金属矿山深部矿体开采工艺的技术改造

李学锋,谭定新,刘湘莲

(广西大学资源与冶金学院， 广西 南宁 530000)

1 深部矿床开采技术条件的特点

深部矿床资源的开采技术条件与浅部相比，主要表现为“三高一扰动” ，即“高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动”。这些不利条件不仅恶化了工作环境，导致动力灾害如岩爆、冒顶等日趋增多，更严重的是使井下作业人员的心理、生理承受力脆弱而产生的伤亡增加。

1.1 深部矿岩的高压、高温环境

(1) 高地应力。随着矿井开采深度的增加，岩体的垂直应力呈线性增加趋势，大约每100 m增加2.6 MPa，水平应力变化复杂；深部地应力场是以水平构造应力为主的三向不等压空间应力场。据南非地应力测定，在3500～5000 m之间, 地应力水平为95～135 MPa 。国内矿山如安徽铜陵冬瓜山铜矿在-730 m 处最大主应力大约为35～40 MPa；凡口铅锌矿在-650 m水平最大主应力为31．2 MPa，最大主应力接近水平方向,最大主应力与垂直应力之比为1.02～1.7。高地应力为矿岩高能量聚积和岩爆发生创造了条件，高应力的存在是造成深部采矿灾害事故频发的主要原因之一。

(2) 高地温。常温带以下，地层深度每下降100 m，岩层温度就升高3℃～5℃。开采深度达1000 m以上的矿井, 岩层温度将达到30℃～50℃。据测定,在南非西部矿井3000 m深处, 岩层温度高达80℃；在我国铜陵冬瓜山铜矿1100 m深处的作业面, 岩层最高温度超过40℃。深井热害问题，已极大地损害了作业人员的健康和工作能力,使劳动生产率大大下降。

(3) 高岩溶水压和高井深。 随着开采深度增加，其岩溶水压将升高, 使矿井突水灾害更加严重；如铜陵冬瓜山铜矿主竖井掘到- 994 m深时,瞬时涌水量达1285 m3/h,水压8 MPa,水温41℃ ,造成井筒淹没。此外高井深环境将使矿石提升和排水的成本增加，管理困难。

1.2 深部矿岩的高硬度、高强度特性

(1) 高硬度、高强度特性。大型岩浆岩和变质岩岩基体如花岗岩、石英岩、大理岩等是组构大型、超大型金属深部矿床的源地，这类岩石基本都是高硬度和高强度的硬岩。前苏联采矿专家在研究中也发现,深度每向下延深500 m ,由于重力作用使矿岩的密度增加0.05 t/m3，矿岩的f系数提高1.25～1.45 ,弹性模量提高2.5 GPa。由于深部高地应力的存在，相当于在岩体内部预先施加了应力，使深部矿岩成为高储能体。国内外已有研究和现场监测结果表明, 当岩体内部弹性能达到或超过1.0×105 J/m3时，将发生岩爆。

(2) 动力响应的突变性。在深部开采条件下,岩体破坏具有强烈的冲击破坏性质, 其破坏过程往往是突发、无前兆的突变过程。巷道的突然坍塌和失稳, 采场顶板的突然大面积冒落和坍塌以及矿柱的突然倒塌和折断为主要的破坏形式。

2 深部矿体开采工艺的改进

在深部开采过程中，大部分矿山都沿用浅部矿体的采矿工艺和技术。比如采用传统的房式采矿法，把矿块分为矿房和矿柱，先回采矿房，后再回收矿柱；或留下部分矿柱以支撑围岩，控制地压活动。但是在深部“三高一扰动”特殊的地质力学环境下，矿柱一方面承受很大的静压力，另外还要承受其它采场开采产生的动应力扰动，矿柱在动静压力的反复作用下，就有可能产生严重的矿柱型岩爆。在这种情况下，要想回收矿柱，必然会导致生产安全条件差、矿石回收率低、作业成本高。

由于深部开采条件的恶化，常规的开挖方式、支护方法以及采矿工艺，都不能完全适应深部开采的要求。为此，国内外矿业工作者针对具体的矿山开采技术条件进行了开采工艺等方面的改进，以实现深部资源的高效、安全、经济开采，也取得了不菲的成效。

2.1 盘区房柱法

美国白松铜矿是个埋藏深度很大的(915 m)缓倾斜大矿体，一直采用普通房柱法开采，随着开采深度的增加，矿柱尺寸也随之加大，矿石回采率已降至57%。

因此，在610 m水平试验了盘区房柱采矿法，如图1所示。盘区房柱采矿法的主要思想是：当盘区宽度小于1/3采深时，盘区间留刚性矿柱，其宽高比为7，并作为永久损失，以控制顶板岩层不冒透地面。盘区中间留柔性矿柱，其宽高比为2。随盘区内矿石的回采，柔性矿柱自行片落；这样将上部岩体压力转移到盘区刚性矿柱上，而盘区内开采则处于压力拱内，压力降低，不仅使回采作业安全，而且极大地提高了矿石回收率，矿石回采率由57%提高到了62%～71% 。

图1 盘区房柱法与传统房柱法比较

2.2 二步骤充填开采法

红透山铜矿是我国目前开采深度最大的硬岩金属矿山，同时也是世界上浅孔留矿法应用深度第一的矿山(到-707 m中段即1157 m深度)。随着开采深度的增大,矿山地压显现由松脱地压转变为岩爆地压，即由浅部地质构造控制的冒顶、片邦等现象，逐步发展为伴有岩块弹射、爆裂甚至大量岩体瞬间崩落等现象为主，严重威胁矿山生产安全。矿山不得不对浅孔留矿法进行技术改造，改用留矿和分段回采的全面充填开采法，即一步矿房用留矿回采并嗣后胶结充填, 二步矿房用分段回采嗣后尾砂充填，如图2所示。

图2 两步骤采矿矿块划分及回采关系

矿山近10年的生产实践结果表明, 留矿和分段回采组合的二步连续开采法, 由于全面充填了采空区, 避免了阶段间矿柱出现较高的应力集中现象，保证了回采过程中的工作安全；既发挥出空场法回采强度大、生产效率高的优点, 又实现了采场稳定性好和矿石回收率高。

2.3 无间柱连续充填采矿法

上向分层充填采矿法一直是黄沙坪铅锌矿、南京铅锌银矿等的主要采矿方法, 与其它金属矿山地下开采一样, 一个矿块划分矿房和矿柱，先采矿房，再采矿柱。随着开采深部的增加，原岩应力进一步增大，采场顶板及上盘围岩应力集中对生产工人的作业安全和矿山正常生产带来了严重威胁。因此进行无间柱阶梯式连续回采分层充填采矿法试验。

如图3所示，无间柱连续充填采矿法是将整个中段矿块划分为一个回采单元。在回采过程中，采切、回采、充填三大工序在不同的空间平行连续进行, 相邻采场呈阶梯式错开分层作业。 即采用一步骤回采、连续推进的方式。

试验结果证明，无间柱阶梯式连续回采分层充填采矿法从根本上避免了原上向分层充填采矿法中两步骤矿柱回采所造成的大量矿石损失, 矿石回采率从不到80%提高到90%以上,矿石综合回采率大于86%, 矿石贫化率小于5%；同时大大简化了生产管理, 确保了回采作业安全。不仅既延长了矿山服务年限, 又提高矿山经济效益。

3 深部矿体开采面临的问题

虽然我国矿业工作者对地下金属矿山深部开采进行了大量研究，并取得了不少的成果,但同世界先进矿业国家相比,仍有很大的差距。目前,我国地下金属矿山深部开采技术面临的问题主要有4个方面。

图3 无间柱阶梯式连续回采分层充填采矿法

(1) 深部开采的理论研究有待加强与深入。深井采矿存在高温、高压、废石处理、矿石提升、深井排水等一系列问题，但人们的注意力过分集中在高应力矿岩的岩爆机理与预测预报方面。即使对岩爆机理与预测预报的研究也未能有效同采矿工艺技术相结合，取得有利于控制高应力与高井温环境的深井采矿方法。在深井水力开采、废石处理、水力制冷及水力提升等方面研究进展更是缓慢。

(2) 深部开采设计仍然采用传统的经验类比设计方法。深部矿体高温高压开采环境，迫切需要开展以地应力为切入点的金属矿采矿设计优化，以能量聚集和演化为主线的岩爆预测及防治，应用数值分析、虚拟现实等现代计算和模拟手段来确定安全经济合理的开采设计方案，实现采矿设计从传统的经验类比向科学的定量计算转变。

(3) 深部开采的机械化和自动化程度不高。目前我国进入深井开采的矿山只有少数几座实现了全盘机械化采掘作业, 今后还需要进一步改进和完善凿岩、爆破、运矿等设备的无轨化、液压化，开发研制新型智能化设备，如全水压破岩设备、地下低矮式破碎机、大功率水力制冷设备、深井泵送运输设备等；并不断提高设备智能化、无人化，以适应深井开采的恶劣环境。

(4) 地压监测系统的运用有待加强和提高。虽然我国深井开采的矿山已有几座建立了微震监测系统，但如何通过地震数据分析与解释，确定采矿诱发的地震在时间和空间上的分布规律和岩爆可能发生位置，通过岩体活动对采矿过程的反应监测，辅助矿山进行岩石工程设计和指导采矿生产则任重而道远。

4 结 语

我国深部开采正面临着一系列问题, 要实现深部矿体安全、高效、低成本开采, 必须加强深部开采理论的研究, 推动采矿新工艺新技术的运用；大力发展高效装备配套及自动化、智能化的数字矿山技术；同时提升矿山的风险评价与安全保障技术。

参考文献：

[1]李夕兵,姚金蕊,宫凤强. 硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题[J]. 中国有色金属学报,2011,21(10) :2551-2563.

[2]张合君,王洪勇,赵 伟. 红透山矿地压监测的实践[J]. 化工矿物与加工, 2008(6): 22-24.

[3]杨志国, 赵少儒, 汪令辉. 基于微震监测技术的深部采场采动规律研究[J]. 中国矿业, 2010, 19(2): 107-110.

[4]宫志新, 许卫军, 李 强，等.深井岩爆与采矿方法关系之研究初探[J].黄金, 2010, 31(2):23-27.

[5]张海军, 陈宗林, 陈怀利. 深部开采面临的技术问题及对策[J]. 铜业工程, 2010(1): 25-28.

[6]孙宏华. 对我国金属矿床深部开采技术的探讨及展望[J]. 有色金属: 矿山部分, 1996(6): 5-8.

[7]解世俊, 孙凯年, 郑永学, 等.金属矿床深部开采的几个技术问题[J]. 金属矿山, 1998(6): 3-6.

[8]何满潮,谢和平,彭苏萍，等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.

[9]李冬青,王李管.深井硬岩大规模开采理论与技术[M].北京:冶金工业出版社, 2009.

[10]蔡美峰. 岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用[J].金属矿山,2006(1):28-33.

[11]刘忠友,严 鹏,姚 香. 南非深井岩爆控制技术与中国引进应用评述[J].黄金,2011,8(32):30-34.

[12]周爱民. 国内金属矿山地下采矿技术进展[J]. 中国金属通报,2010(27): 17-19.

[13]王方汉,曹为勤,张文如.无间柱阶梯式连续回采分层充填采矿法试验研究[J].采矿技术,2008,8(4):4-6.