深井開采的地質(zhì)環(huán)境特征

深井開采的地質(zhì)環(huán)境特征

中國大部分剩余的色礦床資源正在萎縮，而且往往會加快對深部礦床資源的勘探和開發(fā)。深井開采存在“三高一擾動”的地質(zhì)環(huán)境特征,具有復雜的開采技術(shù)條件?！笆濉逼陂g,國家科技攻關(guān)課題進行了“復雜難采深部銅礦床安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)研究”(2004BA615A-04)。以采礦方法為核心,開展了采礦方法、爆破工藝、高濃度全尾礦充填技術(shù)、巖爆與地壓監(jiān)測及控制技術(shù)、地熱防治與通風降溫技術(shù)、信息可視化集成系統(tǒng)等內(nèi)容的研究?，F(xiàn)將課題研究示范性礦山冬瓜山銅礦的研究成果主要部分展示給礦業(yè)界專家學者及同行進行交流與探討,為深井開采理論和技術(shù)的創(chuàng)立奠定基礎(chǔ)。1礦體地質(zhì)特征冬瓜山銅礦是國內(nèi)目前開采深度達到1000m的典型大型金屬礦山。冬瓜山礦床位于安徽省銅陵市獅子山礦區(qū),是一個設(shè)計年產(chǎn)銅礦石330萬t的特大型矽卡巖型銅礦床。1#主礦體位于青山背斜的軸部,賦存于石炭系黃龍組至船山組層位中,呈似層狀產(chǎn)出。礦體產(chǎn)狀與圍巖一致,與背斜形態(tài)相吻合。礦體走向NE35°~40°,礦體沿走向向北東側(cè)伏,側(cè)伏角一般10°左右,為緩傾斜礦體。礦體兩翼分別向北西、南東傾斜,最大傾角達30°~40°。礦體賦存于-690~1007m標高之間,水平投影走向長1810m,最大寬度882m,最小寬度204m,平均厚度34m。礦體主要為含銅磁鐵礦、含銅蛇紋石和含銅矽卡巖。礦體直接頂板主要為大理巖,底板主要為粉砂巖和石英閃長巖,礦巖穩(wěn)固,底部含銅蛇紋石遇水有風化現(xiàn)象,需要支護。巖石力學研究結(jié)果表明:原巖應(yīng)力在方向和量級上主要受地質(zhì)構(gòu)造控制,最大主應(yīng)力方向與礦體走向一致,為NE~SW方向,近似水平,量值在30~38MPa之間,屬高應(yīng)力區(qū)。礦體中含銅磁黃鐵礦、頂板矽卡巖和底板粉砂巖、石英閃長巖,均有巖爆傾向。礦石平均含硫17.6%,硫鐵礦中局部有少量膠狀黃鐵礦,開采過程中這部分礦石有氧化結(jié)塊和自燃發(fā)火的可能性。礦體所處層位的原巖溫度高達30~39.8℃,地表不允許崩落。冬瓜山基建和開拓過程中,在主井和-790m、-850m主回風道掘進時,發(fā)生了多起巖溶突水事故,水壓高達9MPa,造成淹井等事故,嚴重影響了施工進度。冬瓜山礦床的礦石品位低,平均含銅1.02%,在礦體下部含有10~15m的難選蛇紋石,占儲量的1/3;充填、提升、運輸、通風、排水、支護等回采作業(yè)成本高,采礦強度大,對采礦及相關(guān)技術(shù)要求高。2本研究2.1現(xiàn)階段空場總結(jié)及采礦方法研究2.1.1采礦方案確定根據(jù)礦床開采技術(shù)條件,考慮到礦石品位以及不同生產(chǎn)規(guī)模所帶來的不同經(jīng)濟效益等因素,為達到1萬t/d的生產(chǎn)規(guī)模,對采礦方案用“采礦方法專家系統(tǒng)”進行了優(yōu)化選擇,確定采用高效率的階段空場嗣后充填采礦方法。為盡快建成投產(chǎn),把礦體厚大、品位較高(平均含銅1.18%)、勘探程度高、產(chǎn)狀穩(wěn)定的50~58線作為首采地段。根據(jù)回采工藝和巖層控制之間的內(nèi)在聯(lián)系和矛盾規(guī)律構(gòu)成的階段空場嗣后充填采礦方法的邏輯結(jié)構(gòu)見圖1。2.1.2采場充填采礦方案根據(jù)冬瓜山銅礦床的開采技術(shù)條件,對盤區(qū)連續(xù)回采方式和盤區(qū)間暫留隔離礦柱的回采方式進行了充分比較,經(jīng)研究確定盤區(qū)間采用暫留隔離礦柱的方案。設(shè)置隔離礦柱可從根本上改善礦房采場回采的安全條件,使采場回采機動靈活,簡化回采工藝過程,便于大規(guī)模生產(chǎn)的組織和管理。在首采地段優(yōu)化了采礦方案系統(tǒng)布置。將首采地段初步設(shè)計的12個小盤區(qū)調(diào)整為4個大盤區(qū),分別為50~52線盤區(qū)、52~54線盤區(qū)、54~56線盤區(qū)、56~58線盤區(qū)。盤區(qū)沿礦體走向布置,長度為礦體水平厚度,寬度為100m,在盤區(qū)內(nèi)垂直礦體走向劃分采場。使采場長軸方向與最大主應(yīng)力方向呈小角度相交,讓采場處于較好的受力狀態(tài),以利于控制地壓和巖爆。為簡化采準工程,將大孔采場的頂部鑿巖巷道和充填聯(lián)絡(luò)道,底部結(jié)構(gòu)中的拉底和出礦水平合二為一,整個系統(tǒng)僅分為鑿巖充填層與出礦層兩層。同時,為提高充填率和改善接頂效果,在中深孔采場頂部巷道設(shè)計充填回風聯(lián)絡(luò)道,在單號勘探線頂板的圍巖中布置一條充填聯(lián)絡(luò)道。為適應(yīng)冬瓜山似層狀緩傾斜礦體厚度變化大的特點,采用高效的鑿巖和出礦設(shè)備。采用大直徑深孔和扇形中深孔2種落礦方案。礦體厚度小于30m時,采用SinbaH1354、T-100電動液壓鑿巖臺車打上向扇形孔中深孔(Ф76mm)回采;大于35m時,采用大孔(Ф165mm)回采,采用Sinba261、T-150電動液壓高風壓潛孔鉆機向下打Ф165mm垂直深孔回采。礦體可采厚度介于30~35m時,若兩側(cè)為大孔采場,采用大孔采礦;若兩側(cè)為中深孔采場,為減少采切工程量,采用中深孔采礦。采場崩落的礦石采用6.5m3電動鏟運機通過出礦進路運至盤區(qū)溜井。采場出完礦后及時充填,礦房采場用全尾砂膠結(jié)料充填,礦柱采場用全尾砂充填。根據(jù)盤區(qū)布置方式,隔離礦柱寬度考慮8,12,16,18,20m等5種方案;采場寬度考慮12,15,18m等3種方案,長度考慮50,75,90m等幾個方案,分別采用平面和三維彈塑性有限元進行數(shù)值模擬計算。計算結(jié)果表明,隨著礦柱寬度增加,隔離礦柱邊緣出現(xiàn)拉應(yīng)力的單元數(shù)目下降,而且大多數(shù)單元的拉應(yīng)力只有2~4MPa,因此,適當增加隔離礦柱的寬度將有助于改善其受力狀況;加大采場寬度,加長采場長度,采場頂板和礦房、礦柱中應(yīng)力集中程度要略增大,頂板中央部位與礦柱中間將出現(xiàn)局部拉應(yīng)力,最大值4~5MPa。90m長采場參數(shù)組合方案在受力狀態(tài)上較75m采礦方案稍差,但從整體上,僅在采場和頂板的局部位置出現(xiàn)受力較差的情況,對采場整體穩(wěn)定性影響較小,礦房與隔離礦柱在開采過程中整體是穩(wěn)定的。鑒于盤區(qū)隔離礦柱和采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)要滿足采掘出設(shè)備尺寸的要求,隔離礦柱寬度對其受力狀態(tài)影響較大,綜合考慮后,隔離礦柱寬度與礦房寬度均取18m;采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為78m(尾砂采場)或82m(尾膠采場)。2.1.3礦采順序確定回采順序包括盤區(qū)回采順序和采場回采順序。根據(jù)優(yōu)化的盤區(qū)布置方式,盤區(qū)回采順序采用沿礦體走向推進?？紤]部分礦巖具有巖爆傾向性,為控制地壓和巖爆,經(jīng)過三維有限元數(shù)值模擬,并借鑒國外有巖爆傾向礦床開采的實際經(jīng)驗,從巖層控制穩(wěn)定性出發(fā),礦體總體回采順序確定為:在垂直礦體走向方向上,由背斜軸部向兩翼推進,在沿礦體走向上由中央厚大部位向兩端推進,局部遇斷層和巖墻等地質(zhì)弱面時,由弱面向遠處推進。采場的回采順序為:在開采厚大礦段(大于50m)和先期生產(chǎn)時,采用“隔3采1”,其它根據(jù)施工條件和方便生產(chǎn)組織,盡量采用“隔3采1”,也可采用“隔1采1”的回采方式。2.1.4采礦前后采切反應(yīng)冬瓜山首采地段按照優(yōu)化的采礦方案研究成果進行施工和試采,實際采切比為610m3/萬t,與初步設(shè)計的840m3/萬t相比有很大的減小,采切工程量大大降低,達到了采礦方法優(yōu)化的目的。從試驗采場的情況來看,試投產(chǎn)采場的出礦生產(chǎn)能力已接近或達到2400t/d(見表1)。2.2束狀深孔三維炸藥袋的爆炸技術(shù)研究2.2.1藥包直徑和間距束狀深孔爆破是以數(shù)個密集平行深孔爆破形成的疊加應(yīng)力場的作用機理為基礎(chǔ)的深孔爆破技術(shù)。束狀孔爆破應(yīng)力場質(zhì)點速度運動情況分析表明,束狀孔的單孔間距3.5~9倍的藥包直徑時,疊加效果較好,試驗采用單孔間距7倍藥包直徑。N個直徑為d的孔所組成的束孔,其所等效的更大孔直徑D按公式計算:D=N??√dD=Νd。采用5個直徑為165mm的大直徑深孔組成束孔,束間距和抵抗線為7m。依據(jù)漏斗爆破試驗和小臺階爆破模擬試驗,采場邊幫雙密集孔間距為7.0m,在采場中間部位布置束狀深端幫單孔間距取孔徑的21倍(3.6m)。束狀孔組合爆破漏斗作用機理見圖2。2.2.2爆破質(zhì)量分析束狀孔當量球形藥包落礦試驗采場為52-2#采場。充分考慮到試驗采場就是生產(chǎn)采場的原則,進行了大直徑束狀深孔采場布孔及爆破方案設(shè)計。采用一個鑿巖硐室布置兩條鑿巖巷道,束狀孔在束狀硐室中布置;采用5孔束狀孔與邊孔雙孔的布孔設(shè)計,設(shè)計參數(shù)為:束孔由間距為0.825m的垂直平行孔組成,貫通鑿巖硐室頂板和拉底層頂板之間,束間距為7m,側(cè)幫邊孔為雙密集孔,間距為7.0m,端幫為單孔垂直平行孔,間距為3.6m。其中下向垂直深孔按布孔設(shè)計定位誤差不大于5cm,偏斜率不大于1%。鑿巖硐室分別布置于-687,-714,-730m水平,采場最深孔深37.7m,最淺孔深18.4m。采場共進行了10次分層和落頂爆破,分層高度為7m(見圖3),落頂爆破為12~14m。通過觀測,設(shè)計的爆破參數(shù)與起爆網(wǎng)絡(luò)合理、可靠,爆破效果好,爆破大塊率少,爆破后頂板平整,孔口保護好。通過束狀當量球形藥包采場爆破試驗,該項技術(shù)取得了突破性進展,主要技術(shù)指標見表2。2.3尾砂充填采場試驗研究2.3.1充填系統(tǒng)為確保深井高地應(yīng)力礦體的開采安全,設(shè)計采用先進的高濃度尾砂充填技術(shù),以提高充填體質(zhì)量及膠結(jié)充填體強度、降低充填成本?？紤]到礦山尾砂產(chǎn)出率高(大于80%),且尾砂粒級組成較細(d50=33~40μm),為采用高濃度(71%-74%)全尾砂漿充填采場,進行了探索性試驗研究。采用國際先進的三相流態(tài)化技術(shù)及絮凝沉降固液分離技術(shù),將選廠尾砂直接泵入立式砂倉,實現(xiàn)了倉頂進料和倉底放砂連續(xù)充填。一方面?zhèn)}頂進料,通過絮凝沉降脫水系統(tǒng),尾砂下沉,清水溢流,回選廠重復利用;另一方面,倉底采用高壓水/氣活化放砂,制備高濃度全尾砂漿進行充填,造漿及充填成本低。試驗取得的技術(shù)指標為立式砂倉尾砂制漿流量為50m3/h,連續(xù)制漿尾砂濃度68%,間隔6h制漿尾砂濃度71%,間隔12h制漿尾砂濃度74%以上,絮凝劑添加量30~40g/t,溢流水為清水。2.4通過鉆探和地壓監(jiān)測和控制技術(shù)研究2.4.1巖爆與地壓監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)針對冬瓜山地應(yīng)力高有巖爆傾向的特征,建立了微震監(jiān)測系統(tǒng)(動態(tài))、常規(guī)應(yīng)力和位移監(jiān)測系統(tǒng)(靜態(tài))及人工觀察系統(tǒng)的綜合深井開采巖爆與地壓監(jiān)測系統(tǒng)。開展了礦山地壓活動規(guī)律的研究,有巖爆傾向深井礦山采礦巷道的失穩(wěn)模式分析及其控制技術(shù)研究。2.4.2從實時監(jiān)測采場激發(fā)的點系統(tǒng)進行實時點震點設(shè)置方法冬瓜山微震監(jiān)測系統(tǒng)是引進南非ISSI公司研制的巖爆地震活動監(jiān)測系統(tǒng),于2005年8月投入運行。主要由硬件及軟件2部分組成。硬件系統(tǒng)由地震傳感器、數(shù)據(jù)采集單元地震儀、井下通信控制中心微震控制器、通訊單元地面監(jiān)測控制中心(網(wǎng)絡(luò)中心)和終端用戶計算機、通訊電源電纜等組成。軟件系統(tǒng)有運行時間系統(tǒng)、微震處理系統(tǒng)、微震事件可視化及解釋系統(tǒng)等軟件?，F(xiàn)正在24h對首采區(qū)段(50~58線)礦體開采影響范圍的巖體,及其附近的采場、巷道圍巖和礦柱進行動態(tài)實時監(jiān)測。今后隨開采范圍的擴大,監(jiān)測范圍擴展到整個礦體的開采區(qū)域。該系統(tǒng)具有足夠的靈敏度和精度,安裝調(diào)試好后,在首采區(qū)內(nèi)不同空間位置進行了直徑38mm、藥量2kg的點炮爆破,試驗結(jié)果表明,震源的定位誤差小于5~10m。通過對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究,隨開采的進行,得到了初步的地震活動區(qū)和采場圍巖內(nèi)的地震活動的空間變化和時間變化規(guī)律。研究表明,目前采區(qū)內(nèi)的地震活動總體上比較平穩(wěn),巖層穩(wěn)定,并主要集中在正在開采的采場和正在鑿巖的鑿巖水平區(qū)域,地震活動區(qū)相互孤立,地震活動對爆破活動比較敏感。研究結(jié)果對冬瓜山深井開采生產(chǎn)安全起到重要的指導作用,隨著開采規(guī)模的擴大,為繼續(xù)深入開展基于微震監(jiān)測的礦山安全預(yù)警研究打下了較好的基礎(chǔ)。2.4.3圍巖應(yīng)力分析為配合微震監(jiān)測,掌握重點區(qū)域底部結(jié)構(gòu)、隔離礦柱、相鄰工程采場頂板及二步驟回采采場的地壓變化規(guī)律,采用GK4300EX和KSE-Ⅱ振弦式鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測圍巖應(yīng)力的變化;采用機械式多點位移計和巷道收斂計觀測巖體內(nèi)部位移的變化。無論是應(yīng)力、應(yīng)變還是巷道收斂值,儀器剛開始監(jiān)測數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)變化幅度較大,達到一定時間后,逐漸趨于穩(wěn)定,只是在局部地段由于采動影響應(yīng)力、應(yīng)變值有較大變化,但一段時間后又趨于穩(wěn)定狀態(tài),即使是在變化幅度較大時,其量值仍在礦巖的強度范圍之內(nèi)。2.4.4巷道支護型式及參數(shù)根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計分析、數(shù)值模擬計算以及工程實際經(jīng)驗,針對采礦巷道不同巖體的特性、工程部位巷道的作用以及預(yù)測破壞模式,研究并提出了“噴漿、錨桿、噴-錨-網(wǎng)-錨索”聯(lián)合支護等不同的支護型式及其參數(shù)。2.5井熱治理與通風降溫技術(shù)的研究2.5.1盤區(qū)風控措施為解決冬瓜山盤區(qū)復雜風網(wǎng)風量調(diào)控問題,利用現(xiàn)場實測和預(yù)測技術(shù)相結(jié)合的方法和改進的通風網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化方法,建立了冬瓜山盤區(qū)復雜角聯(lián)通風網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型,合理優(yōu)化了盤區(qū)通風網(wǎng)絡(luò),提出了以增壓調(diào)節(jié)為主的深井盤區(qū)風量調(diào)節(jié)方案,以移動式輕型無風墻節(jié)能輔扇為主的深部礦床盤區(qū)風流調(diào)控方法,形成了一套深井開采的盤區(qū)風流控制方法和控制系統(tǒng)。2.5.2多級機站通風系統(tǒng)針對冬瓜山礦的大規(guī)模、高強度深井開采的特點,采用大風量(600m3/s)多級機站的通風系統(tǒng)。運用通風系統(tǒng)風壓平衡原理,合理分配各級機站風壓。通過多級機站通風網(wǎng)絡(luò)軟件解算,并經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較,首次采用一級進風機站風機風壓只克服進風井筒的通風阻力;二級采區(qū)采用無風墻機站,對風量和風流起分風導向作用;其風壓只克服采區(qū)風路的通風阻力;三級回風機站采用兩級串聯(lián)、每級由兩臺風機并聯(lián)的串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式,該回風機站風壓克服全系統(tǒng)其他井巷的所有通風阻力。為了充分發(fā)揮多級機站通風系統(tǒng)的優(yōu)越性,首次將計算機網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)以及風機變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合。對分布于深熱條件下的大型冬瓜山銅礦井下多級機站通風系統(tǒng)各級機站的風機進行遠程集中監(jiān)控,對主要進回風巷道風流參數(shù)進行自動監(jiān)測。通風系統(tǒng)的優(yōu)化和節(jié)能控制技術(shù),解決了國內(nèi)在推廣應(yīng)用多級機站通風技術(shù)中設(shè)計各級機站風機壓力不合理分配的問題,避免了普遍存在的多級機站通風設(shè)計方案在現(xiàn)場實施后,系統(tǒng)中進風段和需風段存在大量漏風和污風循環(huán)的現(xiàn)象。冬瓜山的多級機站優(yōu)化,通風降溫和風量的實時調(diào)控使得井下作業(yè)面溫度由38℃降低到28℃,大大改善了井下作業(yè)環(huán)境和作業(yè)條件。年節(jié)省通風運行與管理成本300萬元以上,經(jīng)濟效益顯著。多級機站通風系統(tǒng)有效風量率≥70%,主要風機平均效率≥70%。2.6信息可視化系統(tǒng)實踐2.6.1基于三維elaunay三角網(wǎng)的環(huán)境分析基于DATAMINE先進的礦山軟件系統(tǒng),提出了適用冬瓜山深井開采環(huán)境特點的線框和塊段嵌套構(gòu)模技術(shù),在二維Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)模算法的基礎(chǔ)上,對三維Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建算法進行了研究,成功解決了深井開采環(huán)境可視化建模及評價的關(guān)鍵技術(shù)問題。以此為基礎(chǔ),針對冬瓜山礦床的復雜地質(zhì)及工程條件,建立了冬瓜山深井開采環(huán)境三維可視化模型(線框和實體模型),包括地表、巖層、巖體、礦體、不良地質(zhì)界面、井巷工程等,使得采準系統(tǒng)的設(shè)計能夠綜合考慮設(shè)備通行和工程穩(wěn)定的要求,并能夠在設(shè)計階段預(yù)先制定相應(yīng)的工程加固措施。2.6.2基于flac3的回采接口在對開采環(huán)境建模系統(tǒng)與FLAC3D系統(tǒng)和微震監(jiān)測可視化JDI分析系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上,成功開發(fā)了他們之間的系統(tǒng)接口。這些接口的開發(fā),使得應(yīng)用FLAC3D系統(tǒng)對回采方案回采過程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行分析時,計算模型建立的速度、精度、準確性等能夠切實反映冬瓜山礦復雜介質(zhì)的實際,模擬結(jié)果的準確性得以大大提高,模擬時間得以大大縮短。同時,也使得冬瓜山礦開采環(huán)境模型與微震監(jiān)測分析成果成功地結(jié)合,使微震事件與開采環(huán)境之間的關(guān)系直觀明了地得以體現(xiàn),方便了微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和工程措施的制定。2.6.3生產(chǎn)采動計劃以可視化開采環(huán)境模型為基礎(chǔ),針對井下開拓及采準、回采工程的現(xiàn)狀,按照回采方案的最佳回采順序,基于MINE2-4D系統(tǒng),利用輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對冬瓜山礦首采區(qū)段編制了1a和3a的動態(tài)生產(chǎn)采掘計劃。2.6.4e系統(tǒng)回采方案的確定在對DATAMINE和FLAC3D系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式深入分析的基礎(chǔ)上,開發(fā)了FLAC3D與DATAMINE和MPLAN(自主開發(fā)的)系統(tǒng)的接口,將DATAMINE系統(tǒng)中的礦床