深部开采面临的技术问题及对策.pdf

S e r i c s No ．1 03 J a n A a r y 2 0 1 0第 1 期 铜 业 工 程 COPPER ENGI NE RI NG 总第 1 0 3期 2 0 1 0年第 1 期 深部开采 面临 的技术 问题 及对策 张海 军 ， 陈 宗林 ， 陈怀利 金川集团有限公司二矿区， 甘肃 金昌7 3 7 1 0 0 摘 要 金川二矿区是我国唯一一座年产矿石突破 3 5 0万 t 的大型镍矿产资源生产基地， 其开采工程已经进入到 8 5 0中段， 开采深度超过 千米 ， 随着开采深度加深 ， 矿 区地压 、 地热 、 涌水等显现 日趋剧 烈 ， 并潜 在着突变 失稳 的风险。因此 ， 深部高效 、 安全 和低耗开采是金川矿 区乃至金属矿 山亟待解决 的重要课题 。本 文结合金川 二矿区 目前开 采现状 和遇到 的问题 ， 探讨 分析 了深部 开采面』 临的技术 问题 ， 并提 出了研究对策 ， 对深部矿 II 1 资源 开采 具有一定借鉴 。 关键 词 金川矿区； 深部开采； 面临问题； 对策 中图分类号 T D 8 0 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 3 8 4 2 2 0 1 0 0 1 0 0 2 5 0 4 Te c hn o l o g i c a l Pr o bl e ms a nd Co u nt e r me a s ur e s i n De e p M i ni ng Z HANG Ha i j u n， C HEN Z o n gl i n， C HE N Hu a i l i J i n c h u a n G r o u p C o ． ，L t d ，， J i n c h a n g 7 3 7 1 0 0 ，G a n s h u ， C h i n a Ab s t r a c t T h e J i n c h u a n No ． 2 mi n i n g a r e a i s t h e o n l y l a r g es c a l e p r o d u c t i o n b a s e o f n i c k e l mi n e r a l r e s o u r c e s i n C h i n a w i t h a n n u a l o r e p r o d uc t i on b e i n g o v e r 3， 50 0， 00 0t ／a，mi n i ng o p e r a t i o n d o wn t o 一8 50 l e v e l ，a n d t h e e x pl o i t i n g d ep t h e x c e e d i n g o n e ki l o me t e r ． As t he e x p l o i t i n g d ep t h e x t e n ds，t he mi n i n g a r e a g e opr e s s ur e，g e o t he r ma l po we r ，wa t e r we l l i ngup，e t e．a p pe a r a n d b e c o me g r a du a l l y v i o l e n t ，be s i de s，i t h a s t h e p o t e nt i a l r i s k o f s u d de n c h a ng e s a n d l os s o f s t a bi l i t y．The r e f o r e，h i g he ffic i e n c y，s a f e t y a n d l o w c o n s u m p t i o n d e e p e x p l o i t i n g a r e i m p o r t a n t s u b j e c t s f o r J i n c h u a n m i n i n g a r e a a n d o t h e r m e t a l mi n e s t o e x p e c t e a r n e s t s o l u t i o n ．B y c o n b i n i n g t h e J i n c h u a n No ． 2 mi n i n g a r e a g c u r r e n t mi n i n g s i t u a t i o n a n d p r o b l e ms f a c i n g a t p r e s e n t ， t h i s p a p e r d i s c u s s e s a n d a n a l y z e s t e c h n o l o g i c a l p r o bl e ms e x i s t i n g i n de e p mi n i ng ，an d pu t d f o r wa r d s o me r e s e a r c h c o un t e r mea s u r e s，whi c h c an b e a r e u s e d a s r e f e r e n c e f o r d e e p bu r i e d r e s o ur c e s mi n i n g ． Ke y wo r d s J i n c h u a n mi n i n g a r e a ；d e e p mi n i n g ；f a c i n g p r o b l e m；c o u n t e r me a s u r e s 0 前言 金川 I 二矿区 1 矿体开采已经进入 到 8 5 0中段 ， 部分工程超过千米 ， 属世界公认的深部开采工程 ， 现 还在逐年向下延深 ， 与浅部生产中段相比， 随着开采 深度加深 ， 采矿作业 环境发生 变化 ， 面临着岩 石力 学 、 地热 、 岩爆 、 巷道支护 、 通风 、 充填等一系列问题。 因此 ， 如何面对深部开采的复杂地质条件， 及时解决 深部开采所涉及的技术性 同题 ， 是摆在 当前技术生 产管理者和广大工程技术人员面前的重要课题。本 文结合二矿区目前开采现状和遇到的实际问题 ， 对 深部开采可能出现的问题做出了简要分析与探讨 。 1 开采现状 承担着金川集 团有 限公司 7 6 ． 5 ％ 以上 自产矿 石原料的二矿区采用机械化盘区下 向分层水平进路 胶结充填采矿法 ， 盘区垂直矿体走向布置 ， 大面积无 矿柱 连续 回采 。 目前 ， 金川二矿 区正在进行开采的中段为 1 1 5 0 中段和 1 0 0 0中段 ， 地下 已形成水平矿柱和垂直矿柱 “ 两柱” 结构 ， 并 正在加速 “ 两柱” 的 回采 ， 8 5 0中段 已进入掘进施工 ， 部分工程垂深超过千米 ， 还将 向更 深部开进 ， 2 0 0 8年 8 5 0中段 开始首采层 9 7 8分段的 回采 ， 如图 1所示。与浅部生产 中段相比， 深部 8 5 0 中段水文地质条件 、 岩体强度变得更加复杂 ， 矿区地 压 、 地热 、 涌水等 日益显现。 2 深部开采面临技术 问题分 析 2 ． 1 整体 稳定 性 问题 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1 一O 5 作者简介 张海军 1 9 8 2一， 男 ， 湖 南怀化人 ， 工程 师 ， 金 川集 团有限公司二矿区 ， 从事矿山高效开采技术研究与设计 。 25 总第 1 0 3期 2 0 1 0第 1期 由于金j i l 矿体特殊 的赋存条件及其固有的金属 价值， 决定 了对富矿的开采使用胶结充填采矿法 ， 已 成功地实现了5万 m 的大面积无矿柱连续回采 ， 有 效地控制了岩层移动和充填体滑移。 目前 ，金J l l ． 矿 区地下 已形成 “ 两柱”结构 ， 且正在加速水平矿柱和垂直矿柱的回采。然而多中 段大面积无矿柱连续开采的问题极具挑战性 ，在 国 内外 尚属首例，没有相同或相似的范例可供参考和 借鉴 ，且进入 8 5 0中段开采后，采场面积将扩大至 l 0万 n l ，地应力将超过 5 0 MP a ，对于急倾斜特厚 大 1 矿体 ，在充填体与贫矿及围岩接触带又是软 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面积无矿柱连续下向 开采会不会发生整体滑移这是一个亟需解决的 问题 图 1 金 川 二 矿 区 开 采 现状 不 意 图 2 ． 2 地热升高问题 研究结果表明， 原岩温度随开采深度的增加而 升高 ， 开采深度每增加 l O O m， 岩石温度增高3～ 5 ， 在深度为 l O 0 0 m时 ， 地温将达 3 0～ 5 0 ℃。 目前 ， 金川二矿 区 1 1 5 0中段和 1 0 0 0中段采矿 过程中暴露出回采工作面环境温度较高 ， 实测局部 回采工作面环境温度 已达 3 2 ℃。 金川矿区进人 8 5 0中段及其更深部， 由研究推 理并结合 1 1 5 0中段和 1 0 0 0中段回采实际情况分析 可得， 深部开采时作业 环境 温度 可能达 到 4 0 C以 上， 将面临着严重的地热问题 ， 持续高温将对人员的 健康和工作能力造成极大伤害， 工人在热湿的空气 环境 中较长时间的劳动， 会发生中暑晕倒 、 呕吐和湿 疹等疾病 ， 使劳动生产率大大下降和生产事故大大 增加 ， 同时还会降低井下设备的工作性能 ， 减少井下 设备的使用寿命 。 2 6 2 ． 3 涌水 问题 根据金川 I 矿区以往水文地质资料显示金川水文 地质简单 、 地下涌水小 ， 然而 ， 二矿区 8 5 0中段 2 4行 主井在掘进施工过程中， 由于井筒涌水， 平均月进尺 不到 2 0 m。为堵水 ， 2 0 0 5年停止掘进 2个 月， 2 0 0 6 年停止掘进 4个月。目前 2 4行 主井井筒涌水量达 6 0 m ／ h ， 8 5 0 m水平废石运输巷涌水量达 8 0 m ／ h ， 严 重影响施工质量和工程进度。 经分析发现 2 4行主井 、 8 5 0水平运输道涌水主 要原因是工程处在超基性岩体 的上盘混合 片麻岩 中， 岩体构造 、 节理发育 ， 各种 断裂带和小岩体接触 处富含裂隙水。 面对水文地质条件、 岩体强度复杂的深部 ， 其开 采过程中， 一旦遇到类似与 2 4行 主井、 8 5 0水平运 输道涌水 ， 必然给深部开采带来严重的困难 ， 对二矿 区乃至整个金川集团公 司的正常生产将造成极大影 响 。 2 ． 4岩爆等地质灾害问题 生产实践显示 ， 对于高应力区较坚硬岩石 ， 深部 围岩潜在着岩爆破坏类型。实际上早在 1 9 8 4年 ， 在 围岩破坏调查中就已经发现金川二矿区发生一些小 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。 南非 B l y v o o y u i t Z i e h t 金矿 、 抚顺红透 山铜矿深 部矿【 I 1 的岩爆实践表明， 随着深度增加 ， 地应力呈线 性或非线性增加趋势 ， 岩体变硬变脆 ， 地温升高， 地 质条件进一步恶化 。 进入深部 回采后 ， 随着采深增加 ， 地应力线性增 加 ， 岩 体变硬 变脆 ， 地 温升高 ， 岩爆 问题 将会变得 突出 。 2 ． 5 巷道稳定性问题 研究结果表明， 金J i I 矿区以水平构造应力为主， 进入中深部开采后 ， 地应力呈线性增加， 水平应力随 深度增加而增大 ， 水平最大主应力与最小主应力差 值随深度增加而增大。以致 ， 巷道岩体强度降低 ， 巷 道与支护体破坏非常严重 。据统计 ， 浅部 1 1 5 0中段 和 1 0 0 0中段 ， 从 1 9 9 9年开始 ， 井下巷道返修量急剧 增 加 ，由 1 9 9 9 年 的 3 2 0 0 m 增 加 到 2 0 0 6年 的 1 3 2 4 4 m， 这可 以认 为是长 时间岩体 移动 的集 中表 现 ， 足 以形 成一 次大范 围 的地 压活 动 。 进入 8 5 0中段及更深部开采过程后 ， 矿 山开采 深度加大 、 采动影响加剧 ， 必然致使巷道周围地应力 张海军 ， 等 深部开采面临的技术问题及对策 2 0 1 0第 1期 分布发生显著变化 ， 地应力值增大 ， 巷道岩体强度降 低 ， 巷道与支护体破坏将非常严重。 2 ． 6 充填体质量问题 进入 8 5 0中段深部 回采后 ， 深部矿岩条件复杂 、 地应力和采动应力大 ， 开采强度将逐年加大 ， 采充循 环时间缩短 ， 2 0世纪 7 0年代后期确定 的充 填体强 度标准 5 MP a是否适合深部 8 5 0中段及更深部矿体 回采 、 能否满足深部安全开采人工假顶的强度要求 ， 这将关系到矿山能否可持续发展及镍矿资源能否安 全合理开发利用 的关键技术问题 1 2 ． 7 深 部通 风 问题 8 5 0中段开采 时 ， 二 矿 区将 形成 “ 多级 机站进 风 、 地表机站集中回风” 通风系统 ， 与现有通 风系统 相 比较 ， 井下通风网络更加复杂 ， 将 出现较多的角联 网路 ， 通风系统将 出现较为严重 的风流短路 与风流 循环现象 ， 局部甚至会 出现反风和涡风 ， 造成烟气积 聚 、 能见度低 ， 严重影响职工的身心健康和矿山安全 生产。 3 深部开采的对策 针对金川二矿区深部开采面临的技术 问题 ， 深 部开采解决方法 、 对策和研究 方向应从 以下几个方 面着 手 。 3 ． 1 金川矿区工程稳定性监测网建立与灾变预测 及预 防研 究 2 0 0 0年金川矿区地表发现变形和裂缝 ， 引起人 们关注 ， 而矿区 目前采用的无 矿柱大面积连续开采 方案， 应用于深部工程 ， 这不仅在 国内没有实践 ， 而 且国外也无先例 ， 是一个世界性难题 ， 五年来地表变 形观测结果表明 地表变形不但在继续发展 ， 而且还 存在不断加剧 的趋势。 矿山深部 大面积 突然 失稳 破坏 的 “ 前 兆 不 明 显” 特征 ， 使得精确 预报很难办到 ， 但可 以根据矿 山 实际采矿过程及矿山赋存地质条件 、 经过科学研究 ， 给出矿山中冲击矿压的可能模式及其可能的发生区 域和规模 的估计 ， 然后有的放矢 ， 制定有效的处置策 略 ， 包括 针对各种可能发生 的灾变失稳模式 ， 分析 诱发各种灾变模式走向现实 的关键 因素 ， 然后根据 各种灾变模式及其诱 发因素 ， 制定相应 的预 防措施 和注意事项 ， 布置和完善相应 的监测 系统和预警设 备 ， 并制定灾后应急预案等 。 3 ． 2‘ 深部无矿柱连续回采技术方案研究 金川二矿区地下开采形成 的“ 两柱” 结构 水平 矿柱 垂直矿柱 是一个 比较 稳定 的受力结构 ， 厚 大的“ 两柱” 抵御 着垂 直和水 平地应力 ， 支撑着 上 、 下盘 围岩 ， 约束着大范围岩体移 动。“ 两柱” 开采 中 或开采后 ， 上述作用逐渐减弱直至消失。大范 围应 力调整的结果， 势必导致上 、 下盘 围岩移近加速 ， 充 填体受力增大 ， 可能使充填体边界处产生破裂 ， 下沉 变形 。 因此 ， 必须调研 国内外金属矿山无矿柱 回采方 案现状 ， 对矿区监测资料进行分析 ， 应用国内外先进 的分析软件建立数值模拟 回采方案 ， 预测金川 矿区 深部开采无矿柱 回采方案可能出现的大面积充填体 突发破坏的模式 ， 针 对各种灾变模式进行稳定性评 价 ， 提出综合安全对策 ， 探索 8 5 0水平以下矿体回采 方案的科学手段 ， 为 8 5 0水平 以下矿体 回采提供设 计依据 ； 并通过数值模拟 ， 对 8 5 0水平以下矿体进行 回采初步方案论证及研究 ， 确定合理的回采顺序 、 采 场结构参数 、 合理 的布置采准 工程方式 和产 能 ， 为 8 5 0 m水平以下矿体进行初步 回采方案设计和安全 回采提供保障。 3 ． 3 深部开采地热预测与降温技术研究 地温升 高是深部开采无法 回避 的地 质灾害问 题 ， 二矿 区进入 8 5 0深部 开采时 ， “ 地热” 问题必然 成为影响生产的一个重要 因素 ， 因此 ， 必须尽快开展 二矿区深部开采时地温产生原 因、 对生产 的影 响及 深部开采 降温技术与措施 等进行研究 ， 并预测深部 各中段回采时的地温及对生产 的影 响， 提 出深部开 采降温的技术措施 ， 为金川矿区深部 矿体 的安全 回 采提供有力保障。 3 ． 4 深部涌水治理技术研究 2 4行主井 、 8 5 0水平运输道出现大量涌水问题 ， 特别是 8 5 0水平废 石运输 巷 涌水量 达 8 0 m ／ h ， 因 此 ， 必须开展深部涌水治理技术研究， 对整个金川矿 区的水文地质进行调查 、 评估 ， 从理论上解释矿区主 副井和主运输水平涌水的原 因， 提出金川矿区主副 井防治水的措施并付诸实施， 提出矿区深部水平运 输巷防治水的措施 ， 提 出在井巷 掘进尤其是深井掘 进中的防治水技术 ， 并对金川矿 区地下含水区域进 行科学预测 ， 以便指导将来井巷工程的选址。 3 ． 5 满足深部开采安全生产 的充填体强度研究 金川矿 区深部的矿岩条件复杂 、 地应力和采动 ． 27 ． 总第 1 0 3期 2 0 1 0第 1 期 次生应力较大 ， 开采强度逐年加大 ， 采充循环时间缩 短， 必然使充填体与围岩的接触边界处水平应力增 加， 2 0 世纪 7 0年代后期确定的充填7 奉 强度能否满 足金川矿山深部开采人工假顶的强度要求 ， 没有进 行过科学试验研究 、 缺乏科学依据 ， 因此急需对此进 行研究 ， 请有关权威科研机构做出科学的鉴定 ； 且金 川矿 山的充填材料和充填工艺与原设计相比已经发 生了很大的变化 ， 在新的充填体强度指标提 出以后 ， 如何利用金川现有的充填材料和充填工艺来实现充 填体的强度 ， 需要进行全面的充填料浆配比研究和 充填工艺系统的运行参数研究。 3 ． 6 深部回采围岩控制技术研究 围岩支护方式可分 为被动支护和主动支护， 被 动支护是限制围岩的变形破坏， 而主动支护是以加 固围岩为 目的， 利用围岩的 自撑能力来限制围岩 的 变形破坏 。 在金j q _．-矿区这样的矿 山， 实施开挖几小时后 围岩就有可能发展成为碎裂体或松散体 ， 支护对象 是破裂后的剪胀变形围岩 ， 且在深部新掘巷道 中， 支 护设计 、 材料 、 工艺及支护参数等方面与返修巷道相 比， 均存在较大差异 ， 深部新掘巷道的支护技术还需 做大量的深部围岩控制技术研究工作和攻关试验 ， 形成一套金川矿山深部高应力高强度采掘条件下的 强蠕变碎胀岩体巷道支护施工标准 ， 减少 巷道维修 量 ， 降低综合支护成本 ， 力求使巷道收敛率控制在 3 0 ％以下 ， 这对保 障金川矿区深部开采井巷工程 的 稳定性 、 延长深部井巷工程的服务年限、 为深部回采 创造更加有利的采矿环境意义重大 。 3 ． 7 深部通风技术研究 针对二矿区进入深部开采后可能出现的严重问 28 题 ， 必须进行深部 8 5 0开采时的通风技术研究 ， 进行 通风系统调控与调控方式研究 ， 研究 8 5 0中段接替 1 1 5 0中段采矿工程过渡时期 的通风问题 ， 提出通风 方案 ， 实现 8 5 0中段生产的顺利过渡 ， 并优化井下风 机站及通风网络 ， 提高各风机站运行效率。 4 结语 金川矿区深部开采正面临着岩石力学、地热 、 岩爆 、巷道支护 、通风 、充填等一系列问题 ，要实 现深部矿体安全 、高效 、低成本开采 ，必须坚持走 科技创新之路 ，吸收 和消化 国内外先进技术 和经 验 ，进行深部 回采面临技术问题研究 ，不断改进和 优化生产工艺 ，才能做到事半功倍 ，为深部开采创 立一条新新之路 。 REFERENCES [ 1 ] 金川集团有 限公 司． 技术难题汇总 [ R] ． 第十七 次金川资源综 台利用科技大会会议材料 ， 2 0 0 7 1 9 ． [ 2 1 高谦 ， 等． 金川矿区深部高应 力矿床开采关键技术 研究与发展 [ J ] ． ] 程地质学报 ， 2 0 0 7， 1 5 1 3 8 4 9 ． [ 3] 朱孔盛． 深部开采热环境研 究及其治理对 策分析 [ J ] ． 煤矿现 代化 ， 2 0 0 6 ， 7 4 5 8 4 8 5 ． [ 4 ] 张永乎． 矿井深部开采 问题探讨 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 0 0， 1 9 3 2 4 2 5 ． [ 5 ] 吴爱祥， 王永前， 等． 金 川二矿 区深 部开采 面临的 问题 及对策 [ J ] ． 矿业研究与开发， 2 0 0 2， 2 2 6 1 31 5 ． [ 6 ] 董小石． 煤矿深部开采可能出现 的问题及对策 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 0 3 ， 2 2 7 1 1 01 1 0 ． [ 7] 王治世． 金川矿区深部开拓地 质灾害及 防治 方法分析 [ J ] ． 矿 业快报 ， 2 0 0 5 ， 4 2 9 3 4 0 4 1 ． [ 8 ] 张刚． 浅谈 铜绿 山铜铁矿深部开采的地压 问题[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 5． 5 2 1 41 5．