深部固体资源开采评述与探索.pdf

第 2 7卷第 6期 V o l u me 2 7 Nu mb e r 6 中国有色金属学报 Th e Ch i n e s e J o u r n a l o f No n f e F F O H S M e t a l s 2 0 1 7年 6月 J u n e 2 O 1 7 D O h 1 0 ． 1 9 4 7 6 ／ j ． y s x b ． 1 0 0 4 ． 0 6 0 9 ． 2 0 1 7 ． 0 6 ． 0 2 1 深部固体资源开采评述与探索 李夕兵 一 ，周健 ， 2 王少锋 一，刘冰 ， 1 ．中南大学 资源与安全工程学院 ，长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ．中南大学 深部金 属矿 产开发与灾害控制湖 南省重 点实验室 ，长沙 4 1 0 0 8 3 摘要 以国内外深部资源开采现状及其研究成果为基础 ，综述 国内外工业界和学术界对深部的划分和 界定，探 讨深部界定的标准、深地资源的极限采深及其开采模式；同时对提升运输方式如何适用深部开采的要求、深井开 采高温如何调节等进行归纳总结，并提出一些新的构思；特别是针对深部稀有、贵重、战略资源的开采理论与关 键技术 ，结合深 部硬 岩矿 山高应力、高井深和 高地温 等特 点，给出 “ 变 害为利 ”的新策略和初步研究结果。 关键词深部开采；极限采深；深部采矿方法；深井提升运输；深部充填降温变害为利 文章编 号1 0 0 4 0 6 0 9 2 0 1 7 ． 0 6 1 2 3 6 2 7 中图分类号 T U4 5 文献标志码 A 地 壳蕴藏着大量宝贵的矿产资源 ，几十年持续 的 大规模资源开采使得我国浅部矿产资源已趋于枯竭， 我 国未来矿产资源开发将全面进入第二深度 空问 1 0 0 0 ～ 2 0 0 0 m1 范 围内的深部矿床 ， 金属矿深部 开采将 成为常态I J J 。世界采矿大 国南非开采深度达到 4 0 0 0 m，澳 大利 亚 1 9 0 0 m，加拿大 3 0 0 0 m。据 统计与预 测 ，我 国 “ 十三五 ”期 间有近 5 0余 座金属矿 山将 步 入 1 0 0 0 m 以深开采范畴 ， 其 中有近一半在未来 1 0 ～ 2 0 年问开采深度将达到 1 5 0 0 m 以深。进入深部开采环 境的矿山，首先将面临高地应力问题 ，若不采取与高 应力环境相适应 的采矿 技术与工艺，势必发生较大 的 工程灾害 ，也会严 重抑 制矿 山的规模化生产 ，进而对 我 国资源经济 的发展产 生很严重的冲击 。大量文献资 料显示 ，很 多金 属矿 山在深部开采中都遇到 了高能级 岩爆与矿 震、大 面积采 空区失稳、 冒顶和片帮等动力 灾害问题，且难以精准预测与有效防治_ 4 ] 。 其次，岩 层温度 随深度 以 1 0 - 4 0 ℃／ k m 的速 率增 加， 深井 的高 温环 境条件严重影响工人 的劳动生产率 ，而 为有效 降 温 ，又必将大大 增加采矿 成本 [ 4 ， 。再次，随开采深 度的增加，矿石和各种物料的提升高度显著增加，从 而大大增加提升成本，并对安全生产构成威胁。这说 明当前的开采理论与技术已滞后于人类深地工程实践 活 动[ 1 o - l t 】 ，难 以进行有 效、科 学指 导，亟待探索和 开 拓 。这些技术 问题如不 能很好地解决 ，不仅给我 国许 多即将进入深部开采矿 山的安全生产 带来许 多隐患， 而且严 重制约着深地 资源 的开采效率和效益 。在深部 资源开采成为常态的形势下，迫切需要思考与研究如 下难题 进入深部以后，不同工程活动方式诱发的高应力 和高能级的灾害更加 凸显，浅部开采理论 与技术 是否 仍然适用 进入深部 以后 ，深部高应力硬 岩开采 方法、提升 运输方式及深部充填降温 技术如何 变革 进入深部 以后 ，尤其在矿床埋藏深、岩温高、岩 爆倾向大、品位低、开采强度大的条件下，如何实现 安全 、经济 、高效、清洁生产 这些都是深部 固体资源开采 中必须面对且亟待优 先探索 的基础性科学 问题与技术难题 。正如习近平主 席在 “ 科技三会”上指出 “ 当前，国家对战略科技 支撑 的需求 比以往任何时期都更加迫切。 从理论上讲 ， 地 球 内部可 利用 的成矿 空 间分布在 从地 表到 地下1 万 m， 目前世界先进水平勘探开采深度 已达 2 5 0 0 m 至 4 0 0 0 m，而我 国大多小于 5 0 0 m，向地球深部进 军是我们 必须解 决的战略科技 问题 ”I I 。有鉴于此 ， 为深 入贯彻 国家 中长期科 学 和技术 发展 规划 纲要 2 0 0 6 ～ 2 0 2 0年1 和 “ 十三五”科技发展规划的总体精 神， 为满足地下矿山和岩石工程安全生产的迫切需求， 本文作者以国内外开采现状及其研究成果为基础，进 行归纳总结，针对随着采深的不断增大而突显的高应 力硬岩开采方法 、提升运输 方式及深 部充填 降温 技术 基金项 目国家重点研发计划项目 2 0 l 6 Y F c 0 6 0 0 7 0 6 1 ；鼠家自然科学基金资助项 目 4 1 6 3 0 6 4 2 收稿日期2 0 1 7 - 0 2 ． 1 0 ；修订 日期2 0 1 7 - 0 5 ． 2 0 通信作者李夕兵，教授，博士；电话 1 3 9 7 4 8 7 0 9 6 1 ；E ． ma i l x b l i C S U ． e d u ． c n 夸夕 ，等深郝I 体资源外采计述 J 探索 1 2 3 7 的变 ，特别是深部稀 仃、贵 、战略资源 的 采 论与关键技术 ，捉 I叶 J 了深部 离 力矿 J J J 安个舟效丌采 构 ， 揭示 了深部矿岩 的受 力特 1 火变机 ， 此基础 l 提⋯ J ， 随着采深 的 断增 人 突 离 馒岩 丌采 法新模式 ，以期 引起学 对十 } 1 父难题 性 矢 以交义和集成的重视 ，进而 为深 部 体资源的安 全商效 丌采提供理 论支撑 和技术保障 。 深部资 源开采的界定 纵观近半 个1 廿 以来， 内外采矿 J 0 家学者仃关深部 的界定 仃小少提法 ， 1 发点 4 00 0 3 0 0 20 0 0 5 0 Mp o n e n g Go l d Mi n e ， S o u t h Af r i c a ● Y a u T o n a Go ld M i n e S o u t h A掰 c a 小柑 l 『I d 。深 足什么 多深 锋进 入深部 今I． 际 } 尚尤公认统‘ 的仃火深矿 的定 划 分标准 。这 } l 作 统计 ⋯内外典7 深部 会 矿 t l l 的采深 ，然 综述 J 州 内外 1 、 I 干 术 刈‘ 卉 I』 的划分利 界定， 捉 ⋯ r深部 定的新心 。 1 ． 1 国内外典型深部矿 山统计 小充个统 汁， l l q 外 lJ 『 采深度超 r米的金 矿 I l I r 1 ’ 余个，分 p f ； - I I 、1 i l l 拿人、澳人利 、 剁瞅 等⋯家卡 地I ， f 采深度撤深的 矿” 卜 婴分 加 人 I ，l l 0 似 I 一7 个 挪 』 J l 】 拿人 l 。 ‘ 2 个 I 1 。南 、l』 J I 】 拿人、印 度 、天f 叫 干 俄 斯等足 矿采深 J I 域 人的⋯ 11 Gr e a t No fi g wa Go l d Mi n e ， S o u t h Af r i c a Cr e i g b t o n n i c k e l mi n e ， Ca n a d a M e r e n s k y r e e f p l a t in u m mi n e ， S o u t h Af fi c a M o u n t l s a Co p p e r M in e ， Au s t r i a 厂’ P i i b r mn u r a n i u m mi n e s ， C z e c h Re p u b l i c 曼 ／ ／ S D A G W is m u t Ⅲ a l1iu m m in e c l0 s e d ， G e rm a n y 。． ．Ch e r e mu k h o v s k a y a Glu b o k a y a Mi n e ／ R u s s i a -／, B oulby potashm ne， 莩 ／ S Li n g b a o g o l d mi n e ， He n a n _ ． ．S u n c u n c o a l mi n e ， S h a n d o n g ．广 _ ．J i a p i g o u g o l d mi n e J i l i n 厂●Ho n g t o u s h a n c o p p e r mi n e ， L i a o n i n g ／厂 _ Hu ge l e a d． z i n c mi n e ， Y u n n a n L i n g l o n g g o l d mi n e ， S h a n d o n g _Do n g g u a n s h a n c o p p e r mi n e ， An h u i ／ i g o ld 1 ， m “ 一 ．． o o ng c ha ng l i n g tr o n mi ne Li a o ni ng S h o u wa n g f e n Co p p e r M i n e ， He b e i ● - 虽 一 ， 图 1 嘲内外 金 腻矿 I 1 I ” t 采深度埘 比f 。 ’ m“ I Fi g ．1 Co mp a r i s o n mi n i n g d e p t h o f t y p i c a l me t a l mi n e a r o u n d t h e wo r l d a T y p i c a l d e e p mi n e i n f o r e i g n c o u n t r i e s ； b T y p i c a l de e p mi ne i n Chi na 『 2 1 1 0 I I , ‘ “ 】 ㈣ ㈣ ㈨ ∞ ∞ O 8 4 23 8 咏 ， 绝 人多数 矿的肝采深度超过 2 0 0 0 m，如南 Mp o n e n g金矿 深 l l 超过 4 0 0 0 m 2 ． 5 ， 矿 休 深 址趔过 7 5 0 0 m【 】 ； k i I 拿 人 L a R o n d e多 矿 开 “ 深度 达剑 3 0 0 8 m，矿休延f l l I 3 7 0 0 m_ 1 4 _ ；荚 I，1勺 0 7 ；- 爆倾 彩 J l l iJ L u c k y F r i d a y域近也 完成 r 2 9 2 0 l -n的。 J 卜 丌 I 。 然和 外的众 多深 5 矿 l I I 十 I I 比， ⋯ 矿 的丌采深度较 浅，f H 足 ‘ 人批 矿 1 I I I I 处 ㈠ U 深 个 推进 的阶段 ， 红 透 1 I I 制 、洲 金矿 、火J 支 沟 、冬瓜I l I 铜矿 、J 、 L l J } 锌矿 、玲垅金矿 、会洋 钳锌矿 、柙洲 铁矿 等都基 小 进 入 或 将 进 入1 0 0 0 ～ 2 0 0 0 IT I深 开 采 范 ’ I ， J 一 t t 辽 j 透 ⋯俐矿达 剑 1 3 0 0 m， 占林灾皮 沟 矿 剑 1 4 0 0 m，j 1 l』 I 向 蕞鑫金矿 剑 1 6 0 0 m。 近驯 ， I I 1 ％ 矿 岭矿【 l 6 0 0 ～ 2 0 0 0 1T I 深 处，探 l IJ J ‘ 个 储 l 达 4 0 0 t 的人 金矿床 ， 为我 住皎 尔 、 i ； l{ 类似 找剑 人上 见 模 矿床 指 明 r方 1 6 1 。从 1 l t1 『 以 ⋯，⋯ 坡 的矿 I I 1 f 2 0 0 0 m 以 1 为 、 、钔等 币金属 。 1 ． 2 当前工业界对深部开采深度 的界 定 采矿人⋯ I 、 J 界刈’ 深 ；；7 1 7 4 采深J 耍仃荇小 h 的划分， ／』 l 】 2所／ J 。火 ’ 务 川 1 版I ，I勺 采矿 、矿物 及 父 术 t I 定 义 所 丌 采 通 常 解 析 为 5 0 0 0 』 以 1 5 2 4 m J ； l I ； l 、 【 界根 足 需 特止制冷 降 定义深 金矿 丌采深度 为 1 5 0 0 m；_ l J I I 、J - 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