金川高应力区深部开采技术的地压控制.pdf

第 2卷 第 3期 Vo l _2 NO．3 采矿技术 M i ni ng Te c hn ol ogy 2 0 0 2年 9月 Sep ． 2 00 2 金J i I 高应 力 区深 部开采 技术 的地压 控制 王 永前 ， 杨 志强 ， 高 谦 。 1 ． 金 川集 团有 限公 司 ， 甘 肃 金 昌市 7 3 7 1 0 4 ； 2 ． 白银有色金属公 司， 甘肃 白银市 7 3 0 9 0 0 ； 3 ． 北京科技大学， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 高应 力 区深部 开采 所遇 到 的 主要 问题 是 岩石 力学 问题 ， 从 采 矿 方 法 、 充填 、 支护 和 地 压控 制技 术 等方 面着 手 ， 指 出 了今后 高效 、 安 全 、 低 耗 开 采金 川 高 应 力 区深 部 资 源 所 应 进行 的相 关技 术研 究 工 作 。 关键 词 深部 开 采 ； 难 采矿 床 ； 采 矿 方 法 ； 地 压控 制 随着露天与浅部矿床 的减 少 ， 深 部地下矿 床开 采的比重正逐渐增 加。 目前 ， 国外 最深 的地下矿 床 开采深度 已接 近 5 0 0 0 m， 我 国也 已超过 1 0 0 0 m。与 浅 部矿 床 相 比 ， 深 部 采 场 地 压 大 ， 温 度 高 ， 地 下 水 丰 富 ， 这些 不 利 因素 不 仅 提高 了矿 石开 采 成本 ， 而且 使 采矿 安 全 问题 日趋 严 峻 。因此 ， 深 部 矿 床 的高 效 、 安 全和低耗开采技术与工艺研究将是本世纪采矿界所 面 临的重 要 研究 课 题 。 1 金川矿床 地质条 件 金 川公 司 是我 国最 大 的镍 、 钴 、 铂 族 等 有 色金 属 生产基地 ， 是我 国 3大资源综合利 用基地之一 。金 川矿 床 已探 明镍 金 属 储量 占 全 国 总 储 量 的 6 8 。 5 ， 居全国第一位； 铜储量仅次于江西德兴 ， 钴元素储量 仅 次于四川攀枝花矿 区， 均居 全国第二位 。另外伴 生 的铂族元素占全国储量 的 8 O 。 金 川 共 有 4个 矿 区 ， 已经 开 发’ 2个 矿 区 。其 中 二 矿 区矿 石储 量 占全部 储 量 的 7 5 ， 其 2号 矿 体 开 采基本上 已经结束 ， 储量大、 埋藏深 的 l号矿体也已 开 采 到 1 2 5 0 m 水 平 以 下 。金 川 矿 床 具 有 富 品位 高 、 储存元素 多 、 深 矿 体埋藏深 l_号矿体延伸 到 1 0 0 0 m 以下 、 碎 以 断 裂 为 主 的 地 质 构 造 发 育 。． 1断 层纵横交错． 矿岩节理 、 裂隙发 育， 地压大 ， 稳定性极 差 等特 点 。 金 川矿 区经 历 了多 次 地质 构 造 运 动和 岩 浆 侵入 作用 ， 岩体非常破碎 ， 稳定性差 ， 在矿岩接触带 、 贫矿 和富矿接触带更加突出 ， 整体稳定性极差 。同时 ， 矿 区高构造应 力对采 场和 围岩稳定 性 也产生 不利 因 素 。原岩 应 力测 试 结 果 表 明 ， 矿 区 表 层 的最 大 水 平 主应 值约为 3 MP a ， 并 随着深 度增 加而增 大。在 i O 0 0 r n范 围 内 ， 以 水 平 应 力 为最 大 主 瘟 力 ， 侧 压 系 数为 1 ． 4 ～2 ． 5 ， 属较高范畴 。 2 高应 力 区深部 开采 所面 临 的问题 随着 开 采 的延深 和 开 采 面积 扩 大 地 应力 增 大 ， 地温升高 ， 地下水 也 日趋严重 ， 能否在深部 安全、 有 效 和 低耗 地 实 施 大 面积 连 续 开 采 ， 关 键 在 于 能 否 有 效 地 控制 采 场 地 压 。 因此 ， 深 部 矿 体 开 采将 面 临 以 下 一些 主要 问题 1 采 场 整 体 稳 定 性 问题 。二 矿 区 投 产 l O多 年 来 已成 功 地 实 现 了 5万 m。大 面 积 下 向 连 续 回 采 ， 没有发现整体的岩层移动或 充填体滑移与破坏 。 但 当采深超过 5 0 0 m， 采区跨度超过 1 0 0 m， 开采面积 接近 l O万 m。 ， 地应 力过 5 O MP a时 ， 在充填体 与贫 矿及围岩软弱破碎带以及沿矿体倾斜方 向和走 向不 留矿柱 的条件下 ， 能否安全平稳 的实现大跨度 、 大面 积 连续 下 向开采 会 不 会发 生 整 体滑 移 将 是 金 川 二 矿 区深 部 开采 中有 待研 究 的课 题 。 2 巷 道 局 部 稳 定 性 问 题 。无 论 是 围岩 还 是 充 填体， 局部失稳产生 的片帮冒落较为多见 ， 也是造成 矿 山伤亡事故的直接原 因。统计 资料表 明， 片冒造 成 的 亡 事 故 占 矿 山 全 部 事 故 的 6 0 。在 不 良岩 层 中， 支护必须紧靠工作面或岩体揭露后及时喷锚； 充填 空 区 时 ， 充填 质 量 差 、 管理 不 当以 及 采场地 压 都 会造 成 充 填 体 离 析 、 分 层 、 冒落 。 随着 采矿 延 深 ， 采 场区域性地压增 加必将对采场巷道局部稳定性产生 更加不利 的影响 ， 如何有效地控制巷道地压 ， 实现安 全 生 产是 金 川 二矿 区采 矿生 产 亟 待解 决 的另 一 重 要 维普资讯 第 2卷第 3期 王永前 杨志 强 高 谦 金 川高应 力区深部 开采技术 的地压控 制 l 9 课 题 。 3 深 部采 场 岩 爆 预测 与 控 制 。众 多 的 深 部 采 矿 实践 表 明 ， 对 于 高应 力 区较 坚硬 岩 石 ， 深 部 围岩 潜 在着 岩爆 破 坏 。实 际上 ， 早 在 1 9 8 4年 的围 岩破 坏 调 查 中就 已经 发 现 金 川 二矿 区发 生过 一 些 小 规模 的岩 石劈 裂 现象 ， 只不 过 由于 岩爆 发 生 规模 较 小 ， 没有 引 起 人 们 的足 够 重 视 。 随着 采 深增 加 ， 地 应 力 加 大 ， 岩 爆 问题 会变 得 十 分 突 出 ， 准 确 地 预 测 和 控 制 岩 爆 发 生 也 是 深部 采 矿需 要 解 决 的 问题 之 一 。 3 地压 控制技 术研 究方 向 3 ． 1 影 响深 部 开 采地 压 控 制 的主 要 技 术 因素 深部 开采 ， 关键在 于利用 现代分析理论与先进 测 试技 术 ， 将 现 场 监 测 、 理 论 分 析 、 数 值 模 拟 以 及 专 家 经验 有 机地 结 合 起 来 ， 进 行 围 岩 与 充 填 体 变 形 力 学 性质 研 究 、 破 坏 机 理 分 析 以及 稳 定 性 判 断 准 则 研 究 ， 在此基础上探索 行之有效 的采矿工艺和控 制技 术 。根 据 金川 矿 区 采 矿 、 地 质 条 件 以 及 国 内外 研 究 发展现状 ， 金川矿 区深 部开采 的地压控 制将主要取 决 于 以下 3个 方 面 的工 作 1 采矿 方 法 与采 矿 工 艺 。不 同采 矿方 法 将 产 生不 同 的采 场 地 压 分 布 。 显然 ， 合 理 采 矿 方 法 的选 择不仅要考虑矿石品位 、 价值 和 国民经 济发展 的需 求 ， 而且应能适应矿床 的赋存 条件 以及现代 化采矿 的要求 ； 另一 方 面 ， 在 确 定 的采 矿 方 法 条 件 下 ， 工 程 布 置 、 回采 顺 序 以 及 开 采 技 术 与 工 艺 也 在 很 大 程 度 上 影 响采 场 与巷 道 的 稳定 性 。 2 充 填 体 强 度 与 充 填 工 艺 。 为 了提 高 矿 石 回 收率， 降低贫化率 ， 目前金川采用下 向胶结充填采矿 法 。充 分认 识 充 填 体 强 度 和 变 形 破 坏 特 征 ， 准 确 地 评 价 充填 体 的作用 以及 与 围岩 的 相 互 作 用 机 理 ， 是 矿岩与充填体稳定 性分析 的基础 ， 它直 接关系到优 化 充填 体 材 料 ， 降低 充 填 材 料 成本 ， 从 而 安 全 和低 耗 地 回收矿产资源。 3 采场巷道支护与施工 管理 。为 了控 制采场 巷道 地 压 ， 巷 道 支 护 是 必 不 可 少 的 。针 对 巷 道 地 压 显现 规 律 与 围岩 结 构 及 稳 定 性 状 态 ， 及 时 采 取 合 理 的支护类 型和支护参数 ， 不仅能够有效地 控制顶板 冒落 ， 而且能够确保开采正常进行 ， 避免矿石损失与 贫化。显然 ， 合理地优化支护类型与支护参数 ， 不仅 是 维护 巷 道稳 定 性 和 安 全 生 产 的需 要 ， 也 是 降 低 支 护成本 ， 提高采矿效益的重要技术措施 。 3 ． 2深部 开 采地 压 控 制 技 术 的研 究 方 向 考 虑 到金 川 二 矿 区深 部 开采 条 件 以及 大 面 积连 续 开 采 方 法 ， 探 讨 深 部地 压最 优 控 制技 术 ， 避 免 高应 力 条 件 下 深部 采 场 围岩 与 充填 体 发 生大 面 积 整体 滑 移 ， 有 效 地 控 制 巷 道 局 部 破 坏 与 岩 爆 ， 从 而 达 到 高 效 、 安全 与低 耗 开 采 的 目的 ， 对 于 金 川 的发 展 是 十分 重要的。相关地压控制技术的主要研究内容如下 1 深 部 高 应 力 、 高 温 条 件 下充 填 体 与 围 岩 的 力 学性 质 以及 相 互 作 用 机 理 。 随 着 采 矿 深 度 增 加 ， 充 填体 和 围 岩 的 受 力 环 境 也 随 之 发 生 变 化 。 因此 ， 深 部 围岩 节理 裂 隙 发 育 程 度 、 地 下 水 情 况 及 温 度 等 工 程 地 质 调查 以及 充填 体 与 围岩 在 相 应 环境 下 的变 形 破 坏 特 征 以及 相互 作 用 机理 是 采 矿技 术分 析 与地 压 控 制措 施 研 究 的基 础 ， 具 体 研 究 内容 包括 深部 节 理 裂 隙 调查 技 术 、 地 下 水及 地 温 测试 技 术 、 节 理裂 隙 统计分析与随机性研 究 ； 围岩和 充填体 在深部环境 中 的应力 与变形 特 性 测 试 与 随机 性 研 究 ； 深 部 采 场 围岩 与充 填 体相 互 作 用 机理 的室 内实 验 研 究与 力 学 分 析 。 2 深 部地 压 控 制理 论 与 预 测 技 术 主 要 项 目 包括 基 于神 经 网 络 本 构 模 型 的 智 能 有 限元 分 析 系 统 的研 究 与 开发 ； 基 于智 能 有 限元 分 析 系统 ， 进 行 巷 道顶板重力式 冒落分析与 预测研究 ； 基于智能有 限 元分析系统和可靠 度分析方法 ， 进行深 部大面积连 续开采过程 中整体灾变失稳 和岩爆发生的可靠度分 析 与 风 险预 报 。 3 深 部 大 面 积 连 续 开 采 采 矿 方 法 改 进 、 开 采 工 艺优 化 以及 最 优 控 制 技 术 。研 究 的 主 要 内容 为 在 目前 正 在 采用 的下 向 胶 结 充 填 采 矿 法 的 基 础 上 ， 针对局部矿块 的采 矿条件进 行采 矿方 法 的局部调 整 ， 以适应相应的采场地压条件与开采环境； 基于岩 石工程系统分析理论与方法 ， 进行采 矿生产影响 因 素全耦合分析 ， 研究系统可控制变量的效果和效益 ， 从而寻求使 系统达到最佳状态 的控制变量 ， 实现系 统的最优控制 ； 针对深部采 场巷道的地质 与采 矿环 境 ， 研究开发巷道支护智能辅助支持系统 ， 使巷道支 护设计与管理适应不 断变化的采矿条件 ， 从 而优化 支护类型与支护参数 ， 降低巷道支护 费用 ， 确保采矿 生产 安 全 。 收 稿 日期 2 0 0 2 0 40 6 作 者简介 ； 王永 前， 男， 工 学博 士 ． 金川有 色集 团公 司副 经理 ， 主要从 事 生产技 术管 理与研 究工作 。 维普资讯