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第6 1 卷第1 期 2009 年2 月 有 色‘金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．1 F e b r u a r y200 9 深井开采灾害应对决策技术综述 董陇军，李夕兵，李萍萍 中南大学资源与安全工程学院，长沙4 10 0 8 3 摘要随着我国浅表有色金属矿床即将消耗殆尽，深井开采在我国今后的矿山开采所占比例将逐步加大，其岩石力学和深 井灾害的研究对深井矿山的建设具有重要意义。介绍深井开采的岩石力学问题及深井灾害的特点、灾害控制新思路、决策技术。 关键词采矿工程；深井灾害；综述；决策技术 中图分类号P 6 2 4 ．8 ；T D 8 6 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 1 1 6 0 5 矿产资源是发展国民经济、保障国家安全的物 质基础。我国目前9 0 ％以上的能源和8 0 ％左右的 工业原料都取自矿产资源，每年投入国民经济运转 的矿物原料超过5 0 亿t ，矿山生产总产值6 0 0 多亿 元以上，占全国工业总产值的7 ％左右。矿业作为 我国国民经济的一个重要的传统基础性产业，在新 世纪中面临严峻的挑战。 我国已探明的矿产资源虽然比较丰富，如钨、 锑、铅、锌、锡、钼、汞、钛、磷及稀土矿产的储量居世 界前列，但我国人口众多，矿产资源人均占有量远低 于世界平均水平。人均资源探明储量仅为世界人均 水平的1 ／3 ，人均消耗量仅及发达国家的1 ／1 0 。经 过长期大规模的开发，埋藏于浅层的高品位矿产大 部分已近消耗完毕。目前，我国大型金属露天矿已 所剩无几，有的已开采到了临界深度，面临关闭或转 入深部开采。在约占矿山总数的9 0 ％的地下矿山 中，2 0 世纪5 0 年代建成的矿山，3 ／5 因储量枯竭而 接近尾声或已关闭，其余2 ／5 的矿山已逐步转入深 部开采。我国矿产开发正朝着深部采矿和低品位矿 产回收利用的方向发展。据统计，目前我国有1 ／3 以上的有色金属矿山已进入深井开采。严重的是我 国主要有色金属基地的矿山，包括安徽铜陵有色金 属集团冬瓜山铜矿、甘肃金川公司I I 矿区、广西华 锡集团高峰锡矿以及红透山铜矿、会泽铅锌矿、大红 山铜矿、湘西金矿等都进入了深井开采期。大规模 收稿日期2 0 0 6 1 2 1 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 4 9 0 2 7 4 ；中南大学米塔 尔创新项目 0 7 M X l 4 ；学位论文创新重点资助项目 1 3 4 3 7 4 3 3 5 0 0 0 0 2 0 作者简介董陇军 1 9 8 4 一 ，男，甘肃陇西县人，硕士，主要从事采 矿与岩土工程灾害控制等方面的研究。 开发深部金属矿产资源是我国矿业发展的必然趋 势，深井开采已成为我国乃至世界矿业界特别关注 的问题。与此同时很好的解决深井开采所带来的危 害已刻不容缓。综述深井开采岩石力学基础科学问 题和主要的深井灾害，认识新思路，进一步探讨深井 灾害的应对策略。 l深井开采灾害及认识新思路 深井开采处于高应力、高井温、高井深、高岩溶 水压、采矿扰动 即“四高一扰动” 的特殊环境。随 着开采深度的增加，高应力诱发的岩爆与地震灾害， 严重威胁人员与设备的安全。高井温使劳动条件严 重恶化，威胁工人健康，劳动效率大大降低。高井深 则恶化了提升、排水条件，急剧增加了采矿成本。高 岩溶水压则诱发深井涌水，严重影响人员安全。采 矿扰动 主要是指强烈的开采扰动 则造成地震和井 筒破裂，即在浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部却 可能表现出软岩大变形、大地压、难支护的特征，即 有各向不等压的原岩应力引起的剪应力超过岩石的 强度，造成岩石的破坏。因此，科学的研究深井开采 中的岩石力学问题及主要灾害意义重大u - 10 | 。 表1某矿区岩体压强随深度的变化／％ T a b l e1R o c km 8 8 8i n t e n s i t yo fp r e s s u r ec h a n g e w i t hd e p t ho fs o m em i n i n ga r e a ． 万方数据 第1 期董陇军等深井开采灾害应对决策技术综述 1 1 7 1 ．1 深井开采的岩石力学 1 ．1 ．1 地应力。查明地壳中地应力的大小和方向 是矿山工程的基础。总的来说，地壳中垂直地应力 的分布规律比较简单，即垂直应力随深度增加呈线 性增大。而水平应力的变化规律比较复杂，根据世 界范围内1 1 6 个现场资料的统计，埋深在1 0 0 0 m 范 围内时，水平应力为垂直应力的1 ．5 ～5 ．0 倍，埋深 超过1 0 0 0 m 时，水平应力为垂直应力的0 ．5 ～2 ．O 倍，我国应力测量也具有类似的结果。近年来年有 的研究者还注意到了水平主应力在不同方向上的差 异，S t a c e y 和W e s s e l o 总结了南非由地表到地下 3 0 0 0 m 之间的应力测量结果，发现最大与最小水平 地应力之比高达4 倍旧J 。 1 ．1 ．2 岩石压强特征。有资料表明，总体上岩石的 压强随深度的增加而有所提高，如表1 所示【2J 。可 见，矿区从深度小于6 0 0 m 变化到8 0 0 ～1 0 0 0 m 时， 压强为2 0 - - 4 0 M P a 的岩石所占的比率从3 0 ．2 ％减 少到2 3 ．6 ％，而压强为8 0 ～1 0 0 M P a 的岩石的比率 则从5 ．5 ％增加到2 4 ．5 ％L9 l 。 S i n g h 根据大量实验数据【6 J ，总结了在非常高 的侧向应力下 高达7 0 0 M P a 的岩石压强准则，提 出了一个非线性的岩石压强准则，并进一步提出了 岩石脆性一延性转化的条件，即满足∞／0 3 3 ～5 ．5 和a c ／0 3 0 ．5 ～1 ．2 5 。 1 ．1 ．3 岩石破坏特征。众所周知，随着开采深度的 增加，岩石的力学特性发生明显变化，这种变化的特 征之一是岩石破坏机理的转化，即由浅部的脆性或 断裂韧度控制的破坏转化为深部开采条件下由侧向 应力控制的断裂生长破坏，更进一步，实际上就是由 浅部的动态破坏转化为深部的准静态 q u a s i s t a t ． i c 破坏，以及由浅部的脆性力学响应转化为深部的 潜在的延性行为 p o t e n t i a lf o rd u c t i l eb e h a v i o r 力学 响应[ 2 t5 l 。 1 ．1 ．4 岩石的热一水一力耦合性质。深井开采条 件下，地温和地下水对岩石力学行为的影响十分明 显。研究表明旧’8 J ，含水量是影响岩石力学行为的 重要因素，在侧压1 0 ～2 0 M P a 的条件下 相当于埋 深4 0 0 ～8 0 0 m ，随着含水量的增加，岩石强度和泊 松比都有所降低。三轴压缩条件下，温度对岩石的 短期力学行为没有明显影响，但对长期力学的行为 影响还是比较明显的。实践表明【8J ，在相同条件 下，随着温度的升高，岩石的塑性变形明显增大。 1 ．2 深井开采的主要灾害 1 ．2 ．1 岩爆。岩爆是由于高应力区岩体平衡受到 破坏，围岩中的应力集中使岩体产生脆性破坏并伴 随能量释放的动力失稳现象。岩爆的发生具有的基 本特征岩爆的事件都具有不同程度的动力特征；岩 爆一般发生在埋深较大或水平构造应力场较大的矿 山；从岩爆发生地点破裂面形式上看，岩爆破裂存在 脆性霹裂与剪切破坏两种形式；岩爆发生在硐室开 挖数小时内，其裂度随时间的延续逐渐减弱；大部分 岩爆发生在距工作面1 0 0 - - 2 0 0 m 的范围内，岩爆的 发生与开挖程度紧密相关，开挖活动停止，岩爆也不 在发生。岩爆次数与开采深度之间的关系如图1 所 示[ 3 | 。 1 2 瓤9 篑 黎s 3 O2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 采深／m 图1 岩爆次数与开采深度之间的关系 F i g ．1 R e l a t i o no fr o c kb u r s tt i m e st oe x p l o i t i n gd e p t h 1 ．2 ．2 地震。这里指的地震不同于天然地震【3J ， 主要是指由于矿山开采活动所引起的矿山岩层震 动。大面积冒顶，老顶突然来压，瓦斯突出以及大爆 破造成的空气冲击波都可以引起矿山地震。在深井 开采中地震和岩爆是两个不同的概念，二者发生的 机理各异，同时又有着密切的联系，它们可互为诱发 因素，都具有动力特性。国外对深井开采地震的实 践和理论研究表明，随着采矿作业的进行，沿着采矿 工程的强烈震动会重复发生，且开采深度越深，地震 的活动越频繁。 1 ．2 ．3 地温升高、作业条件恶化。常温带以下[ 2 1 ， 岩层的温度将以3 ℃／1 0 0 m 的梯度上升，最高可达 4 1 2 ／1 0 0 m ，深井开采条件下，岩层的温度将达到几 十摄氏度的高温。例如，俄罗斯矿井深度1 0 0 m 时， 平均地温为3 0 ～4 0 ℃，个别达5 2 ℃，印度某金矿 3 0 0 0 m 深时地温达7 0 ℃。地温升高造成井下工人 注意力分散，劳动率降低，甚至无法工作。 此外，深井突出事故、井筒破裂、自燃发火、深井 涌水等工程灾害都有加剧的趋势。 1 ．3 灾害的认识新思路 1 针对深井开采中的高应力，坚硬矿岩出现的 “好凿好爆”现象给人们重要启示，这种现象应该是 高应力所致，因此，在深井开采中，如何有效地预防 万方数据 1 1 8有色金属第6 1 卷 和抑制高应力诱发的岩爆等灾害性事故发生的同 时，又充分利用高应力与应力波应力场叠加组合高 效率的破裂矿岩，已经成为深井开采中迫切需要研 究的新方向L 1 ，2 | 。 2 针对深井高温的热害，研究防治与通风降温 的方法、开展深井热源分析及相关参数测定、井热害 治理措施与防护技术研究、深井环境质量指标与系 统评价指标研究、通风系统优化及通风降温新方法 研究、人工制冷空调和受控循环通风研究的同时，又 充分利用高井温，研究推广溶浸采矿，因为温度越高 更有利于溶浸时物理化学反应进行。 3 针对高井深影响安全与环境生理、心理健康 及矿石提升等困难，拟开展深井开采条件下人的环 境对人的生理、心理影响及其保证开采安全所采取 的缓解人体心理压力的措施与方法研究，拟开展深 井矿石提升运输方法及其优化研究，深井水力输送 与无提升运输开采 无废开采 研究，新型提升方式 和提升机械研究。最好是原地采选一体化，使提升 量最小。综上所述，强化连续开采、采选一体化，溶 浸采矿技术是以后发展的主要方向。其关键性认识 新思路框架模型如图2 示。 图2 关键性认识新思路框架模型 F i g ．2 An e wm e n t a l i t ym o d e lo fk e yu n d e r s t a n d i n g 2 基于关键性认识的应对决策 前面在理论层次上阐述了深井灾害及灾害的关 键性认识新思路，下面将在应用层面上论述基于关 键性认识的应对决策技术。 灾害的关键性应对决策依赖于信息的综合分析 处理和基于知识的决策技术【2 J 。传统决策技术与 决策支持系统适用于结构化问题，侧重于定量化和 优化模型建立[ 1 0 】，处理矿山这类非结构化灾害具有 局限性。人工智能、神经网络以及多目标决策技术 侧重于决策方案的选择和优化复杂问题决策主要存 在的问题旧J 难以给出问题的确切描述；由于问题 的复杂性，难以将所要解决的问题表达清楚并加以 规范化；决策过程缺乏整体性，决策注重优化，忽视 了问题的系统性和决策过程的系统性；过于强调技 术和方法，忽略了决策者对于决策过程的引导和领 域专家的创新思维能力；强调优化和折中，忽视了问 题的创新性求解策略；决策过程中，没有充分利用已 有的的相关知识，也没有考虑系统的动态特性。由 于灾害问题复杂性及对于信息与知识的掌握与运用 程度和对问题本身的认识程度有限，同时深井开采 灾害的关键性感知、认知和应对决策分析缺乏相应 的理论以及面向计算机的实现技术，实践中难以给 出恰当的、可操作性的灾害应对方案旧J 。对于深井 复杂问题的求解，知识系统是最为有效的。 2 ．1 关键性应对策略 现有技术对深井开采灾害问题解决方案的形成 和决策分析支持不足，多层次知识融合技术与多智 能体技术实现的关键性认知是其重点所在。 有实践证明，最好的决策结果来自于知识的有 效整合。然而决策技术领域才开始认识到多层次整 合的重要性，即系统的、多角度及多层次的决策知识 融合[ 1 l J 。 ， 深井灾害的关键性应对策略在于元决策 m e t a d e c i s i o n 的实现，元决策是针对客观现实分析问题 所在，发现矛盾，寻求解决矛盾的策略和技术经济方 案，并确定方案的过程。元决策是灾害应对决策中 最重要、最复杂，同时又是最活跃、最富有于创新性 的阶段旧J 。具体包括现场调查、室内和室外实验、 灾害测度与表征的描述、已有知识和经验的分析、专 家经验和创新思维、计算机分析等子系统的创建，对 子系统综合分析后得出具有操作性的决策技术。 2 ．2 深井开采灾害应对决策技术 在决策过程中人作为决策者起到至关重要的作 用，完美的决策需要决策者综合利用以有的各类信 息和知识，通过创新思维，针对目前问题形成决策概 念，进而优化成切实可行的决策方案。在决策方案 的形成过程中，关键性应对策略对于问题求解和决 策方案的形成十分重要。根据关键性应对策略的思 想和科学方法的基本原理，来构造基于知识决策技 术体系，形成使用于深井开采领域的灾害等复杂应 对技术框架模型，包括深井开采领域的关键性原理 模型抽取、向灾害性复杂问题求解与决策问题的转 万方数据 第1 期董陇军等深井开采灾害应对决策技术综述1 1 9 化以及相应的原理、方法和工具化改造等关键步骤， 从而得到的决策技术具有较好的可操作性。 关键性问题系统的描述主要包括三个方面【2J 1 关键性问题系统结构的描述； 2 关键性问题系 统行为的描述； 3 关键性问题系统功能的描述。这 些定性描述是基于本体论来完成的，用定性的形式 表示实际系统的物理量和相互作用关系。 关键性问题的求解过程是一个复杂的认知，分 析和求解的过程，这个过程是一个多层次，多目标并 涉及定性定量不同类型推理求解。因此，将元决策 理论和定性推理原理相结合，构建了基于关键性认 知的决策技术模型，如图3 所示。该方法基本流程 图3基于关键性认知的决策技术模型 F i g ．3D e c i s i o n m a k i n gt e c h n o l o g ym o d e lb a s e d 0 nc r u c i a lu n d e r s t a n d i n g 参考文献 是积极借鉴国外先进技术和经验，结合我国的深井 实践，形成知识管理系统；对深井灾害进行测度描 述，构建基础数据库；汇集专家经验初步分析；形成 现场群众调查资料库；寻求矛盾所在，分析问题的关 键性、现场与室内实验结合，与已形成的数据库比 较，并借助计算机和网络系统综合分析，得出决策方 案。用这种方法得出的方案集元决策理论与关键性 认知于一体，使所得提出的方法具有很强的可操作 性和实用性。 3结语 2 1 世纪，随着国民经济的高速发展，国家对金 属产品的需求量不断增加，我国浅表有色金属矿床 即将消耗殆尽，迫使我国大部分有色矿山已经或即 将转入深部开采，如冬瓜山铜矿已经达到1 2 0 0 m 的 开采深度。随着开采深度的逐步加深，地应力不断 加大，岩体破坏既有钝态破坏又有猛烈破坏，地压危 害程度更加严重，作业环境进一步恶化，这就对深井 开采灾害的预防和控制提出了更高的要求。简要总 结了深井开采岩石力学基础科学问题，介绍了主要 的深井灾害，在理论层面上论述了深井灾害关键性 认识新思路，具有较强的指导性。在应用层面上，以 深井灾害的复杂性为背景，探讨了基于关键性认识 的深井灾害应对决策技术，提出的方法具有较好的 可操作性。 [ 1 ] 李夕兵，古德生．深井坚硬矿岩开采中高应力的灾害控制与碎裂诱变[ C ] ／／1 7 5 次香山科学会议．科学前沿与未来 第 六集 ．北京中国环境科学出版社，2 0 0 2 1 0 1 1 0 8 ． [ 2 ] 谢和平，孙连英，何满朝．深部开采基础理论与工程实践[ M ] ．北京科学技术出版社，2 0 0 6 3 3 2 ，2 2 8 2 3 3 ． [ 3 ] 吴爱详，郭立，张伟峰．深井开采岩体破坏机理及工程控制方法综述[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 1 ，1 9 3 4 7 ． [ 4 ] 胡国斌，袁世伦，杨承祥．冬瓜山铜矿床1 0 0 0 m 深井开采问题的思考[ J ] ．采矿技术，2 0 0 4 ，4 3 4 5 ． [ 5 ] 古德生．金属矿床深部开采中的科学问题．[ C ] ／／第1 7 5 次香山科学会议．科学前沿与未来．北京中国环境科学出版 社。2 0 0 2 1 9 2 2 0 1 ． [ 6 ] R a n a l l iG ，M u r p h yDC ．R h e o l o g i c a ls t r a t i f i c a t i o no fl i t h o s p h e r e [ J ] ．T e c t o n o p h y s i C S ，1 9 8 7 ，1 3 2 4 2 8 1 2 9 5 ． [ 7 ] 古德生，李夕兵．有色金属深井采矿研究现状与科学前沿[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 3 ，2 3 2 1 5 ． [ 8 ] 周宏伟，谢和平，左建平．深部高地应力下岩石力学行为研究进展[ J ] ．力学进展，2 0 0 5 ，3 5 1 9 1 9 9 ． [ 9 ] 邓建，古德生．基于可持续发展观的地下矿山开采新模式[ J ] ．金属矿山，2 0 0 0 ， 3 1 7 1 9 ． [ 1 0 ] 李世平，吴振业，贺永年，等．岩石力学简明教程[ M ] ．北京煤炭工业出版社，1 9 9 6 1 3 7 ． [ 1 1 ] C h o o nY e u ll e e ．Ak n o w l e d g em a n a g e m e n ts c h e m ef o rm e t a d a t a a r ti n f o r m a t i o ns t r u c t t l r eg r a p h [ J ] ．D e c i s i o nS u p p o r t S y s t e m s ，2 0 0 4 。3 6 4 3 4 1 4 2 0 ． [ 1 2 ] H e e s e o kL e e ，J a eK y uL e e ，J o o n ．S e u kK i m ．G u e s te d i t o r ’si n t r o d u c t i o nt ot h es p e c i a li s s u e “K n o w l e d g eM a n a g e m e n t T e c h n i q u e 吖J ] ．D e c i s i o nS u p p o r tS y s t e m s ，2 0 0 4 ，3 6 4 3 3 9 4 2 0 ． 万方数据 1 2 0有色金属 第6 1 卷 C r u c i a lU n d e r s t a n d i n ga n dD e c i s i o n - m a k i n gT e c h n o l o g yf o rD e e pM i n i n g D O N GL o n g - u n 。L IX i b i n g ，L IP i n g - p i n g h o o to fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i r m r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t F o l l o w i n gt h ed e p l e t i n go fm i n e r a lr e s o u r c e sa ts h a l l o wd e p t h ，t h ep r o p o r t i o no fo r et o n n a g ef r o md e e pm i n ‘ i n gi si n c r e a s i n gi nC h i n at o t a lm i n i n go u t p u t ．T h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nr o c km e c h a n i c sa n dt h e d i s a s t e rc h a r a c t e r i s t i cw i l lb eo fv i t a ls i g n i f i c a n c et oc o n s t r u c t i o no fd e e pm i n i n g ．T h er o c km e c h a n i c a lf e a t u r e s a n dd i s a s t e r sc h a r a c t e r i s t i cc o n c e r n i n gd e e pm i n i n g ，n o v e ld i s a s t e rc o n t r o lm e a s u r e sa n dd e c i s i o n m a k i n gt e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e d ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；d e e pd i s a s t e r s ；r e v i e w ；d e c i s i o n m a k i n gt e c h n o l o g y 上接第1 1 5 页，C o n t i n u e df m mp ．1 1 5 R e s p o n s eL a wo fM i n i n g - i n d u c e dS e i s m i c i t yi nD o n g g u a s h a nC o p p e rM i n e Y U A N 厄一q i n 9 1 。Y A N GX i a o - c o n 9 1 ，T A N GL i - z h o n 9 2 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 ．跚驰弘o fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a e t B a s e do nt h ed a t ao fm i c r o ．s e i s m i cs y s t e mo fD o n g g u a s h a nm i n e ，t h et i m e - s p a c ed i s t r i b u t i o nl a wo fs e i m i e e v e n t si si n v e s t i g a t e db ys t a t i s t i ca n dl i n e a r i z a t i o nm e t h o d s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e i s m i ce v e n t sa r er e l a t e d t ot h ee x p l o i t i n ga c t i v i t y ，a n dt h ef r a c t a lf e a t u r eo ft h es m a l le v e n t si sm o r eo b v i o u st h a nt h a tt h eb i ge v e n t s ，t h e f o r m e ra r em a i n l ya f f e c t e db ye x p l o i t i n ga c t i v i t y ，a n dt h el a t e ra r em a i n l yb yn a t u r a le a r t h q u a k ea n dg e o l o g i c c o n f o r m a t i o n ． ’ K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；m i n i n g - 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