金屬礦山深部安全開采的可靠性研究

姜廷劍

（樺甸市四道溝建龍礦業(yè)有限公司，吉林 樺甸 132400）

我國礦產(chǎn)資源需求量的增加，讓大部分礦山的淺部資源不斷消耗，大量淺部金屬資源開采殆盡，為滿足目前市場金屬消耗需求，國內(nèi)金屬開采行業(yè)也轉(zhuǎn)向進入深部開采狀態(tài)。在這一發(fā)展形式下，我國許多地下礦山以進入深部開采或即將進入深部開采[1]。

金屬礦山開采深度的增加，使得礦山開采環(huán)境逐漸復(fù)雜化，主要表現(xiàn)為開采工作環(huán)境溫度升高、礦山巖體應(yīng)力條件變化明顯，且礦山深部地壓升高、通風(fēng)降溫差、作業(yè)環(huán)境惡劣等問題，不僅會增加開采成本，更會增加開采風(fēng)險。金屬礦山深部開采所存在的問題不僅抑制了金屬礦山金屬生產(chǎn)能力的提升與礦產(chǎn)資源的回收，更限制了礦山開采的安全與高效運行[2]。

為保障我國金屬開采也的可持續(xù)發(fā)展，滿足目前市場金屬資源需求，因此對金屬礦山深部安全開采的可靠性研究，為金屬礦山深部安全開采提供可靠方向。

1 金屬礦山深部安全開采的可靠性研究

1.1 深部巷道變形與支護

隨著金屬礦山開采深度增加，地應(yīng)力也隨之增加。受地應(yīng)力的影響，礦山深部開采過程中維護原理與淺部開采有著明顯區(qū)別，這種區(qū)別主要由巷道巖體力學(xué)性質(zhì)區(qū)別引起。同一礦山中的普通硬巖，在淺部巷道中會呈現(xiàn)征程硬巖特性。而在深部巷道可能會表現(xiàn)出軟巖的特征，引起深部巷道與圍巖的變形。

受到軟巖特征影響，礦山深部原巖處于“淺塑性”狀態(tài)，由各向壓力原巖應(yīng)力場引起超過巖石自身承受能力的強度擠壓，造成巖石潛在狀態(tài)破壞[3]。金屬礦山巖體受到力學(xué)性質(zhì)變化影響，深部開采考慮到巖體結(jié)構(gòu)與巖石強度性質(zhì)，安全開采工程的支護，還需要考慮金屬礦山實際環(huán)境的特殊影響，合理控制巖體變形結(jié)構(gòu)，并盡量使巷道圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)。巷道圍巖挖掘造成的斷裂破壞帶同樣是巷道支撐質(zhì)量的主要影響因素。在礦山深部高應(yīng)力環(huán)境下，巷道支撐應(yīng)首先考慮到巖體結(jié)構(gòu)破壞后殘余強度的利用。深部巷道巖體硬度應(yīng)采用先柔后剛手段，采用能量分析進行深部巷道支護。

1.2 深部低壓顯現(xiàn)與開采動力災(zāi)害

從根本上講，金屬礦山深部開采中地應(yīng)力是低下開采、巷道低壓的主要原因[4]。金屬礦山深部巖體本處于原始平衡狀態(tài)，在沒有開采活動干擾下，能夠很好保持自身結(jié)構(gòu)平衡。深部開采與地下巷道打破了礦山深部地層原有平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地應(yīng)力釋放，從而引發(fā)巖體變形與自由面穩(wěn)定失衡，引起圍巖應(yīng)力重新分布。圍巖應(yīng)力集中與過量位移會導(dǎo)致圍巖局部與整體失衡，也就是地壓發(fā)生過程與機理。深層地壓主要受到工程地質(zhì)條件、巖體質(zhì)量、受力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)等多種因素影響。深部壓力主要表現(xiàn)為沖擊地壓與變形地壓。沖擊地壓作為一種巖石動力學(xué)現(xiàn)象，由圍巖內(nèi)聚集大量彈性變形所釋放形成。

在金屬礦山內(nèi)，沖擊地壓主要變現(xiàn)形式為巖爆，在巖石巖體結(jié)構(gòu)在存儲高應(yīng)變能條件下引發(fā)。圍巖應(yīng)力集中或地應(yīng)力過大等高應(yīng)變能外部環(huán)境也會引發(fā)巖爆。

變形地壓主要由圍巖開挖產(chǎn)生位移引起壓力，是地壓的基本表現(xiàn)形式。如果巖體條件較好，圍巖在發(fā)生變形與位移過程中發(fā)展到一定程度會停止，維持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但受到礦山深部高應(yīng)力影響，圍巖產(chǎn)生大量變形，出現(xiàn)宏觀破裂、斷面收縮、巷道底鼓等現(xiàn)象。

因此，圍巖必須通過支護才能防止過量變形引起巖體結(jié)構(gòu)破壞。

礦山深部圍巖與支護結(jié)構(gòu)結(jié)合條件下，形成共同承載體，他們相互共同變形、相互制約、相互依存。需要及時采取相應(yīng)的支護才是，才能有效改善圍巖應(yīng)力結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)，預(yù)防圍巖失穩(wěn)與破壞。

1.3 礦山深部開采環(huán)境地溫升高

與淺部開采不同，隨著金屬礦山開采深度的增加，巖體溫度也逐漸增加。根據(jù)實際開采數(shù)據(jù)表明，隨著金屬開采深部的增加增溫率一般在3℃/100m左右。按照這一數(shù)據(jù)推斷，深度數(shù)千米的礦井，巖體溫度增高所帶來的影響成為礦山開采不能回避的一個安全難題。根據(jù)相關(guān)資料顯示，人體溫度在超過自身合適溫度后，環(huán)境溫度每增加1℃，生產(chǎn)效率降低7%～10%。

因此，礦山深部開采需要采取有效經(jīng)濟措施，解決礦山深部通風(fēng)與降溫問題，從而保證深部地下開采正常進行[5]。深度礦井降溫以通風(fēng)為主要手段，但隨著礦山開采垂直深度增加，開采增加自然通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

目前循環(huán)通風(fēng)技術(shù)尚不普及，實際應(yīng)用中面臨著諸多困難，在通風(fēng)流動過程中自凈作用機理遠(yuǎn)沒有達到相對成熟的體系。

礦山深部低溫升高所帶來的熱害環(huán)境，讓通風(fēng)條件更加復(fù)雜。而除通風(fēng)問題外，對一些采用水利充填的礦山，同樣要面臨填充料漿運輸過程中出現(xiàn)的堵管、料漿離析沉淀以及倍管選擇等一系列問題。

2 結(jié)語

金屬礦山深部開采已經(jīng)成為今后金屬礦山可持續(xù)發(fā)展的主要趨勢。

在金屬礦實際地質(zhì)基礎(chǔ)上，明確金屬礦山硬巖深部開采動力學(xué)特征，結(jié)合動靜組合作用動力學(xué)模式，通過了解巖爆發(fā)生機制，對深部安全開采時深部開采環(huán)境的巷道室溫、硬巖開挖能量釋放以及有序調(diào)控詳細(xì)分析，從而實現(xiàn)金屬礦山深部安全開采實踐較好的發(fā)展。