关于深井开拓和采矿.pdf

关 于 深 井 开 拓 和 采 矿 北京有色 冶金 设计 研究 总 院周镩元 提要 本文论述了深部矿床的开拓方式． 井倚断面配置的要求 开采深度与采矿方法选择的 关 系殛 其实饲 铜腹有色金属公 司冬瓜山铜矿床的埋藏 深度在地表以下约7 0 0 l O 0 0 m，该 深 度 的 地温为3 8 ． 5 ～4 O ℃，铜金属储量约 1 0 0 万t ， 矿石 含硫 品位1 6 4 1 ，有发生 内因火 灾的 可能，设计生产规模8 0 0 0 t ／ d ， 是一个开采难 度大的大型深矿井。根据设计和实践的认识 对深井开拓和采矿所存在问题作如下讨论。 国外许多矿山开采深度较大，南非金矿 的开采 深度多 在 1 O 0 0 3 0 0 0 m，最 深 的 近 4 0 0 0 m，并准备开采到 6 0 0 0 m，印 度 K o l a r 金矿的开采深度选3 2 6 0 大，美国的S t a r 金 矿 开采 深达 2 7 4 0 m，加 拿大 1 1 7 个矿山 中，6 0 0 2 4 0 0 m深的矿井有8 O 个 占6 8 ，大多数矿 山的采 深在1 2 0 0 m，苏联 一 些 矿 山 采 深 在 1 0 0 0 1 6 0 0 m，生 产中段在8 0 0 1 2 0 0 m，开 拓中段选1 4 0 0 1 6 0 0 m，日本的别子矿采 深 达2 2 6 0 m。 在我国，大量非煤矿 山目前仍处于浅部 开采 ，据 全 国2 3 7 座矿 山统计可知 ，开 采 深 度小于 3 0 0 m的 占5 9 ， 3 0 0 6 0 0 m的 占3 5 ％， 6 0 0 9 0 0 m采 深的 占5 ，千米左 右 的 矿 山 仅 1 ％，其 中以有色金属矿 山采深 撮 大，多 数在 3 0 0 6 0 0 m之 间。若 以开采 强度 每 5～ l 0 年下 降1 0 0 m左右计 ，到本世 纪 束 ，进 入 深部开采的矿 山将逐 渐增 多。 一 ，深井的概念 由于矿床 的开采 技术条件不 同，地 区各 有 色矿 山一 1 9 9 2 ． 1 异，对于深井的概念也是不一致的。1 9 7 6 年 日本召开了7 O 人参加的 关于深部开采的讨 论会 ，会上对深井的概念没有 统 一 的 认 识。 有的从地热增温的角度出发认 为 一6 0 0 m 以下叫深井，其理 由是深度每增加 3 0 m，地 温增加l ℃。 6 0 0 m深的矿井，地温增加2 O ℃， 若恒温带为零米，地 温 为 2 0 ℃，则 一6 0 0 m 深的地温为4 O ℃。但 因矿井所处位置不同， 恒温带的地温及地温率大 小 不 一， 一6 0 0 m 深的矿井，地温相差悬殊。南非 大 多 数 矿 井，蓟l S O O m深时，地温不到4 0 ℃，从这 观 点出发，南非认为1 5 0 0 m井深以上时才叫 深 井，我 国石咀子铜矿 ， 由于平均气温低 ，地 温率为4 O ～5 0 m／ ℃，在开采到 9 8 6 m时，地 温才 2 6 ． 5 ℃。因此有人 从地压角度 来确定 深 井 的划分 ，认为大于8 0 0 l O 0 0 m深 的矿 井 ， 因其 易发生 岩爆而 称 之为 深 井 。但 有 些 矿 井，开采深度并不大而岩爆却频频发生，如 苏联的北乌拉 尔铝 土矿，从 3 6 0 5 0 0 m深 起 就频繁发生岩爆。 相反， 有的矿井虽超过千米 并未发生岩爆。因此确定深井阿界限应根据 地温、 地压和开采技术条件等因素综台起来 下 个定义，有人 设想 最好能用一个方程式 来 表达，但到目前为止，还找不到这样的方程 式 。 尽管有这样那样的特殊性，但随着开采 深度 的增加，地温和地压 也增大 ，这是普 遍 存在的，因此每个矿井应根据 自身的开采 技 一 9 一 维普资讯 术 条件 ，确定 其是否具有深井开采 的全 部 或 部分特徵，解决实际存在的问题，而不受其 概 念 的影 响，这是很重要 的。 目前主要以回采工作面转向深部所面l临 的困难 程度，对开采深 度进 行 分 类t 小 于 3 0 0 m对 称浅部开采 。在此开采 深度内 ， 一般 地压显现不严重，既或显现也易于处理； 3 0 0 6 0 0 m为 中等开采深度。在此开采 深度 内， 可能发生轻度岩爆j 6 0 0 2 0 } 0 m 称 为 深 井 开采 ，在此 深度 范围 内可能 发生 频 繁 的 岩 爆 ，某 些采 矿方 法将不能应用 大于 2 0 0 0 m 时，为超 深井 。 二、 深并开拓 渫片开拓 各国学者有许多 论述，其结论 多数认为 深井 以竖井 开拓最 为 优 越。南 非 G ．V．Ho I 1 曾以提升能力为 6 ． 7 万t ／ 月，各种 倾 角的矿体，深度为9 7 6 m的矿 山进 行 了 一 系列的开拓方案 比较，结论是。对一个重要 的生产深矿井，在任何条件下都应首先考虑 竖井开拓。因竖井提升比较 安 全，在 地 压 大，有岩爆 的矿山则 更为安全。但 苏联 学者 e p k a a u e B 认为深井开 拓以皮带斜井 最为 经 济，对生产规模大的矿山更是如此。 实践可知，在一般深井情况下，竖井开 拓优于皮带斜井。如苏联基洛夫铁矿开采深 7 0 0 m，用6 段皮带斜井提升， 总长度4 0 0 0 m ， 断面1 7 ． 8 m。 ，倾角 1 6 。 ，带宽2 m，运行 速度 3 ． 1 5 m／ s ，能力3 0 0 0 t ／ h ，年运矿石5 0 0 万t ， 经济效益不佳，与5 0 t 箕斗竖井提升 比 较， 经 营费高 1 ． 6 倍 ， 整个 开采期 间平 均 费 用 高 1 ． 4 倍。其主要原因是皮带运输效 率 低，维 修量大，维护费高 占提升费的5 3 。又 如李 克内西矿务局 “ 祖国矿井，矿石与 围岩均不稳固，矿体倾角4 O 。 ，用崩落 法 开 采，1 4 6 5 m以上 已用竖井开 拓， 深部 开拓 经 与皮带斜井比较后选用盲竖井方案。再如阿 尔乔姆 2号斜井的经验表明，为 了维护运输 机，需耍较多的工人，且提运费要比竖井高 一 l 0 2 倍。就我国的技术条件来讲，深井开拓亦 应以竖井开拓为佳，冬瓜山铜矿的设计采用 竖井开拓。 竖井多用圆井或椭圆形断面。根据南非 矿山的实践经验，竖井的断面尺寸除小型矿 山仍根据设备和提升量确定外，大中型矿山 一 般均根据所需风量确定。其井筒断面必须 考虑大型设备的进出。一般情况下，埋深较 大的矿床， 很少采用斜坡 道直通 地 表 的 方 案。 国外很多矿 山多采 用{ 昆合井开拓，井筒 直 径达9 ～l O m，甚至1 3 m 南非思特 思 4号 井。井筒的一段提升深度受提升机容量的 限止，国外一般为】 5 O O 2 0 0 0 m，最大可 达 2 5 0 0 r n ，大都采 用布雷 尔 Bl a i r 型 双 筒 提升机。我国生产 的多绳 提升 机，最大一 次 提 升深度为 1 0 0 0 m。 三、 深井采矿方 法 开采深度对果矿方法的限制与深部地压 有关，深部开采的特殊危险是岩爆，苏联学 者B ． P ． HM e E Ⅱ M 0 据苏联某些矿山的特定条 件 ，按此分 为 以下 各组； 1 ． 尺寸不大 的矿 体，大 部分地 压可 由矿 体边界 外的周围岩体承担，即 使 深 度 很 大， 也可 以采 用浅部一样 的采矿 方法。但在 地压 很大 时，要缩 小矿房 尺寸，加大矿柱 尺 寸J 2 ． 开采 深度为6 0 0 8 0 0 m的大型矿 体， 其主要要求是全面回采，不 留空码与矿柱， 而且不在矿岩体上形成压力集中的地段。在 这一组 中，主要以使用崩落法为主， 3 ． 开 采深度 太子1 0 0 0 1 5 0 0 m的大型 矿 体，只能 采用各种类型 的充填 采矿法，空场 法和崩落法不能使用。 四、 实 例 1 ． 用壶增法开采尺寸不大的深部矿体 石咀子铜矿是我国到目前为止开采深度 有 色矿山一 l 9 9 2 ． 1 维普资讯 最大的金属矿山。开采深度近千米，1 9 6 5 年 闭坑 ，历时8 7 年。 该矿主矿 体 走向平均长 2 3 2 m，平 均 厚 6 ． 3 m，倾角8 0 。 左右，倾斜延深 1 1 0 0 1 2 0 0 m，矿 石储 量3 3 8 万t ． 铜 品位 1 ． 5 2 。 该矿 从第一 中段标高5 0 m，到最后 一 个 中段 标 高9 5 0 m，一直 采 用浅孔 留矿法开 采 ， 但随着开采深度的不断加大，地压增加，采 场的构成要素和 回采工艺有改变，其演变过 程如下； 1 3 O O m以上 各中段，矿体沿走 向 被 岩 脉或贫矿分 割成 几段 ，采 场大 小按岩脉和 贫 矿作 为 间柱 划分 ，大小 不一 ，均无地压显 现 } 2 4 6 0 5 9 0 m间 各中段，矿房连 续 ， 划分 成大矿房和大 问柱 回采 ， 3 6 5 0 ～7 l 0 m两 个 中段改 用 小 矿 房 大 间柱 回采 j 4 7 7 0 m以下 各中段为 小 矿 房 小 间 柱 ，且 上下 中段 的矿 房和 间柱 互相对应 。 在 浅部开采 中采 用浅孔 留矿 法 是 成 功 的，取得 了 良好 的效果。 回采工作 面安 全状 况 良好，回收率高 开采深度增加 到 5 3 0 ～ 6 5 0 m中段，地压逐渐增大，回采工 作 面 常 有 冒顶 和片帮事故发生 ，采 矿作 业 条 件 恶 化 。为此 相应的改变 了矿房和 矿柱的 构成要 素 回采作业 到达7 l O m以下各 中 段 时 ，采 场 出现 顶板 管理 困 难，顶底 柱和 间柱稳定程 度 降低 ，容易 自然塌落，贫 化损失严 重。 综上所 述该 矿在 5 9 0 m以上各 中 段 用 强 孔留矿 法是成功的 。在 5 9 0 m以 下， 由 于 地 压明显增大，采取缩小矿房尺寸，加大矿柱 尺 寸的办法 以控制地压 也是有 效的。尽 管后 期回采作业发生了困难，但只要 调整 好 矿 房 、矿柱尺寸，用高效设备提高采矿强度， 加快掘进速度是能够有效的控制地压，达到 安全生 产的 目的。 2 ． 用崩 落 法开采漂部矿体 扔 联克里 沃罗格矿 区用崩落 法j 砾已近 有 色矿 山一 l 9 9 2 ． 1 l O 0 0 m深。由于围岩的崩落 在矿体下盘 形 成 范围较大 的应力升高 区。如 “ 巨人 矿井 由于底 盘岩 石应力升高，大约有3 0 0 0 m各 种 用 途的巷遭 被破坏 ，位于运输巷道底盘 5 0 m 的 炸药 库也受 到破坏 如 图 1 。 图l 巨人 矿 井 一l O O m承 平岩移对巷 道 的破坏 I 一竖井；2 一卷机机房 3 --变电所 1 4 一为代替被破坏的 平巷而揖进的脉卦巷遭；5 --火药库 李 】、 克 内西矿底盘脉外平巷和矿体之间 的距离随开采延伸而加大的情况见表l。 随开采延 深脉 外平巷矿 体距离 表 l 中段标高 ，m 距 离．m l 5 ， 、 一 2 0 3 5 7 50 0 8 0～ 1 00 5T 0 为 保证深部开采时 中段运输巷道 免遭 破 坏 ，中段运输巷道应避开下盘虚 力升高区。 图 2 图2李 卜克 内西矿 4 0 1 m水 平3 - 5 矿块 压碎 带 一 ll 维普资讯 克里伏罗格矿区，在用崩落法进行深部 开采的实践基础上，得出如下结论t 1不允 许在 未采 完区段 的采 空区 中 留区间矿柱或其 它各 种形式 的矿柱 ， 2采用垂直 走 向布置 回采矿体时， 应从底盘 向顶盘 回采 } 3底盘 主矿 体的 回采要超前 顶盘平 行矿体} 4开采厚矿 体时 ，为避 免 压 力 集 中，应 从 中央 向两翼 回采 J 5脉外巷道 的位置，必须布 置在岩 石压碎 区的范围外。 3 ． Ko l a r 金矿采矿方 法的演变 Ko l a r 金矿是 印度一个古老 的 金 矿，正 式开采已有1 0 0 多年的 历 史。矿 区 范 围 长 8 k in，宽2 k in，开采 深度 已超过3 0 0 0 m。 1 早期开采在 1 5 0 m深 度 时 用 空 场 法，采了2 0 年后于1 8 9 3 年回采到 3 2 0 m深 度 时，发生 第一 次岩 爆。此后改用支 柱充填法 回采，由 ’ 于地压大，坑术消耗量大，无法继 续使用。 2 K o l a r 金矿经过3 0 4 0 年开采后， 人们认识到，由于支架所受载荷过大，刚性 很大的支架 常常 遭到破坏，而柔性支架 又造 成 两盘 围岩 移动 和周 围岩 石的破坏，从而 使 支架本身受到破坏。从1 9 2 7 年开始改用花岗 岩块石砌墙 和废石 充填采 矿法，效果较好而 推广应用于所有采 场，一直采 到2 7 1 5 m深。 但在1 9 6 2 ～1 9 6 6 年间，却发生了 一 系 列 岩 爆 ，使采 场遭到破坏 。 通过实 践和现场 调查认识 到，在 深部采 用坚 固的花 岗岩支 护及缓慢 的采 场 回 采 速 度 ，无助于在 围岩 中产生可控 制 的 应 力 解 除，反而促 使高应力转移到工作面前的支 承 压力带上，造 成无法控制的局 面。 3改用尾砂充填 法后 ，取得 了较好 的 效果。但 由于 深度 的不 断增加，矿 内湿度 和温度增加超过 了极 限而不 能 使用。以后改 用下向分层胶结充填法取得了成功。这种方 法虽 然成本高，但使 用2 5 年来，岩 爆发生 的 次数 和严 重程度减 少了 表 2。 Ko l a r 金矿开采1 0 O 多 年的经验 表明，采 历年岩爆发生次数 襄2 年 分 l 0 5 7 ～ 1 9 B 1 1 0 6 2 ～1 9 6 B J 1 9 6 7 ～ 1 9 7 l 纪录到 的次数 1 2 4 Z 0 年 平均 2 5 6 用花岗岩块石砌墙作为充填料，曾给该矿带 来一场技术革命，但最终说明，在中等深度 应采用尾砂充填，在最深部用胶结充填是可 一 l 2一 新 盘 好 盔 ； 峻 作 靠的。虽然这些采矿方法，其 回果 速度与生 产能力较低，且成本很高，但在解决地压控 钳和岩爆问题上是成功的。 责任编辑 黄 燮中 簇 陆 文 武 作 有 色矿 山一l 9 9 2 ． 1 维普资讯