大型鎳礦深部高應力礦體充填法開采關鍵技術與對策

楊志強 ，高 謙 ，陳得信 ，郭慧高

（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）

大型鎳礦深部高應力礦體充填法開采關鍵技術與對策

楊志強1，2，高 謙1，陳得信2，郭慧高2

（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）

金川鎳礦是我國最大的硫化銅鎳礦，以地應力高、礦體厚大和礦巖不穩固著稱國內外采礦界。該礦體開采難度之大、充填成本之高備受國內外采礦界關注。近年來，隨著礦床開采深度逐年增加已接近千米，采場面積超過1×105m2，高溫、高壓和高滲壓的“三高”采礦環境日趨顯著，不僅提高了采礦成本，而且還給礦山安全高效生產帶來巨大壓力。本文首先概述金川深部礦床采礦技術條件，然后明確采礦生產面臨巷道和采場穩定性控制技術難題，分析采場圍巖變形和巖層移動所潛在的災變失穩風險。最后提出了金川深部礦體安全高效開采亟待攻克的技術難題，為金川深部資源開發能力和綜合利用指明了方向。

金川鎳礦；深部開采；高應力；關鍵技術；研究方向

1 前言

礦巖破碎、圍巖穩定性差、地應力高和厚大礦體，是金川難采礦床的主要特征。為此，金川礦山已經開展了廣泛而深入的科研工作和技術攻關。劉同有、吳愛祥、高謙等針對金川礦床采礦技術條件，闡述了礦床開采潛在問題[1～6]。楊志強等人開展了礦區工程地質和巖石力學研究，揭示了高應力碎裂圍巖力學特性和變形機理[7]。王永前、楊金維等研究揭示了厚大礦床連續開采場地壓規律以及控制技術[8，9]。結合金川采礦生產，在圍巖變形監測、變形結論和支護技術等方面也開展了大量研究[10～29]。針對金川礦區充填法開采的巖移問題，高謙、馬鳳山等開展了巖移監測和工程穩定性研究，首次揭示了大型鎳礦充填法開采巖移規律與影響因素。楊志強等還對巖移造成主風井垮塌以后的通風問題開展了研究，成功解決了風井垮塌后采場通風問題[30]。通過大量理論研究和工程實踐，對金川礦區復雜的地質條件和礦區構造應力做出客觀表征，探索出與采礦條件相適應的下向分層膠結充填采礦方法，揭示了充填法采礦地壓顯現與巖移規律，并成功地實施了采場地壓控制和圍巖穩定性維護技術。金川礦山科研成果，不僅成功地實現了1 150 m中段以上無間柱大面積連續開采，而且還為深埋厚大不穩固礦體開采積累了經驗；同時，也可為國內外類似礦床開采提供了參考。

隨著礦床開采向下延深，金川鎳礦采礦深度已接近1 000 m，已經進入深部開采礦山行列。深井采礦所特有的高溫、高壓和高滲壓“三高”采礦技術條件，使礦山安全、高效和經濟開采面臨嚴峻挑戰，給礦山生產帶來潛在重大安全隱患。尤其深部連續開采面臨著超大采場的整體穩定性、高應力碎裂蠕變巷道圍巖變形控制、深部圍巖承壓水防治、大面積連續開采的巖移規律以及礦山工程穩定性控制等問題，已經成為世界性技術難題。因此，借鑒國內外礦山開采的先進理論與開采技術，全面總結金川礦區上部開采所獲得的成功經驗和教訓，深入分析深部礦床開采技術條件，揭示深部采場地壓規律，科學指導金川深部開拓系統的布局以及開采方案優化，不僅對于金川鎳礦深部高效開采極其重要，而且還是超大采場風險預測和災變控制的重要基礎。

2 金川鎳礦深部開采技術難題

2.1 深部采場巷道穩定性問題

圖1 三礦區深部巷道側墻內擠破壞情況Fig.1 The extruding deformation of side wall of roadway in No.3 area

圖2 二礦區1 178 m分段道巷道底鼓變形情況Fig.2 Heave deformation in floor of roadway in No.2 area in 1 178 m level

對于金川高地應力賦存環境和破碎圍巖條件的厚大礦體開采，巷道支護與變形控制是礦山安全生產和產能提升的關鍵技術。圖1～圖4顯示了金川礦區典型巷道變形破壞特征。由此可見，對以變形地壓為主的深部巷道破壞主要表現為側墻內擠（見圖1）、巷道底鼓（見圖2和圖3）和巷道收斂（見圖4）三種變形模式。圖5顯示了2001—2009年金川礦區采場巷道返修工程量和返修費用的統計結果。由此表明，僅金川二礦區巷道返修量已達到103.27 km，返修費用高達8.076億元。

金川鎳礦開采深度接近1 000 m已經進入深井開采。采礦工程揭露的深部礦巖節理裂隙更發育、圍巖穩定性更差，裂隙水較上部豐富。由此顯示，深部采礦技術條件較上部更加不利。同時，金川鎳礦采用無間柱大面積連續開采，采場最大水平面積將達到2.5×105～3.27×105m2，采切下降速度將達到5～8 m/a，采場面積和采掘強度在國內外罕見。可以預見，金川礦區深部采場地壓顯現將更加劇烈，采場巷道變形控制更加難以控制，必將給金川深部開采帶來更大困難，是金川礦區深部礦體安全高效開采亟待解決的重大技術難題。

圖3 龍首礦有軌運輸巷道底鼓變形情況Fig.3 Heave deformation in floor of roadway in Longshou mine

圖4 二礦區1 178 m分段巷道整體收斂變形情況Fig.4 Convergence deformation of roadway in No.2 area in 1 178 m level

圖5 二礦區2001—2009年巷道返修量與費用柱狀圖Fig.5 Histogram of repair amounts and cost in 2001—2009 for No.2 area

2.1.1 深部巷道變形破壞特征

金川深部巷道圍巖變形破壞主要受工程地質條件、構造應力和采場地壓以及巷道工程形式與布置方式影響。因此巷道變形具有如下特點。

1）變形量大。根據現場調查及監測結果，金川礦山深部巷道收斂變形一般為數厘米至數十厘米，最大可達2 m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）變形速度快。由于原巖應力高且以變形壓力為主，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。由于圍巖節理裂隙發育，圍巖變形受控于節理的碎裂剪脹擴容，加上高應力圍巖塑性屈服變形，不僅圍巖變形量大，而且持續時間長。

2.1.2 巷道失穩破壞模式

現場變形結果監測顯示，金川深部巷道主要受應力控制而發生變形破壞。對于深埋巷道或處于采場高應力集中區圍巖。受高應力作用，使巖體結構效應降低，以圍巖屈服變形和剪切滑移為主，顯現碎脹和塑性變形，從而導致巷道底臌、斷面收縮，最終發生巷道擠死、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。隨著圍巖變形增加，其地壓也隨之減小。同時圍巖變形能量釋放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時，圍巖強度發生急劇惡化而不能自穩，巷道將以垮冒、底鼓或者兩幫擠進等形式發生破壞，是金川鎳礦深部采場高應力巷道圍巖的主要破壞模式。

2.2 無間柱連續開采超大采場整體穩定性問題

金川鎳礦深部采用多中段、無間柱大面積連續開采，由此帶來以下兩種潛在的失穩模式。

1）充填體整體滑移失穩。采用無間柱連續開采，充填體與圍巖之間的剪切力是維持充填體穩定的重要因素之一。由于充填體與圍巖接觸面是弱面，當該接觸面上的抗滑阻力小于充填體重力的下滑分力時，充填體就沿著該接觸面發生滑移失穩。隨著開采水平的延伸，這種潛在失穩危險也隨之增大。

2）多段開采中段間水平礦柱失穩。金川1#礦體采取1 000 m、1 150 m和850 m三個中段同時開采。在高水平地應力作用下，水平礦柱將受到壓桿式承載模式。隨著1 150 m中段向下延深，中段間的水平礦柱（板）逐漸變薄，所承受的應力逐漸增大。當水平礦柱的作用荷載（水平地應力）達到極限承載力后，水平礦柱就發生壓桿式災變失穩。因此1 150 m和1 000 m兩中段間的水平礦柱開采，必將面臨采場地壓逐漸增大和采場整體災變失穩逐漸提高的風險。

2.3 采礦誘發巖移對礦山工程穩定性影響

1）充填采礦巖移規律以及對工程穩定性影響。由于金川礦體厚大和圍巖不穩固，盡管采用充填法開采仍然導致圍巖變形和巖層移動。1998年3月首次在地表發生沉降張裂縫，由此表明，地下開采導致巖層移動已經發展到地表。地表GPS變形監測結果表明：隨著地下開采，地表沉降張裂縫不僅逐漸擴展（見圖6），而且變形速率日趨增大。地表變形較顯著范圍在10～22行之間，并以14～18行為中心形成一個地表沉降盆地。采場圍巖變形和巖層移動對礦山35座豎井工程穩定性影響，一直成為關注的焦點。揭示厚大礦體充填法開采巖移規律，采取回采工藝和工程措施，確保重要工程的安全與穩定，對深部礦床的開采至關重要。

2)返修后二礦區14行風井穩定性問題。位于金川礦體下盤的二礦區14行主力回風井，井深715.5 m，承擔1#礦體兩個主運輸水平、14個生產盤區的回風任務（見圖7）。在風井2002年投入使用后，由于受采動巖層移動影響，在2005年3月突然發生跨塌，給采礦生產帶來嚴重影響。經過一年多返修，于2007年5月重新投入使用。但是日趨加劇的巖層移動必將對修復后的14行造成影響。因此，監測巖移對14行風井穩定性影響以及盡早實施穩定性控制措施，是金川深部開采的重要課題之一。

圖6 二礦區開采誘發巖移在地表出現裂縫情況Fig.6 Appearing fissures by minging in the earth’s surface for area No.2

圖7 二礦區14行風井工程地質剖面和冒落示意圖Fig.7 Sketch map of the engineering geological profile and caving of air shaft in 14thline in area No.2

2.4 充填采礦工藝

金川礦山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。伴隨著礦山進入深部開采，礦山生產還存在以下兩個關鍵問題。

1）采場生產效率低。分層進路膠結充填法開采主要進路式采礦的崩礦量有限，平均每崩礦步距的崩礦量為100～150 t。采場鏟運機出礦運距長，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鏟運機平均單程運距約260 m，根據現場測試，某盤區鏟運機平均每次出礦時間為8～10 min。

2）充填采礦成本居高不下。金川充填成本占采礦成本的1/3以上，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，充填成本也隨之升高，由此將顯著影響金川礦山的采礦經濟效益。開發低成本和高強度的新型充填膠凝材料，是降低深部充填采礦成本和提高采礦效益的必由之路。

3 金川深部開采關鍵技術與對策

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存在的穩定性控制問題，需要根據金川礦山深部巷道圍巖的巖石力學特性和圍巖應力環境，借鑒國內外支護技術和經驗，采用高強度和高剛度預應力錨桿支護系統，從而有效控制圍巖變形破壞，減少二次支護和巷道返修工程量。高強度和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亟待研究和發展的方向。同時，探索出適用于金川深部巷道支護的施工機械，是落實支護技術和確保支護質量的重要保證。

3.2 深部開采方案決策與開采工藝優化

開采方案與回采直接影響采場地壓顯現規律，從而影響巷道工程的穩定性。因此，進一步優化深部回采工藝、回采順序以及充填體強度，從而調整和優化深部采場地壓環境。尤其針對深部采場地壓顯現規律，研究和確定適應于深部采場地壓的充填體強度，不僅有利于深部采場的穩定性維護，而且更重要的是確保采場整體穩定性，實現深部采礦安全生產。

3.3 井巷工程穩定性控制技術

采場開采模式和回采順序影響采場地壓顯現規律，而采場地壓顯現規律又影響著巖層移動范圍和速度。研究揭示充填法開采的巖層移動規律，是開拓工程優化設計、選擇開采方案和回采工藝的重要依據。

1）巖層移動規律與影響范圍。對于當前開采水平，地表已經出現明顯的巖層移動。由于在850～l 000 m之間的1#礦體形態處于最大擴展范圍。從而在850 m中段開采過程中，采場覆巖巖層移動以及采場整體穩定性處于最不利狀態。因此，亟待開展該階段無間柱連續開采的變形監測和穩定性預測，以便提早采取安全防控措施，確保深部礦體安全回采。

2）巖移對井巷工程影響預測。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；同時，巖層移動還改變采場地壓顯現規律，間接影響巷道圍巖的變形破壞。因此，揭示不同采礦方案和回采工藝的巖層移動規律，并預測巖移對豎井工程穩定性的影響，是深部礦體安全開采的重要保證。

3.4 開拓工程長期穩定性預測

金川工程圍巖處于高應力環境，上部礦體開采活動產生次生應力場交替變化，對開拓工程的長期穩定性產生不利作用。深部開采再次改變采場應力狀態和賦存環境，從而加劇對開拓工程穩定性的影響。鑒于開拓工程服務于深部開采長達幾十年，因此，開拓工程的長期穩定性研究是深部礦體安全采礦的重要研究課題之一。

1）高應力工程圍巖變形機理。針對深部工程巖體的地質結構和高應力環境，開展工程圍巖變形破壞機理研究，建立與之相適應的力學模型，進行采場圍巖、變形和整體穩定性分析，對于安全控制措施的制定和實施極為重要。

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是地壓控制和長期穩定性維護的重要依據。在此基礎上，開展支護型式和支護參數、支護成本和長期穩定性預測等研究，也是深部礦床開采的另一關鍵技術。由于各方面的問題既相互影響又相互對立，因此綜合考慮它們之間的相互關系，從而尋求經濟、可靠和方便施工的優化方案，是降低采場巷道維護成本和提高采礦經濟效益的另一關鍵技術。

4 結語

金川礦山已經進入千米深井開采行列，因此正面臨著深部開采所具有的一系列采礦技術難題。實現金川礦山深部礦床的安全、高效和低成本開采，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工程經驗，進一步優化決策深部開采方案，調整充填法開采方法與回采工藝，重視深部巷道圍巖支護成套技術開發與應用，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穩定性的影響，繼續開展深部開拓工程的穩定性控制技術研究與災變失穩風險預測，不僅是金川礦山深部高應力條件下實施強采、強掘和強充的“三強”的重要保證，而且對采場整體穩定性以及控制巖層移動和安全采礦具有重要的意義。

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Problems and countermeasures for safe and effective filling mining in Jinchuan Nickel mine in the deep and high stress

Yang Zhiqiang1，2，Gao Qian1，Chen Dexin2，Guo Huigao2

（1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mine Ministry of Education USTB，Beijing 100083，China；2.Jinchuan Group Co.Ltd.，Jinchang，Gansu 737100，China）

Jinchuan nickel mine is well known for its high crustal stress，thick and large ore body and unstable ore rock in the mining industry.It is well noted by domestic and overseas mining industry for the the huge orebody mining difficulty and high filling cost.In recent years，with the depth of mining approching 1 000 m and stope area exceeding 1×105m2，“three high”mining environment，which is characterized by high temperature，high pressure and high osmotic pressure，is more and more significant.As a consequence，the safty of deep ore body and the mining efficiency are seriously challenged.In this thesis the problems and challenges faced by deep mining is overviewed firstly.Then the control problems of roadway and stope face stablity faced by mining production are stated.Catastrophe risk of instability caused by stope wall rock deformation and rock strata movement is analyzed.At last，proposing technical difficulties that the jinchuan deep mining safely and efficiently should be overcame，providing clear research direction for improving development ability and the comprehensive utilization of resources.

Jinchuan Nickel mine；deep mining；high stress；key technology；study direction

TD853.34

A

1009-1742（2014）08-0038-07

2013-11-13

國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2010CB731500）

楊志強，1957年出生，男，山西萬榮縣人，博士，教授級高級工程師，博士生導師，主要從事充填法采礦安全與管理及廢棄物資源化利用等方面的研究；E-mail：yzq@jnmc.com