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6 4 中国矿 山工 程 Chi n a M i n e Eng i n e e r i n g 2 0 1 6年 1 2月 第 4 5卷第 6期 超大规模深井开采若干技术解决方案探讨 Di s c u s s i o n o f s o me t e c h n o l o g y s o l u t i o n s f o r s u p e r s c a l e a n d d e e p mi n i n g 刘 育明 中 国 恩 菲 工 程 技 术 有 限 公 司， 北 京1 0 0 0 3 8 摘 要 介绍 了我 国超大规模深 井矿 山的类型 ， 提 出 了我 国超 大规模 深井矿 山 由于采 用充填 法开采 所具有 的一些技 术难题 。 较 为具体 地介 绍 了超 大规模 深井矿山矿石提 升运输 系统的确定原则 ， 对采矿 方法的结构参数 、 充填技 术和装备进行 了探 讨。 关键词 超大规模 ； 深 井开采 ； 提 升运输 ； 采矿 方法；充填 Ab s t r ac t Thi s p a p e r b r i e fly i nt r o d uc e s t he t y pe s o f s u pe r s c a l e a n d d e e p mi n e s，a n d pr o po s e s t h e t e c hn o l o g y c h a l l e n g e s o f mi ni n g ba s e d o n b a c k f i l l i ng ．I t a l s o h i g hl i g ht s t h e de c i s i v e p r i n c i pl e s o f o r e ho i s t i n g a n d c o n v e y i n g s c e na r i o s ． Th e mi ni ng me t h o d a n d ma i n s t o p e pa r a me t e r s a r e r e v i e we d，a nd t h e b a c k fil l i ng t e c h no l o g y a n d e q u i p me nt a r e d i s c us s e d． Ke y wo r ds s u p e r s c a l e；de e p mi n i n g；ho i s t i n g a nd c o n v e y i n g；mi n i n g me t h o d；ba c kf i l l i n g 1 超 大规模深井矿 山的分类 随着 我 国地 质 找矿 取 得卓 著 的成 效 ， 一 批 超 大 规模 矿 山已经 到 了开发利 用 的前期 阶段 或 建设 阶段 ， 这些 矿 山生产规模都在 1 0 0 0万 ～ 3 5 0 0万 t ／ a ， 如思 山岭铁矿 、 西鞍 山铁 矿 、 济宁铁 矿 ， 岔路 口多金 属矿 、 沙坪 沟 钼矿 、 司 家 营铁矿 田兴 矿 区、 马城 铁 矿 、 大 台沟 铁 矿 等 ， 合 计设 计 产能 达 2亿 t ／ a ， 一 些矿 山首采 深度 达 1 2 0 0～1 6 0 0 in 。 国家 安 全 生产 监 督 管理 总 局 于 2 0 1 3年 8月 组 织 开 展了“ 超大规模超深井金 属矿山开采安全关键技术” 研 究项 目， 并从安全生产的角度提出了“ 超 大规模 超深井 矿 山” 的概念 ， 其涵 义是 “ 根据 我 国金属 矿 山的 开采 现 状 和 技术装 备水 平 ， 从 安 全 生产 角 度 界 定 超大 规模 超 深 井 金 属矿 山为年 产矿 石 量超 过 1 0 0 0万 t 或 开 采深 度 超 过 1 2 0 0 m 的金 属地下 矿 山 ” 。这也 进 一 步说 明我 国金 属 矿 山从 以前 的浅部 开采 真正到 了深 井开 采 的时代 。 为说 明问题 ， 本 文所 说 的 “ 深井 矿 山” 重 点 指 开采 深 度 达到 或超 过 1 2 0 0 m 的矿 山。 中 国工 程 院于润 沧 院士对超 大规 模 深井矿 山 归纳 出 3种类型 第一类为深埋矿床超大规模矿 山， 如思 山岭铁 矿 、 济宁铁矿、 大台沟铁矿； 第二类 为从浅入深的超大规 模深井矿山， 如瑞典基律纳铁矿 、 岔路 口钼多金属矿 ； 第 三类 为 露 天 转 地 采 的 超 大 规 模 深 井 矿 山 ， 如 印 尼 的 G r a s b e r g矿、 南非的 P a l a b o r a矿 、 智 利的 C h u q u i c a m a t a矿 丘 基卡 马 塔 矿 ， 这 几 个 矿 上 部 均 是 很 深 的 露 天 采 坑 如 丘基 卡 马塔 矿 采坑 深 1 1 0 0 m ， 转 坑 内是 采 用 自然 崩 落法 开采 ， 转入 坑 内开 采 深度 就 很 大 。但 在 我 国 尚未 出 第6 期 刘育明 超大规模深井开采若干技术解决方案探讨 6 5 现这样 的矿 山 ， 未来 一些 特大 型 的 露 天矿 转 地 下 开 采时 可能 属于此 类 。 目前 我 国超 大规模 深 井 矿 山有 如 下几 种 情 况 ①既 超大 规模 又是 深 井 的 矿 山 。此类 矿 山有 思 山 岭铁 矿 、 济宁铁 矿 、 大 台 沟铁 矿 、 岔 路 口钼 多金 属 矿 等 ； ② 超 大规模 ， 但 开采深 度不够 深井 的矿 山。此类 矿 山有 西鞍 山铁矿 、 沙 坪沟钼 矿 、 司家营 田兴 矿 区 、 马城铁矿等； ③规模不够超大 ， 但属于深井 的矿山。 此类矿山有 山东 的瑞海 金矿 、 三 山岛金矿西岭矿 区 、 冬瓜 山铜矿 深 部 、 会 泽铅 锌 矿 深部 、 红 透 山铜 矿 深部 等 。 由于环保 的要求 ， 我 国 的这 些 超大 规模 或 深 井 矿 山均须采 用充 填 法 开 采 ， 因此是 充 填 采 矿 法 的 超 大规 模 或 深井 矿 山。 国际上有 很 多超大 规模 一些 还 是 深井 矿 山 ， 如 澳大 利亚 E a s t C a d i a 铜 矿 、 瑞 典 K i r u n a铁矿 、 智利 的 E 1 T e n i e n t e 矿 、 南非 的 P a l a b o r a矿 ， 以及正 在建设 的印 尼 G r a s b e r g矿 、 智 利 C h u q u i c a m a t a矿 丘 基 卡 马塔矿 、 蒙 古 O y u T o g l o i 矿 等 ， 但 这 些 矿 主 要 是采 用 自然 崩落 法或 无底 柱 崩 落 法 开采 的矿 山 ， 而 不 是 充填法 矿 山 。采 用充填 法开 采 的矿 山主要有 澳大 利 亚 M o u n t I s a矿， 是一个大规模充填法矿山 ， 但单个 矿体 矿石生 产规 模不是 特别 大 ， 还 有一 个是 O l y mp i c D a m矿。国外的技术和经验虽可借鉴 ， 但无法应用 在我 国超大 规模 矿 山。 国际 上 其他 的充 填 法 很 多 ， 包括深 井 充填 法 矿 山 ， 但 规 模 均 是 在 3 0 0万 t ／ a以 下 ， 如加拿大 的 L a R o n d e矿、 K i d d C r i c k矿等 ， 开采 深度 达 2 0 0 0～ 3 0 0 0 m。 2 超大规模深井开采 的技术难题 我 国 目前这 些拟 建和 在建 的超大 规模 矿 山主要 采用地 下充 填法 开采 ， 这是 由我 国人 口多 、 土地 资源 少 、 环 境保 护越 来 越严 格 等 特 点所 决 定 的。不 允 许 采用露天开采 ， 不允许地表塌陷， 征地非常困难等条 件 ， 迫使矿山必须采用充填法开采， 使尾矿大量 回填 于井 下 ， 地 表不 能破 坏 ， 不 允许建 尾矿 库或 只允许 建 小 型尾矿 库 ， 不 占或少 占土地 。 这些 超大规 模矿 山 ， 矿体厚 度达 5 0 0～ 6 0 0 m， 一 般至 少有 2 0 0多 米 厚 。生 产 规模 特 别 大 ， 因而 生 产 过于集中。很多矿山埋藏较深 ， 存在较高的地应力， 在 1 4 0 0～1 5 0 0 m 深时 ， 原 岩应 力达 到 5 0 MP a 。一些 矿山上部还存在富含水层。由于规模超 大， 开采集 中 ， 必须 系统 地 划 分 采 场 、 盘 区 、 采 区 中段 ， 实 现 多 盘 区 、 多采 区 中段 同 时作 业 。超 大规 模 大 面积 开 采过 程 中 ， 应力 在不 断发生 变化 ， 由已采采场 向周 边 转移 ， 因而 未采 采 场 和 预 留矿 柱 有 可能 在 高 集 中 应 力下 破坏 ， 直 接影 响开 采 的 安全 。对 上 部 存 在 富 含 水层 的矿 山 ， 一 旦下 部 的岩体 受到破 坏 ， 裂 隙贯 通 到富 含水层 ， 则 大量 的水将 涌入 井下 ， 造 成淹 井 的可 能 。同样 ， 超 大 规模 大面积 、 多 采 区 、 多盘 区 、 多采 场 集 中开采 的通风 ， 容易 造成通 风 短路 ， 有 毒有 害气 体 无法有序排出 ， 直接给生产安全带来威胁。 与空场法 和崩落法相 比， 充填采矿法能利用尾 砂和废石充填采空区， 有效控制地表沉降 ， 保护第 四 系含 水层 和地层 不被 破坏 ， 减少 尾矿地 表堆 存 ， 从 而 实现 保护 生态 环境 ， 避免 地表 建 构 筑 物 受 开采 危 害 。但超 大规模 充 填 法 开采 也 带 来 自身 的 问题 ， 与 自然崩落法和无底柱分段崩落法相 比， 其开采工艺 复杂 ， 生产效率相对较低 ， 地压管理难度大。 在充 填 工 艺方 面 ， 国 内和 国际 上 均没 有 能够 满 足年 千万 吨级 以上产 能 的充填 系统 。对超 大规模 开 采 ， 如不 能实 现超大 规模 连续 充填 ， 其开采 布置 与大 面积 采 空区充 填强 度 均 会 受 到严 重 影 响 ， 矿 山产 能 必然 受 到严重 制约 。 综 上所 述 ， 我 国超 大规 模 深井 矿 山 的技 术难 题 主要 由超大 规 模 超厚 、 深 井 、 充 填 法 开采 这 三 大 基本 因素构成 ， 其他 因素主要 有富含水层 如 司家 营 田兴 矿 、 马城 铁 矿 、 复 杂 的 工 程 技 术 条件 包 括 断层 等 。也 就 是 3N叠 加模 式 或 2N叠 加 模 式 ， 并 由此为 保证 安 全 、 高 效 、 低 成本 开采 而 产生 一 系列技术难题 ， 包 括 ①采 矿方法工艺及 回采顺序 包 括 高 应 力 底 柱 、 问柱 的 回采 ， 采 场 的 组 织 等 ； ②提升运输系统 深井大载重 ； ③有效的通风和降 温 方式 及系 统 ； ④ 充填 工 艺 超 大 规 模 充 填 料 制 备 系统 、 如何减 少管 道 磨损 ， 钻 孔 的最 佳 深 度 ， 如何 减 压或泄压， 采场的充填工艺等 ； ⑤岩爆 的监测和预 防； ⑥高应力条件下井巷的支护和加固； ⑦采矿 自动 化等。 上述的每一个方面都有很多要解决的难题。下 面主要 就提 升运 输系统 、 采 矿方 法 、 充填 等 三个方 面 进 行探 讨 。 3 提升运输系统 对 超 大规 模 和 深井 矿 山 来说 ， 矿 石 的提 升 运输 系统是 开拓 系统 方案确 定 的核心 问题 。 对于 超 大规 模 矿 山 ， 矿石 的提升 系 统一 般 在 竖 6 6 中国矿 山工程 2 O l 6 年 第4 5 卷 井 提 升和胶 带输 送 这 两种 大方 案 中选 择 ， 或 者是 两 种方式的结合 。这需要在可行性研究工作 中进行详 细的 技 术 经 济 比 较 。影 响 方 案 选 择 的 主 要 因 素 如 下 。 1 地形 条件 、 工程 地 质 和 水文 地 质 条件 、 矿 体 赋 存条 件等 。 2 上部有较大 含水 层或复杂的第 四纪地层 ， 一 般要投人较大的堵水 注浆工作 ， 或者要采用 冻结 法 施 工 ， 因此 竖井 开拓 可 以较好 地穿 过含水 层 ， 如 司 家营 矿 田兴 矿 区 竖井 冻 结法施 工 。 3 矿床埋藏越深 ， 竖井方案的优势越强。 4 生产 规模 越大 ， 开 采 深 度较 浅 ， 则 胶 带方 案 的优势 越大 。 5 既大又深 ， 则竖井和胶带在经济上 的优势 可能 均等 ， 应 考 虑 更 多 的 因 素 ， 进 行 更 充 分 的 方 案 比较 。 随着开采深度 的增加 ， 生产规模 的增 大 ， 特 别是 目 前 出现的开采深度达 1 5 0 0 m、 规模达到 1 5 0 0万 t ／ a的 特大 型深井 矿 山 ， 给 竖井 提升也 带来 了很 大 的挑战 ①竖井深度大 达到 1 5 0 0 m ， 给施工带来 的困难。 目前 国 内已施 工 的竖 井 除 个 别井 的井 深 达 到 1 5 0 0 余 米 外 ， 基 本上 都 在 1 2 0 0 m 左 右或 以 内 ； ② 给提 升 机 选 型带来 了难 度 。根 据 计 算 ， 提 升 机 的 电机 功 率 将 达 到 1 0 0 0 0 k W 或 以上 ， 国际上 采用 如此 大 的提升 机还没有太多 的先例 ， 蒙古 O T矿设计最大 的提升 系统功率为 9 9 0 0 k W； ③给提升钢丝绳选择 和更换 带来了难度 。必须选择高强度 的钢丝绳 ， 同时钢绳 直径 还需加 大 ， 因而要 更 多地依 赖 国外 厂家 的产 品 ， 并且钢丝绳 的寿命较短 ， 造成生产成本加大。 与竖 井 提 升相 比 ， 斜 井 胶带 提 升具 有连 续 输送 的特 点 ， 生 产能 力大 ， 自动化程 度 高 ， 工 艺简单 ， 作业 人员少 ； 地表无高层井塔等构筑物 ， 土建工程简单 ； 胶带斜井延深比竖井延深简单容易， 施工安全 、 速度 快 ； 胶带斜井可 以作为一个方便 的安全出口等优点。 缺点是在胶带段数较多时， 当一条胶带出现故障时， 可能 影 响整个 系统 ， 从而 影 响系统 的生产 能 力 ； 工 程 量大 、 施工 周期 长 ； 容 易 遇 到 不 良岩 层 或 断层 ； 不适 合在富含水层中穿过。 目前 胶 带 已 发 展 到 带 宽 3 2 0 0 ra m，带 强 S T 1 0 0 0 0 。世 界 上 目前 使 用 带 强 最 大 的 胶 带 是 S T 7 8 0 0 ， 在 智 利 的 L o s P e l a m b r e s铜 矿 ， 该 矿 是 下 向 运输 系统 ， 采 用 3段 胶带 ， 其 中 2段 为 S T 7 8 0 0 ， 1段 为 S T 4 0 0 0 ， 将矿 石从 山顶 运到 海岸 ， 高差 1 3 1 0 m。 胶带 运 输适 应 于 大规 模 矿 山 ， 规 模越 大 越 能 发 挥胶带运输生产成本低的优势。斜井胶带运输在国 内外 的地下 矿 和露 天矿 应 用 较 多 ， 国 内矿 山 如铜 矿 峪 铜矿 、 德兴 铜 矿 露 天矿 、 金川 I 二 矿 区 、 大 红 山铁 矿 、 石 人 沟 铁 矿 等 。 国 外 矿 山如 美 国亨 德 森 钼 矿 地下 矿 、 澳 大利 亚 的 C a d i a E a s t 矿 和 N o r t h p a r k e s 矿 E 2 6矿 床 地 下矿 、 瑞典 的 A i t i k矿 露 天矿 等 。 下 面介 绍 国外 两个 典 型 的例子 ， 一是 智 利 的 丘 基卡马塔矿 ， 另一个是蒙古奥尤 陶勒盖地下 矿 即 O T矿 。 智利 的丘基 卡 马塔矿 是一 个正 在建设 的露 天转 地下矿山， 采用 自然崩 落法开采 ， 设 计生产规模 为 1 4万 t ／ d ， 计 划 于 2 0 1 9年 投 产 。共 分 4个 中 段 开 采 ， 每个 中段段高在 2 2 0 m左右 ， 开采的第一个 中段 的 出矿水平 距地 表 1 3 0 0多 米 。采 用斜 坡 道 和胶 带 斜 井 开拓 。其 中 主胶 带 长 6 ． 4 k m， 坡 度 为 1 5 ％ ， 提 升 9 5 0 m， 带 宽 7 2时 1 8 2 9 m m ， 带强 为 S T 1 0 0 0 0 。 蒙古奥 尤 陶勒盖 地下 矿 即 O T矿 第一 中段 采 矿设 计 的生 产 水 平 位 于 地 面 以下 1 3 0 0 m， 服 务 2 O 年 ， 产 量最 大 为 9万 t ／ d ， 采 用 竖 井 开 拓 。溜 井 转 运 矿石 至 卡 车 运 输 水 平 ， 经 卡 车 运 输 至 破 碎 站 ， 2台 6 0 ” 8 9 旋 回破 碎 机 将 矿 石 破 碎 后 ， 经 胶 带 斜 井 送 到两个 主 井 之 一 ， 然 后 提 升 到 地 表 送 到选 矿 矿 堆 。 共 有 5条 竖 井 ， 其 中 1号 井 为 主 井 ， 西 6 ． 7 m， 井 深 1 3 8 5 m， 也 作 为 服 务 井 和进 风 井 ； 2号 井 ， b l 0 m， 一 个罐 笼提 升人 员材 料 ， 2个 6 0 t 箕 斗提 升 2 8 0 0 0 t ／ d 矿石 产量 ， 也作 进风 井 ， 该 井井 塔是 该矿 最大 的一 个 井塔 ， 是 由 中国 恩 菲设 计 的 ； 3号 井 ， 1 1 n l ， 4个 6 3 t 箕斗 ， 提 升 6 2 0 0 0 t ／ d矿 石 ， 也 作 为 进 风 井 ； 4号井 ， 西 1 1 IT I ， 作为 回风 井 ； 5号 井 ， 4 , 6 ． 7 m， 作 为 回风井 。 国 内 目前 设 计 和建 设 的超 大 规模 矿 山 中 ， 竖 井 提升 和胶 带提 升 的均有 。竖井 提 升 的矿 山有 思 山岭 铁矿 、 沙坪沟钼矿 、 司家营铁矿 田兴矿 区、 马城铁矿 等 ， 国 内 目前 建成 在运 行 的深 井 大规 模 矿 石 提 升 井 有冬 瓜 山铜矿 的 主井 、 金 川二 矿 区的 2 4行 主 井 、 程 潮铁 矿 主井 ， 其 井 深 均 在 1 1 0 0多 米 ， 提 升 能 力 在 4 0 0万 t ／ a 左 右 。设 计 采 用 胶 带 斜井 提升 的矿 山有 济 宁铁 矿 、 岔 路 口钼 多 金 属 、 西 鞍 山铁 矿 等 ， 国 内 目 前建成在运行 的大规模胶带斜井提升的典型矿山是 铜 矿峪 铜矿 ， 该矿 采用 胶带输 送 机 一段 提 升 ， 提升高 度达 4 0 0 m、 斜井长 3 2 0 0余米 ， 提升能力达 7 0 0万 t ／ a 。 规 模 不够 超 大 的深 井 矿 山 ， 矿 石提 升 将 主要 以 竖 井为 主 ， 对 于 超 过 1 5 0 0 m 的井 筒 ， 未 来 重 点 是 采 第6 期 刘 育明 超大规模深井开采若干技术解决方案探讨 6 7 用 双 滚筒布 莱尔 提 升机 提 升 ， 而 不 是 多绳 摩 擦 提 升 机提 升 。 4 采矿方法及结构参数 目前我 国拟 建 和 在 建 的超 大 规 模 矿 山有 近 1 0 个 ， 由于都是使用充填法， 因此都选择了大直径深孔 空 场 嗣后充 填采 矿 法 。这 是 一种 高效 的采 矿 方法 ， 已在我 国使 用 2 0多 年 ， 在 许 多 大 型矿 山使 用 ， 如 安 庆 铜 矿 、 冬瓜 山铜 矿 、 李 楼铁 矿 、 草 楼铁 矿 等 。在 这 些矿山中， 除冬瓜山矿外 ， 其 他矿 山矿体均 为急倾 斜 ， 厚 度在 几十米 到 1 0 0多米 ， 属于 易采 的范 畴 。冬 瓜 山铜矿的矿体形状像龟背状， 但矿体垂直厚度较 小 ， 为几 十米 ， 只需 一个 中段 采完 。如前 所 述 ， 我 国 这 些超 大规模 矿 山 ， 平 面上一 般厚 2 0 0多米 ， 一 些 矿 山达 5 0 0～ 6 0 0 m， 甚至更大， 矿体延深大， 且 由于设 计 的生 产规模 大 1 0 0 0万 t ／ a以上 ， 开 采 集 中 ， 因 此必须系统地划分采场 、 盘区 、 采区 中段 ， 实现多 盘 区 、 多 采 区 中段 同 时 作 业 。 大 面 积 开 采 过 程 中 ， 应力 不 断发生变 化 ， 由 已采 采场 向周边 转移 。一 个 采 区内 ， 开采时 由下 向上进 行 ， 即采完 一个 中段后 要 往上 采第 二个 中段 ， 在 这种 大面积 的状 态下 ， 矿体 必然会产生沉降， 对第二 中段 、 第三 中段 、 交接中段 即上下采区交接的矿柱 等的影响如何 ， 这需要进 行 大量 的岩石 力学 数值模 拟计 算工作 。 采场的结构尺寸是重要的参数。传统的空场嗣 后 充填法 采场 是较 小 的采场 宽 度 、 较 大 的 采 场 长度 和 采场 高度 ， 也就是 三个 方 向上有两 个长 的方 向 ， 如 安 庆铜 矿 ， 采 场 长 宽 高 为 5 0～6 0 m 1 5 m 1 2 0 m， 草 楼 铁 矿 为 1 0 0 m 1 8 m 1 2 0 m。 考 虑 这 些 参 数时往 往更 多是 只 考 虑顶 板 的稳 定性 ， 忽 视 了侧 面的稳定性 ， 在第二步骤 回采时两面是充填体 ， 在如 此 大的暴 露面 积的情 况下 ， 要 么增加 充填体 的 强度 ， 要么充填体随时就有可能垮下来 ， 采场充填体垮下 来 的情况 时常 发生 ， 给安全 带来 了很 大 的威 胁 ， 同样 造成 大量 的矿石 损失 。增加 充填 体 的强度 实际 上要 增加 水泥 或 固结 粉 的添加量 ， 因而增 大生产 成本 。 国际上还有 另一 种采场 布 置方式 就是 底面 积 同 等尺寸 ， 采场高度很大的方式 ， 典型的矿山是澳大利 亚 的 M o u n t I s a矿 。该 矿 铜 矿 体 从 南 到 北 长 近 3 O 0 0 m， 东西最大宽约 5 0 0 , n ， 矿体高度从 3 0 m到最 大超 过 2 5 0 m。 采 矿 方 法 为 分 段 空 场 法 嗣 后 充 填 ， 参数为水平 4 0 m x 4 0 m， 高为矿体高度 ， 最大达 2 5 0 m。采矿顺序是从北向南进行 ， 采用膏体充填。 下 面对两 种典 型 的采 场结 构采 用水 力半径 来对 比它们 的稳定 性 ， 水 力半 径越 大 ， 稳 定性就 越差 。水 力半 径是 指一 个暴 露 区域 的面积除 以它 的周长 。 方案～ 为 采场长 8 0 m、 宽 2 0 m、 高 6 0 m。方案 二 为 采 场 长 4 0 m、 宽 4 0 m、 高 6 0 m。两 个 方 案 采 场 形状 见 图 1 。两 个 方 案 采 场 的 底 面 积 相 同 ， 均 为 1 6 0 0 m ， 高也相同， 即采 出的矿量一样多。 图 1 两 个 方 案 采 场 形 状 示 意 图 方案 ～ 顶 板 的 水 力 半 径 H R ． 8 02 0 ／ 2 8 02 0 8 m； 侧 面的水 力半径 HR ， 8 0 6 0 ／ 2 8 06 0 1 7 ． 1 m。方 案 二 顶 板 的水 力半径 H R． 4 0 4 0 ／ 2 4 04 0 1 0 m； 侧 面的水力半径 HR 4 0 6 0 ／ 2 4 06 0 1 2m 。 从上 面的计算值可看出， 方案一中顶板水力半 径 比方案 二 的略小 8 m对 1 0 m ， 更 稳定 一 些 ， 但 侧 面 的水力 半径 比方 案 二 的大 很 多 1 7 ． 1 m对 1 2 m ， 说 明侧面 结构 的稳 定 性 要差 很 多 ， 因而 充 填体 的强 度需要 高很 多 。 上述说 明结 构 的改变 会带来 采 场稳定性 和充 填 体要求 的变化 ， 通 过改 变 采 场 的 尺寸 结 构 可 以使 采 场的综合稳定性达到最佳状态 ， 从而使采 场稳定性 更好 ， 或在 相 同稳 定 性 条 件 下 采 矿 生 产 成 本 最 低 。 目前 中 国恩菲设 计 的部分 超大 规模 矿 山拟 采用方 案 二 的采 场结 构参 数 。 超 大 规 模 的 矿 山 ， 特 别 是 厚 度 特 别 大 达 到 2 0 0 m或 以上 的矿 山， 其开 采 的复杂程 度会非 常 大 ， 需要 从 主 应 力 的方 向 和应 力 的 转 移 、 采 场 的 稳 定 、 系统的完备 、 生产的组织 、 成本 的控制 等诸多方 面综合 考虑 采矿 方法 和结 构参数 及 系统 的布置 。 国际上 其他 一些 矿山 的采 场参数 如下 。 O l y mp i c D a m 矿 。最 大 应 力 是 水 平 应 力 ， 大 约 是 2 ． 5倍 的垂直应力 ， 采矿方法 为分段空场法 嗣 后充填 ， 参数是沿走向 3 5 m， 垂直矿体长为 6 0 m， 分 段 高 度 3 0 ～6 0 m， 采 用 骨 料 胶 结 充 填 C e m e n t a g g r e g a t e s 。 6 8 中国矿 山工 程 2 0 1 6 年 第 4 5卷 加拿大 Wi l l i a ms 矿 。年产量 2 4 0万 t ， 其中地下 为 2 0 0万 t ， 矿体倾角 6 0 。～ 7 0 。 ， 厚度 3～ 4 5 m， 地应 力 为 各 向同性 ， 矿 岩 稳 固 。采 矿方 法 为 分 段 空 场法 嗣后 充填 ， 分 一 、 二 步 骤 回采 。采 场 参 数 为采 场 宽 2 0 m， 高 2 5 m， 长 为矿体厚度。采矿顺序 在垂直 上形 成一个 三 角形状 ， 然后 沿三 角 的坡 向底部 推进 。 充填 第一步骤为胶结块石充填 ， 第二步骤为干式充 填 ， 地 表破 碎块 石 。 加拿 大 L a R o n d e 。矿产 量 7 2 0 0 t ／ d ， 是 以金为 主 的多金 属矿 ， 现 已采 到 2 2 0 0～ 2 4 5 0 m。采用 垂 直走 向或 沿走 向的 深孔空 场 法 嗣后 充 填 。参 数 采场 宽 1 3 ． 6～1 6 ． 5 m， 长 3 0 m， 高 3 0 m。采 矿顺 序 为 金字 塔式采矿顺序 第 一和第二 步骤 。充填 膏体充 填 ， 胶 结块 石 充 填 第 一 步骤 ； 不 加 水 泥 的块 石 充 填 第 二步 骤 。 从 国 外 的 经 验 和 国 内矿 山 的实 际可 得 出如 下 启 示 。 1 不同的矿山 ， 矿体 的赋存条 件、 矿岩条件 、 所处的应力条件 、 断层和结构面条件等不一样 ， 差别 很大 ， 在确 定采 矿方 法 及 参 数 时要 充 分 考 虑 这 些条 件 ， 同时还 要考 虑充 填体 的质量 。 2 开采 顺序 主 要 受 高地 应 力 条 件 影 响 ， 总 的 顺序是从矿体的中央部位向边界推进。这逐步将诱 导应 力 推 向拱 脚 ， 也 避 免 了 在 所 留矿 柱 中 的 应 力 集 中。 3 工程尽量布置在矿体外 至少 2 0 m以外 ， 以 避免 受集 中应 力 影 响 。对 于保 护 竖 井 ， 应 有 较 大 的 安全 距离 。 4 大量的岩石力学数值模拟工作是必须 的。 5 空 场嗣后 充 填采 矿 法 正在 从 大 规模 多 中段 采场向小的 、 快速采完的单中段发展 ， 更小的采场减 少了岩体不稳固带来的风险， 矿柱应尽早 回采。 5 冗 填 国内在运 行 的大规 模充 填法 矿 山主要有 金川 二 矿 区 、 冬 瓜 山铜 矿 、 会宝 岭铁 矿 、 白象 山铁 矿 、 李楼 铁 矿 、 草楼铁矿等。单个矿区生产规模在 3 0 0～ 5 0 0万 t ／ a 其 中李楼是 由两个矿区组成 ， 除金J r f 二矿区是采 用下 向进路式胶结充填采矿法和采用戈壁集料作为 充填 料外 ， 其余 的矿 山均 是 采 用 空 场 嗣后 充 填 采 矿 法 开采 、 采用 尾砂 作为 充填 物料 。 多 年来 中 国恩菲在 充填 技术 方面做 了大量 开创 性的工作 。开发了具有 自主知识产权的全尾砂高效 浓缩装置 ， 先后设计建成 了金川二矿区、 铜绿山铜铁 矿 、 会泽铅 锌 矿 、 羊 拉 铜 矿 、 谦 比西 西 矿体 等 矿 山的 膏体充填系统 ， 设计建成 了多个全尾砂 高浓度充填 站 ， 包括冬 瓜 山铜矿 、 阿舍 勒铜 矿 、 紫金崇 礼 金矿 、 铜 山 口铜矿 、 铜绿山铜矿 、 萨热克铜矿、 香炉山钨矿 、 会 宝岭铁矿 、 白象山铁矿等一大批矿山的高浓度充填 站 。其 中冬瓜 山铜矿 是 国 内第 一个 千米 深井 大规 模 矿 山 ， 采 深接 近 1 0 0 0 m， 采 用 6套 全尾 砂 立 式 高 效 浓缩 装置 和 6套充 填 系 统 ， 从 高效 浓 缩 装 置 放 出 的 尾砂重量浓度最高可达 7 8 ％， 为保证充填管道输送 的顺畅 ， 矿山一般将充填浓度控制在 7 3 ％左右 ， 这 足 以说 明 中 国 恩 菲 开 发 的 尾 砂 浓 缩 装 置 的 良 好 效果 。 在 充填 料 浆 的浓 度 方 面 ， 为 了满 足 高 效空 场 嗣 后充填法的要求 ， 应做到充填料充到采场后不脱水 ， 但又要使充填料浆在采场能 自流 ， 且做到在管道输 送 时能靠 重力 自流输 送 ， 因此 料 浆 浓 度应 保 证 在 不 用泵送而能 自流的膏体或临界膏体状态 。 对于超大规模充填法矿山， 充填工作重点要解 决尾矿浓缩 、 制备和输送问题。 目前的充填 系统虽 然也可用于超大规模矿山 ， 但 由于系统能力小 ， 使得 充填 系统 套数 多 、 占地 面积 大 、 作 业 人 员 多 、 管 理 复 杂 ， 也使得井下 的充填管路多 ， 影 响井下 系统的布 置 ， 乃至影 响 矿 山 的生 产 能 力 。因 此 需要 采 用 大 型 的浓缩装置 ， 使其一套能代替常规 的 3～4套 ， 并要 达 到 较 高 的料 浆 浓 度 。大 型 深 锥 浓 密 机 如 直 径 3 0 m 是 当前 的一个 较好 的选 择 ， 目前 中 国恩 菲也 正 在开 发超 大型 的尾 矿浓 缩装 置 。 长 期 以来 ， 单 独 一套 充 填 系 统 的充 填 能力 是 在 6 0～ 8 0 m ／ h ， 对 于 规 模 大 的矿 山 ， 此 系统 能 力 显 然 偏小 ， 这 直接 影 响采 场 的充填 时 间和采 场循 环 时间 ， 从 而影 响采场 以至整个 矿 山的生 产能 力 。为此 中 国 恩菲开发了大型搅拌槽 ， 使单套充填系统的能力提 高 到 了 1 5 0～1 8 0 m ／ h ， 最 高 可 达 到 2 0 0 m ／ h ， 并 应 用 于金 川二矿 区 ， 为 超 大 规模 矿 山充 填 解 决 了制 备 流 程 中的一个 重要 难题 。 对 深 井开 采 ， 充 填 管道 的减 压 和减 少 垂 直管 道 磨损 是 两个 大 问题 。确 保满 管输 送是 减少 垂直 管道 磨损的重要手段 。在减压方面有开 口卸压 、 增 阻降 压 等多 种方式 ， 中 国恩 菲 采用 模 拟 仿 真 的 方法 对 此 做 了大 量 的研究 工作 。 6 结语 1 我 国 超 大 规 模 深 井 矿 山主 要 由超 大 规 模 第6 期 刘育 明 超大规模深井开采若干技术解决方案探讨 - 6 9 超厚 、 深 井 、 充 填法开 采 这 三大 基 本 因素 构 成 ， 其 他 因素包 括 富 含 水 层 、 复 杂 的工 程 技 术 条 件 包 括 断层 等。也就是 3N叠加模式或 2N叠加模式 产生 了一 系列 开采技 术难题 。 2 对 于超 大规 模 深 井 矿 山 ， 竖 井 提 升 和 胶 带 斜 井 提升是 开 拓方 案 选择 需 要 比选 的方 案 ， 国 际上 竖井 提升 机 电机功率 已达 到 1 0 0 0 0 k W 以上 ， 胶 带输 送机 的带 强 已 达 S T 1 0 0 0 0 ， 为 超 大 规 模 深 井 矿 山 的 矿 石提升 创造 了条件 。 3 采 场结 构参 数 、 盘 区结 构 、 采矿 顺 序 包 括 上下顺序和平面上的顺序 都应该根据地质构 造情 况 、 矿岩 工程地 质 和水文 地质条 件 、 矿 体 的赋存 条件 等 综合 考虑 ， 开采 越 深 ， 结 构参 数 应 越 小 ， 有 利 于减 小 采场 的应 力集 中 ， 减 少岩爆 发生 的可能 。 4 充填工作重点要解决大能力和大流量尾矿 浓 缩及制 备 的技术 和装 备 ， 开 发 和使 用 超 大 型 的尾 矿浓缩装置 、 大能力 的搅拌槽是确保超大规模开采 的重要保障措施。 [ 参考 文献 ] [ 1 ] 于润 沧． 采矿工程师手册 上 下 [ M] ． 北京 冶金 工 业 出 版社 ， 2 0 0 9． [ 2 ] 李 冬清 ， 王李 管 ， 等． 深 井 硬岩 大规 模 开采 理论 与 技 术冬 瓜山铜矿床 开采 研 究与 实践 [ M] ． 北 京 冶 金工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] P P a r e d e s ，D G a j a r d o ，T L e a n o ，S P e n a l o z a a n d C Tr a mo n． Si mpl i f y i ng t he o r e h a nd l i n g s y s t e m t h r o u g h t h e u s e o f c u r r e n t t e