruvan鉛鋅礦山位于瑞典斯德哥爾摩西南約200km，距離Askersund鎮(zhèn)15km，是北歐歷史最悠久的地下礦山之一，于1857年開始地下采礦[9]。

礦山采用主井、斜坡道開拓，有3條豎井和1條斜坡道。其中，主井深900m，服務(wù)800m和850m水平，斜坡道目前深度已達到1130m。

礦山的Burkland礦區(qū)采用深孔兩步驟盤區(qū)回采，Nygruvan 和Cecilia區(qū)采用分段階梯式回采(sublevel benching)，采用尾砂膏體充填或者廢石充填。

3.7 其他礦山

澳大利亞Olymic Dam銅鈾金銀礦[10]是澳大利亞最大的坑采礦山，采用3條豎井和1條斜井通到礦體，3條豎井包括Whenan豎井、Robinson豎井和3號豎井。礦山目前產(chǎn)量已超過1000萬t，主要采用深孔分段空場嗣后充填采礦法開采，分段高度為60m，采場布置如圖4所示。

圖4 澳大利亞Olymic Dam礦采場布置圖

芬蘭Kemi鉻鐵礦[11]位于芬蘭波的尼亞灣的最北端，礦床自1962年被發(fā)現(xiàn)，1966年開始露天開采，1999年開始地下建設(shè)，2003年開始地下生產(chǎn)，目前生產(chǎn)規(guī)模為270萬t/a。采用主井、斜坡道開拓，主井深度約600m；斜坡道坡度1∶7，斷面8m×5.5m，瀝青路面，入口在礦體下盤，到達600m深。采礦方法為空場嗣后充填法，采場長20m，寬12～20m，高度25m，采場頂板采用錨索和網(wǎng)支撐以減小貧化。一步驟膠結(jié)充填，二步驟廢石充填。巷道用膨脹錨桿和纖維增強噴射混凝土支護，錨固作業(yè)完全機械化。

4 深井充填法開采技術(shù)應(yīng)用建議

(1)在開拓系統(tǒng)方面，國外常用豎井+輔助斜坡道開拓方式。例如，Kidd Creek礦山主斜坡道服務(wù)深度從地表到D礦體的開拓深度長13.2km，服務(wù)深度達3110m；Pyh?salmi礦主井深1450m，斜坡道延伸到井底，斜坡道長約10km；瑞典Zinkgruvan礦斜坡道深度達1130m，長度約8km等。

從案例礦山可以發(fā)現(xiàn)，斜坡道在礦山開拓中非常重要，不論采深小于1000m，還是在超深井中均有使用，是現(xiàn)代化大型設(shè)備、人員、材料的進、出重要通道。

(2)在采礦方法選擇方面，大規(guī)模、高效、低成本、安全可靠是深井采礦方法發(fā)展的主要方向。其中，分段空場嗣后充填的深井礦山越來越多，特別是在大型礦山更為適用，采用分段空場嗣后充填采礦法是用中深孔或深孔進行鑿巖爆破，生產(chǎn)效率高，人員不需進采場，安全程度高。另外，在深井采場尺寸方面，通常選擇“方形采場”，即采場長、寬、高相差不大，有利于采場穩(wěn)定和地壓控制；同時，根據(jù)不同的井下環(huán)境，動態(tài)調(diào)整布置形狀、采場尺寸、階段高度等參數(shù)，越往深部采場尺寸應(yīng)越小，快采快充，以適應(yīng)高地應(yīng)力環(huán)境。

例如，Mount Isa礦的采場有40m×40m、30m×30m和20m×20m不同尺寸的采場，且局部采場高度達200m，分為多個高分段進行鑿巖；Olymic Dam分段高度為40～60m；Cannington礦采場尺寸為20m×18m(長×寬)，采場高度為100m，分段高度從20～35m不等；芬蘭的Kemi礦采場長20m，寬12～20m，高度25m。

另外，在采場鑿巖布孔上，國外礦山常采用下向扇形布孔方式，少數(shù)也有打360°全扇形孔的。當采用下向布孔方式時，鑿巖巷道位于采場頂部，可以對采場頂板采用錨索和網(wǎng)支撐以減小貧化和維護采場穩(wěn)定。

(3)在回采順序上，考慮到深井地應(yīng)力的影響，需配置微震監(jiān)測系統(tǒng)，合理確定礦體的回采順序。一般采用連續(xù)開采，不留或少留礦柱，避免留設(shè)孤立礦柱。垂直方向上可采用三角形上向或下向推進順序，尤其要特別重視斷層對礦體開采的影響，原則上應(yīng)從斷層處開始回采，再向外擴展。

Mount Isa礦水平內(nèi)由北向南回采，除了部分為通風、生產(chǎn)服務(wù)等提供通道的礦柱之外基本上無礦柱；Creighton礦采用便攜式微震系統(tǒng)，合理確定并實行嚴格的開采順序管理；LaRonde金礦采用泄壓式分區(qū)分塊金字塔開采順序；Pyh?salmi礦從礦體最底部開始回采，兩步驟回采，逐漸在水平和豎直方向呈箭頭形狀(arrowhead shape)擴展，回采方向大致平行于主要水平應(yīng)力方向且垂直于礦體走向；Kemi礦主要采礦方法是自下而上、呈階梯狀的回采礦石等。

(4)在巷道支護方面，針對高應(yīng)力深井礦山，主要以錨網(wǎng)、噴錨網(wǎng)(包括錨索)、噴射(鋼)纖維混凝土為主，錨桿形式包括Modified cone bolts、D-bolt、改良錐形錨桿等，在超過1000m深的巷道中，原則上均應(yīng)支護。

Mount Isa礦深部巷道主要采用塑料纖維混凝土+錨網(wǎng)支護，這可以有效抵抗高應(yīng)力條件的變形和降低發(fā)生巖爆的危害；Creigtain礦采用全斷面錨網(wǎng)支護，邊墻采用管縫式錨桿，φ46mm、長2m，拱頂采用全長錨固樹脂錨桿，φ20mm、長2.4m，網(wǎng)度1.2m×1.5m，鋼筋網(wǎng)采用4#鋼筋焊接；Coleman礦高應(yīng)力區(qū)采用噴射鋼纖維混凝土支護，最小直徑75mm，完整巖體中采用Modified cone bolts或D-bolt，長2.4m，網(wǎng)度1.5m×1.5m，均采用樹脂注漿；Kidd Creek礦采用錨網(wǎng)支護，錨桿為全長樹脂錨桿，φ22mm、長2.24m，網(wǎng)度1m×1m，采用φ4.82mm鋼筋焊接，網(wǎng)度100mm×100mm；加拿大的Cliff銅礦針對高應(yīng)力區(qū)域采用樹脂錨桿、Fs-46管縫式錨桿、4#標準網(wǎng)和改良錐形錨桿等支護形式，其綜合支護能力達到11～30kJ/m2。礦山中支護主要采用錨桿臺車、錨索臺車等無軌設(shè)備，施工效率高，安全性好。

(5)在設(shè)備機械化和自動化水平上，根據(jù)礦山開采情況，大型設(shè)備、遙控設(shè)備、電子技術(shù)等在現(xiàn)代化采礦中得到廣泛應(yīng)用，鑿巖臺車、鏟運機、提升設(shè)備、卡車運輸、爆破技術(shù)、充填工藝以及通風制冷設(shè)備等都得到了進一步的發(fā)展和提高，礦山通過信息化、自動化水平的提升，提高礦山效益降低經(jīng)營成本。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)深部資源的開發(fā)，深井充填法開采將成為我國未來礦業(yè)開發(fā)的重要組成部分。由于深井開采是一項涉及多學科的復雜工程，在國內(nèi)礦業(yè)領(lǐng)域目前還只是剛剛開始。因此，廣泛系統(tǒng)收集國外深井礦山的開采技術(shù)成果，并消化、吸收、總結(jié)和借鑒，將非常有益于我國深井充填法礦山的安全、高效、經(jīng)濟開采。