金属矿地下开采对井巷围岩变形、破坏和稳定性的影响

王兴亚

（山东黄金矿业（莱州）有限公司焦家金矿，山东 莱州 261441）

随着开采深度和规模的增加，露天开采资源逐渐消失，地下开采也面临着严重的生态问题。为了解决金属矿地下开采问题，连续开采技术是一种有效的途径。地下连续开采可以实现连续机械作业，改善工作条件和工作环境，提高开采能力，缩短开采周期，有利于深部低压的管理和控制。我国金属矿山数量众多，分布广泛，但在金属矿山的地下开采过程中，还没有先进的开采技术和采矿工具作为支撑。同时，许多企业擅自开采。近年来，安全事故频发，给国家和人民造成了巨大损失。因此，应采取有效的方法和措施，防止金属矿山地下开采安全事故的发生。

1 地下金属矿山的采矿技术进展

中国矿业起步较晚。与前发达国家相比，中国的采矿业落后了但是，经过半个世纪的发展，中国已经成为世界矿业技术的领导者，这并不夸张。经过多年的大量前矿业工人的努力和汗水，中国矿业取得了前所未有的突破，各种采矿技术也取得了进展倒塌和填充方法是最重要的，为不同的金属矿山提出了特殊的采矿方法。例如，对于一些重金属，我们制定了在深海重金属的独特方法。

（1）崩落法。经过多年的采矿技术发展，我国提出了几种金属采矿方法，不同的采矿方法和技术各有特点。每个采矿公司根据自己的地质条件、金属含量和脉状结构，根据自己的经济利益，选择不同的采矿方法。其中，倒塌法主要用于铁、铜等低价值金属。在铁矿石开采中选择大规模的静脉破裂，以及使用化学技术从矿石中提取铁，可以最大限度地降低经济成本，并减少开采过程的需求。但是自身的缺点也相当明显。在大面积崩落后，矿脉中的铁矿石含量也在下降。与此同时，矿脉的崩落留下了大片场区，最终地表塌陷，影响了生态环境。与此同时，崩落法也对工作人员的安全构成威胁，崩落产生的灰尘和碎片等杂物也可能造成采矿区的通风问题，并影响采矿区的工作环境。

（2）充填法。在中国地下金属矿山多年采矿实践和金属充填技术研究之后，采用了地下金属矿山开采技术。一方面响应国家环境保护和可持续发展呼吁；另一方面，这是为了更好地促进采矿发展和提高采矿效率。虽然充填法的设备和充填成本很高，但在环境保护和矿脉的贫化率方面具有相当大的好处。此外，充填方法需要高水平的采矿技术，并需要科学和技术发展的有力支持，这就需要制定采矿理论的某些先决条件，而采矿理论是采矿技术和方法多年来取得进展的结果。

（3）自然采矿技术。自然开采技术（或称露天采场开采）是指在维持开采的同时，借助围岩的稳定性建立一种采空区，并对其进行临时支护。也就是说，在矿石坚硬、围岩稳定、抗振动能力强的矿区，如果房间安全、开阔，就可以在矿柱支撑的环境中安全开采。研究表明，自然开采技术是一种结构简单、工艺要求低的金属地下采矿法，具有开采成本低的优点，特别适用于矿石及围岩稳定性好的矿区，但也有以下局限性：当矿体厚度达到中厚层水平时，自然开采技术实现的回采率将降低。

（4）人工支护开采技术。如果采用人工支护开采技术，在采空区维护中一般采用碎石、矿渣等充填材料，并采用地压管理控制地表移动。因此，人工支护开采技术的原理是通过充填体实现地压管理和控制地表沉陷。实践证明，应用人工支护开采技术可以不断扩大工作面和采空区，从而改善地下开采和金属矿山开采的工作环境。

2 金属矿山开采时存在的主要问题

我国金属矿山在先进的科学技术条件下取得了长足的进步，但也存在一些问题，主要表现在：①我国金属矿山资源丰富，但富矿少，规模大的金属矿产少。大多数是贫矿。因此，虽然矿山众多，但矿产资源仍然相对稀缺。②金属矿山开采技术不平衡。我国幅员辽阔，各地区矿业发展水平不尽相同，矿业技术发展不平衡。发达地区的采矿技术与国际先进水平相当，但在偏远地区，采矿设备和采矿技术还比较落后，使得这些地区的采矿效率普遍较低。③资源利用率低。随着社会的不断发展，人们越来越重视环境保护和可持续发展，因此在金属矿山，特别是有色金属矿的开采中，对矿石的利用和回收越来越重视。但是，我国有色金属的利用和回收技术还存在诸多不足，有色金属资源利用率较低。④地下采矿引起环境问题。金属矿地下开采会引起矿山地面沉降，不仅影响原有地形地貌，还会破坏区域内的土地和地下水资源，恶化矿山地质环境。矿山开采造成的环境问题使矿区无法满足当地经济发展的要求。

3 完善开采的安全保障措施

在金属矿山的地下开采中，一旦发生安全事故，将直接中断采矿作业，破坏采矿区段。在这方面，如果再开采，将花费大量时间修复损坏。因此，为了提高地下开采的效率，必须完善地下开采的安全措施。在金矿区，采取的安全措施包括：①安装井下防护和预警装置，随时检查井下情况，一旦有坍塌的可能，保护预警装置在第一时间报警，提醒管理人员及时处理，消除隐患；②随时检查井下支护保护系统，即在井下开采的镍矿，塌方事故不仅偶发，而且也会造成严重危害。因此，有必要随时检查井下安全防护装置，及时解决存在的问题，以提高井下作业环境的安全性。③在镍矿地下开采中，引进了高新技术的输送设备，其中矿物运输是矿山开采后最重要的环节，但传统的方式可以提高矿山井下作业环境的安全性，矿物运输一般采用人工包装运输，存在运输效率低的问题。为了解决这一问题，金矿区通过运输轨道运输金属矿物，从而改善镍矿的开采工艺，提高其开采效率。

4 地下矿山变形、破坏和稳定性的影响

随着开采深度的不断增加，地质条件的恶化，破碎岩体、地应力、涌水量和地温的增加，带来了深部地压、提升能力、工作环境恶化、通风降温等一系列问题，生产成本急剧上升，制约了生产能力的提高和矿产资源的充分回收。

（1）深部巷道变形与支护。随着开采深度的增加，地应力增大。因此，深部巷道和采场的维护原则与浅部巷道和采场的维护原则有明显不同。这种差异的根源在于岩石应力环境和岩体力学性质的差异。硬岩在浅部较为常见，在深部可能表现出软岩的特征，导致巷道及围岩变形大；浅部的原岩大部分处于弹性状态，而深部的原岩处于“潜在塑性”状态，这是由于原始岩石的应力场在各个方向上的压力不相等造成的岩石的压应力和剪应力超过了岩石的强度，导致了岩石的潜在破坏状态。对于深部高应力环境下的巷道支护，除了要考虑围岩强度特性和岩体结构外，还应注意巷道的应力环境。在浅部中低应力条件下，应考虑地质构造等不连续面的影响，而在深部高应力岩石中，应考虑新的断裂构造的影响。因此，深部高应力环境下的巷道支护应充分利用削峰后受损岩体的剩余强度。合理控制岩体峰后变形，使巷道围岩尽可能处于三维应力状态。因此，应先采取能保持和提高岩体强度的加固措施，再采取刚性措施；深部巷道支护设计应以能量分析为基础，而不是简单地以应力和强度作为设计准则。

（2）深部地压特性与矿山动力灾害。从根本上讲，地应力是所有地下工程（包括地下采场和巷道）地压性状的根本来源。在不受采矿工程干扰的情况下，岩体处于初始平衡状态。地下巷道或采场的开挖破坏了地层原有的平衡状态，导致地应力释放，引起岩体变形和向自由面位移，引起围岩应力重分布。围岩位移过大、应力集中，会导致围岩局部或整体失稳破坏。这就是地压的过程和机理。它与岩体的应力状态、结构质量、物理力学性质、工程地质条件和时间有关。深部地压主要有两种形式：变形和岩爆。变形地压是开挖引起围岩位移所产生的压力，是地压的最基本形式。当岩体条件良好时，当围岩发展到一定程度时，围岩的位移和变形就会停止，围岩本身无需支撑就能保持稳定。在深部高应力条件下，围岩具有产生大变形的内部和外部条件。围岩的过度变形会产生细观或宏观的断裂、岩层移动、巷道底鼓、帮肋剥落、顶板冒落、断面收缩、支架破坏、采场跨度冒落等。必须对围岩进行支护，以防变形过大造成破坏。此时，变形地压的行为特征与支护方式和支护结构密切相关。在围岩与支护一体化的条件下，围岩与支护形成一个共同的承载体，相互依存、相互制约、共同变形。只有及时采取支护措施，支护方法得当，才能有效改善围岩应力分布状态，抑制围岩变形，防止围岩失稳破坏。它是岩爆的一种动力诱因，是岩爆的一种动力诱因。在金属矿山，岩爆被称为岩爆。岩爆和岩爆主要与两个因素有关。一是岩体的结构性质，它具有在围岩中储存高应变能的内在条件。一般来说，坚硬完整的岩体容易储存高应变能。二是产生高应变能的外部环境，如地应力大、围岩应力集中的地方。随着开采深度的增加，地应力增大，深部易发生岩爆和冲击地压。随着越来越多的矿山进入深部开采，迫切需要加强对冲击地压的研究，主要集中在以下三个方面：从地应力、岩体结构、矿岩物理力学性质、开采方法等方面综合分析研究岩爆机理，开采过程、开采顺序、围岩能量积累与释放规律；建立有效可靠的监测系统和手段，预测岩爆发生的可能性、位置和规模；采取有效措施，防止和缓解围岩高能量积聚，避免外界条件的影响导致高能量的快速释放。

（3）地温升高导致作业环境恶化。地下地层温度随深度的增加而升高。据统计，岩石温度在常温区以下以3℃的梯度上升。在1000多米远的深井里，岩层温度会超过人体温度。如南非西部矿山，3000m深处岩石温度高达80℃；铜陵冬瓜山铜矿1000m深处最高温度达40℃。深部回采工作面温度升高导致工作条件严重恶化。这将极大地影响采矿工人在高温下的工作能力和生产率。据统计，当温度超过人体适宜温度时，工人的劳动生产率每1℃降低7%～10%。采取经济有效的措施，解决深部矿井通风降温问题，保持人员和设备能承受的温湿度，将综合开采成本控制在可接受的范围内，对保障深部地下开采的正常发展具有重要意义。

随着开采强度的增加，开采深度逐年增加，开采条件不断恶化，开采技术难度越来越大。它不仅直接决定了采矿的经济效益，而且严重影响了采矿的安全、高产和高效。因此，在选择采矿方法时，必须充分考虑地质条件、矿体产状、技术水平、机械设备水平等因素。根据当地具体情况分析，选择科学合理的开采方法，提高生产效率，降低矿石损失率和贫化率，在保采的前提下实现经济效益最大化。