千米以上深矿井开采研究现状与进展

胡社荣，彭纪超，黄 灿，陈培科，李 蒙

(中国矿业大学(北京),北京 100083)

20世纪60年代，吉林省磐石市石嘴子铜矿的开采深度已近千米(950m)。1977年，河北省开滦赵各庄矿作为中国煤炭开采的最深矿井之一：开拓水平已超过千米；1990年，开采深度超千米。

20世纪80年代以来，有关国外深部矿床开采的信息被不断地介绍到国内[1-7]。随着中国为数不多的金属矿的开采深度超过千米，东部一些煤矿的开采深度也不断地超过千米。千米以上采深的矿井较普遍地遭遇高地温、高形变、高冲击地压、高涌水和高瓦斯突出潜在危险的情况，引起了我国政府的高度重视。21世纪以来，科技部、国家自然科学基金委、教育部等机构相继批准了众多的有关矿床深部开采的基础理论与应用技术方面的研究项目；国务院则批准了40亿元经费的“危机矿山”项目，其中六条原则中的第三条就提出“以矿山外围和深部找矿为主”的原则，显示了其对深部资源问题的重视。2009年，中国科学院公布了中国2050年科技发展路线图，提出了“中国地下四千米透明计划”。

深部矿床开采涉及深部的概念、国内外深部矿井开采历史与现状、关键科学理论与技术、发展趋势与愿景等一系列问题。作者在此前讨论了深部矿床开采概念和分类[8]的基础上，本文将着重讨论国内外深部矿床开采状况及国内的研究概况，以其抛砖引玉。

1 国外千米以上矿床开采现状与进展

美国西部采矿业以1874年布莱克山金矿的发现为标志，被划分为前、后两个时期：浅层开采时期和深层挖掘时期[9]。美国上湖附近阿米克一个铜矿于1951～1953年时采深就已达到1500m，Galena银矿最深达2800 m[10]；美国爱达荷州北部克达伦矿区的幸运星期五矿，开采的5930水平距地表1808 m；Sun-shine矿开采的5600水平距地表2 100 m。安大略省kidd铜锌矿开采深度已达2100m[11]。

印度南部卡邦东南角的科拉尔(Kolar)金矿的巨矿脉(Champicn Reef，也有译为钱皮恩里夫)和奴底朱格(Nundydrccg，也有译为农迪德鲁格)两金矿，于1957～1962年间，相应的采深分别达到2000m和3000m[7]。科拉尔金矿海拔高度约900m，开采深度3260m。该金矿开采近百余年，已采出矿石约5000万t。后来，该矿剩下三座生产矿山：中央为钱皮恩里夫金矿，共有112个阶段水平，采深3260m，是当时最深的井筒之一；北为农迪德鲁格金矿，采深2400m；南为迈索尔(Mysore)金矿，采深2500m[12-13]。最深的矿山已采到3400m[11]。

苏联克里沃罗格矿区开采高品位铁矿石的各矿井，1958年初开采深度为326～527m, 1986年，开采深度已达755～1165m。基建工程在地表下985～1568m(1987年)深部进行，富矿开采深度最近将达1500m，将来要达到2000～2500m[14]。

20世纪90年代，前苏联的顿巴斯矿区，千米以上新深井最多，如“矿工深井”风井深1336m，“斯科钦斯克”矿井深1300m，“普奇科夫”矿风井深1410m[10]。

近年来，开采深度越来越大，平均深度达690m，最深的斯柯钦斯基矿达1400m(http://www.gjny.org.cn/view.asp?id=2624)。

南非西部深水平金矿位于卡尔顿维尔(Carletonville)地区。该矿1号竖井系统于1986年7月正式投产。采矿深度达3582m。首先开采VC(Venlersdorp)脉到地表以下3000m深部，然后开采CL(Carbon Leader)脉至地表以下4000m。目前，正在开采地表以下2000～3000m的矿体[15]。南非金属矿平均采深已超过2000m，南非威特沃特斯兰德盆地，矿体延伸 6000m 以下，采矿深度已接近地表以下4km，而最深竖井已达4176m。不远的将来，开采深度将达5000m至6000m[14，16]。目前，开采最深的矿床是卡勒顿维累(Carlrtonville)金矿田的Western Deep Level 金矿，现已开采到4800m[17]。

在国外开采超千米深的矿山数量统计方面，存有不同的数据。

据20世纪90年代中期的不完全统计，国外开采超千米深的矿山有80多座[12]。随后[14]，在2001年11月5日至7日在北京香山召开的以 “深部高应力下的资源开采与地下工程” 为主题的香山科学会议第175次学术讨论会中，也沿袭了这一统计数据[13,18]。这一数据一直跟随在后来研究者的文章中[13-14，18-27]。也有文献指出：截至目前，世界上开采深度超过千米的矿山已近百座[16]，或国外开采深度超千米的金属矿山上百座[28]。

由此看来，近百座开采深度超过千米的矿山，并不包括煤矿深矿井。因为，就独立体国家的主要产煤区：顿涅茨克、库兹涅茨克、仁拉干达、伯绍拉等矿区，有24对采深超过1000m，最大采深1329m的矿井[29]。

除独立体国家外，还有其他一些国家，如波兰、联邦德国、英国、日本和法国，早在1980年，煤矿开采深度已经达到千米以上(表1)。

表1 1980年以前世界一些国家煤矿开采深度(据文献[2])

到20世纪90年代，煤矿开采深度进一步加大，最大的煤矿开采深度达：德国1713 m、波兰1300 m、俄罗斯1200～1400 m[30]。

就金属矿山来说，根据20世纪80年代前期的资料，在国外年产矿石l0万t以上的2018座(包括露天矿)非煤矿山中，开采深度超过l 000m的就有79座。这79座深井矿山分别是：加拿大30座，南非15座，美国11座，印度和澳大利亚各4座，俄罗斯、波兰、西班牙和赞比亚各2座，乌克兰、挪威、日本、英国、匈牙利、墨西哥和津巴布韦各1座。开采深度为1 000～2 000m 的有64座，2 000～3 000m的有12座，3 000m以上有3座，其中最深的是南非卡里顿维尔金矿，开采深度达3 800m[31]。后来，又有文章指出：据不完全统计，采矿深度超过1 450m的主要矿山全球有114座：澳大利亚1座(1 800m，铜)，巴西1座(2 453m，金)，加拿大26座(1 524～2 499m，金、铜-镍、铜-铅-锌为主)，芬兰1座(1 450m，铜-锌)，印度3座(1 681～3 200m，金)，南非76座(1 524～4 117m，金)，美国6座(1 600～2 438m，金、铜、银)[31]。

如此说来，应该是，20世纪80年代中期，据不完全统计，世界上开采深度超过千米的金属矿山至少有79座[31]。国内1996年就统计得出，国外开采深度超千米的金属矿山有80多座[12]。尔后，这一数据一直被许多研究者广泛引用至今[14，18-27]。

2 国内深部矿床开采研究现状与进展

2.1 国内深部矿床开采现状与进展

从网络上流行的个人，甚至是应该比较权威的集体所发布的关于我国煤矿开采超千米的矿井数据，存有很大的差异：采深超过1 000m的煤矿有8处(《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》编写小组，2005，06)；开采深度超过1 000m的有开滦赵各庄、新汶孙村和华丰矿、攀枝花小宝鼎和大宝鼎等10余处(煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划，发改能源〔2006〕1044号)。对于国内进入煤炭开采深度超千米的矿井数据，有很大差别：目前全国煤矿平均采深400m，东部地区煤炭采深超600m，全国已有34个矿井采深超过1 000m(2010年06月21日 23:52，来源： 21世纪经济报道)；我国大中型煤矿平均开采深度为456m，最深达1 365m，已有近50个矿井采深超过1 000m(辽宁工程技术大学党委宣传部，2010-1-26，http://www.lntunews.cn/show.asp?ID=6888)。

初步文献追索和某些矿井研究结果表明，似乎是最早报道的中国大陆超千米的煤矿有：赵各庄矿最大采深已达1154m，其他矿区如淮南、新汶、北票、长广、沈阳等也有一批矿井 开采深度接近和超过1 000m[33]。后来的研究者给出的数据更为具体，开采深度超千米的矿井有：沈阳彩屯矿(1 199 m)、开滦赵各庄矿(1 160 m)、新汶孙村矿(1 055 m)、北票冠山矿(1 059 m)和北京门头沟矿(1 008 m)；开滦唐山矿、马家沟矿和林西矿、北票台吉矿、新汶华丰矿、长广牛头山矿和阜新王家营矿等矿井的开采深度接近1 000 m[27,30]。同样地，被后人广泛引用[21,23-24,27,31]。不过，有的数据略有变化，也增添了个别的矿，如开滦赵各庄矿(1 159m)、沈阳彩屯矿(1 197 m)、浙江长广矿1 000m、徐州张小楼矿1 100m[19,21,23-24]。

据1995年初统计，国有重点煤矿现有生产矿井中，最终开采深度达1 000 m深矿井有47处，采深大于1 200 m的特深矿井有30处。这些深矿井和特深矿井主要分布在开滦、鸡西、七台河、北票、舒兰、沈阳、新汶、平顶山、徐州大屯、淮南、长广和南桐等矿区。其中：最终开采深度最大的是一平浪煤矿的抗八矿，其最终采深将达到1 483 m。其次是沈阳矿务局彩屯矿，其最终采深将达到1 449 m。其他如鸡西矿务局小恒山矿、北京矿务局房山矿，其最终采深将分别达1 432 m和1 421 m。另外，抚顺矿务局老虎台矿、天府矿务局三汇二矿、徐州矿务局旗山矿、通化矿务局道清矿北斜井、砟子矿四立井、北票矿务局冠山矿，其最终采深分别将达1 394 m、1 350 m、1 333 m、1 330 m、1 325 m、1 310 m和1300 m[30]。

在中国煤炭开采中，河北省开滦赵各庄矿是开采深度达到千米以上的最早矿井之一：1977年，开拓水平(12水平)的标高为-1 002.8m，深度为1 056.7m；1990年，开采深度达1 056.8m(-1002.3m)，开拓水平(13水平)已达1 154.5m(-1 100m)；目前，开采水平主要集中于13水平(1 154.5m)；开拓水平为14水平(-1 200m)①。

1999年6月，山东省新汶矿业集团孙村矿开采水平达-800m(埋深975m)；2003年，开拓水平-1 100m(埋深1 275m)[34]。目前，孙村矿的开采深度已达-1 100m(垂深1 350m)[35]。协庄矿、潘西矿和华丰矿开采深度都超过了千米[36-39]。华丰矿最大开采深度1 230m，四煤层工作面开采深度1 050m[36]。淄博矿业集团有限责任公司唐口矿[40]、平顶山煤业 (集团) 有限责任公司平煤5矿和十二矿[41-42]、徐州矿务集团庞庄煤矿张小楼井[43]、夹河矿[44]、河北金牛能源股份有限公司邢东矿井田[45]的开采深度都达到了千米以上(表2)。

千米采深的金属矿山也见诸报道，狮子山铜矿(后来的文献称冬瓜山铜矿)最早达到开采深度千米以上，为1 100m[46]。

对冬瓜山铜矿，存有不同的表述：开拓深度达1 074m[11]和1 100m[25]。

表2 中国大陆开采深度超千米矿山(井)(数据来源见正文)

2.2 国内深部矿床开采研究现状与进展

在煤炭深部开采方面，开采深度最大，也是最早的开滦赵各庄矿与新汶孙村矿，都是最早设立深部开采突水与高地应力等问题进行专题研究的矿井。

“七五”期间，开滦矿务局组织了《赵各庄煤矿深部-1 200m以上奥灰水承压含水层的安全开采技术的实验研究》等项目的研究；1992年，新汶矿业集团立项《深部开采井巷矿压及布置的研究》课题，为孙村煤矿-1 100 m开采水平及新汶矿区其他矿井的深部开拓巷道布置及开采部署提供理论和技术依据[47]。《新汶老区埋深1300m煤层开采综合技术研究》项目，于2003年获中国煤炭工业协会科学技术奖项目一等奖。

在金属矿山深部开采方面，1995年，国家计委以科技〔1995〕1539 号文批准将冬瓜山矿床《千米深矿井 300 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。由此，标志着我国政府与企业在20世纪末期，对深部金属、煤炭资源安全、有效、经济开采的技术保障条件研究的启动和重视。

21世纪以来，国家与政府对深部矿床开采越来越重视。在深部资源开采，尤其是煤炭深部资源和开采问题的研究上，得到了政府的极大重视。科技部、国家自然科学基金委等相继设立了一系列项目：《深部开采条件下工程岩体的力学行为及灾害的探测、防治与对策》(2002年，国家自然科学基金委“创新群体研究”项目，批准号：50021402)；《深部岩体力学基础研究与应用》(国家自然科学基金重大项目，批准号：50490270)；《深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究》(973计划2006年立项项目，批准号：2006CB202200)；《煤矿突水机理与防治基础理论研究》(973计划2007年立项项目，批准号：2007CB209400)；《煤炭开采中的动力灾害机理与防治基础研究》(973计划2010年立项项目，批准号：2010CB226800)和《深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论》(973计划2010年立项项目，批准号：2010CB732000)；深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论(973项目编号：2011CB201200)；《深部煤炭开发中矿井工程地质理论与方法研究》(2003.01～2007.12，教育部优秀博士论文基金)及众多的国家自然科学基金等面上项目。

3 深部研究展望

对于中国大陆来说，煤矿开采深度超千米的深矿井仅限于大兴安岭-太行山一线以东地区，且主要分布在华北(太行山以东)地区、东北的南部和内蒙东部地区。对华北地区来说，譬如，开滦矿区，开采深度最大的赵各庄矿，距奥陶-石炭系风化面的间距，有的地段已不足百米。而其开采煤层与奥陶纪灰岩含水层的最少安全厚度至少应在80m以上。目前，13水平(1 154.5m，突水系数小于0.1 MPa/m)的开采已经达到了基本安全的程度。

《煤矿防治水规定》(国家安全生产监督管理总局令第28号，2009年09月21日)中指出：底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m。开滦赵各庄矿开采14水平时，将遇到突水系数超过0.1 MPa/m的潜在突水问题。因此，从目前的技术水平来说，距奥灰间隔小、且突水系数大的情况下，尚无有效的解决办法。

从开采千米以上矿井的情况来看，地温和瓦斯突出的情况也千差万别，孙村矿、平煤集团所属的一些矿，地温相对高于相同深度的赵各庄矿。因此，由于地质与水文地质条件等的不同，目前很难得出解决这些深部开采中遇到的棘手问题的理论基础。

山东省是中国煤矿开采深度达千米以上矿井最多的省份。从开采经济、安全等角度来看，即使是煤矿区地质条件简单的情况下，由于高应力(变形)、高瓦斯含量、高地热、高突水潜在风险和提升或运煤上井的高成本和技术难度大等原因，而不得不停批建设千米以下煤矿(CCTV.com 2008年02月20日 16:53 来源：新华网)。

中国大陆的煤炭资源主要分布于昆仑山-大别山-秦岭一线以北，千米以上采深的煤矿仅分布于华北地区东部、东北南部与内蒙东部地区。在大兴安岭-太行山以西，六盘山以东的地区，开采深度大都不足千米。在六盘山以西的甘肃、青海和新疆等地，特别是新疆地区，大多数煤矿的开采深度不大，而且，煤炭自燃问题非常严重。所以，在大兴安岭-太行山以西地区，就煤炭开采问题而言，深部开采问题还远远提不上议事日程。此外，由于大兴安岭-太行山以东地区的深矿井中，多数地方的煤层距奥灰岩很近，加大开采深度的客观可能性已经很少。所以，从某种角度来说，深部资源勘探的作用巨大，可能是一个忽悠某些人或机构的伪问题。

从开采深部矿产资源所遇到的“三高”[13,19-24,27](或“四高”[28])一扰动也好，还是尚有华北东部地区高潜在突水风险的存在也好，这些深部矿产开采中遇到的问题的产生机理，应该与国外的相似，而最大的不同，应该是地质与水文地质条件，以及开采方式等的不同。因此，大力加强国外深矿井勘探、开采的方法与技术措施的研究，根据我国具体的矿区(井)地质与水文地质条件，进行适用性研究，应该是比较合理，并且是能解决实际问题的有效途径之一。20世纪90年代就已经得出的国外开采深度达千米以上的金属矿山有80多座的数据，到今天已经变化了。

4 结论

1)20世纪80年代中期，国外开采深度超千米的金属矿山已有79座，90年代中期达80多座，目前，至少在114座以上。

2)中国开采深度千米以上的金属矿3座，煤矿至少17座，最大煤矿开采深度矿井是山东省新汶集团孙村矿，开采深度1350m。

3)千米以上深度煤炭开采区，仅限于华北地区之太行山以东地区、东北南部与内蒙古东部地区。目前，深部煤炭资源开采的研究区域仅限于上述地区。

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