金屬礦山深部開采的若干關鍵問題

郭　超

摘要：闡述了金屬地下礦山深部開采中的深部巷道變形與支護、深部地壓顯現與開采動力災害、地溫升高引起作業環境惡化和露天礦山高陡邊坡穩定性及合理的邊坡角確定、改變傳統運輸方式、降低運輸和生產成本等關鍵問題。

關鍵詞：金屬礦山；深部開采；關鍵問題

1 地下礦山

隨著開采深度的不斷增加,地質條件惡化,破碎巖體增多,地應力增大,涌水量加大,地溫升高,帶來了深部地壓、提升能力、作業環境惡化、通風降溫和生產成本急劇增加等一系列問題,抑制了生產能力提高和礦產資源的充分回收。

1.1 深部巷道變形與支護

隨著開采深度的增加,地應力隨之增大。因此,深部巷道與采場的維護原理與淺部有十分明顯的區別,這種區別的根源在于巖石所處的應力環境的區別以及由此導致的巖體力學性質的區別。在淺部十分普通的硬巖,在深部可能表現出軟巖的特征,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,而深部的原巖處于“潛塑性”狀態,由各向不等壓的原巖應力場引起的壓、剪應力超過巖石強度,造成巖石的潛在破壞狀態。

深部高應力環境下的巷道支護,除了必須考慮巖石強度性質和巖體結構外,還應重視巷道所處的應力環境。淺部中、低應力條件下的巷道支護主要考慮業己存在的地質構造等不連續面的影響,而深部高應力巖體中巷道支護必須考慮巷道圍巖因掘進造成的斷裂破壞帶,即新生斷裂結構的影響。所以,深部高應力環境下的巷道支護應強調峰后破壞巖體殘余強度的利用。應合理控制巖體的峰后變形,并盡量使巷道圍巖處于三向應力狀態,為此,需采用先柔后剛的能保持和提高巖體強度的加固措施；深部巷道支護設計應更多地建立在能量分析的基礎上,而不是簡單地以應力和強度作為設計準則。

1.2深部地壓顯現與開采動力災害

從根本上講,地應力是所有地下工程,包括地下采場、巷道地壓顯現的根本來源。在沒有開采工程擾動的情況下,巖體處于原始平衡狀態。地下巷道或采場的開挖,打破地層原始平衡狀態,導致地應力的釋放,從而引起巖體的變形和向自由面的位移,引起圍巖應力的重新分布。圍巖的過量位移和應力集中將導致圍巖局部的或整體的失穩和破壞。這就是地壓發生的過程和機理。它與巖體的受力狀態、巖體結構和質量、巖體物理力學性質、工程地質條件以及時間等因素有關。

深部地壓主要有兩種表現形式,即：變形地壓和沖擊地壓。

變形地壓是因開挖產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展到一定程度就停止了,可能不需要支護,圍巖自身就能維持穩定。深部高應力條件下,圍巖具有產生大變形的內外部條件,圍巖的過量變形將產生微觀或宏觀破裂、巖層移動、巷道底鼓、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場跨落等等。圍巖必須通過支護才能防止過量的變形而引起的破壞。此時,變形地壓的顯現特征與支護方法和支護結構密切相關。在圍巖與支護結合在一體的條件下,圍巖與支護構成共同承載體,它們相互依存、相互制約、共同變形。只有及時采取支護措施,并且支護方法得當,才能有效改善圍巖應力分布狀態,抑制圍巖變形,阻止圍巖的失穩和破壞。

沖擊地壓是一種巖石動力學現象,它是圍巖內聚集的大量彈性變形能在一定誘因下突然釋放而表現出的一種形式。在金屬礦山,沖擊地壓叫巖爆。產生沖擊地壓和巖爆主要與兩方面因素有關。一是巖石的巖體的結構性質,具有在圍巖內貯存高應變能的內在條件。一般來講,堅硬完整巖體容易貯存高應變能。二是有產生高應變能的外部環境,如地應力大、圍巖應力集中的地方。隨著開采深度的增大,地應力不斷增大,因而深部容易出現巖爆和沖擊地壓。

隨著越來越多的礦山進入深部開采,加強對巖爆的研究己刻不容緩,研究重點在以下三個方面：①從地應力、巖體結構、礦巖物理力學性質、采礦方法、開采過程、開采順序、圍巖能量聚集和釋放規律等方面綜合分析和研究巖爆機理；②建立有效可靠的監測系統和手段,對巖爆發生的可能性、發生的地點和大小進行預測預報；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兩方面采取防治巖爆的有效措施。

1.3地溫升高引起作業環境惡化

地下巖層溫度隨著深度的增加而增加。據統計,常溫帶以下,巖層溫度以3℃/loom的梯度增加。千米以上的深井,巖層溫度將超過人體溫度。如南非西部礦井,在深部3000米處,巖層溫度高達80℃；我國銅陵冬瓜山銅礦在深度1000米處,最高溫度達40℃。深井開采工作面氣溫的升高導致工作條件的嚴重惡化。在持續的高溫條件下,人員的健康和工作能力將會受到很大的損傷,這影響到采掘工作的正常進行,使勞動生產率大大下降。據統計資料,超過適合人體溫度后,溫度每增加1℃,工人的勞動生產率將降低7%~10%。采取經濟和有效的措施,解決深井的通風和降溫問題,使深井開采工作面保持人員和設備所能承受的溫度和濕度,并使綜合開采成本限定在可以接受的范圍內,對保證深部地下開采的正常發展具有重要意義。

2露天礦山

2.1高陡邊坡穩定性及合理的邊坡角確定

我國大型金屬露天礦山多始建于20世紀50~60年代,現己生產多年,其中多數逐步由山坡露天開采轉為凹陷開采,甚至深凹開采,開采深度己延深至地表下100~30Om,有的將超過400m。如首鋼水廠鐵礦凹陷開采深度為430m。很多露天礦的邊坡垂直高度將超過500m,如太鋼峨口的鐵礦的設計邊坡垂直高度為720m,首鋼水廠鐵礦為670m,形成名副其實的高陡邊坡。隨著邊坡的加高加陡,邊坡滑移和傾倒破壞事故的發生日益增多,邊坡穩定性維護的難度越來越大,嚴重威脅礦山的安全,制約礦山生產能力的提高。另一方面,我國大型露天礦山與國外同類礦山相比,邊坡角普遍緩50左右,而年產千萬噸的礦山,邊坡角每提高10就可減少剝離量數千萬噸,節省投資上億元,經濟效益極為顯著。但邊坡角加大又會給邊坡穩定性維護帶來更大困難。因此,必須進行邊坡設計的優化。在采取先進的綜合措施在保證邊坡生產安全的前提下,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。

2.2改變傳統運輸方式,降低運輸和生產成本

露天礦進入深凹開采以后,重車下坡運行變為上坡運行,運輸距離加長,運輸效率降低,導致運輸成本急劇上升,經濟效益下降。據統計分析,目前我國大型深凹露天礦的生產總成本中,運輸一項占到40~60%。如果開拓運輸方式仍然采用目前廣泛應用的鐵路運輸、鐵路一汽車聯合運輸和公路汽車運輸,多數礦山將因為成本太高而無法開采。因此,必須研究并應用適合大型深凹露天礦山的高效運輸系統,以保證礦山開采成本不增加,從而保證礦山的正常生產。

針對這種情況,一些礦山采用了陡坡鐵路運輸開采技術,以延長鐵路服務年限。這種運輸方式對原有運輸系統的改造和投資較少,運輸成本較低,對于開采境界大且凹陷開采深度不超過300米的礦山有較好的適用性。但是,陡坡鐵路運輸對坡度的增加有限,隨采場深度增加,其適用性越來越差,開采深度超過300米將不宜使用。目前西方發達國家普遍采用汽車一膠帶半連續運輸方式,這種運輸方式技術含量高,既可發揮汽車運輸的機動靈活、適應性強、短途運輸經濟、有利于強化開采的長處；又可發揮帶式輸送機運輸能力大,爬坡能力強,運營費低的優勢,兩者聯合可達到最佳的經濟效益。目前,膠帶的爬坡坡度可達到250~280‰,汽車可達60~80‰,普通鐵路為20~25‰。陡坡鐵路可達到40~50‰。所以膠帶運輸系統對大中型深凹露天礦具有普遍適用性。因此,汽車一膠帶半連續運輸是我國未來深凹露天礦運輸系統的重點發展方向。

同時,露天礦轉入深凹開采以后,開采條件日趨惡化,空間作業尺寸逐漸狹窄,干擾增大。而大型露天礦生產設備品種多、數量大,生產設備和環節時空關系復雜,建立自動化的生產調度和管理信息系統,對充分發揮設備作業效率,降低生產成本,提高礦山效益具有重大意義。