謙比西銅礦深部開(kāi)采的技術(shù)實(shí)踐

王鵬++陳誠(chéng)

【摘 要】 隨著淺部礦產(chǎn)資源的枯竭，大規(guī)模開(kāi)發(fā)深部金屬礦產(chǎn)資源是世界礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，深井開(kāi)采已成為我國(guó)乃至世界礦業(yè)界特別關(guān)注的問(wèn)題。由于地應(yīng)力大而導(dǎo)致地壓活動(dòng)頻繁，地下水、地?zé)峒案哳~的回采成本等，嚴(yán)重影響礦山正常生產(chǎn)。為此，結(jié)合謙比西銅礦的深部開(kāi)采技術(shù)實(shí)踐情況，為深部開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】 深部開(kāi)采 地質(zhì)災(zāi)害 通風(fēng) 支護(hù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對(duì)資源依賴程度越來(lái)越高，但隨著工業(yè)化開(kāi)采，淺部資源正在面臨著枯竭或消失，為了工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，必須進(jìn)行深部開(kāi)采提高工業(yè)資源供給率，但深部開(kāi)采面臨著各種各樣的技術(shù)難題，本論文是以贊比亞謙比西深部開(kāi)采技術(shù)實(shí)踐，為同行業(yè)深部開(kāi)采借鑒。

1 概述

贊比亞謙比西礦隸屬于贊比亞銅業(yè)聯(lián)合公司，因公司經(jīng)營(yíng)不善破產(chǎn)，后為中國(guó)有色收購(gòu)。謙比西銅礦屬于典型的沉積巖型礦床，層理發(fā)育，按照地質(zhì)賦存狀態(tài)從上盤至下盤以次為石英巖（隔水層）—白云巖—礦體—下盤礫巖—泥質(zhì)石英巖，總體來(lái)說(shuō)礦體上盤不穩(wěn)固，下盤中等穩(wěn)固，此外礦山含水量較大，日排水量達(dá)到50000m3，目前開(kāi)采深度已經(jīng)達(dá)到900m深，屬于典型難采礦體。

2 地質(zhì)條件與巖石工程質(zhì)量分級(jí)

2.1 巖石物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試報(bào)告：在單軸和三軸力學(xué)試驗(yàn)條件下，謙比西主礦體深部巖體力學(xué)參數(shù)如表1。

以上數(shù)據(jù)表明：基底花崗巖、硫化礦、長(zhǎng)石石英巖、底礫巖的抗壓抗拉強(qiáng)度很高，氧化礦和泥質(zhì)石英砂巖抗壓強(qiáng)度一般，燧石白云巖抗壓強(qiáng)度相對(duì)較差，白云巖和氧化礦抗拉強(qiáng)度相對(duì)較差。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)與裂隙節(jié)理調(diào)查調(diào)查

為了反映深部巖體地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，我們調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)，位置選定在-878ml泄水巷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石性質(zhì)，對(duì)礦體上下盤和礦體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)力學(xué)與節(jié)理裂隙調(diào)查，并將調(diào)查出來(lái)優(yōu)勢(shì)裂隙節(jié)理組反映在施密特等密面圖上，（如圖1）。

通過(guò)對(duì)裂隙節(jié)理調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)：泄水巷道內(nèi)礦體上盤巖石層理和裂隙比較發(fā)育，節(jié)理平均密度約為18m/條，走向?yàn)?80°，傾角約為80°，巖石頂板存在明顯淋水；礦體下盤巖石產(chǎn)狀較復(fù)雜，大體上被3組主要優(yōu)勢(shì)節(jié)理組切割，這3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理分別為68°∠80°，40°∠89°，330°∠70°，3組節(jié)理組近于垂直，尤其是在距離礦體1m處，底礫巖與泥質(zhì)石英巖交界處顆粒填充一層約為0.5cm～1cm厚的石英巖，易受采動(dòng)影響，總的來(lái)說(shuō)，礦體下盤巖體極破碎；礦體內(nèi)，巖石呈層理分布，主要有有一組優(yōu)勢(shì)節(jié)理組，這層優(yōu)勢(shì)節(jié)理組與上盤優(yōu)勢(shì)節(jié)理組基本一致，由于礦體傾角較大，在水的作用下，容易沿著層面離層形成垮落。

2.3 巖體工程質(zhì)量分級(jí)與評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面調(diào)查、鉆孔R(shí)QD統(tǒng)計(jì)、礦巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，采用RMR巖石質(zhì)量分級(jí)打分表，對(duì)謙比希銅礦主礦體各組巖體打分評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

根據(jù)各巖層的參數(shù)的分類結(jié)果，RMR分類結(jié)果表明：長(zhǎng)石石英巖質(zhì)量中等，礦化板巖和礫巖質(zhì)量差，而砂層質(zhì)量很差。

根據(jù)以上巖石物理力學(xué)試驗(yàn)和工程地質(zhì)調(diào)查表明：謙比西礦體深部巖體地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巖體穩(wěn)固性為不穩(wěn)固到中等穩(wěn)固；由于巖體內(nèi)本身強(qiáng)度不大，巖體中沒(méi)有多余應(yīng)變能，因此不會(huì)發(fā)生巖爆；深部巖體受水影響較大，在水的作用下，巖體層面之間更加光滑，工程巖體質(zhì)量更加不穩(wěn)固，前期開(kāi)拓過(guò)程中，必須加強(qiáng)疏水，減小水對(duì)巖體工程質(zhì)量的破壞。

3 深部開(kāi)采存在技術(shù)問(wèn)題

根據(jù)目前開(kāi)采現(xiàn)狀井下采礦主要存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

3.1 地下水是制約井下開(kāi)采最重要的因素

井下測(cè)水報(bào)告顯示整個(gè)主礦體井下每天涌水量達(dá)到近50000m3，目前深部開(kāi)采開(kāi)拓工程基本完成，整個(gè)深部開(kāi)采正在進(jìn)行采準(zhǔn)，采場(chǎng)已經(jīng)在采用嗣后充填采礦法試生產(chǎn)階段，從現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)情況表明：疏水工程相對(duì)好的區(qū)域，采場(chǎng)穩(wěn)定性相對(duì)較好，采場(chǎng)內(nèi)地壓易于通過(guò)支護(hù)控制；涌水量大的采場(chǎng)，易冒落，采場(chǎng)穩(wěn)固性差，施工難以控制。

3.2 地?zé)崾怯绊懢麻_(kāi)采的另一個(gè)重要因素

深部開(kāi)采地?zé)釂?wèn)題已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外形成共識(shí)：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(guò)人體溫度。深井開(kāi)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(guò)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%。在高溫條件下，高溫對(duì)井下無(wú)軌設(shè)備損害很大，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常因?yàn)楦邷乇粺龎?。謙比西礦體深部開(kāi)采，井下剛剛拉開(kāi)的泄水巷道內(nèi)溫度高達(dá)42°，涌水的溫度約50°，水的比熱容大，放熱很多，高溫難以褪去，井下開(kāi)采通風(fēng)降溫非常困難。采礦作業(yè)過(guò)程中，效率非常低，無(wú)軌設(shè)備故障驟增。

3.3 采場(chǎng)地壓控制又是一個(gè)制約回采重要因素

工程地質(zhì)實(shí)踐表明：隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力隨之增大。大多數(shù)硬巖深部在開(kāi)挖后，產(chǎn)生明顯的大變形，表現(xiàn)出軟巖的特征；深部的巖體已經(jīng)不像淺部巖體處于彈性狀態(tài)，表現(xiàn)為明顯的“塑性”狀態(tài)；在一些硬巖礦山中，巖爆與沖擊地壓時(shí)有發(fā)生，給礦山帶來(lái)巨大安全隱患。謙比西礦深部巖體也表現(xiàn)出與其他礦山許多相同的特征，但謙比西礦深部巖體更加破碎，冒落現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給支護(hù)帶來(lái)很大困難；與其他礦山硬巖不同的是：因巖體非常破碎，應(yīng)力主要集中在豎直方向，水平方向應(yīng)力較小，基本沒(méi)有巖爆現(xiàn)象。

3.4 高額回采成本

深部巖體系統(tǒng)工程中高額成本主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.4.1 高額運(yùn)輸提升費(fèi)用

隨著開(kāi)采深度的增加，深部巖體運(yùn)輸提升費(fèi)用增加主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）開(kāi)拓采準(zhǔn)工程過(guò)程中，大量廢石的運(yùn)輸與提升費(fèi)用的增加；（2）礦石運(yùn)輸提升費(fèi)用的增加；（3）地壓活動(dòng)更加劇烈，運(yùn)輸巷道的維護(hù)與保養(yǎng)費(fèi)用的增加。

3.4.2 高額的通風(fēng)降溫費(fèi)用

淺部礦山作業(yè)依靠風(fēng)機(jī)抽壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，但深部巖體卻面臨著地?zé)?、系統(tǒng)等各種因素的影響，僅僅依靠自然通風(fēng)是不夠的。因?yàn)榈責(zé)岬纫蛩赜绊?，井下通風(fēng)風(fēng)量從一個(gè)中段或者水平供給也不能實(shí)現(xiàn)理想通風(fēng)；局部區(qū)域包括獨(dú)頭掘進(jìn)以及風(fēng)流分配不到的作業(yè)環(huán)境，因溫度過(guò)高，還必須采取降溫措施；比較惡劣作業(yè)環(huán)境比如采礦采場(chǎng)溫度過(guò)高等區(qū)域必須采取局部制冷措施等。

3.4.3 高額的排水排泥費(fèi)用

淺部大多礦山排水排泥費(fèi)用不是很高，但深部排水排泥已經(jīng)不再像淺部一樣，因深部需要開(kāi)拓工程量更大，排水量與排泥量不再是簡(jiǎn)單加和，而是呈指數(shù)的增加。這必然導(dǎo)致井下排水排泥費(fèi)用呈指數(shù)倍增加，也是引起深部采礦成本增加的一個(gè)很重要的因素。

其次，深部地壓控制引起采場(chǎng)支護(hù)費(fèi)用也會(huì)有所增加；因深部復(fù)雜工作環(huán)境，設(shè)備折舊維修費(fèi)用也會(huì)大幅度增加等。

4 深部開(kāi)采井下支護(hù)技術(shù)工藝

4.1 謙比西深部開(kāi)采巷道破壞機(jī)理

現(xiàn)場(chǎng)從-829ml與-865ml巷道施工實(shí)踐來(lái)看，不穩(wěn)固巷道破壞機(jī)理如下：巷道開(kāi)挖后，由于巖體自身層理產(chǎn)狀，冒落先從巷道壁開(kāi)始片幫；頂板因幫壁片幫，暴露面積逐漸增大；在這種比較差的地質(zhì)條件下，巖體本身允許暴露面積非常小，巷道頂板因暴露面積過(guò)大而冒落。在現(xiàn)場(chǎng)工程質(zhì)量檢查過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)巷道交叉口處是工程質(zhì)量破壞最嚴(yán)重區(qū)域，主要原因就是因開(kāi)挖引起的應(yīng)力集中和頂板暴露面積過(guò)大。同時(shí)，在-829ml采用T-100施工下向直徑100mm中深孔過(guò)程中，孔內(nèi)變形較大，經(jīng)常出現(xiàn)卡釬和孔內(nèi)錯(cuò)位現(xiàn)象；在爆破作用下，應(yīng)力波對(duì)孔的拉伸作用很明顯，孔內(nèi)經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)位，爆破后堵孔現(xiàn)象頻繁發(fā)生。所有現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明：深部巖體地應(yīng)力較大，巖體處于塑性狀態(tài)。

4.2 謙比西礦深部開(kāi)采支護(hù)工藝

謙比西深部采礦方法為空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，從謙比西礦復(fù)雜的地質(zhì)條件出發(fā)，根據(jù)巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與巖體所處的工程條件，尋找最佳支護(hù)技術(shù)工藝，經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐，謙比西深部開(kāi)采支護(hù)工藝如下：

（1）采準(zhǔn)分段巷道與采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道布置在礦體下盤花崗巖中，本層巖石屬于中等穩(wěn)固巖體，主要采用管縫錨桿支護(hù)，局部區(qū)域輔助金屬網(wǎng)支護(hù)；（2）在礦巖接觸帶處，巖石屬于不穩(wěn)固到中等穩(wěn)固，此處易片幫、頂板易冒落，選擇管縫錨桿與長(zhǎng)錨索支護(hù)，然后在巷道表面濕噴一層厚約3cm纖維混凝土。（3）采場(chǎng)內(nèi)鑿巖道布置在底礫巖與礦體交叉位置的巖石屬于不穩(wěn)固巖體，采用的主要支護(hù)方式：先管縫錨桿和長(zhǎng)錨索支護(hù)，然后預(yù)支U型鋼拱架支護(hù)，然后再濕噴一層3cm混凝土支護(hù)。

通過(guò)以上支護(hù)工藝，減少了巷道片幫與冒頂，巷道工程質(zhì)量大幅度提高。深部采場(chǎng)因?yàn)樗煤罂請(qǐng)龇ǖ牟傻V方法和上盤圍巖巖石性質(zhì)比較差的原因，上盤圍巖垮落比較嚴(yán)重，回采后暴露空間體積增大，致使采場(chǎng)上部冒落。目前，正在試驗(yàn)9m長(zhǎng)錨索支護(hù)工藝控制上盤冒落工藝。

5 謙比西礦深部采礦工藝

5.1 深部開(kāi)采工藝

深部開(kāi)采受開(kāi)采技術(shù)條件限制，面臨著許多技術(shù)上問(wèn)題，必須從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況出發(fā)，摸索和尋找適合相對(duì)適合礦山的開(kāi)采工藝，謙比西礦深部開(kāi)采工藝有自己的特點(diǎn)：

（1）因謙比西礦設(shè)計(jì)采用無(wú)軌開(kāi)采，開(kāi)拓采用豎井和斜坡道開(kāi)拓方式，各分段水平通過(guò)斜坡道相連。（2）為了節(jié)省開(kāi)拓或者采準(zhǔn)工程高額費(fèi)用，必須采用高效的采礦方法。謙比西礦采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，這樣可以減少分段施工以達(dá)到降低采切比實(shí)現(xiàn)降低采礦成本。（3）深部開(kāi)拓或者采準(zhǔn)掘進(jìn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢石，如果這些廢石不能及時(shí)利用或者通過(guò)提升到地表，將會(huì)產(chǎn)生高額費(fèi)用。謙比西礦深部開(kāi)拓過(guò)程中，優(yōu)先施工一措施井，作為存儲(chǔ)廢石井，然后將掘進(jìn)廢石直接轉(zhuǎn)運(yùn)至需要充填采空區(qū)，大大節(jié)省了廢石運(yùn)輸與提升成本。

5.2 深部通風(fēng)系統(tǒng)

淺部通風(fēng)可以通過(guò)風(fēng)機(jī)抽壓風(fēng)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，深部通風(fēng)風(fēng)阻過(guò)大，不能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，只能通過(guò)接力實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)。謙比西礦通風(fēng)采用的是多級(jí)基站實(shí)現(xiàn)井下整體通風(fēng)，但深部因溫度高，一個(gè)水平供應(yīng)的風(fēng)量是不夠的，風(fēng)速太小，起不到降溫的作用，后通風(fēng)采用多水平混合供風(fēng)方法，中央対角式布置方式（如圖2所示）。采用多水平混合供風(fēng)方法，增加風(fēng)路正壓，提高了回風(fēng)風(fēng)速，熱量及時(shí)被帶走，起到通風(fēng)降溫的作用。

在局部作業(yè)采場(chǎng)或者掘進(jìn)掌子面等風(fēng)路夠不著的作業(yè)區(qū)域，必須采用風(fēng)機(jī)局部通風(fēng)，加強(qiáng)工作面風(fēng)量循環(huán)，保證作業(yè)所需要的通風(fēng)環(huán)境；在一些溫度較高區(qū)域，還得采用局部制冷系統(tǒng)，比如水制冷系統(tǒng)等，降低作業(yè)面溫度，生產(chǎn)效率也大幅度提高。

5.3 深部采礦方法

深部采礦面臨著復(fù)雜的地壓?jiǎn)栴}，也面臨著采礦成本問(wèn)題。因此，深部開(kāi)采不僅要考慮采礦方法的適用性，更要注重高效性和經(jīng)濟(jì)合理性。深部開(kāi)采中，由于不可預(yù)見(jiàn)的沖擊地壓存在，大多數(shù)專家學(xué)者傾向于充填采礦法。謙比西深部開(kāi)采由于自身沒(méi)有巖爆現(xiàn)象，但考慮到礦體含水較大和上部尾砂充填對(duì)深部危害，首先深部排除崩落采礦法，再根據(jù)巖體性質(zhì)與地質(zhì)品位，劃分回采區(qū)域回采。將頂板可控的高品位采區(qū)采用上向分層充填法回采，保證了回采品位；礦體地質(zhì)品位中等頂板不易控制的采區(qū)采用嗣后充填法回采，提高了回采效率。多種采礦方法合理采用，采礦經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

5.4 深部疏干、排水、排泥系統(tǒng)

謙比西礦屬于典型的含水較大的沉積巖型礦床，水對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)和采礦影響較大，深部開(kāi)拓過(guò)程中，必須先提前礦床疏干，盡可能減少水對(duì)采礦的影響，疏干工程可以采用疏干巷道和泄水孔兩種方式并舉使用；謙比西深部由于涌水量較大，深部排水與防水系統(tǒng)工程必須兼顧排水與防水，排水采用深挖水溝和預(yù)留排水泵等方式加大排水量，同時(shí)為預(yù)防生產(chǎn)或者事故應(yīng)急，設(shè)計(jì)開(kāi)挖深部?jī)?chǔ)水防水系統(tǒng)以防止水淹；深部排水過(guò)程中，也必然伴隨著泥沙，謙比西深部排泥采用造漿泵將泥沙抽至采空區(qū)或抽放至地表尾砂壩。

6 結(jié)論與建議

（1）盡管謙比西深部沒(méi)有巖爆沖擊地壓等現(xiàn)象發(fā)生，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)礦山巖體硬巖中，巖爆時(shí)有發(fā)生，必須做好高應(yīng)力區(qū)預(yù)警監(jiān)測(cè)，及時(shí)釋放巖體內(nèi)部應(yīng)力，防止巖爆發(fā)生。（2）深部通風(fēng)和降溫措施方法依然是深部開(kāi)采面臨最大難題，深部開(kāi)采開(kāi)拓與采準(zhǔn)工程布置必須優(yōu)先考慮通風(fēng)系統(tǒng)和降溫措施。（3）深部開(kāi)采成本較大，采礦方法應(yīng)遵循安全高效原則，盡可能提高生產(chǎn)效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。（4）深部各開(kāi)采系統(tǒng)兼顧適用與經(jīng)濟(jì)原則，盡可能降低系統(tǒng)成本，同時(shí)為采礦作業(yè)提高效率創(chuàng)造空間，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

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