深部開(kāi)采面臨的技術(shù)問(wèn)題及對(duì)策

張海軍,陳宗林,陳懷利

(金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū),甘肅金昌 737100)

深部開(kāi)采面臨的技術(shù)問(wèn)題及對(duì)策

張海軍,陳宗林,陳懷利

(金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū),甘肅金昌 737100)

金川二礦區(qū)是我國(guó)唯一一座年產(chǎn)礦石突破350萬(wàn)t的大型鎳礦產(chǎn)資源生產(chǎn)基地,其開(kāi)采工程已經(jīng)進(jìn)入到850中段,開(kāi)采深度超過(guò)千米,隨著開(kāi)采深度加深,礦區(qū)地壓、地?zé)帷⒂克蕊@現(xiàn)日趨劇烈,并潛在著突變失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此,深部高效、安全和低耗開(kāi)采是金川礦區(qū)乃至金屬礦山亟待解決的重要課題。本文結(jié)合金川二礦區(qū)目前開(kāi)采現(xiàn)狀和遇到的問(wèn)題,探討分析了深部開(kāi)采面臨的技術(shù)問(wèn)題,并提出了研究對(duì)策,對(duì)深部礦山資源開(kāi)采具有一定借鑒。

金川礦區(qū);深部開(kāi)采;面臨問(wèn)題;對(duì)策

0 前言

金川二礦區(qū)1#礦體開(kāi)采已經(jīng)進(jìn)入到850中段,部分工程超過(guò)千米,屬世界公認(rèn)的深部開(kāi)采工程,現(xiàn)還在逐年向下延深,與淺部生產(chǎn)中段相比,隨著開(kāi)采深度加深,采礦作業(yè)環(huán)境發(fā)生變化,面臨著巖石力學(xué)、地?zé)?、巖爆、巷道支護(hù)、通風(fēng)、充填等一系列問(wèn)題。因此,如何面對(duì)深部開(kāi)采的復(fù)雜地質(zhì)條件,及時(shí)解決深部開(kāi)采所涉及的技術(shù)性同題,是擺在當(dāng)前技術(shù)生產(chǎn)管理者和廣大工程技術(shù)人員面前的重要課題。本文結(jié)合二礦區(qū)目前開(kāi)采現(xiàn)狀和遇到的實(shí)際問(wèn)題,對(duì)深部開(kāi)采可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出了簡(jiǎn)要分析與探討。

1 開(kāi)采現(xiàn)狀

承擔(dān)著金川集團(tuán)有限公司76.5%以上自產(chǎn)礦石原料的二礦區(qū)采用機(jī)械化盤(pán)區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法,盤(pán)區(qū)垂直礦體走向布置,大面積無(wú)礦柱連續(xù)回采。

目前,金川二礦區(qū)正在進(jìn)行開(kāi)采的中段為1150中段和1000中段,地下已形成水平礦柱和垂直礦柱“兩柱”結(jié)構(gòu),并正在加速“兩柱”的回采,850中段已進(jìn)入掘進(jìn)施工,部分工程垂深超過(guò)千米,還將向更深部開(kāi)進(jìn),2008年850中段開(kāi)始首采層978分段的回采,如圖1所示。與淺部生產(chǎn)中段相比,深部850中段水文地質(zhì)條件、巖體強(qiáng)度變得更加復(fù)雜,礦區(qū)地壓、地?zé)?、涌水等日益顯現(xiàn)。

2 深部開(kāi)采面臨技術(shù)問(wèn)題分析

2.1 整體穩(wěn)定性問(wèn)題

由于金川礦體特殊的賦存條件及其固有的金屬價(jià)值,決定了對(duì)富礦的開(kāi)采使用膠結(jié)充填采礦法,已成功地實(shí)現(xiàn)了5萬(wàn)m2的大面積無(wú)礦柱連續(xù)回采,有效地控制了巖層移動(dòng)和充填體滑移。

目前,金川二礦區(qū)地下已形成“兩柱”結(jié)構(gòu),且正在加速水平礦柱和垂直礦柱的回采。然而多中段大面積無(wú)礦柱連續(xù)開(kāi)采的問(wèn)題極具挑戰(zhàn)性,在國(guó)內(nèi)外尚屬首例,沒(méi)有相同或相似的范例可供參考和借鑒,且進(jìn)入850中段開(kāi)采后,采場(chǎng)面積將擴(kuò)大至10萬(wàn)m2,地應(yīng)力將超過(guò)50MPa,對(duì)于急傾斜特厚大1#礦體,在充填體與貧礦及圍巖接觸帶又是軟弱破碎帶以及沿礦體傾斜方向和走向不留礦柱的條件下,能否安全平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)大面積無(wú)礦柱連續(xù)下向開(kāi)采?會(huì)不會(huì)發(fā)生整體滑移?這是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

圖1 金川二礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀示意圖

2.2 地?zé)嵘邌?wèn)題

研究結(jié)果表明,原巖溫度隨開(kāi)采深度的增加而升高,開(kāi)采深度每增加100m,巖石溫度增高3～5℃,在深度為1000m時(shí),地溫將達(dá)30～50℃。

目前,金川二礦區(qū)1150中段和1000中段采礦過(guò)程中暴露出回采工作面環(huán)境溫度較高,實(shí)測(cè)局部回采工作面環(huán)境溫度已達(dá)32℃。

金川礦區(qū)進(jìn)入850中段及其更深部,由研究推理并結(jié)合1150中段和1000中段回采實(shí)際情況分析可得,深部開(kāi)采時(shí)作業(yè)環(huán)境溫度可能達(dá)到40℃以上,將面臨著嚴(yán)重的地?zé)釂?wèn)題,持續(xù)高溫將對(duì)人員的健康和工作能力造成極大傷害,工人在熱濕的空氣環(huán)境中較長(zhǎng)時(shí)間的勞動(dòng),會(huì)發(fā)生中暑暈倒、嘔吐和濕疹等疾病,使勞動(dòng)生產(chǎn)率大大下降和生產(chǎn)事故大大增加,同時(shí)還會(huì)降低井下設(shè)備的工作性能,減少井下設(shè)備的使用壽命。

2.3 涌水問(wèn)題

根據(jù)金川礦區(qū)以往水文地質(zhì)資料顯示金川水文地質(zhì)簡(jiǎn)單、地下涌水小,然而,二礦區(qū)850中段24行主井在掘進(jìn)施工過(guò)程中,由于井筒涌水,平均月進(jìn)尺不到20m。為堵水,2005年停止掘進(jìn)2個(gè)月,2006年停止掘進(jìn)4個(gè)月。目前24行主井井筒涌水量達(dá)60m3/h,850m水平廢石運(yùn)輸巷涌水量達(dá)80m3/h,嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和工程進(jìn)度。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)24行主井、850水平運(yùn)輸?shù)烙克饕蚴枪こ烫幵诔詭r體的上盤(pán)混合片麻巖中,巖體構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育,各種斷裂帶和小巖體接觸處富含裂隙水。

面對(duì)水文地質(zhì)條件、巖體強(qiáng)度復(fù)雜的深部,其開(kāi)采過(guò)程中,一旦遇到類似與24行主井、850水平運(yùn)輸?shù)烙克?必然給深部開(kāi)采帶來(lái)嚴(yán)重的困難,對(duì)二礦區(qū)乃至整個(gè)金川集團(tuán)公司的正常生產(chǎn)將造成極大影響。

2.4 巖爆等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題

生產(chǎn)實(shí)踐顯示,對(duì)于高應(yīng)力區(qū)較堅(jiān)硬巖石,深部圍巖潛在著巖爆破壞類型。實(shí)際上早在1984年,在圍巖破壞調(diào)查中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)金川二礦區(qū)發(fā)生一些小規(guī)模的巖石劈裂現(xiàn)象。只不過(guò)由于巖爆發(fā)生規(guī)模較小,沒(méi)有引起人們的足夠重視。

南非Blyvooyuit Zicht金礦、撫順紅透山銅礦深部礦山的巖爆實(shí)踐表明,隨著深度增加,地應(yīng)力呈線性或非線性增加趨勢(shì),巖體變硬變脆,地溫升高,地質(zhì)條件進(jìn)一步惡化。

進(jìn)入深部回采后,隨著采深增加,地應(yīng)力線性增加,巖體變硬變脆,地溫升高,巖爆問(wèn)題將會(huì)變得突出。

2.5 巷道穩(wěn)定性問(wèn)題

研究結(jié)果表明,金川礦區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,進(jìn)入中深部開(kāi)采后,地應(yīng)力呈線性增加,水平應(yīng)力隨深度增加而增大,水平最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值隨深度增加而增大。以致,巷道巖體強(qiáng)度降低,巷道與支護(hù)體破壞非常嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì),淺部1150中段和1000中段,從1999年開(kāi)始,井下巷道返修量急劇增加,由1999年的3200m增加到2006年的13244m,這可以認(rèn)為是長(zhǎng)時(shí)間巖體移動(dòng)的集中表現(xiàn),足以形成一次大范圍的地壓活動(dòng)。

進(jìn)入850中段及更深部開(kāi)采過(guò)程后,礦山開(kāi)采深度加大、采動(dòng)影響加劇,必然致使巷道周?chē)貞?yīng)力分布發(fā)生顯著變化,地應(yīng)力值增大,巷道巖體強(qiáng)度降低,巷道與支護(hù)體破壞將非常嚴(yán)重。

2.6 充填體質(zhì)量問(wèn)題

進(jìn)入850中段深部回采后,深部礦巖條件復(fù)雜、地應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力大,開(kāi)采強(qiáng)度將逐年加大,采充循環(huán)時(shí)間縮短,20世紀(jì)70年代后期確定的充填體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)5MPa是否適合深部850中段及更深部礦體回采、能否滿足深部安全開(kāi)采人工假頂?shù)膹?qiáng)度要求,這將關(guān)系到礦山能否可持續(xù)發(fā)展及鎳礦資源能否安全合理開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題!

2.7 深部通風(fēng)問(wèn)題

850中段開(kāi)采時(shí),二礦區(qū)將形成“多級(jí)機(jī)站進(jìn)風(fēng)、地表機(jī)站集中回風(fēng)”通風(fēng)系統(tǒng),與現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)相比較,井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜,將出現(xiàn)較多的角聯(lián)網(wǎng)路,通風(fēng)系統(tǒng)將出現(xiàn)較為嚴(yán)重的風(fēng)流短路與風(fēng)流循環(huán)現(xiàn)象,局部甚至?xí)霈F(xiàn)反風(fēng)和渦風(fēng),造成煙氣積聚、能見(jiàn)度低,嚴(yán)重影響職工的身心健康和礦山安全生產(chǎn)。

3 深部開(kāi)采的對(duì)策

針對(duì)金川二礦區(qū)深部開(kāi)采面臨的技術(shù)問(wèn)題,深部開(kāi)采解決方法、對(duì)策和研究方向應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手。

3.1 金川礦區(qū)工程穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)網(wǎng)建立與災(zāi)變預(yù)測(cè)及預(yù)防研究

2000年金川礦區(qū)地表發(fā)現(xiàn)變形和裂縫,引起人們關(guān)注,而礦區(qū)目前采用的無(wú)礦柱大面積連續(xù)開(kāi)采方案,應(yīng)用于深部工程,這不僅在國(guó)內(nèi)沒(méi)有實(shí)踐,而且國(guó)外也無(wú)先例,是一個(gè)世界性難題,五年來(lái)地表變形觀測(cè)結(jié)果表明:地表變形不但在繼續(xù)發(fā)展,而且還存在不斷加劇的趨勢(shì)。

礦山深部大面積突然失穩(wěn)破壞的“前兆不明顯”特征,使得精確預(yù)報(bào)很難辦到,但可以根據(jù)礦山實(shí)際采礦過(guò)程及礦山賦存地質(zhì)條件、經(jīng)過(guò)科學(xué)研究,給出礦山中沖擊礦壓的可能模式及其可能的發(fā)生區(qū)域和規(guī)模的估計(jì),然后有的放矢,制定有效的處置策略,包括:針對(duì)各種可能發(fā)生的災(zāi)變失穩(wěn)模式,分析誘發(fā)各種災(zāi)變模式走向現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵因素,然后根據(jù)各種災(zāi)變模式及其誘發(fā)因素,制定相應(yīng)的預(yù)防措施和注意事項(xiàng),布置和完善相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警設(shè)備,并制定災(zāi)后應(yīng)急預(yù)案等。

3.2 深部無(wú)礦柱連續(xù)回采技術(shù)方案研究

金川二礦區(qū)地下開(kāi)采形成的“兩柱”結(jié)構(gòu)(水平礦柱+垂直礦柱)是一個(gè)比較穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu),厚大的“兩柱”抵御著垂直和水平地應(yīng)力,支撐著上、下盤(pán)圍巖,約束著大范圍巖體移動(dòng)。“兩柱”開(kāi)采中或開(kāi)采后,上述作用逐漸減弱直至消失。大范圍應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果,勢(shì)必導(dǎo)致上、下盤(pán)圍巖移近加速,充填體受力增大,可能使充填體邊界處產(chǎn)生破裂,下沉變形。

因此,必須調(diào)研國(guó)內(nèi)外金屬礦山無(wú)礦柱回采方案現(xiàn)狀,對(duì)礦區(qū)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析,應(yīng)用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的分析軟件建立數(shù)值模擬回采方案,預(yù)測(cè)金川礦區(qū)深部開(kāi)采無(wú)礦柱回采方案可能出現(xiàn)的大面積充填體突發(fā)破壞的模式,針對(duì)各種災(zāi)變模式進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),提出綜合安全對(duì)策,探索850水平以下礦體回采方案的科學(xué)手段,為850水平以下礦體回采提供設(shè)計(jì)依據(jù);并通過(guò)數(shù)值模擬,對(duì)850水平以下礦體進(jìn)行回采初步方案論證及研究,確定合理的回采順序、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理的布置采準(zhǔn)工程方式和產(chǎn)能,為850m水平以下礦體進(jìn)行初步回采方案設(shè)計(jì)和安全回采提供保障。

3.3 深部開(kāi)采地?zé)犷A(yù)測(cè)與降溫技術(shù)研究

地溫升高是深部開(kāi)采無(wú)法回避的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,二礦區(qū)進(jìn)入850深部開(kāi)采時(shí),“地?zé)帷眴?wèn)題必然成為影響生產(chǎn)的一個(gè)重要因素,因此,必須盡快開(kāi)展二礦區(qū)深部開(kāi)采時(shí)地溫產(chǎn)生原因、對(duì)生產(chǎn)的影響及深部開(kāi)采降溫技術(shù)與措施等進(jìn)行研究,并預(yù)測(cè)深部各中段回采時(shí)的地溫及對(duì)生產(chǎn)的影響,提出深部開(kāi)采降溫的技術(shù)措施,為金川礦區(qū)深部礦體的安全回采提供有力保障。

3.4 深部涌水治理技術(shù)研究

24行主井、850水平運(yùn)輸?shù)莱霈F(xiàn)大量涌水問(wèn)題,特別是850水平廢石運(yùn)輸巷涌水量達(dá)80m3/h,因此,必須開(kāi)展深部涌水治理技術(shù)研究,對(duì)整個(gè)金川礦區(qū)的水文地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查、評(píng)估,從理論上解釋礦區(qū)主副井和主運(yùn)輸水平涌水的原因,提出金川礦區(qū)主副井防治水的措施并付諸實(shí)施,提出礦區(qū)深部水平運(yùn)輸巷防治水的措施,提出在井巷掘進(jìn)尤其是深井掘進(jìn)中的防治水技術(shù),并對(duì)金川礦區(qū)地下含水區(qū)域進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè),以便指導(dǎo)將來(lái)井巷工程的選址。

3.5 滿足深部開(kāi)采安全生產(chǎn)的充填體強(qiáng)度研究

金川礦區(qū)深部的礦巖條件復(fù)雜、地應(yīng)力和采動(dòng)次生應(yīng)力較大,開(kāi)采強(qiáng)度逐年加大,采充循環(huán)時(shí)間縮短,必然使充填體與圍巖的接觸邊界處水平應(yīng)力增加,20世紀(jì)70年代后期確定的充填體強(qiáng)度能否滿足金川礦山深部開(kāi)采人工假頂?shù)膹?qiáng)度要求,沒(méi)有進(jìn)行過(guò)科學(xué)試驗(yàn)研究、缺乏科學(xué)依據(jù),因此急需對(duì)此進(jìn)行研究,請(qǐng)有關(guān)權(quán)威科研機(jī)構(gòu)做出科學(xué)的鑒定;且金川礦山的充填材料和充填工藝與原設(shè)計(jì)相比已經(jīng)發(fā)生了很大的變化,在新的充填體強(qiáng)度指標(biāo)提出以后,如何利用金川現(xiàn)有的充填材料和充填工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)充填體的強(qiáng)度,需要進(jìn)行全面的充填料漿配比研究和充填工藝系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)研究。

3.6 深部回采圍巖控制技術(shù)研究

圍巖支護(hù)方式可分為被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù),被動(dòng)支護(hù)是限制圍巖的變形破壞,而主動(dòng)支護(hù)是以加固圍巖為目的,利用圍巖的自撐能力來(lái)限制圍巖的變形破壞。

在金川二礦區(qū)這樣的礦山,實(shí)施開(kāi)挖幾小時(shí)后圍巖就有可能發(fā)展成為碎裂體或松散體,支護(hù)對(duì)象是破裂后的剪脹變形圍巖,且在深部新掘巷道中,支護(hù)設(shè)計(jì)、材料、工藝及支護(hù)參數(shù)等方面與返修巷道相比,均存在較大差異,深部新掘巷道的支護(hù)技術(shù)還需做大量的深部圍巖控制技術(shù)研究工作和攻關(guān)試驗(yàn),形成一套金川礦山深部高應(yīng)力高強(qiáng)度采掘條件下的強(qiáng)蠕變碎脹巖體巷道支護(hù)施工標(biāo)準(zhǔn),減少巷道維修量,降低綜合支護(hù)成本,力求使巷道收斂率控制在30%以下,這對(duì)保障金川礦區(qū)深部開(kāi)采井巷工程的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)深部井巷工程的服務(wù)年限、為深部回采創(chuàng)造更加有利的采礦環(huán)境意義重大。

3.7 深部通風(fēng)技術(shù)研究

針對(duì)二礦區(qū)進(jìn)入深部開(kāi)采后可能出現(xiàn)的嚴(yán)重問(wèn)題,必須進(jìn)行深部850開(kāi)采時(shí)的通風(fēng)技術(shù)研究,進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控與調(diào)控方式研究,研究850中段接替1150中段采礦工程過(guò)渡時(shí)期的通風(fēng)問(wèn)題,提出通風(fēng)方案,實(shí)現(xiàn)850中段生產(chǎn)的順利過(guò)渡,并優(yōu)化井下風(fēng)機(jī)站及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),提高各風(fēng)機(jī)站運(yùn)行效率。

4 結(jié)語(yǔ)

金川礦區(qū)深部開(kāi)采正面臨著巖石力學(xué)、地?zé)?、巖爆、巷道支護(hù)、通風(fēng)、充填等一系列問(wèn)題,要實(shí)現(xiàn)深部礦體安全、高效、低成本開(kāi)采,必須堅(jiān)持走科技創(chuàng)新之路,吸收和消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行深部回采面臨技術(shù)問(wèn)題研究,不斷改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)工藝,才能做到事半功倍,為深部開(kāi)采創(chuàng)立一條新新之路。

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Technological Problem s and Countermeasures in DeepM in ing

ZHANG Hai-jun,CHEN Zong-lin,CHEN Huai-li
(Jinchuan Group Co.,Ltd,,Jinchang 737100,Ganshu,China)

The Jinchuan No.2 mining area is the only large-scale production base of nickelmineral resources in China with annual ore production being over 3,500,000t/a,mining operation down to-850 level,and the exploiting depth exceeding one kilometer.As the exploiting depth extends,the mining area geo-pressure,geothermal power,water welling-up,etc.appear and become gradually violent,besides,it has the potential risk of sudden changes and lossof stability.Therefore,high-efficiency,safety and low consumption deep exploiting are important subjects for Jinchuan mining area and othermetalmines to expect earnest solution.By combining the Jinchuan No.2 mining area’s currentmining situation and problems facing atpresent,this paper discusses and analyzes technological problems existing in deep mining,and putd forward some research countermeasures,which can be are used as reference for deep-buried resourcesmining.

Jinchuan mining area;deep mining;facing problem;countermeasures

TD803

:B

:1009-3842(2010)01-0025-04

2010-01-05

張海軍(1982-),男,湖南懷化人,工程師,金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū),從事礦山高效開(kāi)采技術(shù)研究與設(shè)計(jì)。