近海黃金礦床深部開采科技難題及研究展望

劉煥新 王劍波 趙 杰 吳欽正

(1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室,山東 萊州 261442；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

根據中國工程院咨詢研究項目“我國金屬礦深部開采創新技術體系的戰略研究”的調研結果[1]，當前國外開采深度1 000 m以上的深井礦山112座，排在前五位的分別是加拿大(28座)、南非(27座)、中國(16座)、澳大利亞(11座)、美國(7座)，全球范圍內的深部礦產資源開采已成為常態。中國礦產資源開發將逐步進入1 000～2 000 m開采階段[2-3]。山東黃金集團擁有包括三山島斷裂帶、焦家斷裂帶和招平斷裂帶等重要成礦帶，并于2017年3月發布探獲“三山島礦區西嶺金礦”這一深埋的地下800～2 600 m的世界級巨型單體金礦床，目前已備案金金屬量382.58 t，平均品位4.52 g/t，預計2年后可累計提交資源量550 t。三山島金礦(新立礦區)是我國唯一一座海下開采黃金礦山，西山礦區和西嶺礦區礦體均為濱海礦床，西山礦區目前開采深度已接近-1 000 m。進入深部開采后，高應力作用下的地壓控制和支護技術，通風、降溫、提升、排水技術，高效率低成本回采技術等都是需要解決的關鍵難題。

1 近海黃金礦床深部開采關鍵科技問題

目前，我國尚無成熟的海下和近海開采技術及經驗可參考，尤其是在近海2 000 m以淺，如何在確保安全、經濟的前提下，最大程度地提升深部資源的獲取能力，需全面考慮以下關鍵科技問題。

1.1 深部高地應力與災害風險

深部高應力可能導致破壞性的地壓活動。包括巖爆、塌方、冒頂、突水等由采礦引起的動力災害及巖體片狀剝落等巖體失穩情況，嚴重影響著礦山的正常生產。 三山島金礦西山礦區在-1 140 m水泵房施工過程中發生明顯的巖石彈射現象(圖1)。

圖1 三山島金礦深部片幫和巖塊滑落明顯Fig.1 Obviously deep rib failing and rock sliding of Sanshandao Gold Mine

進入深部開采后，地下工程開挖表現出較強的時空性，深部開拓工程和局部采場出現應力集中(圖2)、礦柱開裂、圍巖彈射等現象，嚴重影響礦山安全生產。深部金屬礦床埋深大、應力高，巖體破壞機理復雜與破壞模式多樣，其開采過程中應力、開裂、變形、能量時空演化規律極為復雜，是深部開采結果的綜合體現。

圖2 深部開挖引起的應力集中Fig.2 Stress concentration caused by deep excavation

1.2 深部支護和采礦方法

深部巖體結構及其力學特性會發生重大變化，淺部的硬巖到深部變成軟巖，彈性體變成潛塑性體[4-5]。適用于淺部的采礦和支護設計理論很多不能適用于深部開采。

進入深部開采后，隨著采場地壓問題的突出，目前采用的上向分層充填采礦方法及點柱法已不能更好適應和滿足深部開采對安全生產、效率、采礦成本的要求，礦山急待在深部采礦方法和支護方面取得突破，以便于安全、高效、經濟地回收深部資源。

1.3 深井提升難題

進入-1 500～-2 000 m開采后，深部礦石的提升難度和提升成本增加，并成為亟待解決的關鍵性難題。目前三山島金礦在西嶺礦區已設計并將在近期建設1條2 000 m深度的豎井，新城金礦已開工建設1 526 m的深井。開鑿深2 000 m的豎井不僅在國內，即使在南非深井開采發達的國家也是一個難題。盡管南非有多個礦山步入4 000 m[6]以下進行開采，但大都是通過2～3級盲豎井開拓，或者針對緩傾斜礦體主要是通過斜坡道開拓與豎井開拓相結合的方法。因此針對深井提升難題，需重點解決深2 000 m豎井建井技術、豎井井筒裝備、提升系統可靠性、豎井開鑿過程通風問題、復雜環境下豎井井壁的穩定性等科技問題。

1.4 高滲透壓與海水潰入風險

三山島金礦主要可采礦體均賦存于海底下部巖體中，礦區存在涌、突水甚至海水潰入的潛在危險。進入-1 000 m以下開采深度，巖體中孔隙水壓的增大對豎井井壁的穩定性產生不利影響，滲流的復雜性造成突水風險的不確定性和難預測性，對采礦活動造成安全威脅。由于近海深部開采的特點，高滲透壓及海水潰入的風險，由此帶來了豎井施工及采礦活動中的注漿堵水、海水突涌突冒的預測預報以及滲流場、應力場、溫度場等多場耦合下巖體力學性質的改變等科學問題，關系到海下采礦安全。

1.5 深部高地溫

三山島金礦西山礦區-600 m水平以下局部溫度梯度2.6 ℃/100 m，在-600 m標高，原巖溫度達36 ℃，井下空氣溫度達34 ℃以上。西嶺礦區-1 240 m中段，預測原巖溫度將達到38.2 ℃，-1 770 m中段將達到51.8 ℃。深部開采過程中，機械設備和電氣設備產生與消耗的能量也不斷增加，轉換為熱能而隨風流擴散，同樣會引起井溫的升高。目前由于地熱問題使井下的生產受到了嚴重的影響，造成礦山深部工程進展緩慢。

1.6 充填技術滯后

泵送膏體輸送工藝、高濃度全尾砂充填技術、新型高效充填方法、高濃度輸送工藝等現代充填采礦技術已經在世界得到全面推廣應用[9]。高濃度漿體/膏體充填技術經過多年的探索和實踐，因其具有穩定性好、不分層離析、充填成本低等優點，已在世界主要采礦國家得到廣泛應用，是未來礦井充填技術的發展方向。目前，礦山充填系統存在的主要問題是充填體強度低、采場充填接頂率低。為了控制或緩解深部開采造成的地壓活動，急需改進和研發充填新技術，解決充填方式及充填體的強度問題，滿足深部礦體開采的要求。

2 海底金礦床開采成套技術積累

以三山島金礦為例，通過“海底大型金屬礦床高效開采與安全保障關鍵技術”項目，開發出海底金屬礦床開采中的一整套技術，包括海底金屬礦開采的開拓方式、回采順序、采準布置、主要回采工藝與技術(鑿巖、通風、出礦、支護、充填)、海底地壓控制、巖層變形監測、井下突水與安全預警等一系列技術，解決海底金屬礦開采時的“防止海水潰入”、“海域下巖層開采覆巖運動規律及其控制技術”、“海底金屬礦開采災害預警系統和安全保障體系”等難題，實現三山島金屬海底礦床的安全高效經濟開采，填補我國海底金屬礦開采的技術空白，為我國海底金屬礦開采提供示范與榜樣。同時，制訂出海底金屬礦相關的技術規范與技術標準，為海底礦山開采提供地壓控制與安全預警系統，形成具有我國自主知識產權的海底金屬礦開采技術。

3 研究展望

3.1 擬解決的關鍵技術

面對近海-1 000～-2 000 m深部開采的現狀，需在系統總結淺部已有技術積累的基礎上，著重解決以下關鍵技術。

(1)區域地應力測試及地應力環境。通常而言，淺部原巖應力場分布規律主要以水平方向的構造應力為主，進入一定深度后垂直方向的主應力會大于水平方向的構造應力[10]，當進入超深階段地應力的分布會呈現靜水壓力狀態[11]，即三向等壓狀態。進入-1 000 m以下，地應力分布是否仍然以水平方向的構造應力為主，地應力值從淺至深是否仍然以線性規律增長，亟待研究、摸清。系統掌握區域地應力場分布規律，是開展深部開采采礦方法試驗、回采結構參數、支護設計、豎井設計與施工、應力遷移規律及調控研究、巖爆等動力災害防治的基礎，具有前瞻性的工作意義。

(2)深部巖體力學數據庫構建。進入深部以后，巖石破壞會由彈塑性破壞轉變為彈脆性破壞甚至延性破壞,圍巖變形流變特征顯現。為掌握-1 000～ -2 000 m深部巖體力學性質，需系統開展巖體力學調查、巖體質量分級工作，建立深部巖體力學綜合數據庫，并研發相應的巖體質量智能分級系統，為深部采礦工程設計提供支撐。

(3)采礦方法革新。三山島金礦自上個世紀80年代運用至今的點柱式充填和水平分層充填法在安全及效率上目前已顯現出不適用性。在系統掌握區域地應力分布規律及深部巖體力學性質的基礎上，針對深部高應力環境，開展深部采礦方法試驗，進行采礦方法革新，提出一套適用于深部的安全、高效采礦工藝技術體系迫在眉睫。

(4)2 000 m深井開鑿與提升。三山島金礦建設2 000 m豎井將成為國內首例大型深部開拓工程。在施工過程中，需重點研究2 000 m豎井開鑿技術、井筒綜合機械化快速施工技術、一次成井滑膜快速施工工藝、支護方式與支護材料。同時需掌握施工過程及運行后地壓管理技術，保證施工及運行后井筒的安全性。另外，施工及運行后井筒通風、在水—溫度—化學腐蝕—高地應力耦合作用對井壁穩定性關系到人員及井筒的安全。在提升方面，在國內安全規程和國家標準的規定下，設計提升高度達到1 500～2 000 m的提升機面臨巨大的困難?！按筝d荷、大功率、大慣量”條件下，鋼絲繩的直徑、材料及安全系數、提升機的選型、性能、制動系統和罐籠的選取、提升過程動力學參數，提升機安全系數等將是研究的重點。

(5)深部綠色充填工藝與技術。綠色開采是當前深部資源開采的重要理念[14]。充填法對于有效控制巖層移動和地表沉陷，確保海下開采安全，同時對于保護生態環境、有效控制深部開采劇烈的地壓活動，避免采場和巷道失穩破壞引起各種災害的發生具有重要作用。膏體充填是新型綠色開采技術，但是具體應用過程中管道易裂、易損、充填體難接頂、強度低的問題一直難以解決。所以研發深部綠色充填工藝與技術的關鍵，在于研發膏體充填材料、膏體充填工藝及高濃度和高倍線下管道輸送技術、全尾砂濃縮與脫水工藝等技術。

(6)深部降溫。地下巖層溫度隨深度大約以3 ℃/100 m的梯度上升[15-16]。進入-1 000 m開采后，常規通風已不能滿足降溫要求。針對2 000 m以淺的深部開采，在確保開采仍然可盈利的條件下，通過制冷或制冰的方式，向井下輸送冷空氣或將制造的冰漿或粒狀冰進入循環管路，最大限度地降低工作面溫度及控制回采成本，是深部經濟、高效開采的保障。

3.2 基礎理論與技術支撐

解決上述關鍵技術的同時，應開展相應的基礎科學理論和應用技術研究，為上述科學難題和關鍵技術的解決提供基礎支撐。

(1)在深部巖體力學方面，研究真三軸及多場耦合作用下巖石的破壞機制、巖爆的孕育機理及防控、采動條件下水的遷移(滲流)、高應力下深部圍巖大變形控制、應力場與能量場的演化規律研究與分析、開采過程中的應力阻斷及卸壓、采動條件下支護與圍巖相互作用機理等。

(2)在智能化與信息化方面，研究開采過程多元信息演化協同智能感知技術、開采過程監測大數據的集成可視化、協同分析與智能預警?；诖髷祿治黾夹g，開展深部金屬礦床開采、充填、支護過程仿真、優化、安全性時空預測預警與動態調控效應的時空分析等。

(3)在深部通風降溫方面，研究深井降溫的熱交換解算方法、巷道采場蓄熱蓄冷及局部預冷技術、井下作業環境舒適度評價模型、深井污風循環利用技術。

(4)在高效、綠色開采方面，開展高效破巖方法和高效采礦工藝技術研究，建立深部高應力條件下開采理論與工藝技術體系。基于循環經濟方法研究地下采選一體化、尾礦復用、無廢開采、風水循環利用技術，建立減量化、無害化、資源化的深部綠色開采體系，實現2 000 m以淺黃金礦床安全、高效、經濟開采。

4 結 語

深地資源勘探開發是當前國家和學術界關注的重大科技問題。山東黃金集團應審時度勢，展望未來發展，在全面總結已有技術積累的基礎上，面向集團所屬礦山，以科學技術為驅動力，力爭在深部開采方面作出突出成績，形成示范性基地。主要研究工作歸納為：

(1)以深部巖石力學及地應力環境為基礎，建立深部巖體力學數據庫，建立深部高效、安全、經濟開采體系和方法，為2 000 m以淺深部開采及企業的可持續發展奠定基礎。其中需重點關注深部巖爆等動力災害的機理、監測、防控研究，解決超深豎井施工、提升及運行維護難題。

(2)以滲流理論為基礎，系統開展工程地質和水文地質工作，開展近?；蚝Ｏ露鄨鲴詈蠗l件下巖體變形控制，掌握水的運移規律與巖體的作用機理，開展深部開采防水、治水工作，確保近?；蚝Ｏ麻_采安全，嚴防海水潰入。

(3)以通風理論為基礎，以經濟開采為前提，以國外深井降溫技術經驗為指引，開展-1 000 m以下特別是-1 500 m以下通風降溫技術研究，研發制冷、制冰降溫技術，最大限度的降低井下工作面溫度。

(4)以綠色發展為理念，深入開展深部綠色充填工藝技術研究，研發充填材料，研發高濃度充填體輸送技術，研發料漿濃縮脫水工藝，解決充填體難接頂、難輸送等難題，建立深部無害化、減量化綠色開采理論技術體系。

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