金屬礦山深部開采的若幹關鍵問題及其對策研究

北京科技大學教授 蔡美峰
摘要
闡述了金屬地下礦山深部開采中的深部巷道變形與支護、深部地壓顯現與開采動力災害、地溫升高引起作業環境惡化和露天礦山高陡邊坡穩定性及合理的邊坡角確定、改變傳統運輸方式、降低運輸和生產成本等關鍵問題及其對策思路；介紹了以地應力為切入點的金屬礦采礦優化理論、以能量聚集和演化為主線的岩爆預測及防治和深凹露天礦高陡邊坡穩定性03manbetx 與設計優化的主要技術內容。
關鍵詞 金屬礦山 , 深部開采 , 關鍵問題 , 對策
1 影響金屬礦山深部安全高效開采的主要問題
1.l 地下礦山
我國有很多重要的金屬礦產資源都是通過地下開采的方式所獲得, 如大多數的有色金屬礦山和黃金礦山均為地下礦山。隨著淺部資源的逐漸減少和消失,
地下開采的比例將越來越大, 包括現有的部分露天礦山也將轉入地下開采。經過幾十年的開采,目前很多地下礦山均己進入深部開采或即將進入深部開采。如銅陵獅子山銅礦的開采深度己到1100 米, 山東玲瓏金礦和吉林夾皮溝金礦己到 1000 米, 遼寧紅透山銅礦己達 1300 米。隨著開采深度的不斷增加, 地質條件惡化, 破碎岩體增多, 地應力增大, 湧水量加大, 地溫升高, 帶來了深部地壓、提升能力、作業環境惡化、通風降溫和生產成本急劇增加等一係列問題, 抑製了生產能力提高和礦產資源的充分回收。
1.1.1 深部巷道變形與支護
隨著開采深度的增加, 地應力隨之增大。因此, 深部巷道與采場的維護原理與淺部有十分明顯的區別, 這種區別的根源在於岩石所處的應力環境的區別以及由此導致的岩體力學性質的區別。在淺部十分普通的硬岩, 在深部可能表現出軟岩的特征, 從而引起巷道和圍岩的大變形；淺部的原岩大多處於彈性狀態, 而深部的原岩處於“潛塑性”狀態, 由各向不等壓的原岩應力場引起的壓、剪應力超過岩石強度, 造成岩石的潛在破壞狀態。深部高應力環境下的巷道支護, 除了必須考慮岩石強度性質和岩體結構外, 還應重視巷道所處的應力環境。淺部中、低應力條件下的巷道支護主要考慮業己存在的地質構造等不連續麵的影響, 而深部高應力岩體中巷道支護必須考慮巷道圍岩因掘進造成的斷裂破壞帶, 即新生斷裂結構的影響。所以, 深部高應力環境下的巷道支護應強調峰後破壞岩體殘餘強度的利用。應合理控製岩體的峰後變形, 並盡量使巷道圍岩處於三向應力狀態, 為此, 需采用先柔後剛的能保持和提高岩體強度的加固措施；深部巷道支護設計應更多地建立在能量03manbetx 的基礎上, 而不是簡單地以應力和強度作為設計準則。
11.2 深部地壓顯現與開采動力災害
從根本上講, 地應力是所有地下工程, 包括地下采場、巷道地壓顯現的根本來源。在沒有開采工程擾動的情況下, 岩體處於原始平衡狀態。地下巷道或采場的開挖, 打破地層原始平衡狀態, 導致地應力的釋放, 從而引起岩體的變形和向自由麵的位移, 引起圍岩應力的重新分布。圍岩的過量位移和應力集中將導致圍岩局部的或整體的失穩和破壞。這就是地壓發生的過程和機理。它與岩體的受力狀態、岩體結構和質量、岩體物理力學性質、工程地質條件以及時間等因素有關。深部地壓主要有兩種表現形式, 即：變形地壓和衝擊地壓。變形地壓是因開挖產生的圍岩位移所引起的壓力, 這是地壓的最基本形式。在岩體條件較好的情況下, 圍岩的位移和變形發展到一定程度就停止了, 可能不需要支護, 圍岩自身就能維持穩定。深部高應力條件下, 圍岩具有產生大變形的內外部條件, 圍岩的過量變形將產生微觀或宏觀破裂、岩層移動、巷道底鼓、片幫、冒頂、斷麵收縮、支架破壞、采場跨落等等。圍岩必須通過支護才能防止過量的變形而引起的破壞。此時, 變形地壓的顯現特征與支護方法和支護結構密切相關。在圍岩與支護結合在一體的條件下, 圍岩與支護構成共同承載體, 它們相互依存、相互製約、共同變形。隻有及時采取支護措施, 並且支護方法得當, 才能有效改善圍岩應力分布狀態, 抑製圍岩變形, 阻止圍岩的失穩和破壞。衝擊地壓是一種岩石動力學現象, 它是圍岩內聚集的大量彈性變形能在一定誘因下突然釋放而表現出的一種形式。在金屬礦山, 衝擊地壓叫岩爆。產生衝擊地壓和岩爆主要與兩方麵因素有關。一是岩石的岩體的結構性質, 具有在圍岩內貯存高應變能的內在條件。一般來講, 堅硬完整岩體容易貯存高應變能。二是有產生高應變能的外部環境, 如地應力大、圍岩應力集中的地方。隨著開采深度的增大, 地應力不斷增大, 因而深部容易出現岩爆和衝擊地壓。
隨著越來越多的礦山進入深部開采, 加強對岩爆的研究己刻不容緩, 研究重點在以下三個方麵：
①從地應力、岩體結構、礦岩物理力學性質、采礦方法、開采過程、開采順序、圍岩能量聚集和釋放規律等方麵綜合03manbetx 和研究岩爆機理；
②建立有效可靠的監測係統和手段, 對岩爆發生的可能性、發生的地點和大小進行預測預報；
③從防止和解除圍岩高能量聚集, 避免引起高能量迅速釋放的外部條件出現兩方麵采取防治岩爆的有效措施。
11.3 地溫升高引起作業環境惡化
地下岩層溫度隨著深度的增加而增加。據統計, 常溫帶以下, 岩層溫度以3℃ /loom 的梯度增加。千米以上的深井, 岩層溫度將超過人體溫度。如南非西部礦井,在深部 3000 米處, 岩層溫度高達80 ℃ ； 我國銅陵冬瓜山銅礦在深度 1000 米處, 最高溫度達 40 ℃ 。深井開采工作麵氣溫的升高導致工作條件的嚴重惡化。在持續的高溫條件下, 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, 使勞動生產率大大下降。據統計資料, 超過適合人體溫度後, 溫度每增加1 ℃, 工人的勞動生產率將降低7%~10%。采取經濟和有效的措施, 解決深井的通風和降溫問題, 使深井開采工作麵保持人員和設備所能承受的溫度和濕度, 並使綜合開采成本限定在可以接受的範圍內, 對保證深部地下開采的正常發展具有重要意義。
1.2 露天礦山
12.1 高陡邊坡穩定性及合理的邊坡角確定
我國大型金屬露天礦山多始建於 20 世紀 50~60 年代, 現己生產多年, 其中多數逐步由山坡露天開采轉為凹陷開采, 甚至深凹開采, 開采深度己延深至地表下 100~ 30Om, 有的將超過 400m 。如首鋼水廠鐵礦凹陷開采深度為430m。很多露天礦的邊坡垂直高度將超過 500m, 如太鋼峨口的鐵礦的設計邊坡垂直高度為 720m, 首鋼水廠鐵礦為 670m, 形成名副其實的高陡邊坡。隨著邊坡的加高加陡 , 邊坡滑移和傾倒破壞02manbetx.com 的發生日益增多, 邊坡穩定性維護的難度越來越大, 嚴重威脅礦山的安全, 製約礦山生產能力的提高。另一方麵, 我國大型露天礦山與國外同類礦山相比, 邊坡角普遍緩 50 左右, 而年產千萬噸的礦山, 邊坡角每提高10 就可減少剝離量數千萬噸, 節省投資上億元, 經濟效益極為顯著。但邊坡角加大又會給邊坡穩定性維護帶來更大困難。因此, 必須進行邊坡設計的優化。在采取先進的綜合措施在保證邊坡生產安全的前提下, 最大限度提高邊坡角, 就成為露天礦山降低成本, 提高效益的最重要的途徑。
1.2.2 改變傳統運輸方式 , 降低運輸和生產成本露天礦進入深凹開采以後, 重車下坡運行變為上坡運行, 運輸距離加長, 運輸效率降低, 導致運輸成本急劇上升, 經濟效益下降。據統計03manbetx , 目前我國大型深凹露天礦的生產總成本中, 運輸一項占到 40~60% 。如果開拓運輸方式仍然采用目前廣泛應用的鐵路運輸、鐵路一汽車聯合運輸和公路汽車運輸, 多數礦山將因為成本太高而無法開采。因此, 必須研究並應用適合大型深凹露天礦山的高效運輸係統, 以保證礦山開采成本不增加, 從而保證礦山的正常生產。
針對這種情況, 一些礦山采用了陡坡鐵路運輸開采技術, 以延長鐵路服務年限。 這種運輸方式對原有運輸係統的改造和投資較少, 運輸成本較低, 對於開采境界大且凹陷開采深度不超過 300 米的礦山有較好的適用性。但是, 陡坡鐵路運輸對坡度的增加有限, 隨采場深度增加, 其適用性越來越差, 開采深度超過 300 米將不宜使用。目前西方發達國家普遍采用汽車一膠帶半連續運輸方式, 這種運輸方式技術含量高, 既可發揮汽車運輸的機動靈活、適應性強、短途運輸經濟、有利於強化開采的長處；又 可發揮帶式輸送機運輸能力大, 爬坡能力強, 運營費低的優勢, 兩者聯合可達到最佳的經濟效益。目前, 膠帶的爬坡坡度可達到 250~280‰, 汽車可達 60~80‰, 普通鐵路為 20~25‰。陡坡鐵路可達到 40~50‰。所以膠帶運輸係統對大中型深凹露天礦具有普遍適用性。因此, 汽車一膠帶半連續運輸是我國未來深凹露天礦運輸係統的重點發展方向。同時, 露天礦轉入深凹開采以後, 開采條件日趨惡化, 空間作業尺寸逐漸狹窄, 幹擾增大。而大型露天礦生產設備品種多、數量大, 生產設備和環節時空關係複雜, 建立自動化的生產調度和管理信息係統, 對充分發揮設備作業效率, 降低生產成本, 提高礦山效益具有重大意義。

關鍵詞：深部礦山對策