關(guān)于金屬礦深部礦體開采方案及應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)措施

梁阿拉坦巴根

（正藍(lán)旗民樂(lè)北山螢石礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 027200）

全球化趨勢(shì)的逐步深入為我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)，也極大的帶動(dòng)了礦采產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而日積月累的開采下，我國(guó)地層淺部礦產(chǎn)資源的儲(chǔ)存量已明顯不足，為繼續(xù)滿足礦產(chǎn)資源的需求，我國(guó)的礦采產(chǎn)業(yè)開始呈現(xiàn)一種由淺部開采向深部開采轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。但是隨著開采深度的延伸，問(wèn)題也接踵而來(lái)，與淺部礦床的資源開采相比，深部礦床的開采具有很明顯的“三高效應(yīng)”，即高應(yīng)力、高溫、高巖溶水壓，其次還伴隨著高井深帶來(lái)的排水與通風(fēng)的成本問(wèn)題，安全問(wèn)題等等，并且因地下資源開采過(guò)深而帶來(lái)的地表沉陷預(yù)測(cè)與控制也是礦采產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中不可避免且亟需解決的難題，因此，就深部礦體開采面臨的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行必要的探討分析，并提出科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)礦采產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著不可忽視的重要意義。

1 金屬礦深部開采現(xiàn)狀

世界范圍內(nèi)，礦產(chǎn)資源的深部開采是大多數(shù)國(guó)家目前和未來(lái)都必須面對(duì)的難題，深部礦采的成功甚至可以作為衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)力的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此礦產(chǎn)資源的深部開采受到越來(lái)越多的國(guó)家的關(guān)注。在這樣的大環(huán)境下，我國(guó)金屬礦的采礦規(guī)模也得到了前所未有的飛速發(fā)展。就目前而言，我國(guó)已探明儲(chǔ)量的金屬礦產(chǎn)有54種，已建成的縣級(jí)以上的國(guó)有金屬礦山高達(dá)900余座，金屬礦石的年產(chǎn)量增長(zhǎng)到了4億噸，居世界首列[1]，而在我國(guó)的金屬礦產(chǎn)開采中，地下開采有著極其重要的地位，特別是有色金屬與貴金屬，絕大多數(shù)都在采取著地下開采的方式，但是由于地層淺部礦床儲(chǔ)存資源的有限，面對(duì)部分礦山不得已開始使用深礦井進(jìn)行開采，根據(jù)我國(guó)工業(yè)現(xiàn)有的發(fā)展速度進(jìn)行推測(cè)，未來(lái)我國(guó)的礦采深度將會(huì)以每年9m的趨勢(shì)逐年增加[2]，這就意味著今后每年都會(huì)有著新礦山加入到深井礦采的行列中，而隨著深礦井的逐漸增多，礦體開采問(wèn)題也日益突出。如何使中國(guó)的金屬礦開采技術(shù)取得突破性的進(jìn)步，提高金屬礦山開采的安全性和高效性，依然是礦采產(chǎn)業(yè)未來(lái)努力的目標(biāo)。

2 深部開采面臨的主要問(wèn)題

深部礦床資源的開采與地層淺部相比，開采所需的技術(shù)條件更為苛刻，開采時(shí)的作業(yè)環(huán)境也更加惡劣，不僅增加了井下作業(yè)人員的工作風(fēng)險(xiǎn)，還在考驗(yàn)著礦采企業(yè)的專業(yè)能力。根據(jù)我國(guó)多年的礦采經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出深部礦床的開采特點(diǎn)，或者說(shuō)是開采時(shí)面臨的主要問(wèn)題如下：

2.1 高應(yīng)力

高應(yīng)力又被稱為高地應(yīng)力。隨著礦井深度的延伸，礦井周邊的巖體所受到的垂直應(yīng)力呈線性增加，經(jīng)專業(yè)儀器評(píng)測(cè)，礦井每深入100m，周圍巖體的垂直應(yīng)力便會(huì)上升2.6MPa，而巖體受到的水平應(yīng)力的變化更是復(fù)雜[3]。在這種情況下，高地應(yīng)力便為礦巖聚集高能量從而發(fā)生巖爆事件創(chuàng)造了條件?？梢哉f(shuō)，高地應(yīng)力是導(dǎo)致深部采礦災(zāi)害事故頻發(fā)的主要原因之一，而在其影響下所帶來(lái)的主要問(wèn)題包括三點(diǎn)，即：原巖應(yīng)力增大，巖體塑性增加，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈。

（1）原巖應(yīng)力主要指地層中未受施工影響的自然應(yīng)力，包括自重應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力以及原本存在于巖體內(nèi)部的水對(duì)巖體施加的內(nèi)部應(yīng)力[4]。當(dāng)?shù)V井深度逐步增加時(shí)，原巖的自重壓力便會(huì)迅速增加，同時(shí)因?yàn)樵瓗r本身受到破壞，導(dǎo)致構(gòu)造應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力失衡，且隨著深度的增加，兩種應(yīng)力的釋放愈加困難，失衡程度也就更加嚴(yán)重，最終造成原巖應(yīng)力普遍增大。

（2）事物本身都具備著一定的可塑性，只是外在表現(xiàn)或大或小，巖石也不例外。根據(jù)過(guò)往實(shí)驗(yàn)可以得出，巖石的變形特性與其受力狀態(tài)息息相關(guān)，當(dāng)達(dá)到一定的開采深度時(shí)，原巖應(yīng)力足夠大且無(wú)法完全釋放，巖體便會(huì)進(jìn)入完全塑性狀態(tài)，也即靜水壓力狀態(tài)[4]。

（3）礦山壓力顯現(xiàn)是由礦山壓力所直接決定的，也可以說(shuō)是礦采深度增加后，原巖應(yīng)力和巖體塑性也隨之增加的集中外在體現(xiàn)，當(dāng)?shù)V山壓力逐步趕超礦井自身可承受力時(shí)，礦井便會(huì)出現(xiàn)礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈的情況，具體表現(xiàn)為巷道維護(hù)越發(fā)困難，地溫升高，勘探結(jié)果不明等情況。

2.2 高溫

所謂高溫具體指高地溫，通常為井下巖層的溫度，正常未礦采情況下，地溫便會(huì)隨著地下深度的增加呈線性增加。進(jìn)行礦采后，地溫更是直接決定了礦井中采挖工作面的環(huán)境溫度，也就是所說(shuō)的礦井溫度。因?yàn)閲?guó)家對(duì)于深礦井的一般定性為垂直深度800m以上，所以深礦井中的掘進(jìn)頭溫普遍在50℃～60℃左右，有時(shí)甚至?xí)^(guò)人能承受的生理極限，無(wú)形中增加了井下作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也成為了礦井事故的誘發(fā)因素之一。目前我國(guó)大部分礦井仍在依靠傳統(tǒng)的降溫方法以治理礦井熱害，如通風(fēng)、濕噴、機(jī)械制冷等。

2.3 高巖溶水壓、高井深

地層下蘊(yùn)含著豐富的地下水，廣泛賦存于地面以下巖石的空隙中，當(dāng)開采深度達(dá)到一定程度時(shí)，在高地應(yīng)力的影響下，巖體內(nèi)部的高巖溶水壓會(huì)因?yàn)闊o(wú)法釋放而突出巖體表層，從而導(dǎo)致礦井突水，嚴(yán)重時(shí)巖體涌水量會(huì)瞬間淹沒(méi)礦井巷道，或者是在高巖溶水壓的作用下，發(fā)生礦井巷道壁坍塌事故[5]。另外，由于礦井大多位于地層深處，高井深的環(huán)境大大增加了排水、通風(fēng)、巷道維護(hù)與礦產(chǎn)送出所耗費(fèi)的管理成本，這些都會(huì)導(dǎo)致礦采生產(chǎn)成本增加，繼而使礦采企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益迅速下降。

2.4 深部礦巖的高強(qiáng)度、高硬度

依據(jù)礦采經(jīng)驗(yàn)，大型、超大型金屬深部礦床多是來(lái)源于大型巖漿巖和變質(zhì)巖巖基體，以花崗巖、石英巖、大理巖為代表，此類巖石具有高強(qiáng)度和高硬度，破除本身就具備一定難度，同時(shí)還由于處于地層深處，受到作業(yè)面環(huán)境和作業(yè)人員的限制，金屬深礦的開采可謂極為不易。此外，還有研究表明[6]，當(dāng)?shù)V井每延深500m，巖體的密度便會(huì)增加0.05t/m3，并且?guī)r體受到的高地應(yīng)力也會(huì)作用于其內(nèi)部，使深部礦巖成為高儲(chǔ)能物體，所以礦采時(shí)如果方式不當(dāng)，便會(huì)有著極大的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生巖爆，而一旦發(fā)生該類情況，在深礦井下狹窄且不穩(wěn)定的環(huán)境中很容易在瞬間產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成巷道的突然失穩(wěn)崩塌、采場(chǎng)頂板的突發(fā)性坍落以及礦柱的突然性斷裂等等。

2.5 深部開采技術(shù)不足

目前在我國(guó)進(jìn)入深部開采的礦山中，大部分還是在使用著淺部礦體的采礦工藝和技術(shù)，致使深部礦采風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高，礦采效率低下，另外，在礦采設(shè)備方面，深部礦采的礦山中更是只有少數(shù)幾座實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)化的全應(yīng)用[7]。從全國(guó)范圍來(lái)看，深部礦采使用的工藝更新程度不高，機(jī)械化和自動(dòng)化設(shè)備普及面嚴(yán)重不足，掘進(jìn)效率低下的同時(shí)耗費(fèi)了大量的礦采成本，另外設(shè)備做不到智能化和人工化就會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)礦采工作仍舊需要人工參與，如此不僅會(huì)增加人工成本，降低安全系數(shù)，也會(huì)使得整體的礦采進(jìn)度相較緩慢。

2.6 地質(zhì)監(jiān)測(cè)手段不全

就我國(guó)深部礦采現(xiàn)狀的整體來(lái)看，前期地質(zhì)勘測(cè)工作不夠完善，開采過(guò)程中的地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用也有待加強(qiáng)，雖然我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)有幾座深井開采的金屬礦山建立起了地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但實(shí)際運(yùn)用卻相當(dāng)不足，無(wú)法對(duì)礦采時(shí)的地壓情況進(jìn)行及時(shí)系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)和分析；對(duì)于采礦可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害或巖爆情況也做不到時(shí)間和空間上的準(zhǔn)確判斷；通過(guò)巖體活動(dòng)評(píng)估礦采過(guò)程，進(jìn)而輔助礦采生產(chǎn)的作用也沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)[8]。

3 深部開采風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施

（1）改善深井巷道的安排方式。隨著礦采深度的增加，礦壓也會(huì)在原巖應(yīng)力和高巖溶水壓的增長(zhǎng)中作用于巷道，如何將礦山壓力合理有效的釋放，避免其直接作用于巷道，進(jìn)而提高巷道的穩(wěn)定性便是礦采企業(yè)所要關(guān)注的重點(diǎn)。針對(duì)深部礦井和淺部礦井的不同特點(diǎn)，深部礦井巷道安排時(shí)要在淺部礦井巷道的安排方式上進(jìn)行改進(jìn)，原本的淺部礦井巷道因?yàn)閹r體高地應(yīng)力、高巖溶水壓等程度的有限，所以巷道安排可以選擇較為均勻受力的方式，以節(jié)約礦采成本，但深部礦井巷道周圍巖體的各項(xiàng)應(yīng)力值都已難以預(yù)估，再使用均勻受力的方式將會(huì)增加巷道塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，故此深部礦井巷道應(yīng)避開巖體應(yīng)力的峰值，并在開采前對(duì)開采程序做出優(yōu)化，盡可能將巖體應(yīng)力對(duì)巷道的影響降到最低，從而提升礦井巷道的安全性與穩(wěn)定性[9]。除此之外，根據(jù)礦采經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)V采深度超過(guò)700m時(shí)，巷道礦壓的顯現(xiàn)問(wèn)題普遍突出，底鼓也成為了最常見的地壓現(xiàn)象，特別是在采準(zhǔn)巷道中尤為嚴(yán)重。底鼓的出現(xiàn)不僅導(dǎo)致巷道的維護(hù)成本大幅度增長(zhǎng)，更是為礦采帶來(lái)了極高的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在巷道的維護(hù)方面，底鼓作為影響深井巷道安全性的主要因素，應(yīng)當(dāng)作為巷道維護(hù)的主要內(nèi)容，但我國(guó)目前并未總結(jié)出切實(shí)有效的底鼓防治措施，可以說(shuō)深井巷道的維護(hù)已經(jīng)成為我國(guó)礦采產(chǎn)業(yè)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

（2）做好礦井環(huán)境降溫，減少熱害。在礦采過(guò)程中，尤其是深部礦采，高地溫的現(xiàn)象無(wú)法避免，且處理不當(dāng)很容易引發(fā)事故。因此對(duì)于深熱礦井，為改善井下作業(yè)環(huán)境，應(yīng)當(dāng)做到“事事備于前”，在礦井進(jìn)行初步開挖時(shí)就要最大限度的做好通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，通過(guò)選取較好的風(fēng)井位置，加大礦井內(nèi)部的進(jìn)風(fēng)量，提高其通風(fēng)能力，一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)熱風(fēng)道等措施都可以改善井下環(huán)境；研制各種有效裝置收集井下礦采過(guò)程中出現(xiàn)的粉塵廢氣，之后進(jìn)行統(tǒng)一處理，以供礦井進(jìn)行內(nèi)部風(fēng)循環(huán)使用，與此同時(shí)還可以采取各種手段阻斷井下熱源向風(fēng)循環(huán)流動(dòng)，以保持風(fēng)循環(huán)溫度始終如一，必要時(shí)也可采取制冷措施來(lái)降低風(fēng)溫[10]；做好個(gè)人防護(hù)準(zhǔn)備措施，在井下地溫較高，而風(fēng)循環(huán)在制冷措施的參與下也無(wú)法起到理想效果時(shí)，就需要對(duì)長(zhǎng)時(shí)間處于熱環(huán)境下的作業(yè)人員做好個(gè)人降溫防護(hù)，如配備冷卻服等；最后在以上方式均不能奏效的情況下，便需要對(duì)礦井整體進(jìn)行局部制冷或集中制冷，但一般來(lái)說(shuō)，這種降溫方式所耗費(fèi)的成本較高，且我國(guó)目前金屬礦山礦深不足千米，熱害帶來(lái)的影響尚不需要進(jìn)行集中制冷降溫。

（3）加強(qiáng)前期深部地質(zhì)的勘探工作，確定金屬礦山所處的地理環(huán)境以及地下巖層、水的結(jié)構(gòu)分布，盡可能的避免高強(qiáng)度、高硬度巖層聚集區(qū)，并且依據(jù)前期可靠的地質(zhì)勘探結(jié)果，充分了解地下斷層的空間結(jié)構(gòu)、圍巖穩(wěn)定狀態(tài)與礦井巷道之間的關(guān)系，為做好巷道設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確有效的方案或技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)要妥善運(yùn)用現(xiàn)有儀器，加強(qiáng)對(duì)礦體及其周圍巖體應(yīng)力的采集深度，并結(jié)合一定的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)數(shù)據(jù)做出預(yù)測(cè)分析，進(jìn)而掌握礦采工作面及其周圍的應(yīng)力分布趨向，從中找尋出礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。

（4）改進(jìn)圍巖的控制技術(shù)，減少圍巖因受力而發(fā)生的變形損壞。在我國(guó)的深井礦采中，圍巖支護(hù)方式通常分為主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)，主動(dòng)支護(hù)是在掘進(jìn)時(shí)就對(duì)圍巖進(jìn)行加固圍護(hù)，依靠圍巖自身起到的控制作用來(lái)減少圍巖的變形或損壞，被動(dòng)支護(hù)則是在圍巖發(fā)生變形損壞后進(jìn)行防護(hù)控制。為了更好的把控圍巖的剪脹變形程度，取得更好的支護(hù)效果，深井礦采時(shí)應(yīng)因地制宜，根據(jù)圍巖不同的性質(zhì)選擇主動(dòng)或被動(dòng)支護(hù)，例如地質(zhì)較好地段可選用錨網(wǎng)索進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，地質(zhì)不良地段可采用錨網(wǎng)索進(jìn)行被動(dòng)支護(hù)或復(fù)合支護(hù)[11]。

（5）做好深井礦采工藝的技術(shù)改造。時(shí)至今日，在深部礦井的開采過(guò)程中，大部分礦山依舊沿用著淺部礦床的采礦工藝和技術(shù)，比如傳統(tǒng)的房式采礦法，即先進(jìn)行礦房的采挖，最后留下部分礦柱作為圍巖支撐。就結(jié)果來(lái)看，房式采礦在淺部礦采工作中起到了不錯(cuò)的效果，但卻不適用于深部礦采。因?yàn)樵谏畈康V井的掘進(jìn)中，礦柱很可能會(huì)在多種地應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的礦柱型巖爆，繼而對(duì)圍巖乃至整個(gè)礦井造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，所以在惡劣的深部礦井開采條件下，常規(guī)的礦采方式、支護(hù)方法以及礦采工藝已然不足以滿足礦采要求，因此，引進(jìn)或做好國(guó)內(nèi)外深井礦采工作的技術(shù)改造工作就顯得極為重要，就目前而言，國(guó)際上較為切實(shí)可行的深井礦采工藝包括盤區(qū)房柱法、二步驟充填開采法、無(wú)間柱連續(xù)充填采礦法等[12]。做好深井礦采工藝的技術(shù)改造不僅可以延長(zhǎng)礦山的服務(wù)年限，降低礦采過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，還可以減少礦采成本，提高礦采企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

（6）加快礦采設(shè)備智能化進(jìn)程。結(jié)合我國(guó)深部礦采現(xiàn)狀，要實(shí)現(xiàn)深部礦采的安全性、高效性和低成本，不僅需要在前期做好以地質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)勘測(cè)為主要內(nèi)容的礦采準(zhǔn)備，還要在實(shí)施礦采時(shí)做到新工藝新技術(shù)的運(yùn)用推廣，同時(shí)結(jié)合過(guò)往礦采經(jīng)驗(yàn)，大力發(fā)展高效智能的礦采設(shè)備，做到礦采智能化、信息化、自動(dòng)化和機(jī)械化，在提高礦采效率的同時(shí)以設(shè)備代替人工去適應(yīng)深井開采的惡劣環(huán)境，為礦采提供足夠的安全保障。

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是世界上礦產(chǎn)的資源大國(guó)，隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)于礦產(chǎn)資源的需求量日益增加，金屬礦山的開采技術(shù)也在不斷提高，做到對(duì)礦產(chǎn)資源安全、高效、綠色開采以及開發(fā)后的合理利用，必將對(duì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極地推動(dòng)作用，然而伴隨著礦產(chǎn)開采逐漸向深部延伸的趨勢(shì)，我國(guó)在金屬礦山的采礦經(jīng)驗(yàn)愈顯不足，尤其是深井礦床的開采，面對(duì)如地表沉陷預(yù)測(cè)與控制、巖爆、突水通風(fēng)等問(wèn)題時(shí)，缺乏完善的理論體系和完備的技術(shù)手段，由此可見，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步的發(fā)展，未來(lái)的礦產(chǎn)深部開采將會(huì)面臨的一系列的問(wèn)題，這些問(wèn)題也會(huì)成為我國(guó)今后安全生產(chǎn)的難題與挑戰(zhàn)，因此進(jìn)行礦采時(shí)必須做到未雨綢繆，降低和防范因深部礦采所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)或危害，同時(shí)加大礦采技術(shù)和礦采設(shè)備的創(chuàng)新力度，及早形成一套完整的礦采理論，實(shí)現(xiàn)深部礦床的安全、高效、綠色、低成本開采，從而保證我國(guó)礦采產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。