北京科技大學(xué)教授 蔡美峰
摘要
闡述了金屬地下礦山深部開(kāi)采中的深部巷道變形與支護(hù)、深部地壓顯現(xiàn)與開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害、地溫升高引起作業(yè)環(huán)境惡化和露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性及合理的邊坡角確定、改變傳統(tǒng)運(yùn)輸方式、降低運(yùn)輸和生產(chǎn)成本等關(guān)鍵問(wèn)題及其對(duì)策思路；介紹了以地應(yīng)力為切入點(diǎn)的金屬礦采礦優(yōu)化理論、以能量聚集和演化為主線(xiàn)的巖爆預(yù)測(cè)及防治和深凹露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要技術(shù)內(nèi)容。
關(guān)鍵詞 金屬礦山 , 深部開(kāi)采 , 關(guān)鍵問(wèn)題 , 對(duì)策
1 影響金屬礦山深部安全高效開(kāi)采的主要問(wèn)題
1.l 地下礦山
我國(guó)有很多重要的金屬礦產(chǎn)資源都是通過(guò)地下開(kāi)采的方式所獲得, 如大多數(shù)的有色金屬礦山和黃金礦山均為地下礦山。隨著淺部資源的逐漸減少和消失,
地下開(kāi)采的比例將越來(lái)越大, 包括現(xiàn)有的部分露天礦山也將轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)采,目前很多地下礦山均己進(jìn)入深部開(kāi)采或即將進(jìn)入深部開(kāi)采。如銅陵獅子山銅礦的開(kāi)采深度己到1100 米, 山東玲瓏金礦和吉林夾皮溝金礦己到 1000 米, 遼寧紅透山銅礦己達(dá) 1300 米。隨著開(kāi)采深度的不斷增加, 地質(zhì)條件惡化, 破碎巖體增多, 地應(yīng)力增大, 涌水量加大, 地溫升高, 帶來(lái)了深部地壓、提升能力、作業(yè)環(huán)境惡化、通風(fēng)降溫和生產(chǎn)成本急劇增加等一系列問(wèn)題, 抑制了生產(chǎn)能力提高和礦產(chǎn)資源的充分回收。
1.1.1 深部巷道變形與支護(hù)
隨著開(kāi)采深度的增加, 地應(yīng)力隨之增大。因此, 深部巷道與采場(chǎng)的維護(hù)原理與淺部有十分明顯的區(qū)別, 這種區(qū)別的根源在于巖石所處的應(yīng)力環(huán)境的區(qū)別以及由此導(dǎo)致的巖體力學(xué)性質(zhì)的區(qū)別。在淺部十分普通的硬巖, 在深部可能表現(xiàn)出軟巖的特征, 從而引起巷道和圍巖的大變形；淺部的原巖大多處于彈性狀態(tài), 而深部的原巖處于“潛塑性”狀態(tài), 由各向不等壓的原巖應(yīng)力場(chǎng)引起的壓、剪應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度, 造成巖石的潛在破壞狀態(tài)。深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù), 除了必須考慮巖石強(qiáng)度性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)外, 還應(yīng)重視巷道所處的應(yīng)力環(huán)境。淺部中、低應(yīng)力條件下的巷道支護(hù)主要考慮業(yè)己存在的地質(zhì)構(gòu)造等不連續(xù)面的影響, 而深部高應(yīng)力巖體中巷道支護(hù)必須考慮巷道圍巖因掘進(jìn)造成的斷裂破壞帶, 即新生斷裂結(jié)構(gòu)的影響。所以, 深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù)應(yīng)強(qiáng)調(diào)峰后破壞巖體殘余強(qiáng)度的利用。應(yīng)合理控制巖體的峰后變形, 并盡量使巷道圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài), 為此, 需采用先柔后剛的能保持和提高巖體強(qiáng)度的加固措施；深部巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)更多地建立在能量分析的基礎(chǔ)上, 而不是簡(jiǎn)單地以應(yīng)力和強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
11.2 深部地壓顯現(xiàn)與開(kāi)采動(dòng)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(chǎng)、巷道地壓顯現(xiàn)的根本來(lái)源。在沒(méi)有開(kāi)采工程擾動(dòng)的情況下, 巖體處于原始平衡狀態(tài)。地下巷道或采場(chǎng)的開(kāi)挖, 打破地層原始平衡狀態(tài), 導(dǎo)致地應(yīng)力的釋放, 從而引起巖體的變形和向自由面的位移, 引起圍巖應(yīng)力的重新分布。圍巖的過(guò)量位移和應(yīng)力集中將導(dǎo)致圍巖局部的或整體的失穩(wěn)和破壞。這就是地壓發(fā)生的過(guò)程和機(jī)理。它與巖體的受力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)條件以及時(shí)間等因素有關(guān)。深部地壓主要有兩種表現(xiàn)形式, 即：變形地壓和沖擊地壓。變形地壓是因開(kāi)挖產(chǎn)生的圍巖位移所引起的壓力, 這是地壓的最基本形式。在巖體條件較好的情況下, 圍巖的位移和變形發(fā)展到一定程度就停止了, 可能不需要支護(hù), 圍巖自身就能維持穩(wěn)定。深部高應(yīng)力條件下, 圍巖具有產(chǎn)生大變形的內(nèi)外部條件, 圍巖的過(guò)量變形將產(chǎn)生微觀(guān)或宏觀(guān)破裂、巖層移動(dòng)、巷道底鼓、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場(chǎng)跨落等等。圍巖必須通過(guò)支護(hù)才能防止過(guò)量的變形而引起的破壞。此時(shí), 變形地壓的顯現(xiàn)特征與支護(hù)方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在圍巖與支護(hù)結(jié)合在一體的條件下, 圍巖與支護(hù)構(gòu)成共同承載體, 它們相互依存、相互制約、共同變形。只有及時(shí)采取支護(hù)措施, 并且支護(hù)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, 阻止圍巖的失穩(wěn)和破壞。沖擊地壓是一種巖石動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象, 它是圍巖內(nèi)聚集的大量彈性變形能在一定誘因下突然釋放而表現(xiàn)出的一種形式。在金屬礦山, 沖擊地壓叫巖爆。產(chǎn)生沖擊地壓和巖爆主要與兩方面因素有關(guān)。一是巖石的巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì), 具有在圍巖內(nèi)貯存高應(yīng)變能的內(nèi)在條件。一般來(lái)講, 堅(jiān)硬完整巖體容易貯存高應(yīng)變能。二是有產(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(kāi)采深度的增大, 地應(yīng)力不斷增大, 因而深部容易出現(xiàn)巖爆和沖擊地壓。
隨著越來(lái)越多的礦山進(jìn)入深部開(kāi)采, 加強(qiáng)對(duì)巖爆的研究己刻不容緩, 研究重點(diǎn)在以下三個(gè)方面：
①?gòu)牡貞?yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、采礦方法、開(kāi)采過(guò)程、開(kāi)采順序、圍巖能量聚集和釋放規(guī)律等方面綜合分析和研究巖爆機(jī)理；
②建立有效可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和手段, 對(duì)巖爆發(fā)生的可能性、發(fā)生的地點(diǎn)和大小進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；
③從防止和解除圍巖高能量聚集, 避免引起高能量迅速釋放的外部條件出現(xiàn)兩方面采取防治巖爆的有效措施。
11.3 地溫升高引起作業(yè)環(huán)境惡化
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。如南非西部礦井,在深部 3000 米處, 巖層溫度高達(dá)80 ℃ ； 我國(guó)銅陵冬瓜山銅礦在深度 1000 米處, 最高溫度達(dá) 40 ℃ 。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%。采取經(jīng)濟(jì)和有效的措施, 解決深井的通風(fēng)和降溫問(wèn)題, 使深井開(kāi)采工作面保持人員和設(shè)備所能承受的溫度和濕度, 并使綜合開(kāi)采成本限定在可以接受的范圍內(nèi), 對(duì)保證深部地下開(kāi)采的正常發(fā)展具有重要意義。
1.2 露天礦山
12.1 高陡邊坡穩(wěn)定性及合理的邊坡角確定
我國(guó)大型金屬露天礦山多始建于 20 世紀(jì) 50~60 年代, 現(xiàn)己生產(chǎn)多年, 其中多數(shù)逐步由山坡露天開(kāi)采轉(zhuǎn)為凹陷開(kāi)采, 甚至深凹開(kāi)采, 開(kāi)采深度己延深至地表下 100~ 30Om, 有的將超過(guò) 400m 。如首鋼水廠(chǎng)鐵礦凹陷開(kāi)采深度為430m。很多露天礦的邊坡垂直高度將超過(guò) 500m, 如太鋼峨口的鐵礦的設(shè)計(jì)邊坡垂直高度為 720m, 首鋼水廠(chǎng)鐵礦為 670m, 形成名副其實(shí)的高陡邊坡。隨著邊坡的加高加陡 , 邊坡滑移和傾倒破壞事故的發(fā)生日益增多, 邊坡穩(wěn)定性維護(hù)的難度越來(lái)越大, 嚴(yán)重威脅礦山的安全, 制約礦山生產(chǎn)能力的提高。另一方面, 我國(guó)大型露天礦山與國(guó)外同類(lèi)礦山相比, 邊坡角普遍緩 50 左右, 而年產(chǎn)千萬(wàn)噸的礦山, 邊坡角每提高10 就可減少剝離量數(shù)千萬(wàn)噸, 節(jié)省投資上億元, 經(jīng)濟(jì)效益極為顯著。但邊坡角加大又會(huì)給邊坡穩(wěn)定性維護(hù)帶來(lái)更大困難。因此, 必須進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)的優(yōu)化。在采取先進(jìn)的綜合措施在保證邊坡生產(chǎn)安全的前提下, 最大限度提高邊坡角, 就成為露天礦山降低成本, 提高效益的最重要的途徑。
1.2.2 改變傳統(tǒng)運(yùn)輸方式 , 降低運(yùn)輸和生產(chǎn)成本露天礦進(jìn)入深凹開(kāi)采以后, 重車(chē)下坡運(yùn)行變?yōu)樯掀逻\(yùn)行, 運(yùn)輸距離加長(zhǎng), 運(yùn)輸效率降低, 導(dǎo)致運(yùn)輸成本急劇上升, 經(jīng)濟(jì)效益下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 目前我國(guó)大型深凹露天礦的生產(chǎn)總成本中, 運(yùn)輸一項(xiàng)占到 40~60% 。如果開(kāi)拓運(yùn)輸方式仍然采用目前廣泛應(yīng)用的鐵路運(yùn)輸、鐵路一汽車(chē)聯(lián)合運(yùn)輸和公路汽車(chē)運(yùn)輸, 多數(shù)礦山將因?yàn)槌杀咎叨鵁o(wú)法開(kāi)采。因此, 必須研究并應(yīng)用適合大型深凹露天礦山的高效運(yùn)輸系統(tǒng), 以保證礦山開(kāi)采成本不增加, 從而保證礦山的正常生產(chǎn)。
針對(duì)這種情況, 一些礦山采用了陡坡鐵路運(yùn)輸開(kāi)采技術(shù), 以延長(zhǎng)鐵路服務(wù)年限。 這種運(yùn)輸方式對(duì)原有運(yùn)輸系統(tǒng)的改造和投資較少, 運(yùn)輸成本較低, 對(duì)于開(kāi)采境界大且凹陷開(kāi)采深度不超過(guò) 300 米的礦山有較好的適用性。但是, 陡坡鐵路運(yùn)輸對(duì)坡度的增加有限, 隨采場(chǎng)深度增加, 其適用性越來(lái)越差, 開(kāi)采深度超過(guò) 300 米將不宜使用。目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用汽車(chē)一膠帶半連續(xù)運(yùn)輸方式, 這種運(yùn)輸方式技術(shù)含量高, 既可發(fā)揮汽車(chē)運(yùn)輸?shù)臋C(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、短途運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)、有利于強(qiáng)化開(kāi)采的長(zhǎng)處；又 可發(fā)揮帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力大, 爬坡能力強(qiáng), 運(yùn)營(yíng)費(fèi)低的優(yōu)勢(shì), 兩者聯(lián)合可達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。目前, 膠帶的爬坡坡度可達(dá)到 250~280‰, 汽車(chē)可達(dá) 60~80‰, 普通鐵路為 20~25‰。陡坡鐵路可達(dá)到 40~50‰。所以膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)大中型深凹露天礦具有普遍適用性。因此, 汽車(chē)一膠帶半連續(xù)運(yùn)輸是我國(guó)未來(lái)深凹露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向。同時(shí), 露天礦轉(zhuǎn)入深凹開(kāi)采以后, 開(kāi)采條件日趨惡化, 空間作業(yè)尺寸逐漸狹窄, 干擾增大。而大型露天礦生產(chǎn)設(shè)備品種多、數(shù)量大, 生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)節(jié)時(shí)空關(guān)系復(fù)雜, 建立自動(dòng)化的生產(chǎn)調(diào)度和管理信息系統(tǒng), 對(duì)充分發(fā)揮設(shè)備作業(yè)效率, 降低生產(chǎn)成本, 提高礦山效益具有重大意義。

關(guān)鍵詞：深部礦山對(duì)策