金川大型难采矿床安全高效开采关键技术与面临难题

杨志强，高 谦，王永前，姚维信，陈得信

(1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100)

金川镍矿位于我国甘肃省河西走廊中段的金昌市境内，金川镍矿是世界著名的多金属共生的大型硫化铜镍矿床之一，分布在龙首山下长6.5km、宽500m的范围内。已探明矿石储量为5.2亿t，镍金属储量550万t，列世界同类矿床第3位，铜金属储量343万t，居中国第2位。

近年来地质勘探成果表明，金川镍矿深部、边部及外围具有良好的找矿前景。金川矿石还伴生有钴、铂、钯、金、银、锇、铱、钌、铑、硒、碲、硫、铬、铁、镓、铟、锗、铊、镉等元素，其中可供回收利用的有价元素有14种。矿床之大、矿体之集中、可利用金属之多，在国内外都是罕见的。

金川镍矿分为4个矿区，其中Ⅰ、Ⅱ矿区为正在开采的富矿，Ⅲ、Ⅳ矿区为将开发的贫矿(见图1)。位于矿床中部的Ⅱ矿区，矿石品位高，矿体规模大，是金川公司的主体矿山。F17断层错开Ⅱ矿区分成1#和2#两个矿体。

图1 金川镍矿矿区划分与位置

金川镍矿发现于1958年，1959年开始建设。工程分为两期：一期工程设计龙首井下开采年产矿石52.8万t，露天矿年产矿石170万t，1966年10月正式投产。1967年以后进行了一期工程扩建。1978年金川被列入国家资源综合利用三大基地之一。1982年老采坑闭坑，随着露天矿老坑闭坑对露天井下三角矿部分扩大了露天开采，形成了年产70万t矿石的露天生产能力，扩建一期工程使矿山为选冶提供了生产20000t电镍的矿石资源。

金川二矿区于1966年开始建设，1982年试生产，1983年正式投产。一期设计规模为日产矿石3000t，年产矿石99万t。1983年投产以来，二矿区产量一直稳步增长，1987年出矿量突破百万t大关，1990年达到128.4万t。1995年提前1年二期工程建成投产，2003年首次突破300万t大关 ，提前两年达到二期改扩建生产能力，并以每年10%的速度增加，2009年达到430万t，2012年将达到450万t，成为我国为数不多的地下大型坑采现代化充填矿山。

1 二期工程高效开采潜在风险与面临挑战

1.1 金川镍矿采矿技术条件与开采技术难题

1.1.1 金川镍矿采矿技术条件

金川矿区岩层多为古老变质岩，节理裂隙十分发育。在成矿前后经历了多次构造运动，火成岩活动，矿石和围岩均受到不同程度的破坏，因此岩层整体稳定性差，矿区地应力高，地压大。因此金川矿区矿床赋存条件以“富”(矿石品位高)、“大”(矿体规模大)、“深”(矿体埋藏深)、“碎”(矿岩体破碎)著称于国内外，是一座典型的厚大难采矿床。

1.1.2 二期工程开采存在的技术难题

二期工程主要开采1250m水平以下矿体，工程分为3个阶段，即1250～1150m为前期工程，1150～1000m为中期工程，1000～700m为后期工程。由于矿体呈透镜状产出。随着矿体延深，矿体厚度增加，采场面积逐渐扩大。表1为二矿区1#矿体一、二期工程采场面积对照表。由此可见，开采面积从一期工程的5万m2到二期工程达到12万m2，开采深度也接近1000m，上覆充填体超过1200万m3。与一期工程相比，二期工程的地应力环境和采场参数均发生了根本变化，给采矿生产带来一系列技术难题：一期工程成功实施的大面积连续开采工艺能否推广应用于二期工程？上覆岩层和充填体整体移动和下沉会不会导致采场整体失稳？高应力不良围岩巷道地压能否得到有效控制？深部采矿岩移是否影响竖井工程的稳定性等。这些问题的解决关系到二期工程的安全、高效开发，也决定金川企业可持续发展以及在国际上的竞争力。

1.2 二期工程开采潜在的灾变失稳风险模式

根据一期工程采矿实践和工程经验以及深部采矿技术条件，明确了二期工程采用大面积连续开采存在以下采矿风险与失稳模式。

表1 金川二矿区西部1#矿体一、二工程采矿参数对比(地表标高1750m)

1.2.1 二矿区二期工程整体失稳风险与灾变模式

采场围岩和充填体构成的采矿系统潜在三种失稳风险。

1.2.1.1 构造控制的块体滑落失稳风险

根据关键块体理论，关键块体的形成和滑移失稳，首先取决于矿体与围岩的断层、剪切破碎带和矿岩接触带等大的地质构造面与采场临空面切合形成的可移动块体，块体的稳定性还依赖于地质构造面的抗剪强度以及支撑块体的充填体强度。这种失稳模式主要受控于断层、剪切带以及矿岩接触带等构造断裂带的位置、产状以及力学特性，因此将该失稳模式称之为“构造控制型失稳”。

随着二期工程采场面积逐步扩大，断层、剪切带和矿岩接触带等构造面与采场临空面切割围岩构成的可移动块体数量增多、体积扩大。可移动块体在深部高地应力环境的作用下，可能向采场内移动或滑落，形成关键块体，造成采场围岩和充填体整体失稳。因此，这种失稳模式是二期工程潜在的重大风险之一。

1.2.1.2 能量控制的采场突变失稳风险

矿山开采过程伴随着矿岩体能力聚集、损耗和释放。当矿岩中损耗和释放的能量小于围岩聚集变形能时，采场围岩变形能将逐渐增加，并且在达到某一临界值突然释放。采场地压活动程度依赖于矿岩的能量释放率(单位时间释放的能量)，决定着地压灾害的危害程度。采场矿岩能量的储存和释放，主要取决于矿岩质量和充填体强度。矿岩强度越高，储存的能量也就越多。充填体强度越高，吸收的能力也就越多。因此，这种灾变失稳由岩体能量释放率控制，故称之为“能量控制型灾变失稳”。

二矿区二期工程进入深部开采，深度增加和地压增大。在高地应力环境中的矿岩强度显著提高，由此提高了采矿系统的能量储备。因此，采准和进路工程在掘进中的能量释放率有所增大，地压活动日趋剧烈，由此潜在由于采场围岩能量释放所导致的灾变失稳风险。

1.2.1.3 水平矿柱压杆式灾变失稳和塑性破坏

二矿区1#矿体二期工程采用双中段或3中段开采。图2显示了1150m和1000m两个中段同时向下开采示意图。由此可见，上、下中段同时开采，在其间形成采场中的梁(二维结构)或板(三维结构)承载结构，通常习惯称之为水平矿柱。该水平矿柱承受矿区水平构造应力以及充填体的自重作用，类似于压杆结构。其结构稳定性取决于矿区水平构造应力以及水平矿柱的抗压刚度。随着上中段开采向下推进，使水平矿柱逐渐变薄，其抗压刚度随之在减小。与此同时，部分矿柱材料达到屈服应力状态而发生屈服破坏，使整个矿柱的承载能力降低。因此，在矿区水平构造应力的作用下，潜在两种失稳模式：其一，当水平压力达到矿柱的临界荷载，发生类似于压杆的突变失稳；其二，水平矿柱随着内部集中应力的作用逐渐屈服而全部变成塑性区，使采场地压剧烈显现。这种失稳模式称之为“压杆式失稳模式”。

图2 双中段回采形成的水平矿柱示意

1.2.2 二矿区二期工程局部破坏失稳模式

相对于整体失稳与灾变风险，二矿区二期工程中的局部破坏与失稳是采场剧烈的地压活动，导致采场出矿进路、采准巷道、地下硐室或开拓竖井等工程剧烈变形破坏，从而影响采场的正常生产甚至停产。由于这种灾变失稳或变形破坏主要发生在采矿工程中。因此，在此称之为局部破坏失稳模式。其破坏模式主要有以下几种形式。

1.2.2.1 巷道顶板充填体脱落

在采矿生产中，经常发生充填假顶(混凝土)离层脱落，发生掉块和冒顶。尽管这种破坏并不影响整个采矿生产系统，但却严重危采矿人员安全，给采矿生产潜在重大安全隐患。

1.2.2.2 高应力巷道碎胀蠕变变形破坏

节理裂隙围岩在屈服破坏过程中，除了发生塑性变形，还伴随节理碎胀、滑移与扩容，这种变形特征称之为碎胀蠕变。与弹塑性介质相比，碎裂岩体的碎裂变形具有以下两个显著特点：①变形量大，变形速率快，四周来压；②变形持续时间长，难以控制。

随着开采深度增加，节理岩体碎胀蠕变变形特征日趋明显。进入二期工程，采区面积扩大，埋藏深度增加，地压增大。因此，对于节理裂隙发育的金川矿岩条件，碎胀蠕变变形会越加突显著。例如1000m环形运输道工程掘进成巷不到1个月就发生大变形破坏，个别地段变形达1m多。因此，二期工程高应力环境的不良围岩变形控制和稳定性维护使采矿生产面临严峻考验。

1.2.3 岩移诱发构筑物变形破坏和灾变失稳

充填法采矿岩层移动问题一直为采矿界所忽视。通常认为，充填法尤其是胶结充填法采矿，能够控制采场围岩变形和岩层移动，不足以对地表和矿区构筑物产生严重影响。事实上，金川二矿区一期工程的采矿实践表明，对于类似于二矿区厚大不稳固围岩的矿体开采，仍然存在采场围岩变形导致岩层移动，甚至发展到地表，危及矿区重要构筑物的安全与稳定。金川矿区的地表张裂缝的出现以及地表岩移的监测结果显示，一期工程开采已经引起采场围岩的剧烈沉陷，导致采场顶板围岩下沉并发展到地表。

二期工程的采矿生产，不仅加剧采场围岩变形，而且影响范围逐步扩大。岩层移动对矿区构筑物稳定性的影响，潜在着矿山构筑物的灾变失稳风险，也是二期工程最严重的安全隐患。

2 二期工程开展的重大采矿技术攻关课题

为了实现金川二矿区二期工程安全、高效生产，针对二期工程建设潜在的安全隐患和灾变风险，提前开展了二期工程采矿技术攻关。随着工程进展，结合采矿生产进行了矿区深部工程地质，采矿系统优化、高应力碎裂围岩巷道支护、充填体强度匹配以及岩移规律与控制技术等综合技术研究，揭示了二期工程大面积充填法开采采场地压规律，优化了盘区开采顺序与回采工艺，确定了深部采场胶结充填体的匹配强度，成功地实施了1150m中段无矿柱大面积连续开采，大大提高了采矿回收率、矿石贫化率以及矿山生产能力，实现了大型难采矿床安全高效生产。整个二期工程采矿技术研究划分为两个阶段：前期研究阶段和大面积连续采矿阶段。

2.1 前期开展的采矿技术攻关

1994～2002年的8年间，是二期工程前期开发建设与稳步发展阶段。此时矿体埋藏深度较小，双中段(1150m与1000m)开采之间的水平矿柱较厚，采场地压不甚显著。

2.1.1 深部开采的安全评价与风险预测

为了分析和预测深部矿体开采潜在的安全隐患和灾变风险，以便尽早采取安全措施，实现二期工程无间柱大面积连续开采，北京科技大学和中国科学院地质与地球物理研究所在1994～1997年间，与金川镍矿共同开展了深部开采的安全评价与风险预测关键技术研究。进行了深部工程地质分区与岩体分类、矿岩力学特性和地应力测量、现场地质调查与围岩分类、充填体变形监测与采场灾变失稳预测等研究。由此获得了以下重要结论。

1)交替安排20m矿柱和80m矿房的两阶段回采方案，不失为回采富矿的一种方法。但这将会导致回采工艺复杂，增大充填作业和回采矿柱的困难，并在经济上不尽合理。

2)采用无间柱连续回采将导致充填进路的破坏，特别是1225～1150m水平较为严重，潜在着整体和局部变形破坏风险。

3)回采富矿时会导致上盘贫矿严重破坏，必须采取相应的控制措施，避免给今后开采贫矿带来技术和经济上的困难。

2.1.2 二期工程深井采矿系统优化与决策

针对无矿柱连续开采潜在的安全隐患，北京科技大学与金川镍矿在1998～2001年间联合开展了金川二矿区采矿系统优化与决策研究。首先分析了深部开采潜在的安全隐患和失稳模式；然后在分析总结前人研究的基础上，采用工程地质调查、围岩和充填体变形监测和深部连续开采过程的数值仿真模拟等综合手段，进行了采场稳定性影响因素分析与安全评价以及采场巷道地压控制等关键技术研究；最后给出了以下主要结论。

1)相对于一期工程，二期工程的围岩变形和破坏机理发生较大变化，其主要特征是应力环境向静水应力场发展，深部围岩主要以碎胀变形为主，导致围岩变形速率增大，变形控制更加困难。

2)采场整体稳定性研究结果显示，采场围岩存在构造型矿体失稳和整体失稳模式，其不稳定块体在矿体下盘围岩，由F16、Fb和Fc三个断裂和采场下盘临空面构成。

3)能量控制失稳仍以整体突变失稳为主，其次是采场围岩和充填体内挤收敛变形破坏，其地表下沉和整体屈服所导致整体失稳的可能性较小。但总的失稳概率达到11.28%，与构造块体失稳概率接近，由此潜在的失稳风险应特别关注。

4)影响采场整体稳定性因素主要是回采水平的开采比例和水平构造应力以及两中段同时下降距离。结果表明，开采水平是导致整体失稳的突破口。当开采水平的比例增加时，潜在失稳风险也就越大。因此，在即将结束回采水平时，尤其注意不要因爆破等其它因素扰动，导致大面积来压和诱发整体失稳；调整盘区下降水平，使沿走向采场的回采工作面形成错落有致的采场临空面，也是提高采场整体稳定性行之有效的安全措施。

5)基于已建立的采场围岩和充填体变形监测系统，结合地表GPS变形监测网，进行采场围岩与充填体的变形监测好风险预测，确保深部采矿安全。

2.1.3 地表岩移观测网的建立与风险预测

针对1998年初在二矿区地表发现了张裂缝，由此判断地下开采引起围岩变形已经发展到地表，导致地表岩层发生沉降、错动和张裂。为此1999～2000年间，金川镍矿与中科院地质与地球物理研究所合作，建立了二矿区地表岩移GPS观测网。通过2001～2002年多期GPS观测结果显示，金川二矿区地表岩层受地下开采影响，已经发生水平位移和沉降，在二矿区1#矿体上盘地表Ⅳ222和Ⅳ220监测点的三维位移量分别达到了47.39cm和40.80cm。二矿区地表变形较显著区域在10～22行之间，并以14～18行为中心形成一个移动盆地，变形量之大出乎预期。14行风井工程已经处于围岩变形影响范围，潜在灾变失稳风险。

2.2 二期工程大面积连续开采技术攻关

2004～2010年的8年期间为二期工程采矿生产阶段。结合二期工程的采矿实践以及二期改扩建工程建成投产，采矿生产能力逐年提高，开采强度逐年加大，盘区开采水平下降速度加快，2010年底1150m中段回采结束将转入850m中段，开采深度将达到800～1000m，采场面积将扩大到7万～12万m2。在此期间，采场地压活动更加剧烈，采矿工程稳定性控制面临严峻挑战。尤其随着1150m中段连续开采，1000m中段的水平矿柱逐渐变薄，其矿柱在高地应力作用下应力高度集中，其采场的稳定性以及围岩变形较1150m中段更为突出。尤其1150m中段水平矿柱回采结束，采场轴比的变化也必然导致采场围岩和充填体应力发生剧烈变化，由此影响采场围岩和充填体的整体稳定性。可见，二矿区二期工程进入中期阶段，深部开采面临更加严峻的问题。为此，金川公司在2004年和2007年的第16次和第17次科技大会上，实施了二期工程重大课题研究和关键技术攻关，开展了一系列重大科研课题研究，研究解决了重要的采矿生产难题，实现了二期工程1150m以上厚大矿体大面积连续开采。图3和图4分别为金川集团公司在第16次和第17次科技大会上确定的二期工程采矿技术攻关研究课题。

图3 第16次金川科技大会确定的二期工程采矿技术攻关课题

3 亟待解决的重大技术难题

金川镍矿经过半个多世纪的开发建设，已经发展成为年产接近1000万t矿石的大型现代化矿山。依托丰富的矿产资源，金川集团公司已建成采、选、冶、化配套的大型有色冶金与化工联合企业，是全球主要镍钴生产企业。2013年8月由中国企业联合会、中国企业家协会组织召开的2013中国企业500强发布会上，金川集团股份有限公司以1511.86亿元的营业收入，位列企业500强第88位、制造业企业500强第30位。

图4 第17次金川科技大会确定的二期工程深部开采技术攻关课题

金川企业的发展与壮大，矿产资源是基础。综合开发与合理地利用宝贵的金川资源，实施资源控制战略，是金川企业可持续发展，壮大主业，增强核心竞争力的重要保证。针对金川资源的开采现状以及企业发展对资源的需求，亟待解决以下几个重大科技难题，实现金川资源的安全、高效开发和综合利用。

3.1 二矿区采富保贫遗留的贫矿开发的技术难题

二矿区在一期工程中采取了“采富保贫”的开采方针，因此保留了1328m以上和1328～1250m上盘厚度大于20m的贫矿体(图5)，其矿石储量约为1033.7525万t。同样，在二期工程的1150m中段采矿中，下盘贫矿在回采中大部分已被带采出来，但上盘贫矿仍大部分被保留其中。

图5 二矿区1#矿体采富保贫遗留贫矿资源

鉴于金川企业的快速发展以及对矿产资源的迫切需求，实现公司规模、效益跨越式发展，尽早研究开发二矿区贫矿资源不仅势在必行，而且迫在眉睫。无论是1250m以上贫矿还是1150m中段上盘资源，均处于开采扰动的次生应力环境中。不仅贫矿节理裂隙极为发育，而且受采矿扰动的围岩和矿体稳定性更差，必然给采矿工程的掘支带来巨大困难。尤其贫矿开采再次扰动采场围岩，再次导致采场围岩变形，诱导岩层移动，必定对处于岩移范围内的14行风井和西主井的稳定性产生重大影响。因此，二矿区贫矿资源的开发利用，需要研究解决以下两个关键技术难题。

1)贫矿开采地压规律与巷道工程稳定性控制。保留的贫矿处于采动影响区内，虽然对采场进行了胶结充填，但充填体难以完全控制采场围岩的变形。由于上盘围岩和矿体本身节理裂隙发育，加之受采动应力作用。因此，贫矿开采的采矿工程的掘进和稳定性维护必然存在更大困难。合理优化采矿系统、尽可能利用保留的掘进巷道，优化回采顺序，采取与之相匹配的充填体强度，维护采矿巷道的稳定性是二矿区开采的必须解决的关键技术之一。

2)贫矿开采对竖井影响风险预测与稳定性控制。地表变形监测显示，14行风井和西主井均已受到采矿活动的影响，处于岩层移动范围内。尤其14行风井已经发生坍塌冒落，给二矿区采矿生产带来巨大影响。开采保留的贫矿必然加剧采场岩层移动速率，加剧对竖井工程的稳定性影响。因此，分析和评价贫矿开采对竖井工程稳定性的影响和风险预测，并研究提出行之有效的工程稳定性控制技术，确保竖井工程的安全使用，是贫矿开发利用亟待解决的另一重大关键技术难题。

3.2 二矿区850m中段深部高效开采技术难题

随着1150m中段开采接近尾声，采矿中段转移到850m中段，形成1000m中段和850m中段同时生产的局面。850m中段埋深接近千米。与上部中段相比，不仅地应力高，而且地下水也日趋丰富，地温升高，由此给850m中段开采带来严峻挑战。因此，850m中段深部矿体安全高效开采亟待解决以下关键技术难题。

1)深部矿体连续开采安全评价和风险控制技术。鉴于深部矿体采矿技术条件与上部相比已经发生本质变化，因此，研究1150m中段成功实施的大面积连续开采工艺，在深部采场应用的可行性与可靠性。这不仅需要进行深部矿床采矿技术条件的深入研究，更重要的是全面总结1150m中段以上大面积连续开采的成功经验与关键技术，并结合深部矿床开采技术条件，进行深部矿床无间柱连续开采的安全评价与风险预测，从而提前采取安全措施和控制技术，确保深部采矿的安全生产。

2)高地应力碎裂巷道围岩稳定性控制技术。金川镍矿属于高地应力矿山，随着开采深度增加，采场地压增大，因此处于高应力环境的深部碎裂围岩碎胀蠕变特性将更加显著。因此，采场围岩变形机理与控制技术是深部矿体开采亟待解决的关键技术之一。

3.3 700m中段资源详细勘探与开发技术难题

金川矿区采矿深度已经接近第一轮地勘深度。为了保证矿山开采持续发展，必须加大矿山深部勘探工作。因此700m中段资源勘探是查明接替资源和开采规划和资源开发的重要基础。为此，需要解决以下关键技术难题。

1)深部高地应力围岩快速钻探技术。矿山工程地质条件复杂，围岩破碎，地应力大，钻孔在软弱岩层中布置的工程较多。钻孔施工过程中，钻孔塌孔、缩径严重，导致孔内事故频繁，机台钻进效率与岩矿芯采取率较低，有时甚至导致钻孔报废，严重制约了矿山钻探工程进度及钻孔质量，直接影响钻探效率、钻探经济效益和矿山地质勘探进度以及勘探质量。因此，深部高地应力围岩快速钻探技术是深井勘探亟待研究的关键技术。

2)深部矿床开采数字化矿山建设与远程控制采矿技术。深部700m中段及以下矿床开采深部已超过千米，因此，采场地压大、地温高和地下水丰富等采场赋存条件，不仅提高采矿成本，而且还给采矿生产带来安全隐患。数字化矿山建设可实现采矿的实时监测、可视化控制和动态管理，从而提高矿山的人员管理、安全监测和风险控制，并可以实现采矿生产的远程控制，改善从业人员的工作环境和安全生产。因此，开发建设深井采矿的数字化建设，是二矿区深部矿体开采研究解决的另一关键技术。

4 结束语

由于金川矿区复杂地质条件和丰富的矿产资源，金川镍矿资源开发利用一直受到国家领导人的高度关心和大力支持，也引起国内外采矿界专家学者的关注和兴趣。建矿50多年来，国内外高等院校和科研院所与金川工程技术人员合作，开展了大量的和卓有成效的科研工作，解决了金川大型复杂难采矿床1150m中段以上大面积连续开采的技术难题，大大提高了矿山的生产能力，确保矿山的安全生产。

随着矿山生产进入深部开采，采矿生产必将面临更多和更加严峻的技术难题，真诚邀请国内外同行专家、学者能够到金川矿山来，开展科研合作，开展采矿技术攻关，解决采矿生产中的技术难题，为金川企业发展献计献策，为金川集团公司以及我国有色工业的发展做出应用的贡献。

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