深部開采的國內外現(xiàn)狀

1、深部開采的國內外現(xiàn)狀1基本概念金屬礦床深部開采的定義 ，各國不盡相同，我國采礦手冊規(guī)定，開采深度600900m為 深部開采，深度大于2000m為超深開采；而美國則認為，所謂深部開采通常解釋為5000英尺以上，即相當于1524m;南非深部金礦開采，是指平均作業(yè)深度160001 2國內深部開采現(xiàn)狀及技術 2.1國內深部開采現(xiàn)狀我國除1969年閉礦的石嘴子銅礦外，近年已有一批金屬礦山進入深部開采，即垂直開采深度超過600m以上。例如紅透山銅礦目前開采已進入9001100m深度;冬瓜山銅礦礦體埋深達1000m，現(xiàn)建成2條超1000m豎井正進行深部開采；弓長嶺鐵礦設計開拓深度-750m， 距地表達100

2、0m;夾皮溝金礦已有 2個坑口工作深度超過 600m，其中二道溝坑口工業(yè)礦體延 深至1050m，湘西金礦開拓38個中段，垂深超過850ni此外，還有壽王墳銅礦、 凡口鉛鋅礦、 金川鐐礦、乳山金礦等許多礦山，已經(jīng)或將進行深部開采。2.2 國內深部開采技術石嘴子銅礦是國內深部開采礦山之一，共22個階段，最深達950R1曾使用各種不同結構的淺孔留礦法，回采厚度135m，平均613m，平均傾角82。的矽卡巖型銅礦床，后期由于地 壓大，上下盤巖石收斂，頂板管理復雜，以大量礦石損失與貧化而結束回采作業(yè)?？梢哉f是一 座不成功的深部開采礦山。紅透山銅礦使用膠結與尾砂充填采礦法，垂直礦體走向連續(xù)分I、n兩期礦房

3、回采，第一步采I期礦房淺孔留礦法，嗣后尾砂、廢石、水泥膠結充填；第一步采II期礦房小分段中深孔 留礦法，嗣后尾砂充填。二步礦房用分段回采嗣后尾砂充填，效果較好。夾皮溝與湘西金礦 用干式充填或削壁充填法。3國外深部開采現(xiàn)狀及技術3.1國外深部開采現(xiàn)狀據(jù)不完全統(tǒng)計，國外開采超千米深的礦山有 80多座，其中最多為南非。南非絕大多數(shù)含 金、鈾變質礫巖礦床，埋藏深度大都在 1000m以下。其中，西部深水平金礦，采礦深度達 3582m; WestDriefovten 金礦，礦體賦存于地下 600m，并一直延伸至 4000m;Witwatesrand金礦開采深度已達 4000m，礦體延伸6000m以下。印度

4、德干高原南端班加羅爾市附近的科拉爾金礦區(qū)，已有錢皮恩里夫、農迪德魯格、邁索爾三座金礦采深超2400m，其中錢皮恩里夫 金礦共開拓112個階段，總深326001俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區(qū)，已有捷爾任斯基、基洛夫、 共產(chǎn)國際等 8座礦山回采深度超 750m;采準深度達910 ;開拓深度到1570m;將來要達到 2000 2500作3.2國外深部開采技術俄羅斯克里沃羅格鐵礦區(qū)克里卜克內西礦，采用下盤巷道放礦的垂直分條分段崩落法；美國加利納銀鉛礦采用充填法；南非西部深水平金礦采用長壁法，但每隔2400m需留下44m寬連續(xù)礦柱，采場用高濃度尾砂充填；印度科拉爾金礦采用下向分層膠結充填法。從礦巖開采條件并結

5、合深部開采情況看，國外絕大多數(shù)礦山均使用充填法?，F(xiàn)簡要介紹 南非West Driefoven 金礦采礦法。該礦開采三層礦脈，中間為主礦脈。頂板是火山沉積巖；底板為白云巖,含水量大。礦體埋藏于地下600m，并以傾角27。延伸至400001三段豎井開拓：第一段1800m;第二段1200m;第三段1000R1生產(chǎn)規(guī)模31萬t/月，其中礦石24萬t/ 月。每月開采面積 5萬m2，掘進2000m，產(chǎn)金21688t。使用南非典型的壁式充填法，采場長30m，階梯狀回采，分層高1.2m，礦脈厚6m，自上而下分層回采。巷道式采礦，間隔回采，膠結充填后再采相鄰巷道。采場頂板用4.6m長錨索支護，間距2m X 2作

6、尾砂膠結充填，濃度達70吩80%，不需脫水，接頂時用高壓充填。南非金礦深部開采的機械化采礦方法因礦體賦存條件不同而多種多樣：連續(xù)巷道式充填法、間隔巷道式充填法、梯段式充填法、上向分層充填法等。采礦方法存在的主要問題：因礦體薄、傾角緩及礦巖硬與磨蝕性難以大量使用機械化開采；由于作業(yè)深度大與氣溫高，要求采場每月平均推進速度達20m以上，才能減少工作面長度及熱流量；電動機械比柴油機械更適合礦山減少通風與降溫費用的要求；機械化開采采礦貧化率大增等。加拿大的安西爾銅礦、基德克里克銅鉛鋅礦，澳大利亞的芒特艾薩銅礦，在采深10761460m條件下，應用分段充填法，取代了上向分層充填法。其特點是方法靈活，當?shù)V

7、體條件受到限制時，可恢復使用分層充填法，同時，該法提高了生產(chǎn)效率和設備利用率，改善了作業(yè)安全條件，降低了采礦成本。烏克蘭的扎波羅熱鐵礦和俄羅斯的加伊銅礦，采用分段和分段回采的二步開采法。前者的突出特點是礦房幾何形狀呈棱形，上下棱面與水平成 60。夾角，一步礦房采后膠結充填，充填體強度為 46 MPa，滿足二步礦房回采能自立與地表不塌陷 的要求。后者在組合階段（35個階段）內，采用上行開采順序，此時有利于井下掘進的廢石 充填采空區(qū)。4開采原則應盡可能遵循下列開采原則：(1) 開采順序。一般礦床開采順序是自上而下，從淺部向深部發(fā)展。從礦脈排列順序看也是由上盤向下盤逐漸推進。單就一個中段而言，其開采

8、順序大多數(shù)是自下而上。而印度科拉爾金礦區(qū)開采急傾斜連續(xù)薄礦體，在中段采用上行采礦法時，因地應力大量積聚而頻繁發(fā)生巖爆，不得不采用下向分層膠結充填法。沿走向的開采順序有由中央向兩翼、由兩翼向中 央及多翼回采幾種方式。根據(jù)深部開采特點，從兩翼向中央開采方式不可取，因為前方形成應 力集中而使三角區(qū)無法回采 ，因此，一般采用從中央向兩翼或由一翼向另一翼連續(xù)推進的回 采方式。(2) 連續(xù)回采。南非深部礦體，一般采用連續(xù)回采方法，但延長超過數(shù)公里時，需每隔一 定距離留下4050m寬的連續(xù)礦柱，并及時采后充填，以防止因地壓增大導致采場閉合。(3) 強化開采。深部回采非常強調強化開采 ，或采用連續(xù)作業(yè)方式，或

9、提高作業(yè)面推進速度。俄羅斯克里沃羅格鐵礦區(qū)自20世紀60年代至80年代中期，各礦開采深度增加 400665m，開采面積減少2818%，但作業(yè)集中程度提高 10%，回采作業(yè)面積的生產(chǎn)能力和1m?的采礦強度翻了一番，單位面積采礦量增加13 %。這不但使各種技術指標保持穩(wěn)定，也大大提高開采作業(yè)效率。5深部開采特點隨著開采深度的不斷增加，地質條件惡化，破碎巖體增多，地應力增大，涌水量加大，地 溫升高，帶來了深部地壓、提升能力、作業(yè)環(huán)境惡化、通風降溫和生產(chǎn)成本急劇增加等一系 列問題，抑制了生產(chǎn)能力提高和礦產(chǎn)資源的充分回收。5.1深部巷道變形與支護隨著開采深度的增加，地應力隨之增大。因此，深部巷道與采場的

10、維護原理與淺部有十分 明顯的區(qū)別，這種區(qū)別的根源在于巖石所處的應力環(huán)境的區(qū)別以及由此導致的巖體力學性質 的區(qū)別。在淺部十分普通的硬巖，在深部可能表現(xiàn)出軟巖的特征，從而引起巷道和圍巖的大 變形；淺部的原巖大多處于彈性狀態(tài)，而深部的原巖處于 “潛塑性”狀態(tài)，由各向不等壓的原 巖應力場引起的壓、剪應力超過巖石強度，造成巖石的潛在破壞狀態(tài)。深部高應力環(huán)境下的巷道支護，除了必須考慮巖石強度性質和巖體結構外，還應重視巷道所處的應力環(huán)境。淺部中、低應力條件下的巷道支護主要考慮業(yè)己存在的地質構造等不連 續(xù)面的影響，而深部高應力巖體中巷道支護必須考慮巷道圍巖因掘進造成的斷裂破壞帶，即新生斷裂結構的影響。所以，深

11、部高應力環(huán)境下的巷道支護應強調峰后破壞巖體殘余強度的 利用。應合理控制巖體的峰后變形，并盡量使巷道圍巖處于三向應力狀態(tài)，為此，需采用先柔后剛的能保持和提高巖體強度的加固措施；深部巷道支護設計應更多地建立在能量分析的基 礎上，而不是簡單地以應力和強度作為設計準則。5.2深部地壓顯現(xiàn)與開采動力災害隨著開采深度增加，構造殘余地應力增大，最大主應力達150200MPa。從根本上講，地 應力是所有地下工程，包括地下采場、巷道地壓顯現(xiàn)的根本來源。在沒有開采工程擾動的情 況下，巖體處于原始平衡狀態(tài)。地下巷道或采場的開挖，打破地層原始平衡狀態(tài)，導致地應力的釋放，從而引起巖體的變形和向自由面的位移，引起圍巖應力

12、的重新分布。 圍巖的過量位移和應力集中將導致圍巖局部的或整體的失穩(wěn)和破壞。這就是地壓發(fā)生的過程和機理。它與巖體的受力狀態(tài)、巖體結構和質量、巖體物理力學性質、工程地質條件以及時間等因素有關。深部地壓主要有兩種表現(xiàn)形式，即：變形地壓和沖擊地壓。變形地壓是因開挖產(chǎn)生的圍巖位移所引起的壓力，這是地壓的最基本形式。在巖體條件較好的情況下，圍巖的位移和變形發(fā)展到一定程度就停止了，可能不需要支護，圍巖自身就能維持穩(wěn)定。深部高應力條件下，圍巖具有產(chǎn)生大變形的內外部條件，圍巖的過量變形將產(chǎn)生微觀或宏觀破裂、巖層移動、巷道底鼓、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場跨落等等。 圍巖必須通過支護才能防止過量的變形而引

13、起的破壞。此時，變形地壓的顯現(xiàn)特征與支護方法和支護結構密切相關。在圍巖與支護結合在一體的條件下，圍巖與支護構成共同承載體 ，它們相互依存、相互制約、共同變形。只有及時采取支護措施，并且支護方法得當，才能有效改善圍巖應力分布狀態(tài)，抑制圍巖變形，阻止圍巖的失穩(wěn)和破壞。沖擊地壓是一種巖石動力學現(xiàn)象，它是圍巖內聚集的大量彈性變形能在一定誘因下突然 釋放而表現(xiàn)出的一種形式。在金屬礦山，沖擊地壓叫巖爆。產(chǎn)生沖擊地壓和巖爆主要與兩方面因素有關。一是巖石的巖體的結構性質，具有在圍巖內貯存高應變能的內在條件。一般來講，堅硬完整巖體容易貯存高應變能。二是有產(chǎn)生高應變能的外部環(huán)境，如地應力大、圍巖應力集中的地方。隨

14、著開采深度的增大，地應力不斷增大，因而深部容易出現(xiàn)巖爆和沖擊地壓。 南非因巖層冒落和巖爆造成的死亡率占總死亡率57 %，傷殘率占總傷殘率 27 %。隨著越來越多的礦山進入深部開采，加強對巖爆的研究己刻不容緩，研究重點在以下三個方面：從地應力、巖體結構、礦巖物理力學性質、采礦方法、開采過程、開采順序、圍 巖能量聚集和釋放規(guī)律等方面綜合分析和研究巖爆機理；建立有效可靠的監(jiān)測系統(tǒng)和手段對巖爆發(fā)生的可能性、發(fā)生的地點和大小進行預測預報；從防止和解除圍巖高能量聚集，避免引起高能量迅速釋放的外部條件出現(xiàn)兩方面采取防治巖爆的有效措施。地震現(xiàn)象存在，應采取預防性措施。5.3地溫升高引起作業(yè)環(huán)境惡化地下巖層溫度

15、隨著深度的增加而增加。據(jù)統(tǒng)計，常溫帶以下，巖層溫度以3 C /loom的梯度增加。千米以上的深井，巖層溫度將超過人體溫度。如南非西部礦井，在深部3000米處，巖層溫度高達80 C ;我國銅陵冬瓜山銅礦在深度1000米處，最高溫度達40C ;印度科拉爾金礦區(qū) 1200m 深，達 49.8 C ;1800m 深，達 54.3 C ;2000m 深，達 61.2 C ;3000m 深，達 69 C。深井開采工作面氣溫的升高導致工作條件的嚴重惡化。在持續(xù)的高溫條件下，人員的健康和工作能力將會受到很大的損傷，這影響到采掘工作的正常進行，使勞動生產(chǎn)率大大下降。據(jù)統(tǒng)計資料，超過適合人體溫度后，溫度每增加1C

16、，工人的勞動生產(chǎn)率將降低7%10%采取經(jīng)濟和有效的措施，解決深井的通風和降溫問題，使深井開采工作面保持人員和設備所 能承受的溫度和濕度，并使綜合開采成本限定在可以接受的范圍內，對保證深部地下開采的正常發(fā)展具有重要意義。 6采場支護技術6.1 臨時支護6.1.1 支護材料要求工作面支護件必須是剛性的，但又不完全是剛性的；支護材料應具備加預應力的簡 便性和可預測的讓壓性；容易安裝，并不易受爆破破壞；在地震活動區(qū)，基本要求能經(jīng) 受動載荷；運輸方便，防火防潮。6.1.2 臨時支護材料南非深部開采1965年前，采場臨時支護都是木制件，其形式是空心木垛、“框式”支護 和實心木垛。也曾使用過混凝土塊和木塊交

17、替放置的垛式支架，或空心木垛內充填水泥漿，并曾先后應用過管柱式支柱、柱型支柱、伏蘭脫式支柱。1965年后，南非礦山局研究實驗室研制成快速讓壓液壓支柱，并于70年代初進行井下試驗，成功后大面積推廣應用。這種支柱主要適用于地震與巖爆環(huán)境，但愈來愈多地應用于各種適合的開采條件。采場 臨時支護系統(tǒng)設計時需考慮三個因素：能量釋放速度、回采寬度與地質環(huán)境。6.2 永久支護南非金礦早于20世紀30年代開展充填實踐，到60年代末才形成工業(yè)規(guī)模應用，到90 年代中期，充填約占采場總支護量 30%，木支護與延伸式支護約各占25%，即總支護面積占總開采面積的80%是合理的。 6.2.1膠結充填永久支護一般采用膠結充

18、填，或廢石膠結充填，或尾砂膠結充填。充填體既作為區(qū)域性支充護而減少巖爆發(fā)生，也可作為局部支護在巖爆時保護工人和設備。它還具有下列作用填能補償木材供應不足和避免火災；減少木材支護的勞動量；改善通風條件和減少井下熱量；提高回采率，減少貧化；充填通過廢石留在井下而提高提升能力；充填應改善局部地段上盤巖層支護。水力輸送充填料的相對密度一般為1.651.85 ,不需脫水。一般充填體楊氏模量200300MPa,比礦柱70GPa低許多。南非也曾用楊氏模量 510GPa的混凝土柱作充填 體，它可減少30%勺能量釋放率。充填工藝最嚴重的問題是砂漿從 1000m以上高的管道自由 降落所引起的管道磨損問題。 解決辦法有二：一是增加系統(tǒng)的摩擦損失；二是采用能量耗散裝 置耗散自由降落帶充填料的能量。6.2.2水力充填盡管南非許多深部開采礦山采用膠結充填，但也有使用水力充填而非膠結充填。在壁式采礦法中，工作面用快速讓壓液壓支柱作臨時支護，但適當?shù)囟纬啡ブе鶗r即用分級尾砂充填。充填時用紡織土工布、無紡土工布或針織土工布袋圍著充填空區(qū)，然后充填直至接頂。這里存在主要問題，一是使充填體的水盡快泄出去，因為爆破作業(yè)可能在充填后 8h進行；另一個問題是因顆粒流失、不穩(wěn)定性和收縮，特別是充填體收縮問題更嚴重。因為充填的作用是阻止空區(qū)閉合 ，其實際閉合速度達 5mm/d可是水力充填在凝固時，因自