金屬礦地下開采對井巷圍巖變形、破壞和穩(wěn)定性的影響

王興亞

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦，山東 萊州 261441）

隨著開采深度和規(guī)模的增加，露天開采資源逐漸消失，地下開采也面臨著嚴(yán)重的生態(tài)問題。為了解決金屬礦地下開采問題，連續(xù)開采技術(shù)是一種有效的途徑。地下連續(xù)開采可以實現(xiàn)連續(xù)機械作業(yè)，改善工作條件和工作環(huán)境，提高開采能力，縮短開采周期，有利于深部低壓的管理和控制。我國金屬礦山數(shù)量眾多，分布廣泛，但在金屬礦山的地下開采過程中，還沒有先進的開采技術(shù)和采礦工具作為支撐。同時，許多企業(yè)擅自開采。近年來，安全事故頻發(fā)，給國家和人民造成了巨大損失。因此，應(yīng)采取有效的方法和措施，防止金屬礦山地下開采安全事故的發(fā)生。

1 地下金屬礦山的采礦技術(shù)進展

中國礦業(yè)起步較晚。與前發(fā)達國家相比，中國的采礦業(yè)落后了但是，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界礦業(yè)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，這并不夸張。經(jīng)過多年的大量前礦業(yè)工人的努力和汗水，中國礦業(yè)取得了前所未有的突破，各種采礦技術(shù)也取得了進展倒塌和填充方法是最重要的，為不同的金屬礦山提出了特殊的采礦方法。例如，對于一些重金屬，我們制定了在深海重金屬的獨特方法。

（1）崩落法。經(jīng)過多年的采礦技術(shù)發(fā)展，我國提出了幾種金屬采礦方法，不同的采礦方法和技術(shù)各有特點。每個采礦公司根據(jù)自己的地質(zhì)條件、金屬含量和脈狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)自己的經(jīng)濟利益，選擇不同的采礦方法。其中，倒塌法主要用于鐵、銅等低價值金屬。在鐵礦石開采中選擇大規(guī)模的靜脈破裂，以及使用化學(xué)技術(shù)從礦石中提取鐵，可以最大限度地降低經(jīng)濟成本，并減少開采過程的需求。但是自身的缺點也相當(dāng)明顯。在大面積崩落后，礦脈中的鐵礦石含量也在下降。與此同時，礦脈的崩落留下了大片場區(qū)，最終地表塌陷，影響了生態(tài)環(huán)境。與此同時，崩落法也對工作人員的安全構(gòu)成威脅，崩落產(chǎn)生的灰塵和碎片等雜物也可能造成采礦區(qū)的通風(fēng)問題，并影響采礦區(qū)的工作環(huán)境。

（2）充填法。在中國地下金屬礦山多年采礦實踐和金屬充填技術(shù)研究之后，采用了地下金屬礦山開采技術(shù)。一方面響應(yīng)國家環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展呼吁；另一方面，這是為了更好地促進采礦發(fā)展和提高采礦效率。雖然充填法的設(shè)備和充填成本很高，但在環(huán)境保護和礦脈的貧化率方面具有相當(dāng)大的好處。此外，充填方法需要高水平的采礦技術(shù)，并需要科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的有力支持，這就需要制定采礦理論的某些先決條件，而采礦理論是采礦技術(shù)和方法多年來取得進展的結(jié)果。

（3）自然采礦技術(shù)。自然開采技術(shù)（或稱露天采場開采）是指在維持開采的同時，借助圍巖的穩(wěn)定性建立一種采空區(qū)，并對其進行臨時支護。也就是說，在礦石堅硬、圍巖穩(wěn)定、抗振動能力強的礦區(qū)，如果房間安全、開闊，就可以在礦柱支撐的環(huán)境中安全開采。研究表明，自然開采技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡單、工藝要求低的金屬地下采礦法，具有開采成本低的優(yōu)點，特別適用于礦石及圍巖穩(wěn)定性好的礦區(qū)，但也有以下局限性：當(dāng)?shù)V體厚度達到中厚層水平時，自然開采技術(shù)實現(xiàn)的回采率將降低。

（4）人工支護開采技術(shù)。如果采用人工支護開采技術(shù)，在采空區(qū)維護中一般采用碎石、礦渣等充填材料，并采用地壓管理控制地表移動。因此，人工支護開采技術(shù)的原理是通過充填體實現(xiàn)地壓管理和控制地表沉陷。實踐證明，應(yīng)用人工支護開采技術(shù)可以不斷擴大工作面和采空區(qū)，從而改善地下開采和金屬礦山開采的工作環(huán)境。

2 金屬礦山開采時存在的主要問題

我國金屬礦山在先進的科學(xué)技術(shù)條件下取得了長足的進步，但也存在一些問題，主要表現(xiàn)在：①我國金屬礦山資源豐富，但富礦少，規(guī)模大的金屬礦產(chǎn)少。大多數(shù)是貧礦。因此，雖然礦山眾多，但礦產(chǎn)資源仍然相對稀缺。②金屬礦山開采技術(shù)不平衡。我國幅員遼闊，各地區(qū)礦業(yè)發(fā)展水平不盡相同，礦業(yè)技術(shù)發(fā)展不平衡。發(fā)達地區(qū)的采礦技術(shù)與國際先進水平相當(dāng)，但在偏遠(yuǎn)地區(qū)，采礦設(shè)備和采礦技術(shù)還比較落后，使得這些地區(qū)的采礦效率普遍較低。③資源利用率低。隨著社會的不斷發(fā)展，人們越來越重視環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展，因此在金屬礦山，特別是有色金屬礦的開采中，對礦石的利用和回收越來越重視。但是，我國有色金屬的利用和回收技術(shù)還存在諸多不足，有色金屬資源利用率較低。④地下采礦引起環(huán)境問題。金屬礦地下開采會引起礦山地面沉降，不僅影響原有地形地貌，還會破壞區(qū)域內(nèi)的土地和地下水資源，惡化礦山地質(zhì)環(huán)境。礦山開采造成的環(huán)境問題使礦區(qū)無法滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的要求。

3 完善開采的安全保障措施

在金屬礦山的地下開采中，一旦發(fā)生安全事故，將直接中斷采礦作業(yè)，破壞采礦區(qū)段。在這方面，如果再開采，將花費大量時間修復(fù)損壞。因此，為了提高地下開采的效率，必須完善地下開采的安全措施。在金礦區(qū)，采取的安全措施包括：①安裝井下防護和預(yù)警裝置，隨時檢查井下情況，一旦有坍塌的可能，保護預(yù)警裝置在第一時間報警，提醒管理人員及時處理，消除隱患；②隨時檢查井下支護保護系統(tǒng)，即在井下開采的鎳礦，塌方事故不僅偶發(fā)，而且也會造成嚴(yán)重危害。因此，有必要隨時檢查井下安全防護裝置，及時解決存在的問題，以提高井下作業(yè)環(huán)境的安全性。③在鎳礦地下開采中，引進了高新技術(shù)的輸送設(shè)備，其中礦物運輸是礦山開采后最重要的環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)的方式可以提高礦山井下作業(yè)環(huán)境的安全性，礦物運輸一般采用人工包裝運輸，存在運輸效率低的問題。為了解決這一問題，金礦區(qū)通過運輸軌道運輸金屬礦物，從而改善鎳礦的開采工藝，提高其開采效率。

4 地下礦山變形、破壞和穩(wěn)定性的影響

隨著開采深度的不斷增加，地質(zhì)條件的惡化，破碎巖體、地應(yīng)力、涌水量和地溫的增加，帶來了深部地壓、提升能力、工作環(huán)境惡化、通風(fēng)降溫等一系列問題，生產(chǎn)成本急劇上升，制約了生產(chǎn)能力的提高和礦產(chǎn)資源的充分回收。

（1）深部巷道變形與支護。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力增大。因此，深部巷道和采場的維護原則與淺部巷道和采場的維護原則有明顯不同。這種差異的根源在于巖石應(yīng)力環(huán)境和巖體力學(xué)性質(zhì)的差異。硬巖在淺部較為常見，在深部可能表現(xiàn)出軟巖的特征，導(dǎo)致巷道及圍巖變形大；淺部的原巖大部分處于彈性狀態(tài)，而深部的原巖處于“潛在塑性”狀態(tài)，這是由于原始巖石的應(yīng)力場在各個方向上的壓力不相等造成的巖石的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力超過了巖石的強度，導(dǎo)致了巖石的潛在破壞狀態(tài)。對于深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護，除了要考慮圍巖強度特性和巖體結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)注意巷道的應(yīng)力環(huán)境。在淺部中低應(yīng)力條件下，應(yīng)考慮地質(zhì)構(gòu)造等不連續(xù)面的影響，而在深部高應(yīng)力巖石中，應(yīng)考慮新的斷裂構(gòu)造的影響。因此，深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護應(yīng)充分利用削峰后受損巖體的剩余強度。合理控制巖體峰后變形，使巷道圍巖盡可能處于三維應(yīng)力狀態(tài)。因此，應(yīng)先采取能保持和提高巖體強度的加固措施，再采取剛性措施；深部巷道支護設(shè)計應(yīng)以能量分析為基礎(chǔ)，而不是簡單地以應(yīng)力和強度作為設(shè)計準(zhǔn)則。

（2）深部地壓特性與礦山動力災(zāi)害。從根本上講，地應(yīng)力是所有地下工程（包括地下采場和巷道）地壓性狀的根本來源。在不受采礦工程干擾的情況下，巖體處于初始平衡狀態(tài)。地下巷道或采場的開挖破壞了地層原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地應(yīng)力釋放，引起巖體變形和向自由面位移，引起圍巖應(yīng)力重分布。圍巖位移過大、應(yīng)力集中，會導(dǎo)致圍巖局部或整體失穩(wěn)破壞。這就是地壓的過程和機理。它與巖體的應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、物理力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)條件和時間有關(guān)。深部地壓主要有兩種形式：變形和巖爆。變形地壓是開挖引起圍巖位移所產(chǎn)生的壓力，是地壓的最基本形式。當(dāng)巖體條件良好時，當(dāng)圍巖發(fā)展到一定程度時，圍巖的位移和變形就會停止，圍巖本身無需支撐就能保持穩(wěn)定。在深部高應(yīng)力條件下，圍巖具有產(chǎn)生大變形的內(nèi)部和外部條件。圍巖的過度變形會產(chǎn)生細(xì)觀或宏觀的斷裂、巖層移動、巷道底鼓、幫肋剝落、頂板冒落、斷面收縮、支架破壞、采場跨度冒落等。必須對圍巖進行支護，以防變形過大造成破壞。此時，變形地壓的行為特征與支護方式和支護結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在圍巖與支護一體化的條件下，圍巖與支護形成一個共同的承載體，相互依存、相互制約、共同變形。只有及時采取支護措施，支護方法得當(dāng)，才能有效改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，抑制圍巖變形，防止圍巖失穩(wěn)破壞。它是巖爆的一種動力誘因，是巖爆的一種動力誘因。在金屬礦山，巖爆被稱為巖爆。巖爆和巖爆主要與兩個因素有關(guān)。一是巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，它具有在圍巖中儲存高應(yīng)變能的內(nèi)在條件。一般來說，堅硬完整的巖體容易儲存高應(yīng)變能。二是產(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。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力增大，深部易發(fā)生巖爆和沖擊地壓。隨著越來越多的礦山進入深部開采，迫切需要加強對沖擊地壓的研究，主要集中在以下三個方面：從地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、開采方法等方面綜合分析研究巖爆機理，開采過程、開采順序、圍巖能量積累與釋放規(guī)律；建立有效可靠的監(jiān)測系統(tǒng)和手段，預(yù)測巖爆發(fā)生的可能性、位置和規(guī)模；采取有效措施，防止和緩解圍巖高能量積聚，避免外界條件的影響導(dǎo)致高能量的快速釋放。

（3）地溫升高導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境惡化。地下地層溫度隨深度的增加而升高。據(jù)統(tǒng)計，巖石溫度在常溫區(qū)以下以3℃的梯度上升。在1000多米遠(yuǎn)的深井里，巖層溫度會超過人體溫度。如南非西部礦山，3000m深處巖石溫度高達80℃；銅陵冬瓜山銅礦1000m深處最高溫度達40℃。深部回采工作面溫度升高導(dǎo)致工作條件嚴(yán)重惡化。這將極大地影響采礦工人在高溫下的工作能力和生產(chǎn)率。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)溫度超過人體適宜溫度時，工人的勞動生產(chǎn)率每1℃降低7%～10%。采取經(jīng)濟有效的措施，解決深部礦井通風(fēng)降溫問題，保持人員和設(shè)備能承受的溫濕度，將綜合開采成本控制在可接受的范圍內(nèi)，對保障深部地下開采的正常發(fā)展具有重要意義。

隨著開采強度的增加，開采深度逐年增加，開采條件不斷惡化，開采技術(shù)難度越來越大。它不僅直接決定了采礦的經(jīng)濟效益，而且嚴(yán)重影響了采礦的安全、高產(chǎn)和高效。因此，在選擇采礦方法時，必須充分考慮地質(zhì)條件、礦體產(chǎn)狀、技術(shù)水平、機械設(shè)備水平等因素。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況分析，選擇科學(xué)合理的開采方法，提高生產(chǎn)效率，降低礦石損失率和貧化率，在保采的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。