金属矿山深部开采若干问题及思考.pdf

第 3 3卷第 5期 2 0 1 7年 1 O月 有 色 矿 冶 NoN FERROUS M I NI NG AND M ETALLURGY V o 1 ． 3 3． № 5 Oc t o b e r 2 0 1 7 文章编号 l O 0 7 9 6 7 X 2 0 1 7 o 5 1 1 0 4 金属矿 山深部开采若干 问题 及思考 孟繁 华 ， 石 长岩。 1 ． 中国有色集 团抚顺 红透山矿业 有限公 司 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 3 2 1 ； 2 ． 中国有色集团沈阳矿业 投资有 限公 司， 辽 宁 沈阳 1 1 0 0 1 4 摘要 随着金属矿产资源 的大规模 开采 ， 我 国的浅部 可开采资源量逐渐减少 ， 深部 资源开采成 为 必然趋 势。如何处理深井开采所 带来 的危害 已是刻不 容缓课 题 ， 本 文综 述深井 开采所 面 临的若 干安全问题 ， 结合实例加 以分析 ， 进而提出解决 问题 的思路和见解 。 关键词 金 属矿 山 ； 深 部开采 ； 安全 ；红透山 中图分类 号 T D 8 6 2 文献标识码 A 随着对矿产资源需求量的增加和浅部资源的不 断消耗 ， 国内外越来越多的金属矿 山进入深部 甚至 超深 的开采状态 。据资料介绍 ， 国外开采深度超过 1 0 0 0 m 的金 属矿山有 8 0余 座， 其 中南非最 多 个 别矿 山深 度 达 4 0 0 0 m 。 目前 ， 国 内很 多 地下 矿 山 也 己进入 深部 开 采或 即将 进入 深部 开 采 阶段 。红透 山铜锌矿采矿突破 1 2 0 0 m， 开拓深度近 1 7 0 0 m， 铜陵狮子 山铜矿的开采深度 己到 1 1 0 0 r r l 。随着开 采深度 的不断增加 ，开挖结构愈加庞大复杂 ， 地质 条件特别是岩体应力条件变化显著 ， 地温呈现明显 升高趋势 ， 不得不面临深部地压 、 提升能力 、 作业环 境恶化 、 通风降温和生产成本急剧增加等一系列难 题 。上述问题的存在不仅抑制了生产能力提高和矿 产资源的充分回收 ， 而且制约 了矿 山生产安 全和高 效 运行 。因此 ， 深入 研 讨 金 属 矿 山深 部 开采 相关 技 术问题 ， 对众多井工开采矿 山都是十分必要 的重大 课题 。 1 深部开采 面临的一般共性 问题 1 ． 1 岩 体 力学性 质变 化显 著 随着开采深度 的增加 ， 地应力随之增大 ， 岩石所 处 的应力环境以及 由此导致 的岩体力学性质等都有 较 大变 化 。在 浅部 的硬 岩 ， 在 深 部 可 能 表 现 出 软 岩 的特征 ， 从而引起巷道和围岩的大变形 ； 浅部的原岩 大多处于弹性状态 ， 而深部的原岩处 于“ 潜塑性” 状 态 ， 由各向不等压的原岩应力场引起的压 、 剪应力超 过岩石强度 ， 造成岩石的潜在破坏状态 。 因为 上 述岩 体 力 学 性 质 的变 化 影 响 ， 深 部 开采 开凿工程的支护 ， 除了必须考虑岩石强度性质和岩 体结构外 ， 还必须考虑工程所处应力环境 的特殊影 响 ， 应合理控制岩体的峰后变形 ， 并尽量使巷道围岩 处于三向应力状态 ， 采用“ 先柔后 刚” 的思路更有利 保持和提高岩体整体强度和稳固性 。 1 ． 2地压 显 现突 出 深部 开 采 ， 地 压一 般 会 呈 现 出静 态 型 向动 态 型 的转 变特 征 ， 构 造 应 力 往 往 成 为 主 导 控 制 性 应 力 。 因此 ， 岩体 受地 压影 响而 造成 的破坏 性 ， 往往 由浅 部 “ 平稳静态开裂” 或“ 松脱 冒落” 为 主要形式， 转变为 冲击型地压岩爆这样一种严重破坏形式。岩爆 型地压 活 动性大 小 及其 发 生 机 理 ， 对 深 部 开 采 安全 有 极大 的影 响 。 1 ． 3 地 温持 续升 高 随着开采深度的增加 ， 岩体温度的增加成为必 然。研究 表明 ， 增温率一 般为 3 ℃／ l o o m 左右 ， 按 此推算 ， 数千米的矿井 ， 岩体温度增高带来的热害必 将成为又一个不能 回避 的安全生产难题 ， 也是必须 认真对待 的职业健康问题 。据资料统计 ， 超过适合 人体温度后， 每增加 1 ℃， 其生产效率将降低 7 ～ 1 O 。为 此 ， 采 取 经济有 效 的措施 ， 解决 深井 的通 风 和降温问题 ， 对保证深部地下开采的正常进行具有 重 要 意义 。 1 ． 4 通 风 复杂性 增 加 通风复杂性 ， 不仅仅因为垂直深度增加 、 采矿中 段增加 自然带来的系统 网络复杂性加剧 ， 同时地温 升高带来 的热害环境 ， 将使得通风面临的条件更加 复 杂 ， 解 决 的难度 也就 更大 。 除上述一般性 的深部开采共性问题 ， 对有些采 用水力充填的矿山， 还要面临充填料浆输送 的一系 列难题 ， 如料浆离析沉淀 、 爆管 堵管 问题、 倍线选 择等 。 * 收稿 日期 2 O l 7 0 6 0 5 作者简 介 孟 繁华 ， 男 ， 本科 ， 采 矿工程 师， 主要从事地下矿 山技术管理工作 。 1 2 有 色矿 冶 第 3 3卷 2 典型矿 山实例红 透 山铜锌 矿部 分深部开采特征分 析 红透 山铜锌 矿开 采 近 6 0年 ， 是 国内最 典型 的有 色金属深采矿山， 呈现以下主要深部开采特征 2 ． 1采矿 深度 最大 自4 3 0 m起算 ， 现有生产系统范围内， 开拓深 度 已达 1 3 5 7 m， 开采 深 度 1 2 5 7 m， 为 国 内金 属 矿 山第一深井 。近期新投建的“ 深部开采接续开拓系 统” 已经进入 全面安装阶段 ， 系统进一步延 伸至 一 1 2 2 7 m 开采至一1 1 2 7 m ， 开拓深度将达到 1 6 5 7 m 近 1 7 0 0 m ， 开 采深度 1 5 5 7 m， 继 续领 先 于 国 内 其 他深 井矿 山。 2 ． 2 岩 爆 现象 典型 红 透 山矿岩 质 地 坚 硬 、 结 构 致 密 、 孔 隙率 小 、 含 水 性微 弱 ， 围岩硬 度 系 数 f 一1 2 ～ 1 4 ， 矿石 硬 度 系 数 为 f 一1 O ～1 2 ， 矿岩完整性系数为 0 ． 8 8 ， 岩体总体上 稳 固性 良好 。地 压 型岩爆 显 现 十分典 型 1 岩爆 类 型 呈 现 多 样 性 爆 裂 弹 射 、 片 状 剥落、 岩体崩溃抛掷 。 2 岩爆 频发 重要 影 响 因素 主要 包 括 ① 应 力 场 有重 大影 响 ； ②采 掘扰 动诱 发 相关性 明显 。 3 地压 岩 爆 显现 具有 一定 的周 期性 特 征 。 4 岩爆 类 型具有 深 度分 界性 特征 。 研 究 表 明 ， 红 透 山铜 锌 矿 地 压 活 动分 界 面 在 一 4 6 7 12 3 ． 中段 水 平 左 右 深度 采 深 约 9 0 0 m 。 一 4 6 7 r n以上各 中 段 地 压 显 现 形 式 主 要 是 受 构 造 控 制 的 静态型“ 顶板冒落” ， 也有小规模 的岩壁脆性剪切破 坏型爆裂和弹射型微 岩爆 ； 一5 8 7 m 以下各中段作 业区 ， 主要是应力控制的较大规模 的动态 冲击型爆 裂 或岩 块 弹射 ， 主 要 表 现 为 巷 道剥 皮 、 脱 层 、 岩 体 结 构伴有响声的爆裂甚至大量岩块抛掷等典型的强烈 岩 爆 型特 征 。从空 间 上看 ， 自上而下 、 由浅 至深呈 现 明显 的分 界线 ； 从 岩爆 发生 的 空 间上 看 ， 几乎 伴 随开 采的大部分深度范围。 1 9 9 9年 ， 曾在采矿作业盘 区充填法采场脉外斜 坡 道 范 围 ， 发 生 中等 强度 以上 的较 大规 模岩 爆 ， 在 国 内十分罕见 ， 引起 了国内高校和科研机构 的高度重 视 。企业在科研单位 的协作下 ， 安装 了较先进 的微 震监 测 系统 ， 在生 产 实践 中发 挥越 来越 大 的作用 ， 成 为相 关领 域 的科研 样 本 。 2 ． 3 通风 系统 问题 及技 术突 破 红透 山铜 锌矿 采 用 “ 中 央平 硐 竖 井 ” 人 风 ， 两 翼对 角抽 出式 通风 系 统 。经 过 近 6 O年 的开采 ， 竖井 开拓 系统 多 次延深 ， 通 风 系统存 在诸 多 问题 1 通风系统网络复杂 ， 结构不合理 ； 2 系统路径长风阻大 ， 有效风量率低 ； 3 风 量供 需矛 盾突 出 ； 4 系统受 自然风压 影 响大 ； 5 通 风 系统扩 容能 力低 ； 6 通 风 防尘存 在较 大 困难 。 为提高通风质量 ， 采取了一系列相对应 的技术 措施 ， 如 优化 通风 系 统 网络 、 高 溜井 多 中段卸矿 粉 尘 治理、 冬季主竖井通风预热 与防冻等 ， 效果较 为明 显 。为了更好地优化通风系统 ， 提出了建设分支“ 循 环 风系 统” 的技术 路 线 ， 并 经 过 攻 关 ， 实 现 了重 大 突 破 ， 可控 循 环风 占总 风量 约 2 1 ， 综 合效 益 巨 大 ， 经 专家鉴定 ， 部分技术达到国际领先水平。 2 ． 4地热 问题 尚不 突 出 经 过测 试 ， 井 下 一8 2 7 m 中段 ， 原 岩 温 度稍 高 于 2 9 ℃， 粗 略 测 算 的 岩 体 地 热 增 温 率 较 低 小 于 2 ． 0 9 ／ 6 ， 井 下岩体 增 温热 害问 题显 现得 并不 突 出 ， 属 于 较特 殊 的实 例 。所 面 临 的 高温 问题 ， 主要 有 以下 几 个方 面 的原 因 1 通风 的影 响 边 远 作 业 地 点 ， 难 以 依 靠 整体矿井的通风系统 ， 形成稳定的贯穿风流， 更多依 靠局部强制压风 ， 不能有效排 出高温 、 高湿气体 ， 因 此导致作业场所 的气候条件较差 ， 同时也存在总风 量 不 足的 问题 。 2 矿石氧化放 热的影响矿 石含硫较高 ， 与空气 接触 后 ， 氧化 放热 导致 采场 温度 高 ， 尤其 是 留 矿 法采 场 ， 相对 封 闭 ， 通 风 不 畅 ， 矿 石 在采 场 的停 留 时间长， 氧化反应较强烈， 加剧采场 的温度增高 ， 同 时因防尘的需要， 采场经常要撒水 ， 被蒸发后使采场 的气候 条件 变得 更 恶劣 。 3 其 他 因 素 的 影 响 如 空 气 受 压 缩 而 放 热， 机器散热 ， 人体散热等因素。 实践 表 明 ， 在红 透 山铜锌 矿 ， 只要 系统 风流 可 以 通达的作业 区域， 环境温度基本可以达到规程要求 ， 而不需额外的降温措施 ， 这又体现了一定的特殊性 。 2 ． 5 充填 系统具 有典 型性 除上 述深 采特 征之 外 ， 企 业 建有 “ 尾砂 自流 输 送 充填 ” “ 废 石充 填” 两 套并行 的充填 系统 ， 实 现 了井 下废石 1 0 0 不出坑 充填 。相关工艺方法都具有 典 型性 和参考 价 值 。当然 ， 尾 砂 充 填 系 统 也 同 时 面 临爆 管 堵 管 以及 充填 倍线 选 择 困难 等 问题 。 第 5期 孟繁华 等 金属矿 山深部 开采若 干问题及思考 1 3 2 ． 6 采 矿方 法不 断优 化 几 十年来 ， 为 适 应 矿 脉 形 态 、 产 状 的多 变 性 ， 企 业 的采矿方法也呈 现多样化 深孔采 矿、 充 填法采 矿 、 留矿法采矿、 中深孔采矿等都有应用 ， 为 了更好 地 回收矿体资源 ， 降低工程成本费用， 针对局部矿体 变化较大的矿房采用了两种采矿方法并用的方式进 行采矿， 其效果显著。在采矿工艺的不断优化中， 深 孔采矿早 已停用 ， 留矿法应用深度也一度突破 1 0 0 0 1 3 2 ， 打破 了一般 公认 的极 限应 用深度 7 0 0 ～8 0 0 m 左右 。近些年 ， 由于考虑矿脉的变化和安全生产因 素 ， 留矿法也已停用， 仅保留了充填法采矿和中深孔 采 矿两 种 工艺 方法 。 3 未来 发展 趋势及若干研究重点 3 ． 1 地压 监测 技 术将获 得 更普 遍应 用 2 0世 纪 8 O年 代 ， 微 震 监 测 技 术 就 已在 国外 的 深井金属矿山全面推广应用， 它 的发展已使 矿山微 破裂 的监测 从“ 难 以实现 的奢 望” 转 变 为采 矿安 全管 理的一个有机组成部分 。目前， 世界各 国逐 渐把微 震监测技术作为一种监测 预警手段 ， 以确保地下工 程及矿井生产安全。因此 ， 深部开采矿 山， 将普遍安 装“ 微震监测系统” 或相似的监测地压活动的设备设 施 ， 在 国 内很 可 能成 为 一 种 “ 规 定性 要 求 ” 。 由 于该 项工作涉及面广 ， 尚属于高科技范畴， 是较为复杂的 一 项系统性工程 ， 有关矿山企业有必要提前开展相 关的研究 ， 做好准备性工作 ， 以便做 到充分 的“ 可行 性研究” ， 确保实施效果 。 3 ． 2 “ 循 环通 风” 将成 为研 究 的热 点之 一 “ 循环通风” 相关技术应用 ， 2 0世 纪 8 O年代 以 后 ， “ 受 控循 环 风” 技 术在 英 国 、 南 非 和加拿 大 得到 了 较多 的 应 用。如 ，1 9 8 2年 南 非 在 劳 瑞 因 金 矿 L o r a i n e 进行 了受控循 环通风应 用的大规模现场 试验 ； 1 9 8 6年 ， 英 国威 尔 摩 斯 煤 矿 We a r mo u t h 采 用受控循环通风技术 ， 循 环系数达 到 3 O 9 ／ 6 ； 加拿大 留顿 矿 Ru t t a n 冬 季空 气 预热 系统 中 。 国内， 云南锡矿山在独头掘进 、 辽宁青城子矿选 矿厂在地下运矿系统等作业现场都较成功 的应用 ， 解决 了生产难题 。上述的实践应用更多地局限于区 域小环境范围， 与在矿井大系统整体上应用相比， 有 很大差距和本质上的区别 。 循环通风技术应用 尚不普遍 ， 面临诸多困难 ， 与 对 污 风在 流动 的过 程 中 自净 作 用机 理远 远没 有达 到 认 识 上 的成熟 有相 当大 的关系 。红 透 山铜锌 矿充 分 利用采空区 和巷道 对排放污风 的 自净功能 ， 辅 以 净化设 施 的后 期处 理 ， 实现 循 环 风 参 与 大 系统 的通 风过 程 。在“ 循 环 风 系统 ” 的创 建 上 ， 实 现 了新 的突 破， 相关技术经济指 标先进 ， 提供 了难得 的实践样 本 ， 代表了深部开采通风技术进步方向， 具有重大的 借鉴意义 。可以预期 ， 随着深部开采矿井通风难度 的不断增大 ， 加之成 功案例 的不断增加 ， 必 将推动 “ 循环 风利 用技 术 ” 相关 领域研 究不 断深 入 。 3 ． 3 充填采矿方法将占主导地位 无论从控制地压确保作业安全、 提高矿体资源 回收率以及降低矿石贫化率角度 ， 还是从废物综合 利用 无废开采 、 提高环保水平 的角度 ， 充填采矿工 艺都将越来越显示 出其独特 的优势和价值 。其 中， 废石充填技术的优化完善将成为一个重要的研究分 支和发展方 向， 它不仅可 以降低矿 山生产的综合成 本 ， 也可 以解决废石环保 问题 。尾砂充填将成为水 力充 填研 究 的另外 一个 重点 方 向 ， 相应 的 ， 针 对井 下 接力 充填 站 的研究 将是 重要 的关 键环 节之 一 。 3 ． 4地 温热 害和 解决 措施 研究 由于客观事物的复杂性， 地温热害的规律性认 识有待进一步深入 ， 特别是对红透山铜锌矿这样 的 特殊样本更有深入研究 的意义 ， 以便更深 刻认识规 律 ， 更 好 指导 实践 。 针对可能普遍需要面对的地温热害问题 ， 传统 的通风一般方法可能失灵 ， 因此必须拓展思路， 大胆 创新 ， 从不 同的角度 ， 综合开展各种可行性方法的比 较研究 ， 做到未雨绸缪 。要特别关注和深刻把握企 业 自身 的实际条件和相似企业 的差异化， 而不能简 单照搬所谓“ 新技术” ， 以免事倍功半。 4 结语 除 了上述“ 若干研究重 点” 之外 ， 还有一些理论 问题同样有必要作 为重点加 以研究 ， 比如“ 安全深 度” 理论与实践 问题 ， 高应力岩体诱 导爆破可行性， 地热资源的综合利用等等 。深部开采将成为“ 采矿 领域 的大 学 问” 深 刻影 响行业 的发 展 。 参 考 文 献 [ 1 ] 曾 狲． 金 属矿深部开采 的问题及对策探讨[ J ] ． 城市建设理论 研究 ， 2 0 1 3 ， 1 8 ． 1- 2 3 赵辉 ， 熊祖强 ， 王文 ， 等． 矿 山深 部开采 面l临的主要 问题及 对策 [ J ] ． 煤炭工 程， 2 0 1 0 ， 7 1 1 1 3 ． I- 3 ]张海军 。 陈宗林 ， 陈怀利 ， 等．深部开采 面临的技术 问题 及对策 [ J ] ． 铜业工程 ， 2 0 1 0 ， 1 2 5 2 8 ． E 4 ] 石长岩． 红透山矿开采技术方 法与工程 实践[ J ] ． 沈 阳 东北大 学出 版社， 2 0 1 4 下转第 1 8页 1 8 有 色 矿 冶 第 3 3卷 R 爆 破 中心 到保 护物 的距 离 ， m； Q一 炸 药量 ， k g ； K介质系数 ； a 衰减 指 数 。 沙道夫斯基公式一直 以来都被各种版本的爆破 类书籍应用于爆破地震计算中， 但实质上它只是一 个经验式 ， 是靠 K和 a等系数进行调整的， 在 Q和 R一 定 条件 下 ， 测 出 V 值 ， 则可反 算 出 K 和 a 系 数 ， 如果在矿山没有这两个 系数值 ， 进行爆破时需要用 类 比法查 表来 进行 确 定 ， 问题 是 这 两 个 系数 与爆 区 地形 条件 、 地 质条 件 、 爆 破 临空 条件 、 爆破 夹制作 用 、 矿岩硬度可暴性等多因素有关 ， 很难选出合 乎实 际 情况的系数值来 ， 其结果导致计算 出的地震速度值 非 大 即小 造 成一 定 后 果 ， 目前有 些 矿 山引 进 微 震监 测 系统监 测 井下 地压 活动 ， 如 红透 山 、 凡 口、 冬 瓜 山 、 济 钢张 马 屯铁矿 等 ， 并 从 该 系 统 成 果 中整 理 出相 关 地震资料用于指导大爆破地震速度计算是可行的做 法 。 Di s c u s s i ng o n Te c h no l o g y Pr a c t i c e o f Unc o nv e nt i o na l Fo r m s Ch a mb e r Bl a s t i ng a n d i t s Re l a t e d I s s u e s ZHAO J i a n，CHEN Xu we n An gan g M i n i ng Bl a s t i ng Co．，Lt d．，A n s h an l 1 40 4 6，Chi na Ab s t r a c t Th r o u g h s t u d y i n g t h e d a ma g e f o r ms o f t h e g r o u n d p r o t e c t e d o b j e c t s d u r i n g t h e c h a mb e r b l a s t i n g o f t he op e n p i t m i n e de v e l o p m e n t a nd t he l a r g e ne a r s u r f a c e bl a s t i ng， t h e ma i n f a c t or s a f f e c t i ng t h e s a f e t y we r e put f o r wa r d t o p r ot e c t t he gr ou nd f a c i l i t i e s，s u c h a s t he op e n s t a t e，s l o pe ，r o a d a nd s ome ot he r i mp o r t a n t p r o t e c t e d o b j e c t s ，t h e r e a s o n a b l e a r r a n g e me n t o f c h a mb e r a n d t h e p r a c t i c e e x a mp l e we r e g i v e n； t he d ou bl e -- wa l l c ut t i n g c h a m b e r bl a s t i ng c as e a n d i t s s a f e t y me a s ur e s wi t h t he s a f e t y e f f e c t d e t e r m i n a t i on we r e a l s o i nt r o du c e d a t t h e c o m p l e x s a f e t y e nv i r o nm e nt ；s o me i m p r o ve m e n t s u gg e s t i o ns we r e g i ve n on de t e r mi ni n g s e v e r a l i mpo r t a n t pa r a me t e r s a b ou t un i t g unp o wde r c o ns u mpt i o n of m u l t i l a y e r c h a mbe r bl a s t i ng， l a r ge un de r g r oun d b l a s t i ng n e t wo r k a n d t he c o nv e nt i o na l pr a c t i c e o f bl a s t i n g s e i s m i c c a l c ul a t i o ns；t h e v i e w o f us i n g a ut o-- f o r m i ng f r e e s p a c e o f s l op i ng h ol e t o a vi od c ut t i ng s l ot s i n a dv a nc e wa s p ut f or wa r d i n u n d e r g r o u n d b l a s t i n g o f d e e p h o l e b l a s t i n g a n d me d i u m l e n g t h h o l e b l a s t i n g ，a n d s o me p r a c t i c e e x a mp l e s we r e p r e s e nt e d． Ke y wo r ds c ha mbe r bl a s t i n g；c ha mbe r a r r a ng e me nt ；d o ubl e -- wa l l c u t t i n g；m u hi l a y e r c ha mbe r；b l a s t i n g ne t wo r k；s e i s m i c c a l c u l a t i o n；f r e e c u t t i n g gr o ov e 上 接 第 1 3页 ； ≯ S o m e Pr o b l e m s o f De e p M i ni ng i n M e t a l M i n e s t M ENG Fa n hu a 。 SH I Cha ng ya n 1 ． CN M C Fus h un H o ngt o u s ha n M i ni ng Co． Lt d．， Fu s hun 1 1 33 2 1， Chi na； 2． CNM C Sh e n yan g M i n i n g I nv e s t m e nt Co． Lt d．，She n yan g 1 1 0 01 4 Ab s t r a c t W i t h t h e l a r g e s c a l e e x p l o i t a t i o n o f me t a l mi n e r a l r e s o u r c e s ，t h e s h a l l o w r e c o v e r a b l e r e s o u r c e s i n Chi n a gr a d ua l l y d e c r e a s e ，a nd d e e p r e s ou r c e e x pl o i t a t i on b e c o me s a n i ne vi t a bl e t r e nd．H o w t o d e a l wi t h t he de e p we l l mi ni ng d a m a ge i s u r ge n t t o pi c，s ome s a f e t y p r ob l e ms a b ou t d e e p we l l mi ni ng a r e d i s c us s e d wi t h e xa m pl e o f mi ne i n t h i s p a pe r， t he i d e a s a nd op i ni on s we r e pu t f o r wa r d t o s ol ve t he pr o bl e m i n t h e e n d． Ke y wo r ds me t a l m i n e； de e p mi ni n g； s a f e t y； Hon gt ous ha n 欢迎投稿 欢迎订阅