胶东大型黄金矿山深部开采地压控制实践.pdf

２０１８年第９期／第３９卷黄金ＧＯＬＤ采矿工程３９胶东大型黄金矿山深部开采地压控制实践收稿日期２０１８－０５－１５；修回日期２０１８－０６－１５作者简介刘焕新（１９８８），男，湖南攸县人，工程师，硕士，主要从事深井开采技术研究；山东省莱州市三山岛村，山东黄金矿业科技有限公司深井开采实验室分公司，２６１４４２；Ｅ  ｍａｉｌｓｓｄｘｍｂ＠１６３．ｃｏｍ刘焕新１，２，王剑波１，赵杰１，李桂林１，程力１（１．山东黄金矿业科技有限公司深井开采实验室分公司；２．北京科技大学土木与资源工程学院）摘要分析了胶东地区三山岛金矿、新城金矿、大柳行金矿等的地应力及分布规律，介绍了蚀变岩型和石英脉型２种典型金矿床深部采掘中地压显现与灾害形式。提出了深部地压控制的指导思想，结合近年来开展的研究，通过工程实例论述了运用应力转移、钻孔卸压、合理支护、在线实时监测等技术措施进行地压控制的方法及其实践。根据当前矿山实际，分析了深部开采地压控制存在的问题，并提出应在岩体质量分级、采矿方法、多源监测系统、新型支护材料等方面开展系统深入的研究，以更好地抵御千米以深地压灾害。关键词胶东地区；黄金矿山；蚀变岩型；石英脉型；地压控制；高应力；深部开采中图分类号ＴＤ３２２文章编号１００１－１２７７（２０１８）０９－００３９－０６文献标志码Ａｄｏｉ１０．１１７９２／ｈｊ２０１８０９０９引言胶东地区，特别是胶西北地区主要有焦家、三山岛、招平等重要成矿带［１－２］，山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿（下称“ 三山岛金矿” ）、山东黄金矿业股份有限公司新城金矿（下称“ 新城金矿” ）、山东黄金矿业（玲珑）有限公司（下称“ 玲珑金矿” ）等大型硬岩金矿山具有多年的开采历史，西岭矿区４００６ｍ “ 中国岩金第一深钻” 及２０１７年备案及公布的３８０ｔ大型单体金矿床［３］，主要赋存深度在１２００ｍ以上，未来将引领中国黄金矿山深部开采科学技术前沿。“ 十二五” 以来，在千米以浅黄金资源开采中，山东黄金集团有限公司不断摸索，在海底金矿床安全开采、高效采矿方法、绿色开采、智能矿山、数字矿山等领域取得了一批代表性成果。目前，胶东地区的三山岛金矿、新城金矿、玲珑金矿、金创大柳行金矿及山东金洲矿业集团有限公司（下称“ 金洲矿业公司” ）、鑫汇金矿等矿山，开采深度大部分接近１０００ｍ，开拓深度已超过１０００ｍ，由于矿体主要为蚀变岩型或石英脉型，节理裂隙较为发育或岩石脆性较强，地压显现明显或岩石积聚能量的能力较强，因此岩爆现象时有发生。地压是泛指在岩体中存在的力，它既包含原岩对围岩的作用力，围岩间的相互作用力，又包含围岩对支护体的作用力，按其表现形式，将地压分为变形地压、散体地压（亦称松动地压）、冲击地压、膨胀地压４类［４］。地压及其控制是深部资源开采中不可避免的安全问题，随着开采深度的不断增加，其将成为一大技术难题，也必将成为未来深部资源安全开采中一大研究热点。１地压显现及灾害表现１．１地应力及其分布规律高地应力特别是构造应力是岩爆（冲击地压）产生的必要条件，也是井巷地压和采场地压产生的根本来源［５－６］。根据北京科技大学在三山岛金矿、新城金矿的地应力测试结果（最大测深分别为－７９５ｍ和－６８０ｍ）显示，每一个测点都有２个主应力接近水平方向，其与水平方向的夹角一般不超过１０，另一个主应力一般接近于垂直方向，其与垂直方向的夹角最大不超过２５。最大主应力都非常接近水平方向，其平均值与近垂直方向主应力比值大于２，说明地应力分布主要以水平方向的构造应力为主，且最大主应力方向为ＳＥ－ＮＷ向，基本与区域构造应力的最大主应力方向一致。目前，在三山岛金矿－７９５ｍ水平测试结果显示，最大主应力值为４８．９３ＭＰａ。近垂直方向主应力值一般略大于自重应力。每个测点３个主应力的大小均随深度的增加而增加，在同一水平，不同测点地应力的大小和方向有一定变化，但没有出现突变现象，这意味着随深度的增加，垂直主应力逐渐由最小主应力转变为中间主应力。采用声发射法在金创大柳行金矿进行的地应力测试结果表明，当深度到达地表以下１４５０ｍ时，水４０采矿工程黄金平最大主应力值接近１００ＭＰａ。矿井进入深部开采之后，地应力将对矿井的生产系统带来巨大的影响。１．２地压显现与灾害形式对于蚀变岩型金矿床，目前开拓深度进入－１０００ｍ以下的部分主体矿山，均不同程度的出现片帮、顶板塌落及岩爆现象。以金洲矿业公司为例，矿区开拓垂直深度达１２３６ｍ，地压显现剧烈。巷道掘进时，局部片帮、冒顶，尤其是遇到构造带时，顶板塌落非常严重，部分巷道挤压变形严重。地压显现与灾害形式见图１。图１地压显现与灾害形式对于石英脉型金矿床，由于岩性较为单一，抗压强度较大，完整性较好，岩石具备积聚弹性应变能的能力，当岩体赋存于高应力环境中，开挖引起应力重新分布，在二次应力的作用下，岩体中积聚的能量大于耗散的能量时，便会引起岩爆。以玲珑金矿为例，主要开拓工程位于含斑中粗粒二长花岗岩、弱绢英岩化碎裂状花岗岩及绢英岩化花岗岩岩体中。各矿区岩体岩性单一，岩石结构致密，ＲＱＤ值７５％～９７％，岩体完整性较好。地压与安全调查的结果显示各个矿区不同位置的开拓巷道中，均有不同程度的岩爆现象发生，其中以大开头矿区深部中段较为严重。在高地应力作用下，地压活动将不断增加。在大开头矿区－６２０，－６７０，－７２０中段的开拓过程中，已出现过显著的岩爆现象，尤其是－７２０中段在巷道施工过程中，围岩内部发出清脆的爆裂撕裂声，爆裂岩块多呈薄片、透镜体、棱板状或板状等，均具有新鲜的弧形、楔形断口和贝壳状断口，并有弹射现象。２地压控制措施及应用实例地压控制是深部安全开采的重要组成部分，其总体指导思想应为“ 避让、转移、合理有效支护、加强预防和监测” 。２．１应力转移创新采矿工艺，合理选择采场结构、顶板暴露面积、顶板跨度、矿柱尺寸、间柱分布形式及回采顺序，可有效减少矿房、矿柱的应力集中程度，将开挖引起的二次应力向采场围岩内部转移。以三山岛金矿为例，东北大学与三山岛金矿联合对新立和直属２个矿区的采场顶板稳定性研究表明，矿柱平行布置与交错布置，其采场应力状态会明显不同。通过建立数值模型（见图２），研究同一矿房中，平行布置矿柱和交错布置矿柱２种结构形式的采场顶板稳定性和应力分布状态、应力集中程度。图２矿体三维模型结果表明，在开挖推进过程中，矿柱交错布置采场顶板围岩的塑性破坏单元比平行布置塑性破坏单元少很多，见图３－ａ）、图３－ｂ）。交错布置矿柱应力集中程度明显比平行布置应力集中程度低，采场总体应力要小，见图３－ｃ）、图３－ｄ）。因此，交错型矿柱布置结构更有利于地压管理。２．２钻孔卸压深部开采地压控制的首选措施是在掌握深部地应力分布规律的情况下［７］，采取避让方式，合理布置开拓、采准工程，尽量避免巷道轴线方向与最大主应力方向垂直。当工程布置无法采取避让方法时，为确保开采安全，可采用卸压的方式，将岩体中的应力释放，同时向岩体内部转移。在三山岛金矿西山矿区－７８０ｍ中段，为有效提２０１８年第９期／第３９卷采矿工程４１图３２种矿柱布置结构塑性区分布与应力分布对比高开采效率和生产能力，降低炸药单耗，三山岛金矿联合北京矿冶科技集团有限公司设计采用分段凿岩充填采矿法，扇形中深孔落矿，遥控铲运机出矿，建立试验采场并进行工业试验。其中，试验采场各凿岩巷均与最大主应力方向垂直，为确保回采安全，通过卸压爆破形成连通的切割缝，将待采采场与相邻采场空间隔离，切断开采扰动应力传递路径，形成局部卸压环境，降低岩爆风险。卸压钻孔布置见图４－ａ）。在１６１０勘探线１６７０勘探线区域沿２号凿岩巷道北翼和中部施工１排应力解除孔，孔径６５ｍｍ，孔深１２ｍ，角度９０，孔距０．４ｍ，炮孔排线起点和终点为Ａ、Ｂ、Ｃ（见图４－ａ））。其中，北翼为ＡＢ段，应由Ａ到Ｂ顺序依次进行卸压孔施工，ＡＢ段排线长２４．８ｍ，炮孔６３个，炮孔总深度为７５６ｍ；中部为ＡＣ段，应由Ａ到Ｃ顺序依次进行卸压孔施工，ＡＣ段排线长３０ｍ，炮孔７６个，炮孔总深度为９１２ｍ。先施工北翼ＡＢ段，后施工中部ＡＣ段。通过北京科技大学于２０１７年１３月在试验采场布置的多个钻孔应力计监测显示，应力释放效果良好，见图４－ｂ）。图４试验采场卸压钻孔布置及应力释放效果图４２采矿工程黄金２．３合理有效支护支护是有效管理地压，维护岩体稳定最普遍、最实用的技术措施。“ 十二五” 以来，地下开采矿山支护技术不断发展，新型锚杆、锚索等支护材料、新联合支护技术对于保证地下工程的稳定性发挥着不可替代的作用。在胶东地区，山东黄金集团有限公司所属黄金矿山广泛采用锚杆、穿带、钢筋网、喷射混凝土、钢支架、砌碹等２种及以上联合支护方式。近年来，随着开采深度的加大，广泛推广树脂锚杆取代管缝式锚杆，研究新型锚杆，提高锚杆的强度和力学性能，以降低深部采场及巷道安全事故的发生概率。在采掘工程支护中，当地压显现并不十分剧烈时，传统支护方式仍是地压控制的有效方式（见图５）。在具体工程实践中需合理搭配使用刚性支护和柔性支护。例如节理发育但比较完整的巷道采用锚网支护后再喷素混凝土；围岩比较破碎的巷道先用钢支架和锚网支护后再喷素混凝土；遇有涌水或破碎带的巷道采用超前锚杆和钢支架支护边支边掘，直到穿过破碎带，后期进行二次支护加固。图５传统锚网支护维护顶板与钢支架控制巷道变形现场照片值得一提的是，井巷围岩的支护，不是支护的刚度越大越好，围岩本身具有较大的承载能力，作用在支护上的压力仅是地压的一部分［８］。因此，井巷围岩恰当的支护，是充分利用围岩自身的承载能力，让围岩变形充分后，在合理的时间进行支护，既能有效控制地压，又能节省支护材料。２．４注重预防加强监测地压灾害表现剧烈，发生时可造成伤亡事故，严重影响开采安全和矿山经济效益。为预防岩爆、冒顶片帮事故的发生，可综合采取多种措施。例如加强井下施工过程的超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小，采用超前钻探、声发射等探测方法，结合地质编录观察岩石特性，综合判断可能发生岩爆的范围；在爆破排险后架设锚杆及钢筋网，必要时可以安装超前锚杆进行支护，并加快衬砌工作，减少岩石暴露时间，减少岩爆的发生；采用短进尺、弱爆破，针对岩爆频繁区域加强施工顺序管理，调整施工参数，改善装药结构和爆破方式，将爆破对周围围岩的影响降到最低。同时，切实提高光面爆破效果，保证巷道成形，严格控制装药量，减小爆破对原岩应力的扰动。此外，构建深部微震监测系统，建立实时在线矿压监测系统［８－９］。目前玲珑金矿与中南大学合作在大开头矿区构建深部微震监测系统，可以实现微震数据在线监测，形成深部三维地应力场微震监测体系，分析区域应力的分布及变化规律，为监测区域应力集中与岩爆现象提供预警。３存在的主要问题及研究方向３．１存在问题深部地压控制需从采准切割工程布置、开采顺序、采场结构、充填、爆破等工艺技术多方面着手，综合采用转移、卸压、支护、预防与监测等多种手段。随着开采深度的加大，千米以深地压控制将成为深部安全开采的一大研究热点。当前矿山地压控制已有多年的实践积累，但也存在不少问题，主要有１）对地应力测试工作不够重视。从目前反应的情况来看，专门开展过地应力测试的矿山在整个胶东地区或胶西北地区的黄金矿山仍是少数，进入深部开采后，开展深部地应力测试，获得深部地应力场分布规律是开展地压控制的前提。由于缺乏矿区地应力测试基础资料，在矿山开拓、采准工程布置时不能合２０１８年第９期／第３９卷采矿工程４３理规划，巷道断面形状、大小选择缺乏依据。２）采矿方法研究滞后于生产。当前矿山迫于生产压力，为保证每日矿石产量，往往在进行采矿设计时采用工程类比或经验判断法，一个中段的采矿方法研究还未结束，开采早已进行，在后续的开采中又没有及时调整。有效的地压管理，需在采矿方法研究时，对开采顺序、采场结构及参数进行优化，合理转移、避免应力集中，实现凿岩和出矿巷道处在卸荷区，保证回采安全。３）深部岩石力学与支护研究相对滞后。无论是采矿设计还是支护设计都要综合考虑岩石力学性质及岩体稳定性，目前在国际上广泛使用的ＲＭＲ、Ｑ岩体质量分类法在胶东或胶西北地层黄金矿山没有普及，已获得的岩体结构面信息及岩体质量分级数据不全面、不连续，不能对矿山采掘工程设计及支护设计提供指导。４）监测预警系统尚未完全建立。目前各矿山对顶板塌落、片帮、岩爆灾害等地压灾害的预测预报只是停留在起步阶段，不少矿山片面追求经济利益，在安全预警及科学研究方面投资较少。以微震系统为例，该系统能实现在线监测微破裂信号并实现精确定位，但在黄金矿山使用极少，或建立的微震系统只用于一时，缺乏维护而被废弃。３．２研究方向针对当前千米以浅金矿床开采地压控制中所存在的问题，为实现向千米以深资源开采的安全、平稳过渡，应系统深入开展下列研究，为深部地压控制提供支撑。１）系统的岩体质量分级工作。岩体质量分级是采矿设计和支护设计的前提，为实现科学合理的工程设计，需在系统掌握岩石强度、岩体完整性、节理产状及风化、充填特征、地下水、地应力等岩体力学数据的基础上，综合运用ＲＭＲ、Ｑ、ＢＱ等岩体质量分级方法进行系统的岩体质量分级工作，研发相应的智能分级系统和开采支护设计系统，实现岩体力学数据的自动调取及岩体质量的智能分级和预测、采场结构参数、支护参数的自动选取，改变长期依靠工程类比法和经验判断法的现状。２）采矿方法研究。深部开采的鲜明特征是高应力、强卸荷、循环动载等因素的综合作用。因此，在进行采矿活动之前，应在综合考虑矿岩稳固性、矿体产状及赋存特性、经济技术比较的前提下，运用现代数值模拟和现场试验的手段进行深部采矿方法的研究，获得合理的开采顺序和采场结构参数。３）多源监测系统。采用位移监测、弹性波、数字钻孔摄像和微震等多种原位综合监测技术，开展深部开采过程多源监测技术研究，研发深部黄金矿床开采过程安全性多指标综合智能预测预警系统，对不同稳定等级巷道（采场）围岩破坏特征进行现场监测，探测不同稳定等级岩体破裂过程多源特征参数，掌握围岩深部应力、位移变化规律，进而为深部地压灾害的预防奠定基础。４）研发新型支护材料。深部巷道通常处在高应力环境中，其岩体的破裂通常伴有岩体大变形。有岩爆倾向性的巷道支护系统可以划分为２种主要功能加固围岩和悬吊－承托。在这２种功能中，加固围岩和悬吊作用的支护单元为锚杆，而承托单元则由金属网、喷混凝土、索带或它们之间的组合形式来承担。为有效控制深部岩块的连续运动和岩体的大变形，深部巷道支护材料的强度和力学性能要求更高，同时基于深部动荷载的影响，深部巷道支护材料应具有吸收或耗散深部岩体中能量的性能，以更好地抵御岩爆。４结论矿山地压受岩石物理力学性质、开采深度、结构面产状等地质因素和巷道位置、采矿与支护方法、顶板管理等生产因素的综合影响。因此，深部地压的控制应贯穿于设计、开挖、爆破、充填、安全管理等多个环节。综合目前山东黄金集团有限公司胶东地区大型黄金矿山在地压控制方面的实践经验及研究，对千米以深地压灾害防治，提出以下建议１）注重基础研究。地应力测试及分布规律的掌握、岩石物理力学性质与岩体质量分级、采矿方法的研究对地压控制极为重要，目前各矿山在上述方面的工作还远远不够。２）科学设计，合理施工。不管是采场开采还是井巷工程，地压控制的一个重要理念是在充分掌握基础资料的前提下，在设计阶段充分考虑风险规避，在施工阶段采取合理的控制措施。３）防治结合，预防为先。积极探索多种手段进行预防和治理，运用现代化的智能监测手段，从变形、能量、弹性波、震动多方面着手，建立多源信息监测网络，是未来发展的方向。［参考文献］［１］张水金．胶西北金矿阶梯式成矿模式研究［Ｊ］．低碳世界，２０１６（２）９９－１００．［２］李洪奎，李逸凡，梁太涛，等．山东胶东型金矿的概念及其特征［Ｊ］．黄金科学技术，２０１７，２５（１）１－８．［３］陈玉民．高举旗帜打造国际一流黄金矿业企业［Ｊ］．山东国资，２０１７（７）１６－１８．［４］蔡美峰．金属矿山采矿设计优化与地压控制理论与实践［Ｍ］．４４采矿工程黄金北京科学出版社，２００１．［５］何满潮．岩爆机理及其判别准则探讨［Ｃ］ 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