金川礦山深井高應力開采潛在的問題與關鍵技術研究

王永才,康紅普

(1.煤炭科學研究總院北京開采分院,北京 100013;2.金川集團有限公司，甘肅 金昌 737100)

金川銅鎳礦由于礦巖破碎、構造應力及采動壓力較大，屬于難采礦體，一直受到國內、外采礦工程界和巖石力學界的關注。

隨著開采機械化程度的提高和礦山產能的擴大，金川礦山采深接近1000m，步入深井開采的行列。隨之而來的地應力增大，深部巖石力學問題、巷道的穩定性問題、采場的穩定性問題、深部地壓控制技術問題、大面積采掘均衡和安全生產問題日顯突出，對開采的影響也越來越嚴重。因此，借鑒國內外先進技術，并總結金川二礦區大面積多中段無礦柱連續開采的經驗，深入分析深部礦床的開采技術條件，揭示深部采場地壓活動規律，科學指導金川礦區深部開拓系統的布局以及開采方案進行優化，并對開采過程中潛在危害進行預測、評價和預防，確保金川礦山安全、經濟、高效生產和可持續發展。

2 金川礦山深井開采的潛在問題

2.1 深部巷道穩定性問題

目前，金川礦山采掘強度在全國金屬礦山已名列前茅，一個礦山采礦中段有3個，采礦面積達25萬～32.7萬m2，采切下降速度達5～8m/a，回采到850m中段時，開采深度達到1000m。其圍巖的工程地質條件更加惡化，破碎巖體增多，巖體節理裂隙更加發育、地應力增大，大變形、強流變導致巷道的穩定性問題愈加突出。深部地壓顯現及巷道破壞形式主要有：巷道側墻內擠、巷道底臌和巷道整體收斂變形等。

統計顯示，2001～2009年，僅二礦區的巷道返修總量已達103.27km，返修費用高達8.076億元(圖1)。

圖1 2001～2009年金川二礦區巷道返修量與費用圖

2.1.1 深部巷道變形破壞特征

金川礦山深部巷道圍巖變形與破壞主要受三方面的因素影響：其一是地質條件影響；其二是構造應力及采動壓力影響；其三是巷道工程形式及布置方式。

受上述因素影響，其巷道收斂變形具有如下特點：

(1) 變形量大。根據現場調查及監測結果，金川礦山深部的巷道收斂變形一般為數厘米至數十厘米，最大可達2m以上，其變形破壞特征主要以兩幫收縮、拱頂上升或下降和底臌為主。

(2) 由于原巖應力高且以形變壓力為主，開挖卸荷迅猛，來壓快，故高應力軟巖巷道初期變形速率很大。

(3) 變形持續時間長，巷道圍巖流變特征明顯。

2.1.2 巷道失穩破壞模式分析

根據現場監測顯示，金川礦山深部巷道主要是受應力控制而發生變形破壞。

對于深埋巷道或處于采場應力集中區的圍巖，由于受高應力環境的擠壓、使圍巖中的結構面的結構效應顯著降低，甚至不起作用。而在高應力環境中的圍巖受擠壓屈服、剪切滑移影響，產生圍巖破碎張裂和塑性變形，從而導致巷道底臌、斷面收縮，甚至片幫或垮冒。

變形地壓的顯著特點是四周受壓，且在初期，變形地壓與阻止圍巖的變形量成正比，即支護結構剛度越大，變形地壓越大。隨著圍巖變形的增加，其地壓也隨之減小。同時，圍巖變形能量釋放的過程也是圍巖本身強度降低的過程。當圍巖變形發展到一定量值時，圍巖強度發生急劇惡化，不能自穩，圍巖就容易以垮冒、底臌或者兩幫擠進等形式發生變形破壞。

2.2 采場的穩定性問題

目前，金川礦山兩個潛在的采場穩定性問題是：

(1)充填體整體滑移失穩

在大面積無礦柱連續開采的情況下，充填體與圍巖之問的剪切力是維持充填體穩定的重要因素。由于充填體與圍巖的接觸面是一個弱面，該面的抗剪強度有限，因此，一旦接觸面上的抗滑阻力小于充填體的重力時，充填體就會沿接觸面發生滑移失穩，而且，隨著開采水平的延伸，這種潛在的危險也隨之加大。

(2)礦柱失穩破壞

金川礦山1#礦體采取1000 m中段和1150 m中段同時開采。隨著1150 m中段采礦的推進，1250 m與1150 m之問的礦柱逐漸變薄，礦柱所承受的地應力卻在增大，承載能力達到了極限，保安礦柱的整體性、連續性已被破壞。因此，在隨后的開采中，保安礦柱底部新出露的部分，由于無法與已經破壞的保安礦柱舊的部分協同抵抗外力，將會依次迅速進入塑性破壞狀態。

現階段的水平礦柱，承載穿脈方向上壓力的能力已達極限，承載能力還會因為礦巖屈服后的強度弱化效應而降低。

1#礦體的水平礦柱、保安礦柱的巖體質量較差，給安全回來兩柱帶來極大的安全風險。

2.3 巖層移動對采礦工程的影響

(1)地表開裂沉降明顯，巖體移動盆地變形程度加大

盡管金川礦山采用充填法開采，但地表已經出現明顯的張裂縫和巖層錯動痕跡，這表明采場上覆巖層移動已經發展到地表，并將隨著開采深度的增加有不斷增大的趨勢。從目前的研究成果來看：充填法開采可以減小巖體移動，滯緩了巖層的進一步破壞，但是并不能完全控制巖體的變形與破壞。

從2001年到目前的GPS變形監測結果表明：金川礦山地表變形較嚴重的區域為10～22行之間，并以14～18行為中心形成一移動盆地。

這種大面積無礦柱充填式采礦引起的采動影響、巖層移動范圍的大小以及對對采礦工程所造成的危害，是目前金川礦山安全開采所關注的重大問題。

(2)14行風井井筒遭到變形破壞

金川礦山14行主力回風井位于礦體下盤，井深715.5m，主要承擔著1#礦體兩個主運輸水平，14個生產盤區的回風任務。該風井于1999年10月開工下掘，2002年投入使用，2005年3月，由于巖層移動，風井發生跨塌(圖2)。

根據GPS監測,14行風井處于金川二礦區地表最大巖移中心剖面線上,位于移動盆地邊緣，三年半期間14行風井水平位移130mm，垂直位移210mm，三維位移250mm，是金川礦山目前運行豎井中變形量最大的。

圖2 14行風井地質剖面圖和冒落示意圖

對金川礦山而言， 14行風井垮塌破壞后，經過一年多的修復治理，又投入正常的生產運營。但是地表的巖體移動可否再次對14行造成安全威脅，也是目前礦山重點關注的安全問題之一

2.4 采礦工藝

根據金川礦山的地質特征、構造特點和礦體特性，金川礦山主要采用機械化盤區下向分層水平進路和下向六角形高進路膠結充填采礦法。伴隨礦山進入深部開采，其存在的兩個問題是：

(1)采場生產效率較低。這主要體現在：進路式采礦的崩礦量有限，平均每崩礦步距的崩礦量在100～150 t：采場內鏟運機出礦的運距較長，造成設備滿負荷甚至超負荷低效率的運轉。如：二礦區機械化盤區的鏟運機平均單程運距約260 m，據現場測試，某盤區鏟運機平均每次的出礦時問為8～10 min。

(2)充填成本居高不下。據統計，金川礦山充填成本占采礦成本的1/3，而充填成本中充填材料成本費用占85%以上，隨著開采深度加大，充填成本也隨之顯著上升，并越來越成為影響礦山經濟效益的重要因素。

3 深井開采的關鍵技術與對策

3.1 深部巷道圍巖支護成套技術研究

針對金川礦山深部巷道的穩定性問題，要根據金川礦山深部巷道圍巖的巖石力學特性，借鑒國內外支護技術先進經驗，深部巷道圍巖支護將以錨桿支護動態信息設計法為特色。采用高強度高剛度預應力錨桿支護系統，實現一次支護技術，有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。高強度高剛度預應力錨桿成套支護技術將是金川礦山深部巷道支護技術今后的發展方向，同時，探索并研發適用于金川深部巷道支護的施工機械，以保證該套技術的順利實施。

3.2 深井開采方案決策與開采工藝優化

深部開采方案的決策是另一關鍵性課題。它不僅涉及經濟、技術問題，還與環保、安全、管理等問題密切相關。進一步優化金川礦山深部回采工藝、進一步完善管理機制意義重大。對于深部開采方案的決策，應考慮以下三個方面的問題：

(1)資源的損失與貧化，提高勞動生產率，降低采掘生產成本。

(2)采場地壓控制。運用適合于金川深部礦巖特點的采場地壓控制技術，降低巷道返修頻率，延長巷道服務年限，確保采場正常生產，提高采礦綜合效益。

(3)采礦生產能力。擴大采礦生產規模必須采用相應的采掘和出礦設備，巷道斷面尺寸也必須與之相配套。從巷道的穩定性考慮，巷道斷面越大，其穩定性越差。所以必須提高巷道的支護強度，從而會增加支護成本，降低采礦經濟效益。如何解決擴大生產規模所帶來的巷道穩定性問題，是采礦設計應考慮的問題。

3.3 深井開采巖層移動及其對井巷工程的影響

采場巖層的變形方式和劇烈程度影響著采場的地壓顯現，而采場的地壓顯現方式又改變和影響著巖層的移動范圍和規模，同時影響礦山開拓系統工程的總體布置。

由此可見，研究和揭示巖層移動規律，是優化開拓工程設計，探索最佳開采方案和回采工藝，提高采場巷道工程穩定性的關鍵技術之一。這主要涉及兩個方面的問題：

(1)巖層移動規律與影響范圍。對于目前的開采水平，地表已經出現明顯的巖層移動跡象。由于1#礦體在850～1000m 中段，其礦體形態趨于最大值，因此，在進行850m 中段開采的過程中，采場覆巖的巖層移動將表現出何種規律？金川礦山能否安全平穩地實現大面積無礦柱連續下向開采？采礦活動會不會引起更大范圍的采動影響？移動劇烈程度如何？這些問題也是目前和今后金川礦山所關注的重點問題之一

(2)巖層移動對井巷工程的影響評價與預測。

巖層移動達到或超過一定范圍，將引起井巷圍巖變形，導致井巷變形超過允許值而失穩，影響正常使用；此外，巖層移動還改變采場地壓顯現規律，也可能間接影響巷道圍巖的變形與破壞。因此，研究和揭示不同采礦方法和回采方案的巖層移動規律，以及對采礦工程的直接與間接影響，也是金川礦山深部開采所要解決的關鍵技術問題之一。

3.4 深部開拓工程控制技術與長期穩定性預測

金川礦山深部工程圍巖處于高應力環境之中，上部礦體開采活動所產生的次生應力場交替變化，對開拓工程的長期穩定性會產生不利影響。而深部開拓工程對工程的穩定的要求更高。如何尋求更趨合理、更加提出經濟的控制技術。需要解決以下關鍵性的問題：

(1)深部高應力環境中工程圍巖的變形機理。針對深部工程巖體的地質結構和應力環境，探討工程圍巖的變形破壞機理，并建立相應的力學模型，進行定量分析和穩定性評價，對于充分認識和控制金川礦山深部圍巖的碎脹蠕變變形是十分重要的。

(2)深部開拓工程穩定性控制技術。深部開拓工程變形破壞機理研究的目的在于為工程的地壓控制和長期維護提供重要依據。共涉及三個方面的問題：一是支護型式和支護參數；二是支護成本；三是工程長期穩定性評價與預測。這三個方面的問題既相互影響又相互對立。研究的目的就在于協調他們之間的關系，尋求經濟、可靠和方便施工的支護方案和最優支護參數，確保采礦工程的穩定性。

4 結 語

金川礦山正面臨著深井開采所帶來的一系列問題。要實現金川礦山深部礦體的安全、高效、低成本開采，必須堅持走科技創新之路，吸收和消化國內外先進采礦技術和經驗，進一步科學決策深部開采方案，優化開采工藝，重視深部巷道圍巖支護成套技術的研究與應用，統籌規劃深部開拓巷道和開采順序；關注深部開采巖層移動規律以及對井巷工程影響的探索研究，積極開展深部開拓工程的穩定性控制技術研究與長期穩定性預測，將對金川礦山深部高應力高強度采掘條件下的礦山可持續發展，具有深遠的科學意義。

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