金属非金属矿床完整性安全高效开采理论模型

任凤玉 丁航行 张世玉 陈宝智

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

近年来，随着矿产资源的大规模开发，我国金属非金属矿山安全生产形势严峻，尽管采取了强有力的安全监管措施，各类矿山事故，特别是重、特大矿山事故仍然时有发生［1-5］。分析其原因，主要是金属非金属矿床的成因类型多，地质条件比较复杂，矿床开采引起地质体内的应力与气液重新分布后，容易造成部分区域能量集聚，这些被集聚的能量在采动影响下意外释放，容易造成重大灾害事故。近年来的复杂难采矿体开采理论研究与生产实践表明，为控制有害能量的集聚和意外释放条件，需要面对矿床的整个地质体，研究采动规律与危险源控制利用方法，在此基础上，进行矿体完整性开采的本质安全设计，将矿床地质体内的危险源尽可能多地消除于开采方案中，使生产过程主要防控残余危险源［6-8］。本研究结合国内金属非金属矿床开采安全现状，分析重大危险源的致灾过程，总结矿床采动规律的研究成果，研究重大灾害的防控方案与生产效率的提高技术，由此构建完整性安全高效开采理论模型。

1 近年来发生典型事故的原因分析

近年来我国部分矿山发生的典型灾害事故见表1。分析这些事故不难发现，几乎每起事故的发生都存在生产条件方面的问题，其中有些事故的原因中甚至根本没有操作者的过错，完全是由于生产条件或技术方面原因造成的。

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进一步分析可知：主要危险源在于地压，即岩体中存在的力，使得采矿工程与采空区的围岩不断积蓄变形能量，当积累到一定值时，导致围岩发生失稳破坏，引起滑坡、岩爆、矿柱垮塌、顶板大规模冒落等重大灾害。其次，采空区大量积水时，一旦与工作面联通，积水的相对势能转化为动能，冲击淹没井下人员与设备，也容易造成重大灾害。此外，采矿工程顶板掉块、采空区地表突然塌陷等，都可能造成人员与设备的严重伤害。地压活动与采空区的形成都是由采矿工程引起，其积蓄能量的意外释放，又可直接引发矿山重大事故。因此，提高采矿工程的本质安全程度，是防控矿山重大事故的根本。

2 本质安全设计理念

本质安全的英文翻译“Inherent Safety”中的“Inherent”有“本质的”、“固有的”、“内在的”等含义，因此本质安全也可以称为固有的安全、内在的安全［5，9］。本质安全作为一种安全理念，是指相对于传统的、依靠对人的管理和教育实现的安全而言，采矿工艺过程中生产条件的安全才是本质上的安全。因此，通过选择与创建安全开采工艺，进行本质安全设计，创造使人不易失误或者即使失误也无害的工作环境，才能从根本上保障生产安全。

然而，面对复杂的地质条件，采矿工程安全是相对的，危险是绝对的。经过本质安全设计后，虽然开采工艺中的危险源被消除、控制，使得危险性降低了，但仍然会有“残余危险”，而这种危险经过人为放大后，仍然可以引发灾害事故。因此，在采矿设计中，没有绝对的本质安全技术，只有针对某一危险源的相对安全技术可供采用。目前可用的相对本质安全技术可以归纳如下：

（1）用塌陷坑控制边坡滑移危害技术。超高边坡露天开采不再具有经济优势，并且环保压力大，因此深凹露天开采应适时转入露天地下协同开采，用地下开采创造的符合要求的边坡塌陷坑完整接收滑移体，使露天采场不受滑坡威胁［10-11］。这一技术经小汪沟铁矿与海南铁矿的生产实践证实，可从根本上消除边坡滑移危害。

（2）中深孔与深孔落矿技术。中厚以上的矿体开采中，采用巷道内凿岩、中深孔或深孔落矿，人员不在空场下作业，由此可不受顶板塌冒或掉块威胁。

（3）不留矿柱支撑的连续开采工艺技术。厚大矿体崩落法首采分段或倾斜矿体空场法开采等，不留矿柱或及时处理矿柱，不使其积蓄顶板冒落能量，促使顶板围岩按零星冒落形式完成初始冒落过程，再辅以适当的出矿口散体隔离技术，便可完全消除空区冒落气流的冲击危害［12-13］。

（4）巷道掘进支护。巷道100%的支护属于重要的本质安全技术范畴［14］。对于不稳围岩，紧跟工作（面）支护是维护稳定性的常用方法；对于稳定围岩，也应采取支护措施。这是因为，巷道掘进过程中的爆破震动，在巷道周边形成厚度不等的横向裂隙带，与岩体结构面组合，容易造成块体掉落。国外一些矿业公司规定，不仅对1.5 m 以上墙体与顶拱围岩进行锚网支护，同时对端部1.5 m 以上的掌子（面）进行锚杆压金属网片支护，用网兜住或控制住浮石，严防掉块伤人。

（5）支护材料的可靠性与耐久性。对于有岩爆矿山，可采用动力锚杆或树脂锚杆特殊安装结构，借助杆体的较大变形量适应动力冲击。对于常规的便于机械化施工的管缝式锚杆，对杆体内进行注浆，增大锚杆的摩擦力，防止杆体腐蚀，维持巷道服务期内的良好锚固力。

（6）遥控铲运机出矿。对于空场法采场内的崩落矿石，利用遥控铲运机出矿，避免空场顶板或四壁掉块伤人。

（7）天井与溜井机械化施工技术。倾角50°以上的采场天井或溜井，采用吊罐或爬罐施工，避免普通法施工人员受到掉块威胁，并可消除施工人员从工作台跌落的可能性。特别对于高度较大的阶段溜井，应全部推广溜井钻机施工，对于大结构参数分段落矿的切割井，应积极采用钻孔爆破一次成井方法施工，以提高危险性较大工程施工的本质安全程度。

总之，结合生产工艺与危险源控制需要，针对矿床具体条件研究或选用适宜的本质安全技术，用于矿床开采设计，同时改进安全施工技术，创造使人不易失误或者即使失误也无害的工作条件，才能杜绝矿山灾害事故的发生。

3 采矿方法构建与优选

为控制矿山重大灾害的发生，必须优选或研发适宜的采矿方法，严格控制采矿工程积蓄有害能量或其意外释放的条件。同时，采矿方法往往也对开采效率影响重大。理论分析与生产实践表明，为实现安全高效的开采目标，采矿方法的选择除了应适应矿体产状与矿岩稳定性等静态条件之外，还需要适应矿床采动三律［15-19］，即采动地压活动规律、岩体在地压活动下的破坏规律以及散体的移动或支撑规律。对于不同的采矿方法，三律的表现形式不同。对于露天开采，三律主要表现为边坡变形规律、断裂规律与滑移规律；对于地下崩落法与空场法，三律主要表现为岩体冒落规律、地压活动规律与散体移动规律；对于充填法，三律表现为岩体冒落规律、地压活动规律与散体对采场边壁的支撑规律。矿床的三律特点也可在一定程度上反映地压与空区等危险源的致灾过程。从适应矿体几何条件、顺应矿床三律和转化危险源做功方向三方面入手，研发安全高效采矿方法及其采场结构参数，是实现矿床安全高效开采的基础。

在矿床三律与危害源控制利用方法研究的基础上，可按图1所示的方法进行采矿方法优选与构建。

4 完整性安全高效开采模型构建

金属非金属矿床开采过程包括地质勘探、采矿设计、基建、生产与闭坑5个阶段，每一阶段都须识别重大灾害危险源，分析致灾过程与制定防控措施，以适应该类矿床地质条件复杂、地质灾害孕育时间长、危险源易被忽略的特点。尤其在采矿设计阶段，须重点研究矿床三律特性与危险源利用方法，最大限度地研发与采用本质安全技术；在基建与生产阶段，则需要研究与落实危险源或残余危险源的监管防控技术；在闭坑阶段，识别与消除遗留危险源。这5 个阶段的研究是相互联系贯穿一体的，前一阶段为后一阶段提供安全基础。

4.1 地质勘探模型构建

对于金属非金属矿床，导致重大地质灾害的危险源都是在地质勘探中可被充分探测的。借鉴国外经验，重大危险源的识别与控制须从地质勘探的源头做起。在勘探部门撰写地质报告时，须清楚阐述所提交储量被利用时的重大危险源，分析致灾条件与防控要点。此外，还须充分利用钻孔数据与其它勘探资料，借助三维软件建立矿床地质模型、地质结构模型、工程地质模型与水文地质模型等，为矿床安全高效开采设计提供充分依据。

4.2 设计研究与优化

设计阶段主要包括开发利用方案设计、开采设计与施工图设计。

（1）开发利用方案设计。首先要调查矿区采矿历史、危害事件、自然和人为的地下空区、冻土层、气候、工人技能、供应、运输、社会因素等，获取足够的地方和区域信息，同时调查市场条件和开采参数信息；其次，依据地质报告，分析建立岩土工程模型与采矿成本模型，并依据国家相关政策，综合研究确定采用地下开采还是露天开采方式，初选采矿方法，设计经济而安全的开发利用方案。

（2）开采设计。依据地质报告及其相关模型，针对初选的采矿方法，研究矿床三律与危险源控制利用方法，按三律适应性原理与危险源控制利用方法，构建、优选或改进初选采矿方法，形成设计的采矿方法及其采场结构参数，同时构建或改进开拓系统，使之与设计的采矿方法相适应。在开采设计中，对地压危险源的控制利用已形成了多种方法，可供一些大型或难采矿床开发选用，如利用地压破碎矿石的自然崩落或诱导冒落技术，既可改善采准工程的安全条件，又可提高开采效率［15］。此外，让压开拓与卸压开采［20］，可用最小的代价避免与克服地压破坏等。目前，对于水灾、高陡边坡、岩爆、盲空区、大规模采动岩移等危险源的控制利用成果较少，尚需分门别类地研究致灾机理与防控方法，须采用探测、监测预警等方法，防止灾害事故发生。开采设计对矿床完整性安全高效开采至关重要，须大力开发与充分利用本质安全技术，设计出矿床完整性安全高效开采方案。

（3）施工图设计。包括初始施工图设计与生产优化设计。首先基于开采设计，引入或执行行业最佳做法和标准，完成初始施工图设计；其次，利用开拓、采准与回采工程实施中的监测成果（如空区激光扫描、岩壁损伤评估、井巷变形与荷载监测、采场或边坡稳定性与岩土模型对比分析数据），进一步研究矿床开采条件与三律特性，据此优化后续工程的施工图设计，同时优化危险源监测防控方案与安全预案，确保矿山施工安全。

4.3 基建防控

根据重大灾害危险源致灾过程的防控要求，合理安排施工顺序，及时采取并实施防控措施，并建立探测、监测与预警系统。通常在基建期采取综合措施，严防重大灾害事故发生。例如对于大水矿山，为防治突水灾害，一方面，基于水文地质模型，研究预测开拓与采准工程施工中可能出现的突水地点，进行超前探测与治理，防止突水事故发生［21］；另一方面，在排水副井施工到位后，优先施工水仓与安装排水系统，防止突水淹井。对于破碎围岩地压危害，则需要利用矿床地质模型与工程地质模型，细部优选开拓工程的位置与采准工程的布置形式，并对主要开拓工程的工程地质条件进行钻孔探测验证，尽可能避开破碎围岩，或采取可靠的支护措施，确保基建工程顺利施工。

4.4 生产寻优

由于地质条件的复杂性，金属非金属矿床往往经过生产过程的实际揭露，才能获得矿岩相对精准的信息。因此，在生产过程中，需要利用开拓、采准与回采工程揭露的信息，随时修正地质、水文地质与工程地质等模型，并结合监测数据不断深入研究矿山三律特性与残余危险源致灾机理，顺应三律改进开采方案，优化采场结构参数，严格控制危险源及其致灾过程，不断改进采矿方法与工艺技术，提高开采效率与本质安全程度。对于地下水、高陡边坡、岩爆、盲空区等危险源，有必要建立建全必要的监测预警系统，制定安全预案，严防灾害事故发生。

4.5 闭坑治理

在矿床开采结束后，全面处理威胁地表安全的露天采坑、地下采空区、硐室与井巷工程等，对地表进行整形、复垦或绿化，由此完成矿床开采全过程。贯穿生产全过程的矿床重大危险源控制方法如图2所示。

4.6 模型构建

在矿床开采全过程中，按上述方法不断优化与改进采矿方法与工艺技术，使之适应矿床三律与可控危险源转化机制。对于目前技术上不可控的危险源，应进行监测预警并制定安全预案。由此构建的完整性安全高效开采理论模型如图3所示。

总之，面对矿床整个地质体，构建或优选采矿方法，并在生产中根据探测监测信息不断优化，使之适应矿体产状与矿岩稳定性，顺应矿床采动三律与危险源转化机制，将矿床地质体内的危险源尽可能多地消除于开采方案中，使得生产全过程主要防控残余危险源。此外，采矿工艺尽可能多地采用本质安全技术，创造使人不易失误或者即使失误也无害的工作环境，这是杜绝或控制金属非金属矿山重大灾害事故发生的根本保证。

5 完整性开采模型的主要作用

根据初步分析，本研究构建的完整性安全高效开采理论模型，具有如下三方面作用：

（1）面对矿床整个地质体，按采动三律适应性、危险源转化机制与本质安全观念研究采矿方法与整体开采方案，消除与控制矿床地质体内的危险源，可有效提高矿床开采的本质安全程度，保障矿山全周期的生产安全。

（2）在分期或分区开采中，基于整体开采方案设计分期或分区开采方案，同时对矿床内各类矿柱与采场同时设计回采方案，可有效提高矿石回采率与采矿工程利用率，有利于实现矿床开采效益的最大化。

（3）基于危险源致灾过程设置监测预警系统，研究与不断积累前兆信息，可有效提高监测系统的针对性与预警的可靠性，保障复杂条件下矿山基建与生产全过程的顺利进行。

6 结 论

（1）金属非金属矿床开采具有地质条件复杂、采矿方法影响因素多、灾害孕育时间长、危险源易被忽略等特点，为消除采动地质灾害和实现矿产资源的安全高效开采，需要研究构建基于矿床采动三律与危险源控制利用的完整性安全高效开采模型。

（2）地质勘探是矿床危险源测定与评估的基础，地质报告应包括矿床地质模型、地质结构模型，工程地质模型与水文地质模型等，并提出利用地质储量时对重大危险源的控制要求，作为采矿设计的依据。

（3）采矿设计的本质安全是矿山安全的根本，在研究矿床采动三律与危险源利用与控制方法的基础上，需按采动三律适应性与本质安全观念，构建或优选采矿方法，设计矿体完整性安全高效开采方案，将矿床地质体内的危险源尽可能多地消除于开采方案中，使生产过程主要防控残余危险源。

（4）采矿工程积蓄能量的失控往往是导致灾害事故发生的直接原因。在矿山基建与生产中，需及时识别采矿工程增大的危险源，充分利用监测数据优化施工图设计，消除与控制危险源的致灾过程，建立建全必要的监测预警系统与安全预案，确保基建与生产安全。

（5）本研究所构建的完整性安全高效开采模型，不仅有助于遏制矿山重大灾害的发生，而且有利于提高开采效率，实现矿床开采效益的最大化。