大型鎳礦深部高應(yīng)力礦體充填法開采關(guān)鍵技術(shù)與對策

楊志強(qiáng) ，高 謙 ，陳得信 ，郭慧高

（1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌 737100）

大型鎳礦深部高應(yīng)力礦體充填法開采關(guān)鍵技術(shù)與對策

楊志強(qiáng)1，2，高 謙1，陳得信2，郭慧高2

（1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌 737100）

金川鎳礦是我國最大的硫化銅鎳礦，以地應(yīng)力高、礦體厚大和礦巖不穩(wěn)固著稱國內(nèi)外采礦界。該礦體開采難度之大、充填成本之高備受國內(nèi)外采礦界關(guān)注。近年來，隨著礦床開采深度逐年增加已接近千米，采場面積超過1×105m2，高溫、高壓和高滲壓的“三高”采礦環(huán)境日趨顯著，不僅提高了采礦成本，而且還給礦山安全高效生產(chǎn)帶來巨大壓力。本文首先概述金川深部礦床采礦技術(shù)條件，然后明確采礦生產(chǎn)面臨巷道和采場穩(wěn)定性控制技術(shù)難題，分析采場圍巖變形和巖層移動(dòng)所潛在的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。最后提出了金川深部礦體安全高效開采亟待攻克的技術(shù)難題，為金川深部資源開發(fā)能力和綜合利用指明了方向。

金川鎳礦；深部開采；高應(yīng)力；關(guān)鍵技術(shù)；研究方向

1 前言

礦巖破碎、圍巖穩(wěn)定性差、地應(yīng)力高和厚大礦體，是金川難采礦床的主要特征。為此，金川礦山已經(jīng)開展了廣泛而深入的科研工作和技術(shù)攻關(guān)。劉同有、吳愛祥、高謙等針對金川礦床采礦技術(shù)條件，闡述了礦床開采潛在問題[1～6]。楊志強(qiáng)等人開展了礦區(qū)工程地質(zhì)和巖石力學(xué)研究，揭示了高應(yīng)力碎裂圍巖力學(xué)特性和變形機(jī)理[7]。王永前、楊金維等研究揭示了厚大礦床連續(xù)開采場地壓規(guī)律以及控制技術(shù)[8，9]。結(jié)合金川采礦生產(chǎn)，在圍巖變形監(jiān)測、變形結(jié)論和支護(hù)技術(shù)等方面也開展了大量研究[10～29]。針對金川礦區(qū)充填法開采的巖移問題，高謙、馬鳳山等開展了巖移監(jiān)測和工程穩(wěn)定性研究，首次揭示了大型鎳礦充填法開采巖移規(guī)律與影響因素。楊志強(qiáng)等還對巖移造成主風(fēng)井垮塌以后的通風(fēng)問題開展了研究，成功解決了風(fēng)井垮塌后采場通風(fēng)問題[30]。通過大量理論研究和工程實(shí)踐，對金川礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件和礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力做出客觀表征，探索出與采礦條件相適應(yīng)的下向分層膠結(jié)充填采礦方法，揭示了充填法采礦地壓顯現(xiàn)與巖移規(guī)律，并成功地實(shí)施了采場地壓控制和圍巖穩(wěn)定性維護(hù)技術(shù)。金川礦山科研成果，不僅成功地實(shí)現(xiàn)了1 150 m中段以上無間柱大面積連續(xù)開采，而且還為深埋厚大不穩(wěn)固礦體開采積累了經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，也可為國內(nèi)外類似礦床開采提供了參考。

隨著礦床開采向下延深，金川鎳礦采礦深度已接近1 000 m，已經(jīng)進(jìn)入深部開采礦山行列。深井采礦所特有的高溫、高壓和高滲壓“三高”采礦技術(shù)條件，使礦山安全、高效和經(jīng)濟(jì)開采面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，給礦山生產(chǎn)帶來潛在重大安全隱患。尤其深部連續(xù)開采面臨著超大采場的整體穩(wěn)定性、高應(yīng)力碎裂蠕變巷道圍巖變形控制、深部圍巖承壓水防治、大面積連續(xù)開采的巖移規(guī)律以及礦山工程穩(wěn)定性控制等問題，已經(jīng)成為世界性技術(shù)難題。因此，借鑒國內(nèi)外礦山開采的先進(jìn)理論與開采技術(shù)，全面總結(jié)金川礦區(qū)上部開采所獲得的成功經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，深入分析深部礦床開采技術(shù)條件，揭示深部采場地壓規(guī)律，科學(xué)指導(dǎo)金川深部開拓系統(tǒng)的布局以及開采方案優(yōu)化，不僅對于金川鎳礦深部高效開采極其重要，而且還是超大采場風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和災(zāi)變控制的重要基礎(chǔ)。

2 金川鎳礦深部開采技術(shù)難題

2.1 深部采場巷道穩(wěn)定性問題

圖1 三礦區(qū)深部巷道側(cè)墻內(nèi)擠破壞情況Fig.1 The extruding deformation of side wall of roadway in No.3 area

圖2 二礦區(qū)1 178 m分段道巷道底鼓變形情況Fig.2 Heave deformation in floor of roadway in No.2 area in 1 178 m level

對于金川高地應(yīng)力賦存環(huán)境和破碎圍巖條件的厚大礦體開采，巷道支護(hù)與變形控制是礦山安全生產(chǎn)和產(chǎn)能提升的關(guān)鍵技術(shù)。圖1～圖4顯示了金川礦區(qū)典型巷道變形破壞特征。由此可見，對以變形地壓為主的深部巷道破壞主要表現(xiàn)為側(cè)墻內(nèi)擠（見圖1）、巷道底鼓（見圖2和圖3）和巷道收斂（見圖4）三種變形模式。圖5顯示了2001—2009年金川礦區(qū)采場巷道返修工程量和返修費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由此表明，僅金川二礦區(qū)巷道返修量已達(dá)到103.27 km，返修費(fèi)用高達(dá)8.076億元。

金川鎳礦開采深度接近1 000 m已經(jīng)進(jìn)入深井開采。采礦工程揭露的深部礦巖節(jié)理裂隙更發(fā)育、圍巖穩(wěn)定性更差，裂隙水較上部豐富。由此顯示，深部采礦技術(shù)條件較上部更加不利。同時(shí)，金川鎳礦采用無間柱大面積連續(xù)開采，采場最大水平面積將達(dá)到2.5×105～3.27×105m2，采切下降速度將達(dá)到5～8 m/a，采場面積和采掘強(qiáng)度在國內(nèi)外罕見?？梢灶A(yù)見，金川礦區(qū)深部采場地壓顯現(xiàn)將更加劇烈，采場巷道變形控制更加難以控制，必將給金川深部開采帶來更大困難，是金川礦區(qū)深部礦體安全高效開采亟待解決的重大技術(shù)難題。

圖3 龍首礦有軌運(yùn)輸巷道底鼓變形情況Fig.3 Heave deformation in floor of roadway in Longshou mine

圖4 二礦區(qū)1 178 m分段巷道整體收斂變形情況Fig.4 Convergence deformation of roadway in No.2 area in 1 178 m level

圖5 二礦區(qū)2001—2009年巷道返修量與費(fèi)用柱狀圖Fig.5 Histogram of repair amounts and cost in 2001—2009 for No.2 area

2.1.1 深部巷道變形破壞特征

金川深部巷道圍巖變形破壞主要受工程地質(zhì)條件、構(gòu)造應(yīng)力和采場地壓以及巷道工程形式與布置方式影響。因此巷道變形具有如下特點(diǎn)。

1）變形量大。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測結(jié)果，金川礦山深部巷道收斂變形一般為數(shù)厘米至數(shù)十厘米，最大可達(dá)2 m以上，其變形破壞特征主要以兩幫收縮、拱頂上升或下降和底臌為主。

2）變形速度快。由于原巖應(yīng)力高且以變形壓力為主，開挖卸荷迅猛，來壓快，故高應(yīng)力軟巖巷道初期變形速率很大。

3）變形持續(xù)時(shí)間長。由于圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖變形受控于節(jié)理的碎裂剪脹擴(kuò)容，加上高應(yīng)力圍巖塑性屈服變形，不僅圍巖變形量大，而且持續(xù)時(shí)間長。

2.1.2 巷道失穩(wěn)破壞模式

現(xiàn)場變形結(jié)果監(jiān)測顯示，金川深部巷道主要受應(yīng)力控制而發(fā)生變形破壞。對于深埋巷道或處于采場高應(yīng)力集中區(qū)圍巖。受高應(yīng)力作用，使巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)降低，以圍巖屈服變形和剪切滑移為主，顯現(xiàn)碎脹和塑性變形，從而導(dǎo)致巷道底臌、斷面收縮，最終發(fā)生巷道擠死、片幫或垮冒。變形地壓的顯著特點(diǎn)是四周受壓，且在初期變形地壓與阻止圍巖的變形量成正比，即支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度越大，變形地壓越大。隨著圍巖變形增加，其地壓也隨之減小。同時(shí)圍巖變形能量釋放過程也是圍巖本身強(qiáng)度降低的過程。當(dāng)圍巖變形發(fā)展到一定量時(shí)，圍巖強(qiáng)度發(fā)生急劇惡化而不能自穩(wěn)，巷道將以垮冒、底鼓或者兩幫擠進(jìn)等形式發(fā)生破壞，是金川鎳礦深部采場高應(yīng)力巷道圍巖的主要破壞模式。

2.2 無間柱連續(xù)開采超大采場整體穩(wěn)定性問題

金川鎳礦深部采用多中段、無間柱大面積連續(xù)開采，由此帶來以下兩種潛在的失穩(wěn)模式。

1）充填體整體滑移失穩(wěn)。采用無間柱連續(xù)開采，充填體與圍巖之間的剪切力是維持充填體穩(wěn)定的重要因素之一。由于充填體與圍巖接觸面是弱面，當(dāng)該接觸面上的抗滑阻力小于充填體重力的下滑分力時(shí)，充填體就沿著該接觸面發(fā)生滑移失穩(wěn)。隨著開采水平的延伸，這種潛在失穩(wěn)危險(xiǎn)也隨之增大。

2）多段開采中段間水平礦柱失穩(wěn)。金川1#礦體采取1 000 m、1 150 m和850 m三個(gè)中段同時(shí)開采。在高水平地應(yīng)力作用下，水平礦柱將受到壓桿式承載模式。隨著1 150 m中段向下延深，中段間的水平礦柱（板）逐漸變薄，所承受的應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)水平礦柱的作用荷載（水平地應(yīng)力）達(dá)到極限承載力后，水平礦柱就發(fā)生壓桿式災(zāi)變失穩(wěn)。因此1 150 m和1 000 m兩中段間的水平礦柱開采，必將面臨采場地壓逐漸增大和采場整體災(zāi)變失穩(wěn)逐漸提高的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 采礦誘發(fā)巖移對礦山工程穩(wěn)定性影響

1）充填采礦巖移規(guī)律以及對工程穩(wěn)定性影響。由于金川礦體厚大和圍巖不穩(wěn)固，盡管采用充填法開采仍然導(dǎo)致圍巖變形和巖層移動(dòng)。1998年3月首次在地表發(fā)生沉降張裂縫，由此表明，地下開采導(dǎo)致巖層移動(dòng)已經(jīng)發(fā)展到地表。地表GPS變形監(jiān)測結(jié)果表明：隨著地下開采，地表沉降張裂縫不僅逐漸擴(kuò)展（見圖6），而且變形速率日趨增大。地表變形較顯著范圍在10～22行之間，并以14～18行為中心形成一個(gè)地表沉降盆地。采場圍巖變形和巖層移動(dòng)對礦山35座豎井工程穩(wěn)定性影響，一直成為關(guān)注的焦點(diǎn)。揭示厚大礦體充填法開采巖移規(guī)律，采取回采工藝和工程措施，確保重要工程的安全與穩(wěn)定，對深部礦床的開采至關(guān)重要。

2)返修后二礦區(qū)14行風(fēng)井穩(wěn)定性問題。位于金川礦體下盤的二礦區(qū)14行主力回風(fēng)井，井深715.5 m，承擔(dān)1#礦體兩個(gè)主運(yùn)輸水平、14個(gè)生產(chǎn)盤區(qū)的回風(fēng)任務(wù)（見圖7）。在風(fēng)井2002年投入使用后，由于受采動(dòng)巖層移動(dòng)影響，在2005年3月突然發(fā)生跨塌，給采礦生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。經(jīng)過一年多返修，于2007年5月重新投入使用。但是日趨加劇的巖層移動(dòng)必將對修復(fù)后的14行造成影響。因此，監(jiān)測巖移對14行風(fēng)井穩(wěn)定性影響以及盡早實(shí)施穩(wěn)定性控制措施，是金川深部開采的重要課題之一。

圖6 二礦區(qū)開采誘發(fā)巖移在地表出現(xiàn)裂縫情況Fig.6 Appearing fissures by minging in the earth’s surface for area No.2

圖7 二礦區(qū)14行風(fēng)井工程地質(zhì)剖面和冒落示意圖Fig.7 Sketch map of the engineering geological profile and caving of air shaft in 14thline in area No.2

2.4 充填采礦工藝

金川礦山采用機(jī)械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路和下向六角形高進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法。伴隨著礦山進(jìn)入深部開采，礦山生產(chǎn)還存在以下兩個(gè)關(guān)鍵問題。

1）采場生產(chǎn)效率低。分層進(jìn)路膠結(jié)充填法開采主要進(jìn)路式采礦的崩礦量有限，平均每崩礦步距的崩礦量為100～150 t。采場鏟運(yùn)機(jī)出礦運(yùn)距長，造成設(shè)備滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷低效率的運(yùn)轉(zhuǎn)。如二礦區(qū)機(jī)械化盤區(qū)鏟運(yùn)機(jī)平均單程運(yùn)距約260 m，根據(jù)現(xiàn)場測試，某盤區(qū)鏟運(yùn)機(jī)平均每次出礦時(shí)間為8～10 min。

2）充填采礦成本居高不下。金川充填成本占采礦成本的1/3以上，而充填成本中充填材料成本費(fèi)用占85%以上。隨著開采深度加大，充填成本也隨之升高，由此將顯著影響金川礦山的采礦經(jīng)濟(jì)效益。開發(fā)低成本和高強(qiáng)度的新型充填膠凝材料，是降低深部充填采礦成本和提高采礦效益的必由之路。

3 金川深部開采關(guān)鍵技術(shù)與對策

3.1 深部巷道圍巖支護(hù)成套技術(shù)研究

針對金川礦山深部巷道存在的穩(wěn)定性控制問題，需要根據(jù)金川礦山深部巷道圍巖的巖石力學(xué)特性和圍巖應(yīng)力環(huán)境，借鑒國內(nèi)外支護(hù)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，采用高強(qiáng)度和高剛度預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，從而有效控制圍巖變形破壞，減少二次支護(hù)和巷道返修工程量。高強(qiáng)度和高剛度預(yù)應(yīng)力錨桿成套支護(hù)技術(shù)，將是金川礦山深部巷道支護(hù)技術(shù)今后亟待研究和發(fā)展的方向。同時(shí)，探索出適用于金川深部巷道支護(hù)的施工機(jī)械，是落實(shí)支護(hù)技術(shù)和確保支護(hù)質(zhì)量的重要保證。

3.2 深部開采方案決策與開采工藝優(yōu)化

開采方案與回采直接影響采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律，從而影響巷道工程的穩(wěn)定性。因此，進(jìn)一步優(yōu)化深部回采工藝、回采順序以及充填體強(qiáng)度，從而調(diào)整和優(yōu)化深部采場地壓環(huán)境。尤其針對深部采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究和確定適應(yīng)于深部采場地壓的充填體強(qiáng)度，不僅有利于深部采場的穩(wěn)定性維護(hù)，而且更重要的是確保采場整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)深部采礦安全生產(chǎn)。

3.3 井巷工程穩(wěn)定性控制技術(shù)

采場開采模式和回采順序影響采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律，而采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律又影響著巖層移動(dòng)范圍和速度。研究揭示充填法開采的巖層移動(dòng)規(guī)律，是開拓工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇開采方案和回采工藝的重要依據(jù)。

1）巖層移動(dòng)規(guī)律與影響范圍。對于當(dāng)前開采水平，地表已經(jīng)出現(xiàn)明顯的巖層移動(dòng)。由于在850～l 000 m之間的1#礦體形態(tài)處于最大擴(kuò)展范圍。從而在850 m中段開采過程中，采場覆巖巖層移動(dòng)以及采場整體穩(wěn)定性處于最不利狀態(tài)。因此，亟待開展該階段無間柱連續(xù)開采的變形監(jiān)測和穩(wěn)定性預(yù)測，以便提早采取安全防控措施，確保深部礦體安全回采。

2）巖移對井巷工程影響預(yù)測。巖層移動(dòng)達(dá)到或超過一定范圍將引起井巷圍巖變形，導(dǎo)致井巷變形超過允許值而失穩(wěn)，影響正常使用；同時(shí)，巖層移動(dòng)還改變采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律，間接影響巷道圍巖的變形破壞。因此，揭示不同采礦方案和回采工藝的巖層移動(dòng)規(guī)律，并預(yù)測巖移對豎井工程穩(wěn)定性的影響，是深部礦體安全開采的重要保證。

3.4 開拓工程長期穩(wěn)定性預(yù)測

金川工程圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境，上部礦體開采活動(dòng)產(chǎn)生次生應(yīng)力場交替變化，對開拓工程的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利作用。深部開采再次改變采場應(yīng)力狀態(tài)和賦存環(huán)境，從而加劇對開拓工程穩(wěn)定性的影響。鑒于開拓工程服務(wù)于深部開采長達(dá)幾十年，因此，開拓工程的長期穩(wěn)定性研究是深部礦體安全采礦的重要研究課題之一。

1）高應(yīng)力工程圍巖變形機(jī)理。針對深部工程巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力環(huán)境，開展工程圍巖變形破壞機(jī)理研究，建立與之相適應(yīng)的力學(xué)模型，進(jìn)行采場圍巖、變形和整體穩(wěn)定性分析，對于安全控制措施的制定和實(shí)施極為重要。

2）深部開拓工程穩(wěn)定性控制技術(shù)。深部開拓工程變形破壞機(jī)理是地壓控制和長期穩(wěn)定性維護(hù)的重要依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，開展支護(hù)型式和支護(hù)參數(shù)、支護(hù)成本和長期穩(wěn)定性預(yù)測等研究，也是深部礦床開采的另一關(guān)鍵技術(shù)。由于各方面的問題既相互影響又相互對立，因此綜合考慮它們之間的相互關(guān)系，從而尋求經(jīng)濟(jì)、可靠和方便施工的優(yōu)化方案，是降低采場巷道維護(hù)成本和提高采礦經(jīng)濟(jì)效益的另一關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)語

金川礦山已經(jīng)進(jìn)入千米深井開采行列，因此正面臨著深部開采所具有的一系列采礦技術(shù)難題。實(shí)現(xiàn)金川礦山深部礦床的安全、高效和低成本開采，必須堅(jiān)持走科技創(chuàng)新之路，吸收和消化國內(nèi)外先進(jìn)采礦技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化決策深部開采方案，調(diào)整充填法開采方法與回采工藝，重視深部巷道圍巖支護(hù)成套技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，統(tǒng)籌規(guī)劃深部開拓巷道和開采順序，關(guān)注深部開采巖層移動(dòng)規(guī)律以及對井巷工程穩(wěn)定性的影響，繼續(xù)開展深部開拓工程的穩(wěn)定性控制技術(shù)研究與災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，不僅是金川礦山深部高應(yīng)力條件下實(shí)施強(qiáng)采、強(qiáng)掘和強(qiáng)充的“三強(qiáng)”的重要保證，而且對采場整體穩(wěn)定性以及控制巖層移動(dòng)和安全采礦具有重要的意義。

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Problems and countermeasures for safe and effective filling mining in Jinchuan Nickel mine in the deep and high stress

Yang Zhiqiang1，2，Gao Qian1，Chen Dexin2，Guo Huigao2

（1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mine Ministry of Education USTB，Beijing 100083，China；2.Jinchuan Group Co.Ltd.，Jinchang，Gansu 737100，China）

Jinchuan nickel mine is well known for its high crustal stress，thick and large ore body and unstable ore rock in the mining industry.It is well noted by domestic and overseas mining industry for the the huge orebody mining difficulty and high filling cost.In recent years，with the depth of mining approching 1 000 m and stope area exceeding 1×105m2，“three high”mining environment，which is characterized by high temperature，high pressure and high osmotic pressure，is more and more significant.As a consequence，the safty of deep ore body and the mining efficiency are seriously challenged.In this thesis the problems and challenges faced by deep mining is overviewed firstly.Then the control problems of roadway and stope face stablity faced by mining production are stated.Catastrophe risk of instability caused by stope wall rock deformation and rock strata movement is analyzed.At last，proposing technical difficulties that the jinchuan deep mining safely and efficiently should be overcame，providing clear research direction for improving development ability and the comprehensive utilization of resources.

Jinchuan Nickel mine；deep mining；high stress；key technology；study direction

TD853.34

A

1009-1742（2014）08-0038-07

2013-11-13

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2010CB731500）

楊志強(qiáng)，1957年出生，男，山西萬榮縣人，博士，教授級高級工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事充填法采礦安全與管理及廢棄物資源化利用等方面的研究；E-mail：yzq@jnmc.com