金屬礦山深部開采的若干關(guān)鍵問題

郭　超

摘要：闡述了金屬地下礦山深部開采中的深部巷道變形與支護(hù)、深部地壓顯現(xiàn)與開采動(dòng)力災(zāi)害、地溫升高引起作業(yè)環(huán)境惡化和露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性及合理的邊坡角確定、改變傳統(tǒng)運(yùn)輸方式、降低運(yùn)輸和生產(chǎn)成本等關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：金屬礦山；深部開采；關(guān)鍵問題

1 地下礦山

隨著開采深度的不斷增加,地質(zhì)條件惡化,破碎巖體增多,地應(yīng)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(fēng)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。

1.1 深部巷道變形與支護(hù)

隨著開采深度的增加,地應(yīng)力隨之增大。因此,深部巷道與采場的維護(hù)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(yīng)力環(huán)境的區(qū)別以及由此導(dǎo)致的巖體力學(xué)性質(zhì)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(yīng)力場引起的壓、剪應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度,造成巖石的潛在破壞狀態(tài)。

深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù),除了必須考慮巖石強(qiáng)度性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)外,還應(yīng)重視巷道所處的應(yīng)力環(huán)境。淺部中、低應(yīng)力條件下的巷道支護(hù)主要考慮業(yè)己存在的地質(zhì)構(gòu)造等不連續(xù)面的影響,而深部高應(yīng)力巖體中巷道支護(hù)必須考慮巷道圍巖因掘進(jìn)造成的斷裂破壞帶,即新生斷裂結(jié)構(gòu)的影響。所以,深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù)應(yīng)強(qiáng)調(diào)峰后破壞巖體殘余強(qiáng)度的利用。應(yīng)合理控制巖體的峰后變形,并盡量使巷道圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài),為此,需采用先柔后剛的能保持和提高巖體強(qiáng)度的加固措施；深部巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)更多地建立在能量分析的基礎(chǔ)上,而不是簡單地以應(yīng)力和強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1.2深部地壓顯現(xiàn)與開采動(dòng)力災(zāi)害

從根本上講,地應(yīng)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(dòng)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(dǎo)致地應(yīng)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(yīng)力的重新分布。圍巖的過量位移和應(yīng)力集中將導(dǎo)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(jī)理。它與巖體的受力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)條件以及時(shí)間等因素有關(guān)。

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(hù),圍巖自身就能維持穩(wěn)定。深部高應(yīng)力條件下,圍巖具有產(chǎn)生大變形的內(nèi)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(dòng)、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(hù)才能防止過量的變形而引起的破壞。此時(shí),變形地壓的顯現(xiàn)特征與支護(hù)方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在圍巖與支護(hù)結(jié)合在一體的條件下,圍巖與支護(hù)構(gòu)成共同承載體,它們相互依存、相互制約、共同變形。只有及時(shí)采取支護(hù)措施,并且支護(hù)方法得當(dāng),才能有效改善圍巖應(yīng)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(dòng)力學(xué)現(xiàn)象,它是圍巖內(nèi)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(guān)。一是巖石的巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì),具有在圍巖內(nèi)貯存高應(yīng)變能的內(nèi)在條件。一般來講,堅(jiān)硬完整巖體容易貯存高應(yīng)變能。二是有產(chǎn)生高應(yīng)變能的外部環(huán)境,如地應(yīng)力大、圍巖應(yīng)力集中的地方。隨著開采深度的增大,地應(yīng)力不斷增大,因而深部容易出現(xiàn)巖爆和沖擊地壓。

隨著越來越多的礦山進(jìn)入深部開采,加強(qiáng)對巖爆的研究己刻不容緩,研究重點(diǎn)在以下三個(gè)方面：①從地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、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(jī)理；②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(diǎn)和大小進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)；③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。

1.3地溫升高引起作業(yè)環(huán)境惡化

地下巖層溫度隨著深度的增加而增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),常溫帶以下,巖層溫度以3℃/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(dá)80℃；我國銅陵冬瓜山銅礦在深度1000米處,最高溫度達(dá)40℃。深井開采工作面氣溫的升高導(dǎo)致工作條件的嚴(yán)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(huì)受到很大的損傷,這影響到采掘工作的正常進(jìn)行,使勞動(dòng)生產(chǎn)率大大下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,超過適合人體溫度后,溫度每增加1℃,工人的勞動(dòng)生產(chǎn)率將降低7%~10%。采取經(jīng)濟(jì)和有效的措施,解決深井的通風(fēng)和降溫問題,使深井開采工作面保持人員和設(shè)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(nèi),對保證深部地下開采的正常發(fā)展具有重要意義。

2露天礦山

2.1高陡邊坡穩(wěn)定性及合理的邊坡角確定

我國大型金屬露天礦山多始建于20世紀(jì)50~60年代,現(xiàn)己生產(chǎn)多年,其中多數(shù)逐步由山坡露天開采轉(zhuǎn)為凹陷開采,甚至深凹開采,開采深度己延深至地表下100~30Om,有的將超過400m。如首鋼水廠鐵礦凹陷開采深度為430m。很多露天礦的邊坡垂直高度將超過500m,如太鋼峨口的鐵礦的設(shè)計(jì)邊坡垂直高度為720m,首鋼水廠鐵礦為670m,形成名副其實(shí)的高陡邊坡。隨著邊坡的加高加陡,邊坡滑移和傾倒破壞事故的發(fā)生日益增多,邊坡穩(wěn)定性維護(hù)的難度越來越大,嚴(yán)重威脅礦山的安全,制約礦山生產(chǎn)能力的提高。另一方面,我國大型露天礦山與國外同類礦山相比,邊坡角普遍緩50左右,而年產(chǎn)千萬噸的礦山,邊坡角每提高10就可減少剝離量數(shù)千萬噸,節(jié)省投資上億元,經(jīng)濟(jì)效益極為顯著。但邊坡角加大又會(huì)給邊坡穩(wěn)定性維護(hù)帶來更大困難。因此,必須進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)的優(yōu)化。在采取先進(jìn)的綜合措施在保證邊坡生產(chǎn)安全的前提下,最大限度提高邊坡角,就成為露天礦山降低成本,提高效益的最重要的途徑。

2.2改變傳統(tǒng)運(yùn)輸方式,降低運(yùn)輸和生產(chǎn)成本

露天礦進(jìn)入深凹開采以后,重車下坡運(yùn)行變?yōu)樯掀逻\(yùn)行,運(yùn)輸距離加長,運(yùn)輸效率降低,導(dǎo)致運(yùn)輸成本急劇上升,經(jīng)濟(jì)效益下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,目前我國大型深凹露天礦的生產(chǎn)總成本中,運(yùn)輸一項(xiàng)占到40~60%。如果開拓運(yùn)輸方式仍然采用目前廣泛應(yīng)用的鐵路運(yùn)輸、鐵路一汽車聯(lián)合運(yùn)輸和公路汽車運(yùn)輸,多數(shù)礦山將因?yàn)槌杀咎叨鵁o法開采。因此,必須研究并應(yīng)用適合大型深凹露天礦山的高效運(yùn)輸系統(tǒng),以保證礦山開采成本不增加,從而保證礦山的正常生產(chǎn)。

針對這種情況,一些礦山采用了陡坡鐵路運(yùn)輸開采技術(shù),以延長鐵路服務(wù)年限。這種運(yùn)輸方式對原有運(yùn)輸系統(tǒng)的改造和投資較少,運(yùn)輸成本較低,對于開采境界大且凹陷開采深度不超過300米的礦山有較好的適用性。但是,陡坡鐵路運(yùn)輸對坡度的增加有限,隨采場深度增加,其適用性越來越差,開采深度超過300米將不宜使用。目前西方發(fā)達(dá)國家普遍采用汽車一膠帶半連續(xù)運(yùn)輸方式,這種運(yùn)輸方式技術(shù)含量高,既可發(fā)揮汽車運(yùn)輸?shù)臋C(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、短途運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)、有利于強(qiáng)化開采的長處；又可發(fā)揮帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力大,爬坡能力強(qiáng),運(yùn)營費(fèi)低的優(yōu)勢,兩者聯(lián)合可達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。目前,膠帶的爬坡坡度可達(dá)到250~280‰,汽車可達(dá)60~80‰,普通鐵路為20~25‰。陡坡鐵路可達(dá)到40~50‰。所以膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)對大中型深凹露天礦具有普遍適用性。因此,汽車一膠帶半連續(xù)運(yùn)輸是我國未來深凹露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

同時(shí),露天礦轉(zhuǎn)入深凹開采以后,開采條件日趨惡化,空間作業(yè)尺寸逐漸狹窄,干擾增大。而大型露天礦生產(chǎn)設(shè)備品種多、數(shù)量大,生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)節(jié)時(shí)空關(guān)系復(fù)雜,建立自動(dòng)化的生產(chǎn)調(diào)度和管理信息系統(tǒng),對充分發(fā)揮設(shè)備作業(yè)效率,降低生產(chǎn)成本,提高礦山效益具有重大意義。