冬瓜山深埋铜矿床开采技术的研究(1).pdf

S e r i 圆 No 3 0 7 J a n u a r y 2 0 0 2 金 寰 矿 山 MF I ’ AL M I J E 总 第 3 o 7 期 2 0 0 2 年第 1 期 冬瓜 山深埋铜矿 床开 采技 术的研 究 郭金峰 刁心宏张传信 马鞍 山矿山研究院 王春来钱光荣郑学敏 狮子 山铜 矿 摘要针对冬瓜 山铜矿床 的矿体赋存条件 和开采技术条件 ， 论述 了冬 瓜山深埋 铜矿床开采 的深井矿床 开采 工艺技术 、 深井 采矿地压及控制技术 、 深井通风优化 及控 制技术 和全尾矿 充填技 术等研 究 内容和研 究方法 。力图 使冬瓜山深埋铜矿床实现安全高效的回采， 同时解决矿山尾矿地表堆放对环境污染的同题， 最终使矿山开采实现 无尾排放的 目标 。 关键词 深埋铜 矿床采矿 方法岩爆深井通风垒尾矿充填 On t h e Re s e a r c h o f t h e M i ni n g T e c h n o l o g y f o r Do n g g u a s h a n De e p - l y i n g Co p p e r D e p o s i t Gu o J i n f e n g Di a o Xi n g h o n g Z h a n g Ch u a n x i n g Mo a n a n I n s t i t u t e o f．Mi n i n gR e ．w u r ,4 z Wa n g Ch u n t a i Qi a n Gu a n gr o n g Z h e n g Xu e mi n S h i z i s h a n C o p p e r,Mi n e Ab s t r a c t I n l ig h t o f t h e o r e b o d y o c c U I T e n c a n d mi n i n g c n d ／ t i o n s o f Do n g g u a h a n c o p p e r d e p o s i t ． t h e c o n t e n t s a n d me t hev ls o f t he r e s e a r c h o f t he d e e p mi n i n g o f nmg I 越h a n d e e p l y l n g c o p p e r d e l x e ,i t wh i c h i n c l u d e s t he t e c h n o l o g i e s。 f t h e mi n i n g g r c md p r e ,,s r e c o n t r o 1 ． v e n t i l a t io n o p ti mi z a t i o n a n d o a n t r u [ a nd f u t t r ai l i n g s ti l t i n g a r e d e s c r i b e d Th e r e a r c h i s a i me d a t r e a t i z i n g a s a f e a nd e f f i c i e n t e x t r a c t i o n of Do n g g u a s h a n d eep - s e a t e d c o p p e r o r e and s o M n g t h e p r o b l e m o f e n v i mr m e n t p o l l u t io n c a u s e d b v t he s u r f a c e d e pos i t i o n of r a il i n g s a s t o a c h i e v e t h e g o a t of n o n d i s c h arg e o f t a i l i n g s i n mi n e d e v e l o p me n t ． Ke v o r d s D e e lM y i n g c o p f d e p o s i t ， Mi n i n g n e t h s x ] ， Ro c k b u mt ． De e p mi n e v e n t i Nfi o n， F u l 【 t a i l l n g s f i t t l n g 1 问题的提 出 随着我 国采矿工业的发展 ， 浅部矿产资源量逐 部减少 ， 矿 山的开采深度越来越深 ， 近些年来 国内一 些金属矿 山的开采深度 已经达到或接近 6 0 0 m． 如 金川有色金属公司 二矿区 、 会泽铅锌矿 、 张家洼铁 矿、 程潮铁矿、 湘东钨矿等， 开采深度接近 l 0 0 0 m 的矿山有红透山铜矿 、 凡 口铅锌矿等 ， 开采深度超过 1 0 0 0 m的矿山仅有冬 瓜山铜矿 在 本世纪初拟建 的矿 山中， 云南 的大 红山铁矿在海拔标 高 6 0 0 m 以下 、 安徽 的龙桥铁矿在 一6 0 0 m～ 一l 0 0 0 m， 可 以预见， 本世纪初我国将有越来越多的金属矿山进 入深部开采。随着金属矿 山开采深 度的不断增大 ， 地压灾害 、 岩爆与岩层控制 、 通风降温 、 排水疏干 、 采 矿方法及采空区处理等均是有 待解决的技术 问题。 由于我国深部矿床开采技术研究工作起步较晚， “ 九 五” 期间开展了深部矿床开采的部分前期试验研究 工作 ， 对深井矿山岩爆发生的机制、 深井矿山采矿工 艺进行了探索性的研究工作 。但如何有效地解决深 部矿床开采的一系列技术问题， 还需 研究开发适应 一 1 0 一 于深部矿床开采的新工艺与新技术 ， 特别需要研究 对深井开采影响较严重的深井地压监测预报和热害 的控制技术 ， 以满足我国越来越多的深部金属矿床 开采的需要 铜陵有色金属 集团 公司冬瓜山铜矿， 矿体赋 存于 一 6 8 0 m～ 一l 0 0 0m， 矿体走向长8 1 0 m， 水平 投影宽 2 0 4 m～ 8 8 2 m， 最大厚度 1 0 6． 7 m， 最小厚 度 1 ． 1 3 m， 平均厚度 3 2 m， 总储量 1 0 8 8 4 ． 5万 t ， 铜 金属量 1 0 6 ． 1 2 4万 t ， 硫元素量 l 8 2 3 ． 8 0 7万 t ， 而且 远景储量还相当可观。根据安徽省地质局 3 2 1 地质 队及前期对冬瓜山铜矿地温研究成果表明， 矿区恒 温带深度为 2 05 m， 恒温带温度为 1 7 ． 5 ℃ ， 平均地 温梯度为 2 l ℃／ 1 0 0 m， 矿体标高原岩温度为 3 0 ～ 3 9 舟℃ 对 一7 3 0 m水平原岩应力实测表明， 冬瓜 山铜矿构造应力复 杂， 最大主应力方 向集 中在 N E ～ S W 向， 而且近于水平 ， 与青山背斜的轴线方 向相 郭金峰． 马鞍 山矿 山研究 院采矿所 ， 所 匠． 高级 工程 师， 2 4 3 0 0 4安徽 省马鞍山市湖北路 9号。 维普资讯 郭金峰等 枣瓜山深埋铜矿床 开采技术的研 究 2 0 0 2年第 l 期 吻合。深部应力值达 3 5 MP a 以上 ， 属高应力区， 原 岩应力的铅垂方向分量为 9 ～ 1 6 MP a ， 小于上覆岩 层 自重引起的应力。岩爆发生的可能性分析 -为， 矿岩均有 明显的岩爆倾向性。冬瓜 山铜矿 目前是国 内深井开采 中矿体埋藏最深的矿山 ， 具有岩爆倾向 、 高温和深埋等特征， 属深井开采典型矿山。 对于开采冬瓜山这样一个深埋的特大型铜矿床 ， 在我 国还是第一次 ， 由于开采条件的复杂性和特殊 性 ， 深井开采的许多理论和技术问题急待解决。主要 包括深井矿床开采工艺技术 、 深井采矿地压及控制技 术、 深井通风优化及控制技术、 岩爆预测及防治技术 和全尾矿充填技术等问题 由于冬瓜 山铜矿 即将进 人试生产阶段， 如何解决这些技术 问题 ， 本文全面论 述了冬瓜山深埋铜矿床开采的研究内容和研究方法。 2 国内外技术现状和发展趋势 2 ． 1 国内技术现状和发展趋势 在 2 0世纪 ， 国内进人深部矿床开采的矿山不多， 主要有石嘴子铜矿和红透山铜矿， 其中石嘴子铜矿于 1 9 6 9年已经闭坑 ， 红透山铜矿 也进人后期 开采 但 随着国内金属矿山的开采深度不断增大 ， 一些矿山也 相继进人中～深部开采， 国内一些科研单位相继进行 了深部矿床开采的前期探索性研究， 取得了一些有价 值的科研成果， 但工业应用试验研究还是空白。例 如， 1 9 9 5 年， 国家计委以科技[ 1 9 9 5 ] 1 5 3 9 文批准将冬 瓜山矿床“ 千米深井3 0 0 万 t 级矿山强化开采综合技 术研究” 列为“ 九 五” 国家重点科技攻关项 目。期 间 中 南大学、 北京有色金属设计研究总院和长沙矿山研 究院等单位对冬瓜山矿床的开采技术条件 、 岩爆发生 机理进行了成果性研究， 对岩爆预防预报、 深井采矿 工艺、 通风和降温进行探索 }生 研究。又如马鞍山矿山 研究院利用 自有资金， 1 9 9 9 年针对昆钢大红山铁矿 深埋矿床的赋存条件， 开展了“ 地下矿深埋矿体综合 开采技术的研究” ， 对深埋矿体的开采顺序、 采场应力 场分布规律以及顶板破坏过程进行数值模拟和室内 模拟试验； 该院从 2 0 0 0年开始又与铜陵有色金属 集 团 公司共同开展了“ 狮子山铜矿大型采空区全尾矿 充填技术的研究” ， 以及“ 狮子山铜矿大团山深部开采 地压监测与控制技术的研究” ， 对矿岩特性、 地压显现 规律等方面进行了全面的研究。此外， 北京科技大学 目前正在进行的国家自然科学基金项 目“ 基于非线性 动力学的采空区稳定性监渊 、 分析与预报系统研究” ； 抚顺市科委项 目“ 抚顺煤矿开采引发矿震的研究” ； 南 方冶金学院目前正在开展的“ 铜陵有色金属 集团 公 司狮子山铜矿深部矿床通风网络优化技术的研究” 等 等。上述研究项 目大量涉及深部矿床开采的一些关 键技术 ， 为我国开展深部矿床开采技术的研究创造了 有利条件。 但是 ， 由于深部矿床开采存在高应力 、 高地温和 地下水大等方面的特殊性 ， 带来 的地压灾害 、 岩爆 与 岩层控制 、 通风降温 、 排水疏 干、 采矿方法 、 采空区处 理等有待解决的关键技术问题， 尽管国内对深井开 采进行了前期科研工作， 但现有开采技术水平还无 法解决上述问题， 要实现深部矿床安全高效的开采， 还需要科研人员长期 的努力 ， 特别是要进行工业应 用试验。 2 ． 2国外技术现状 和发展趋势 国外 的美国、 印度 、 南非 、 前苏联 、 加拿大和澳大 利亚等国深部矿床开采达到 33 0 0 m以上， 最深超 过 4 0 0 0 m， 原岩应力超过 1 0 0 MP a ， 原岩温度 5 0 ℃ 以上 ， 最 高可达 7 0 ℃左右。对于深部矿床开采主要 懈决高地应力开采工艺 、 岩爆与岩层控制 、 矿山通风 和降低地温等技术问题， 以达到高效安全回采的目 的。国外的这些矿 山解决高地应力及岩爆问题 的主 要途径是 研究合理的开采顺序及回采单元结构； 预 留区域性支撑矿柱以实现分 区开采 ； 采用应力释放 技术使回采工作处于低应力带 这些矿山降低地温 的主要途径是 用冷却机组对水进行制冷降温 ， 通过 管路输送到各个工作 面 ； 用制冷方法将进人矿井 内 的空气 降温； 采用循环通风并利用上部空区冷却风 流， 在深井集中制冷； 采用综合机械集中作业； 采用 充填防止围岩散热； 工作面喷洒冰水等。例如美国 爱荷华州利纳银铅矿 目前开采深度已超过 2踟0 m， 采用充填 法 回采 ， 在 采深 达到 6 5 0 m 时出现 岩 爆 ， 该矿研究了岩石力学性质并应用有限元法计算 了采场顶柱及其周围岩体中应力分布， 确定了矿柱 高度与矿柱内应力值、 岩爆发生的关系图 并通过调 整矿柱规格等措施预防和消弱岩爆强度 ； 又如 印度 科拉尔金矿开采深度超过 3 2 6 0 1 T I ， 该矿 自开采 以 来发生岩爆 5 9 次， 从 1 9 5 3 年开始 通过对岩爆历史 记录分析 ， 岩石力学和弹性性能测试 、 现场岩石力学 监测等方面的研究 ， 确定产生岩爆的规律 ， 重新调整 采矿方法的布置形式 使岩爆 生频度由 4 ． 6次／ a 降低到 0 ． 4 2次／ a 。如 印度科 拉 尔金 矿 的岩 温在 3 0 0 0 m处为 6 9 ℃ ， 测得地温梯度为 0． 7 5 ℃ ／ 1 0 0 m ～ 1 ． 3 0 ℃／ 1 0 0 m之间 ， 平均地温梯度为 1 ． 0 7 ℃／ 1 O 0 m 该矿采用制冷方法使进人矿井的空气降温， 虽 维普资讯 总第 3 0 7期 垒 属 矿 山 2 0 0 2年第 1 期 然效果明显 ， 但是采矿成本增 加了 l 【 美元／ 1 ； 又如 南非西部深水平金矿井下地 温高达 5 5 ℃， 采用冷却 机组将水冷却 到 3 ℃ ， 再用 一条连续 1 0 0 m的管子 送到各冷却仓后流到坑内各个部分， 最终达到冷却 降温的效果。 3 冬瓜 山深埋铜矿床开采技术的研究方向 针对冬瓜山铜矿的矿体赋存条件和开采技术条 件 以及冬瓜山深部开采前期研究的结论 ， 该矿体具 有高温 、 岩爆倾向和深埋 的赋存特征。所 以要使冬 瓜山铜矿深部矿床实现安全高效的回采 ， 应从 以下 几方面开展一系列的研究。 3 ． 1 深井采矿工艺技术的研究 深井采矿工艺技术研究 的关键是回采单元结构 型式和合理回采顺序。对于回采单元结构型式的研 究 ， 由于深井采矿地压大 ， 地压显现 剧烈 ， 研究 台理 的回采单元型式以减小 、 减缓地压显现程度， 是实现 冬瓜 山铜矿深井条件下安全开采的关键之一。对于 合理 回采顺序的研究 ， 要充分认识 到岩石具有应力 历史记忆特性， 岩石破坏与否， 不仅与现时的应力状 态有关 ， 而且与其达到这一应力状态的过程有关 ． 对 于不同的回采顺序 ， 岩体中各处经历的应力历史不 同。因此， 研究合理的回采顺序， 减少岩体破坏范围 和破坏程度是十分必要的。 冬瓜山铜矿 床埋深超过 1 0 0 0 m， 开采这 样矿 体在国内还是第～次。因此对于该矿的深井采矿工 艺技术研究 ， 采用经验类 比法选择回采结构型式 、 回 采顺 序、 采场结构参数 、 采场工程布置等。同时用数 值模拟方法和物理模拟方法对初选方案进行 反复 比 较验算， 并结合现场试验结果， 确定矿体回采的各项 工艺技术。 3 ． 2 深井采矿地压及控制技术研究 对于深井采矿地压及控制技术研究 ， 应从以下 几方面着手开展研究 岩石破裂微震定位技术研究； 岩爆预测及防治技术研究； 巷道 围岩变形破坏规律 及支护技术研究 ； 采场顶板破坏模式识别及支护技 术研究。 狮子山铜矿 区深部的大团山矿床 、 冬瓜山矿床， 根据前期研究结果表明 ， 该矿床某些开采地段的岩 石具有岩爆倾向 ， 所 以要研究岩爆的发生机理和组 合条件 ， 以及冬瓜山矿床开采过程中的应力等参量 分析， 圈定岩爆 的危险 区， 建立岩爆的预报 理论体 系。因此要通过实验室实验和现场试验的研究方法 和手段 ， 研究岩体声传播和衰减特性 、 微震震源定位 1 2 方法和微震声波传播频谱特征与岩爆发展和发生的 关系， 开发定位分析软件 ， 提高定位精 度， 实现定位 的计算机 自 动处理。在微震监测定位、 微震声波频 谱特征研究基础上 ， 用传统方法和现代非线性理论 相结合的方法， 建立岩爆发生与程度预测模型， 开发 相应的分析软件， 实现预报的 自动 化和智能化。采 用数值模拟方法寻找应力集中程度小的开采方式和 回采顺序 ， 避免导致岩爆 次生应力场 的形成 。采用 弱化局部岩体强度， 降低局部岩体刚度的办法消除 发生岩爆的条件， 从而达到防止岩爆的目的。采用 室内和现场试验 的方法研究巷 道围岩变形破坏规 律 ， 结合巷道变形观测 ， 选取合理的支护结构和支护 参数。建立采场顶板破坏模式识别专家系统知识 库， 用专家系统方法预测采场顶板破坏模式， 并据此 选择最佳支护和支护参数 。 3 ． 3 深井通风优化及控制技术研究 深井通 风优化1及控制技术研究应从 以下几方面 着手开展研 究工作 通风网络优化及风量控制研究 ； 深井矿床地温变化规律研究； 采矿工作面降温技术 研究。 狮子 山铜矿 区包括东狮子山矿段 、 西狮子 山矿 段 、 老鸦岭矿段、 大团山矿段和冬瓜 山矿段， 各矿体 相互依存， 其工程相互连通， 使其通风系统更加复 杂。要使冬瓜山深部矿床开采的通风状况取得良好 的效果 ， 改善井下的作业环境， 必须通过对狮子山铜 矿区井下通风系统全面调查、 计算机通风网络 分析、 作业环境调查以及矿岩热特性参数测定等一 系列的 研究， 优化通风系统， 最终实现井下通风系统的远程 控制。与此同时， 根据矿岩热特性规律， 对深井通风 网络进行优化及有效控制风量， 使空气在到达井下 工作面时从巷道 围岩温度场中吸 收的热量最少 ， 从 而解决转入深部开采初期的采矿工作面降温问题， 改善深井采矿工作面的作业环境。 3 ． 4 全尾矿充填技术的研究 全尾矿充填技术研究的目的 ， 主要解决高浓度尾 矿充填料的制备、 贮存及给料技术、 高浓度尾矿输进 技术 、 提高充填体的强度等技术问题 同时解决狮子 山铜矿尾矿库库容不足， 减少和消除尾矿在地表堆存 对环境的污染， 最终目的是实现无尾排放目标。 铜陵有色金属 集 团 公司狮子山铜矿 含冬瓜 山铜矿 ， 该矿 自 1 9 6 6年 7月建成 投产 3 0多年以 来 ， 已建设 两个尾矿库， 其中杨山冲尾矿库库容 下转第 l 5页 维普资讯 赵奎等 模糊 c均值聚类算法在结构面组识别 中的应用 2 0 0 2年第 1 期 表 1 聚类有效性指标 图 1 节理 极点 由表 1可知 ， 除模糊熵 H『指标外 ， 其余各项指 标均表明聚类个数取 3时 ， 聚类效果最佳。 实际上聚 类个数取 3时 的模糊熵指标仅略大于聚类个数取 2 时的模糊熵指标。 由此不难判断该 中段节理分 为 3 组是合理的 ， 这与根据节理极点 图所作 的直观判断 也是一致的。 根据 聚类 中心计算结 果可知该中段 3 组优势结构面的平均产状 倾 向 ／ 倾角 ， 单位 度 分 别是 第 1 组为 5 ／ 6 3 ， 第 2组为 1 4 8 ／ 5 1， 第 3组为 2 1 7 ／ 6 7 ； 其中属于第 2 组 的节理个数是 9 1 ， 为最主要 优势方位 ， 其次是第 1 组和第 3组 ， 节理个数分别为 7 9和 6 0 。 根据得 出的各组优 势方位 ， 结台采场空间 方位数据 ， 即可进 一步分析各组优势结构 面的组 台 关系及其对采场 围岩稳定性的 影响。 3 结论 应用 F C M 聚类算法进 行结构面分级及确定优 势方位， 可以不依 靠丰富的工程经验得 出客观可靠 的结果 ， 同时 ， 计算过程的程序化使得应用该方法分 析大量数据时十分便利。 参考文献 l 黄运飞 ， 冯静 ．计算工程地质学理论 - 程序 实例北京 兵 器 工业出版社 ， j 9 9 2 2 R E Ha mma h． e l a l Ft tz z y c l u s t e r a lg or i t h m f o r t h e a u t o ma t ic i d e mi fi c a t i o n o f l o in t s e 【 s R o c k Me c h MⅡ 1 s c l 、 l 9 9 8 3 5 7 8 8 9 ～ 9 05 3 S h a n l e y R』． De l ine a t io n a n d a ⋯ du s t e r s in or ie n t a t i cx l d a t a 』Ma t hGe o l ， j 9 7 6 ． 8 3 9 ～ 2 3 4 朱明， 王傻普 ． 一种聚类学习的新方法模式识别与工智 能 2 o 0 0 1 3 3 2 6 2 ～ 2 6 5 5 李金宗 ． 模式识别导论 ． 北京 高等教育出版社 ． 1 9 9 4 6 高新波， 李洁 ． 模糊 c均值聚娄算法中参数 州的优选 ． 模式识别 与 人工 智能， 2 O O O l 3 1 7 ～1 1 收稿 日期 2 ∞l 一 0 5 _ 2 7 上接第 l 2页 7 3 7 万 m J 已于 l 9 9 0 年闭库， 水木冲尾矿库设计库容 6 7 0 ． 5 万 ， 剩余服务年限约 3年。因矿山地处皖江 丘陵地带， 人多地少 ， 距铜陵市仅 1 1 k i n ， 若建设一个 新尾矿库， 不仅需要征用大量的土地 ， 投资大 、 建设周 期长， 而且环境污染也是一个极为重要的问题。由于 矿山地处城镇包围之中， 矿区内已没有任何新建尾矿 库的场地， 唯一的出路就是将产出的尾矿全部充填到 井下采空区内。为此 目标 ， 该矿在冬瓜山铜矿设计时 考虑了全尾矿充填的采矿方法， 其最终 目的是实现无 尾排放的目 标， 解决矿山尾矿库库容不足， 减少和消 除尾矿在地表堆存对环境的污染 4结论 冬瓜山铜矿床是国内发现的埋藏最深 矿体埋 藏深度为6 8 0 17 1 1 ～ 一1 0 0 0 1 71 1 ， 主井最 大深度为 1 1 4 9 m 、 储量最 大的铜矿床 铜金属量为 1 0 6 ． 1 2 4 万 t 。开采这样特 大型 的深埋有色金属 矿床在我 国尚属首次 ， 深部矿床开采与浅部矿床开采相比， 由 于该矿床存在岩爆和高温等特殊条件， 其开采技术 问题主要表现为 深井开采时的地压与岩层控制问 题 ， 即岩爆的预测和防治 、 以及高应力区的支护技术 问题 ； 高效率的采矿方法和矿石深井提升问题 ； 矿山 环境控制问题 ， 即解决深井通风和工作面降温散热。 针对冬瓜山铜矿的矿床赋存条件和矿床开采技术条 件 ， 本文就解决上述 三方面 的深井开采技术问题研 究方法和手段进行了全面阐述 。 此外 ， 由于狮子山铜矿区内的尾矿库库容有限， 难于满足矿山开采产生尾矿堆放 的需要 ， 而新建尾 矿库又存在征地困难、 建设费用大、 荇染矿山环境等 问题， 所以在进行冬瓜山深部矿床开采设计时， 提出 了全尾矿充填的技术方案 ， 力图通过全尾矿充填 的 途径 ， 解决矿 山尾矿的出路和污染矿山环境等问题 ， 最终使矿山开采实现无尾排放 的目标。 参考文献 1 解世俊 ， 等编采矿设计手 册 ． V OL 4 ． 地 下采矿北 京 } 冶金工 业出版杜 ， 1 9 9 0 2 郭金 峰论地 下矿山无 废料开采 技术的研究金属矿 山， 2 0 0 1 3 1 2 ～ 1 4 收 稿 日期 2 0 0 1 一 l O O 5 1 5 维普资讯