金川大型難采礦床安全高效開采關鍵技術與面臨難題

楊志強，高 謙，王永前，姚維信，陳得信

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

金川鎳礦位于我國甘肅省河西走廊中段的金昌市境內，金川鎳礦是世界著名的多金屬共生的大型硫化銅鎳礦床之一，分布在龍首山下長6.5km、寬500m的范圍內。已探明礦石儲量為5.2億t，鎳金屬儲量550萬t，列世界同類礦床第3位，銅金屬儲量343萬t，居中國第2位。

近年來地質勘探成果表明，金川鎳礦深部、邊部及外圍具有良好的找礦前景。金川礦石還伴生有鈷、鉑、鈀、金、銀、鋨、銥、釕、銠、硒、碲、硫、鉻、鐵、鎵、銦、鍺、鉈、鎘等元素，其中可供回收利用的有價元素有14種。礦床之大、礦體之集中、可利用金屬之多，在國內外都是罕見的。

金川鎳礦分為4個礦區，其中Ⅰ、Ⅱ礦區為正在開采的富礦，Ⅲ、Ⅳ礦區為將開發的貧礦(見圖1)。位于礦床中部的Ⅱ礦區，礦石品位高，礦體規模大，是金川公司的主體礦山。F17斷層錯開Ⅱ礦區分成1#和2#兩個礦體。

圖1 金川鎳礦礦區劃分與位置

金川鎳礦發現于1958年，1959年開始建設。工程分為兩期：一期工程設計龍首井下開采年產礦石52.8萬t，露天礦年產礦石170萬t，1966年10月正式投產。1967年以后進行了一期工程擴建。1978年金川被列入國家資源綜合利用三大基地之一。1982年老采坑閉坑，隨著露天礦老坑閉坑對露天井下三角礦部分擴大了露天開采，形成了年產70萬t礦石的露天生產能力，擴建一期工程使礦山為選冶提供了生產20000t電鎳的礦石資源。

金川二礦區于1966年開始建設，1982年試生產，1983年正式投產。一期設計規模為日產礦石3000t，年產礦石99萬t。1983年投產以來，二礦區產量一直穩步增長，1987年出礦量突破百萬t大關，1990年達到128.4萬t。1995年提前1年二期工程建成投產，2003年首次突破300萬t大關 ，提前兩年達到二期改擴建生產能力，并以每年10%的速度增加，2009年達到430萬t，2012年將達到450萬t，成為我國為數不多的地下大型坑采現代化充填礦山。

1 二期工程高效開采潛在風險與面臨挑戰

1.1 金川鎳礦采礦技術條件與開采技術難題

1.1.1 金川鎳礦采礦技術條件

金川礦區巖層多為古老變質巖，節理裂隙十分發育。在成礦前后經歷了多次構造運動，火成巖活動，礦石和圍巖均受到不同程度的破壞，因此巖層整體穩定性差，礦區地應力高，地壓大。因此金川礦區礦床賦存條件以“富”(礦石品位高)、“大”(礦體規模大)、“深”(礦體埋藏深)、“碎”(礦巖體破碎)著稱于國內外，是一座典型的厚大難采礦床。

1.1.2 二期工程開采存在的技術難題

二期工程主要開采1250m水平以下礦體，工程分為3個階段，即1250～1150m為前期工程，1150～1000m為中期工程，1000～700m為后期工程。由于礦體呈透鏡狀產出。隨著礦體延深，礦體厚度增加，采場面積逐漸擴大。表1為二礦區1#礦體一、二期工程采場面積對照表。由此可見，開采面積從一期工程的5萬m2到二期工程達到12萬m2，開采深度也接近1000m，上覆充填體超過1200萬m3。與一期工程相比，二期工程的地應力環境和采場參數均發生了根本變化，給采礦生產帶來一系列技術難題：一期工程成功實施的大面積連續開采工藝能否推廣應用于二期工程？上覆巖層和充填體整體移動和下沉會不會導致采場整體失穩？高應力不良圍巖巷道地壓能否得到有效控制？深部采礦巖移是否影響豎井工程的穩定性等。這些問題的解決關系到二期工程的安全、高效開發，也決定金川企業可持續發展以及在國際上的競爭力。

1.2 二期工程開采潛在的災變失穩風險模式

根據一期工程采礦實踐和工程經驗以及深部采礦技術條件，明確了二期工程采用大面積連續開采存在以下采礦風險與失穩模式。

表1 金川二礦區西部1#礦體一、二工程采礦參數對比(地表標高1750m)

1.2.1 二礦區二期工程整體失穩風險與災變模式

采場圍巖和充填體構成的采礦系統潛在三種失穩風險。

1.2.1.1 構造控制的塊體滑落失穩風險

根據關鍵塊體理論，關鍵塊體的形成和滑移失穩，首先取決于礦體與圍巖的斷層、剪切破碎帶和礦巖接觸帶等大的地質構造面與采場臨空面切合形成的可移動塊體，塊體的穩定性還依賴于地質構造面的抗剪強度以及支撐塊體的充填體強度。這種失穩模式主要受控于斷層、剪切帶以及礦巖接觸帶等構造斷裂帶的位置、產狀以及力學特性，因此將該失穩模式稱之為“構造控制型失穩”。

隨著二期工程采場面積逐步擴大，斷層、剪切帶和礦巖接觸帶等構造面與采場臨空面切割圍巖構成的可移動塊體數量增多、體積擴大。可移動塊體在深部高地應力環境的作用下，可能向采場內移動或滑落，形成關鍵塊體，造成采場圍巖和充填體整體失穩。因此，這種失穩模式是二期工程潛在的重大風險之一。

1.2.1.2 能量控制的采場突變失穩風險

礦山開采過程伴隨著礦巖體能力聚集、損耗和釋放。當礦巖中損耗和釋放的能量小于圍巖聚集變形能時，采場圍巖變形能將逐漸增加，并且在達到某一臨界值突然釋放。采場地壓活動程度依賴于礦巖的能量釋放率(單位時間釋放的能量)，決定著地壓災害的危害程度。采場礦巖能量的儲存和釋放，主要取決于礦巖質量和充填體強度。礦巖強度越高，儲存的能量也就越多。充填體強度越高，吸收的能力也就越多。因此，這種災變失穩由巖體能量釋放率控制，故稱之為“能量控制型災變失穩”。

二礦區二期工程進入深部開采，深度增加和地壓增大。在高地應力環境中的礦巖強度顯著提高，由此提高了采礦系統的能量儲備。因此，采準和進路工程在掘進中的能量釋放率有所增大，地壓活動日趨劇烈，由此潛在由于采場圍巖能量釋放所導致的災變失穩風險。

1.2.1.3 水平礦柱壓桿式災變失穩和塑性破壞

二礦區1#礦體二期工程采用雙中段或3中段開采。圖2顯示了1150m和1000m兩個中段同時向下開采示意圖。由此可見，上、下中段同時開采，在其間形成采場中的梁(二維結構)或板(三維結構)承載結構，通常習慣稱之為水平礦柱。該水平礦柱承受礦區水平構造應力以及充填體的自重作用，類似于壓桿結構。其結構穩定性取決于礦區水平構造應力以及水平礦柱的抗壓剛度。隨著上中段開采向下推進，使水平礦柱逐漸變薄，其抗壓剛度隨之在減小。與此同時，部分礦柱材料達到屈服應力狀態而發生屈服破壞，使整個礦柱的承載能力降低。因此，在礦區水平構造應力的作用下，潛在兩種失穩模式：其一，當水平壓力達到礦柱的臨界荷載，發生類似于壓桿的突變失穩；其二，水平礦柱隨著內部集中應力的作用逐漸屈服而全部變成塑性區，使采場地壓劇烈顯現。這種失穩模式稱之為“壓桿式失穩模式”。

圖2 雙中段回采形成的水平礦柱示意

1.2.2 二礦區二期工程局部破壞失穩模式

相對于整體失穩與災變風險，二礦區二期工程中的局部破壞與失穩是采場劇烈的地壓活動，導致采場出礦進路、采準巷道、地下硐室或開拓豎井等工程劇烈變形破壞，從而影響采場的正常生產甚至停產。由于這種災變失穩或變形破壞主要發生在采礦工程中。因此，在此稱之為局部破壞失穩模式。其破壞模式主要有以下幾種形式。

1.2.2.1 巷道頂板充填體脫落

在采礦生產中，經常發生充填假頂(混凝土)離層脫落，發生掉塊和冒頂。盡管這種破壞并不影響整個采礦生產系統，但卻嚴重危采礦人員安全，給采礦生產潛在重大安全隱患。

1.2.2.2 高應力巷道碎脹蠕變變形破壞

節理裂隙圍巖在屈服破壞過程中，除了發生塑性變形，還伴隨節理碎脹、滑移與擴容，這種變形特征稱之為碎脹蠕變。與彈塑性介質相比，碎裂巖體的碎裂變形具有以下兩個顯著特點：①變形量大，變形速率快，四周來壓；②變形持續時間長，難以控制。

隨著開采深度增加，節理巖體碎脹蠕變變形特征日趨明顯。進入二期工程，采區面積擴大，埋藏深度增加，地壓增大。因此，對于節理裂隙發育的金川礦巖條件，碎脹蠕變變形會越加突顯著。例如1000m環形運輸道工程掘進成巷不到1個月就發生大變形破壞，個別地段變形達1m多。因此，二期工程高應力環境的不良圍巖變形控制和穩定性維護使采礦生產面臨嚴峻考驗。

1.2.3 巖移誘發構筑物變形破壞和災變失穩

充填法采礦巖層移動問題一直為采礦界所忽視。通常認為，充填法尤其是膠結充填法采礦，能夠控制采場圍巖變形和巖層移動，不足以對地表和礦區構筑物產生嚴重影響。事實上，金川二礦區一期工程的采礦實踐表明，對于類似于二礦區厚大不穩固圍巖的礦體開采，仍然存在采場圍巖變形導致巖層移動，甚至發展到地表，危及礦區重要構筑物的安全與穩定。金川礦區的地表張裂縫的出現以及地表巖移的監測結果顯示，一期工程開采已經引起采場圍巖的劇烈沉陷，導致采場頂板圍巖下沉并發展到地表。

二期工程的采礦生產，不僅加劇采場圍巖變形，而且影響范圍逐步擴大。巖層移動對礦區構筑物穩定性的影響，潛在著礦山構筑物的災變失穩風險，也是二期工程最嚴重的安全隱患。

2 二期工程開展的重大采礦技術攻關課題

為了實現金川二礦區二期工程安全、高效生產，針對二期工程建設潛在的安全隱患和災變風險，提前開展了二期工程采礦技術攻關。隨著工程進展，結合采礦生產進行了礦區深部工程地質，采礦系統優化、高應力碎裂圍巖巷道支護、充填體強度匹配以及巖移規律與控制技術等綜合技術研究，揭示了二期工程大面積充填法開采采場地壓規律，優化了盤區開采順序與回采工藝，確定了深部采場膠結充填體的匹配強度，成功地實施了1150m中段無礦柱大面積連續開采，大大提高了采礦回收率、礦石貧化率以及礦山生產能力，實現了大型難采礦床安全高效生產。整個二期工程采礦技術研究劃分為兩個階段：前期研究階段和大面積連續采礦階段。

2.1 前期開展的采礦技術攻關

1994～2002年的8年間，是二期工程前期開發建設與穩步發展階段。此時礦體埋藏深度較小，雙中段(1150m與1000m)開采之間的水平礦柱較厚，采場地壓不甚顯著。

2.1.1 深部開采的安全評價與風險預測

為了分析和預測深部礦體開采潛在的安全隱患和災變風險，以便盡早采取安全措施，實現二期工程無間柱大面積連續開采，北京科技大學和中國科學院地質與地球物理研究所在1994～1997年間，與金川鎳礦共同開展了深部開采的安全評價與風險預測關鍵技術研究。進行了深部工程地質分區與巖體分類、礦巖力學特性和地應力測量、現場地質調查與圍巖分類、充填體變形監測與采場災變失穩預測等研究。由此獲得了以下重要結論。

1)交替安排20m礦柱和80m礦房的兩階段回采方案，不失為回采富礦的一種方法。但這將會導致回采工藝復雜，增大充填作業和回采礦柱的困難，并在經濟上不盡合理。

2)采用無間柱連續回采將導致充填進路的破壞，特別是1225～1150m水平較為嚴重，潛在著整體和局部變形破壞風險。

3)回采富礦時會導致上盤貧礦嚴重破壞，必須采取相應的控制措施，避免給今后開采貧礦帶來技術和經濟上的困難。

2.1.2 二期工程深井采礦系統優化與決策

針對無礦柱連續開采潛在的安全隱患，北京科技大學與金川鎳礦在1998～2001年間聯合開展了金川二礦區采礦系統優化與決策研究。首先分析了深部開采潛在的安全隱患和失穩模式；然后在分析總結前人研究的基礎上，采用工程地質調查、圍巖和充填體變形監測和深部連續開采過程的數值仿真模擬等綜合手段，進行了采場穩定性影響因素分析與安全評價以及采場巷道地壓控制等關鍵技術研究；最后給出了以下主要結論。

1)相對于一期工程，二期工程的圍巖變形和破壞機理發生較大變化，其主要特征是應力環境向靜水應力場發展，深部圍巖主要以碎脹變形為主，導致圍巖變形速率增大，變形控制更加困難。

2)采場整體穩定性研究結果顯示，采場圍巖存在構造型礦體失穩和整體失穩模式，其不穩定塊體在礦體下盤圍巖，由F16、Fb和Fc三個斷裂和采場下盤臨空面構成。

3)能量控制失穩仍以整體突變失穩為主，其次是采場圍巖和充填體內擠收斂變形破壞，其地表下沉和整體屈服所導致整體失穩的可能性較小。但總的失穩概率達到11.28%，與構造塊體失穩概率接近，由此潛在的失穩風險應特別關注。

4)影響采場整體穩定性因素主要是回采水平的開采比例和水平構造應力以及兩中段同時下降距離。結果表明，開采水平是導致整體失穩的突破口。當開采水平的比例增加時，潛在失穩風險也就越大。因此，在即將結束回采水平時，尤其注意不要因爆破等其它因素擾動，導致大面積來壓和誘發整體失穩；調整盤區下降水平，使沿走向采場的回采工作面形成錯落有致的采場臨空面，也是提高采場整體穩定性行之有效的安全措施。

5)基于已建立的采場圍巖和充填體變形監測系統，結合地表GPS變形監測網，進行采場圍巖與充填體的變形監測好風險預測，確保深部采礦安全。

2.1.3 地表巖移觀測網的建立與風險預測

針對1998年初在二礦區地表發現了張裂縫，由此判斷地下開采引起圍巖變形已經發展到地表，導致地表巖層發生沉降、錯動和張裂。為此1999～2000年間，金川鎳礦與中科院地質與地球物理研究所合作，建立了二礦區地表巖移GPS觀測網。通過2001～2002年多期GPS觀測結果顯示，金川二礦區地表巖層受地下開采影響，已經發生水平位移和沉降，在二礦區1#礦體上盤地表Ⅳ222和Ⅳ220監測點的三維位移量分別達到了47.39cm和40.80cm。二礦區地表變形較顯著區域在10～22行之間，并以14～18行為中心形成一個移動盆地，變形量之大出乎預期。14行風井工程已經處于圍巖變形影響范圍，潛在災變失穩風險。

2.2 二期工程大面積連續開采技術攻關

2004～2010年的8年期間為二期工程采礦生產階段。結合二期工程的采礦實踐以及二期改擴建工程建成投產，采礦生產能力逐年提高，開采強度逐年加大，盤區開采水平下降速度加快，2010年底1150m中段回采結束將轉入850m中段，開采深度將達到800～1000m，采場面積將擴大到7萬～12萬m2。在此期間，采場地壓活動更加劇烈，采礦工程穩定性控制面臨嚴峻挑戰。尤其隨著1150m中段連續開采，1000m中段的水平礦柱逐漸變薄，其礦柱在高地應力作用下應力高度集中，其采場的穩定性以及圍巖變形較1150m中段更為突出。尤其1150m中段水平礦柱回采結束，采場軸比的變化也必然導致采場圍巖和充填體應力發生劇烈變化，由此影響采場圍巖和充填體的整體穩定性。可見，二礦區二期工程進入中期階段，深部開采面臨更加嚴峻的問題。為此，金川公司在2004年和2007年的第16次和第17次科技大會上，實施了二期工程重大課題研究和關鍵技術攻關，開展了一系列重大科研課題研究，研究解決了重要的采礦生產難題，實現了二期工程1150m以上厚大礦體大面積連續開采。圖3和圖4分別為金川集團公司在第16次和第17次科技大會上確定的二期工程采礦技術攻關研究課題。

圖3 第16次金川科技大會確定的二期工程采礦技術攻關課題

3 亟待解決的重大技術難題

金川鎳礦經過半個多世紀的開發建設，已經發展成為年產接近1000萬t礦石的大型現代化礦山。依托豐富的礦產資源，金川集團公司已建成采、選、冶、化配套的大型有色冶金與化工聯合企業，是全球主要鎳鈷生產企業。2013年8月由中國企業聯合會、中國企業家協會組織召開的2013中國企業500強發布會上，金川集團股份有限公司以1511.86億元的營業收入，位列企業500強第88位、制造業企業500強第30位。

圖4 第17次金川科技大會確定的二期工程深部開采技術攻關課題

金川企業的發展與壯大，礦產資源是基礎。綜合開發與合理地利用寶貴的金川資源，實施資源控制戰略，是金川企業可持續發展，壯大主業，增強核心競爭力的重要保證。針對金川資源的開采現狀以及企業發展對資源的需求，亟待解決以下幾個重大科技難題，實現金川資源的安全、高效開發和綜合利用。

3.1 二礦區采富保貧遺留的貧礦開發的技術難題

二礦區在一期工程中采取了“采富保貧”的開采方針，因此保留了1328m以上和1328～1250m上盤厚度大于20m的貧礦體(圖5)，其礦石儲量約為1033.7525萬t。同樣，在二期工程的1150m中段采礦中，下盤貧礦在回采中大部分已被帶采出來，但上盤貧礦仍大部分被保留其中。

圖5 二礦區1#礦體采富保貧遺留貧礦資源

鑒于金川企業的快速發展以及對礦產資源的迫切需求，實現公司規模、效益跨越式發展，盡早研究開發二礦區貧礦資源不僅勢在必行，而且迫在眉睫。無論是1250m以上貧礦還是1150m中段上盤資源，均處于開采擾動的次生應力環境中。不僅貧礦節理裂隙極為發育，而且受采礦擾動的圍巖和礦體穩定性更差，必然給采礦工程的掘支帶來巨大困難。尤其貧礦開采再次擾動采場圍巖，再次導致采場圍巖變形，誘導巖層移動，必定對處于巖移范圍內的14行風井和西主井的穩定性產生重大影響。因此，二礦區貧礦資源的開發利用，需要研究解決以下兩個關鍵技術難題。

1)貧礦開采地壓規律與巷道工程穩定性控制。保留的貧礦處于采動影響區內，雖然對采場進行了膠結充填，但充填體難以完全控制采場圍巖的變形。由于上盤圍巖和礦體本身節理裂隙發育，加之受采動應力作用。因此，貧礦開采的采礦工程的掘進和穩定性維護必然存在更大困難。合理優化采礦系統、盡可能利用保留的掘進巷道，優化回采順序，采取與之相匹配的充填體強度，維護采礦巷道的穩定性是二礦區開采的必須解決的關鍵技術之一。

2)貧礦開采對豎井影響風險預測與穩定性控制。地表變形監測顯示，14行風井和西主井均已受到采礦活動的影響，處于巖層移動范圍內。尤其14行風井已經發生坍塌冒落，給二礦區采礦生產帶來巨大影響。開采保留的貧礦必然加劇采場巖層移動速率，加劇對豎井工程的穩定性影響。因此，分析和評價貧礦開采對豎井工程穩定性的影響和風險預測，并研究提出行之有效的工程穩定性控制技術，確保豎井工程的安全使用，是貧礦開發利用亟待解決的另一重大關鍵技術難題。

3.2 二礦區850m中段深部高效開采技術難題

隨著1150m中段開采接近尾聲，采礦中段轉移到850m中段，形成1000m中段和850m中段同時生產的局面。850m中段埋深接近千米。與上部中段相比，不僅地應力高，而且地下水也日趨豐富，地溫升高，由此給850m中段開采帶來嚴峻挑戰。因此，850m中段深部礦體安全高效開采亟待解決以下關鍵技術難題。

1)深部礦體連續開采安全評價和風險控制技術。鑒于深部礦體采礦技術條件與上部相比已經發生本質變化，因此，研究1150m中段成功實施的大面積連續開采工藝，在深部采場應用的可行性與可靠性。這不僅需要進行深部礦床采礦技術條件的深入研究，更重要的是全面總結1150m中段以上大面積連續開采的成功經驗與關鍵技術，并結合深部礦床開采技術條件，進行深部礦床無間柱連續開采的安全評價與風險預測，從而提前采取安全措施和控制技術，確保深部采礦的安全生產。

2)高地應力碎裂巷道圍巖穩定性控制技術。金川鎳礦屬于高地應力礦山，隨著開采深度增加，采場地壓增大，因此處于高應力環境的深部碎裂圍巖碎脹蠕變特性將更加顯著。因此，采場圍巖變形機理與控制技術是深部礦體開采亟待解決的關鍵技術之一。

3.3 700m中段資源詳細勘探與開發技術難題

金川礦區采礦深度已經接近第一輪地勘深度。為了保證礦山開采持續發展，必須加大礦山深部勘探工作。因此700m中段資源勘探是查明接替資源和開采規劃和資源開發的重要基礎。為此，需要解決以下關鍵技術難題。

1)深部高地應力圍巖快速鉆探技術。礦山工程地質條件復雜，圍巖破碎，地應力大，鉆孔在軟弱巖層中布置的工程較多。鉆孔施工過程中，鉆孔塌孔、縮徑嚴重，導致孔內事故頻繁，機臺鉆進效率與巖礦芯采取率較低，有時甚至導致鉆孔報廢，嚴重制約了礦山鉆探工程進度及鉆孔質量，直接影響鉆探效率、鉆探經濟效益和礦山地質勘探進度以及勘探質量。因此，深部高地應力圍巖快速鉆探技術是深井勘探亟待研究的關鍵技術。

2)深部礦床開采數字化礦山建設與遠程控制采礦技術。深部700m中段及以下礦床開采深部已超過千米，因此，采場地壓大、地溫高和地下水豐富等采場賦存條件，不僅提高采礦成本，而且還給采礦生產帶來安全隱患。數字化礦山建設可實現采礦的實時監測、可視化控制和動態管理，從而提高礦山的人員管理、安全監測和風險控制，并可以實現采礦生產的遠程控制，改善從業人員的工作環境和安全生產。因此，開發建設深井采礦的數字化建設，是二礦區深部礦體開采研究解決的另一關鍵技術。

4 結束語

由于金川礦區復雜地質條件和豐富的礦產資源，金川鎳礦資源開發利用一直受到國家領導人的高度關心和大力支持，也引起國內外采礦界專家學者的關注和興趣。建礦50多年來，國內外高等院校和科研院所與金川工程技術人員合作，開展了大量的和卓有成效的科研工作，解決了金川大型復雜難采礦床1150m中段以上大面積連續開采的技術難題，大大提高了礦山的生產能力，確保礦山的安全生產。

隨著礦山生產進入深部開采，采礦生產必將面臨更多和更加嚴峻的技術難題，真誠邀請國內外同行專家、學者能夠到金川礦山來，開展科研合作，開展采礦技術攻關，解決采礦生產中的技術難題，為金川企業發展獻計獻策，為金川集團公司以及我國有色工業的發展做出應用的貢獻。

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