金屬礦深部開采現狀與發展戰略

趙 鉞

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著經濟建設速度逐漸加快，我國的資源需求量越來越大，各項資源消耗都極為嚴重，使得各國都面臨著不同程度的資源危機。金屬礦產業市場也不例外，金屬礦開采會破壞農田和土地，屬于能源消耗較大行業，大量金屬產品出現了供不應求的局面，導致全球性金屬資源價格大幅度上漲，金屬資源開采行業進入了前所未有的新高潮。面對新形勢下金屬礦產資源需求旺盛的局面，我國在結合國內外金屬礦深部勘探的先進技術、理念和實踐經驗，不斷挖掘出更富更深的新礦體。近年來，由于全球性資源供給壓力加大，使得具有一定資源條件的老礦山不斷擴大開采規模，過去在技術條件限制下的深部礦、難采礦以及低品位礦不斷被開發出來，與此同時，與之相對應的大型金屬開采技術、深部礦開采技術、難采礦開采技術等不斷更新與發展，使金屬礦開采品位逐漸降低。加之當前開采業對陸地礦產資源進行了大規模、高強度的開發和利用，使得陸地礦產資源逐漸枯竭，海洋采礦、太空采礦等方式將成為未來金屬采礦發展趨勢。因此，推動金屬礦山重建技術、無廢技術、充填采礦技術、節能減排技術與生態環境保護技術相結合，對地球深部金屬礦產資源進行探測與發掘是穩定礦產資源發展、緩解我國礦產資源短缺現狀的最有效途徑。

1 金屬礦產資源深部開采技術現狀

金屬產品和金屬材料的根本來源是金屬礦產資源，其不斷推動著社會的進步和國民經濟的高速發展，但隨著金屬礦產資源淺部開發的日益枯竭，國內外開采業開始陸續進行深部金屬資源的勘探與開采。據相關數據顯示，在未來十年內，我國的三分之一地下金屬資源開采深度將達到或超過1000m，最大深度可達2000m～3000m，金屬礦產資源深部開采已成為金屬礦業發展的必然趨勢，也是我國金屬產品供給的主要途徑。但是，進入金屬礦深部開采后，一方面開采活動會受到高地應力環境的影響遭遇很多問題，例如，塌方、巷道變形、冒頂、巖爆、吐水等動力危害[1]。且隨著采深的不斷增加，巖層溫度會逐漸呈上升趨勢，從而對設備的運行和工作環境造成一定影響。除此之外，由于金屬礦深部開采面臨復雜的地質情況，高度的不斷提升會使作業難度逐漸加大，影響采礦工人和企業的生命財產安全，因此提升金屬礦深部開采技術勢在必行，針對深部開采難題，從深井提升工程技術、深井高地應力開采動力災害預測防控技術、深井高溫熱害控制治理技術等戰略性角度出發解決金屬礦深部開采問題現狀。

1.1 國內金屬礦深部開采現狀

近幾年，我國金屬礦深部發展迅速，但相比于國外金屬礦深部開采進度，我國進入深部開采時間相對較晚。據相關資料顯示，我國在“十三五”規劃期間，啟動了多個金屬礦深部開采計劃項目，同時推出重點深部資源勘探技術目標和相關理論科研成果，分別從多元、三維、系統研究理論出發，對深部巖石開采力學特征進行分析與探討。

隨著21世紀我國礦山事業的迅猛發展，并根據目前我國金屬礦深部開采發展速度，我國的深井礦山數量將在較短時間內達到世界第一水平，并且會有相當多大型地下金屬礦山達到世界最高開采水平和規模。近年來的深部開采業務中，鐵礦深部開采建設力度最大，計劃建設或正在建設的大型金屬地下礦山，絕大部分為鐵礦。例如：遼寧本溪大臺溝鐵礦、思山嶺鐵礦、河北灤南首鋼馬成鐵礦、遼寧鞍山五礦集團礦業公司陳臺溝鐵礦、山鋼集團萊蕪礦業公司濟寧鐵礦等礦業。隨著我國勘探技術、勘探裝備及信息智能化的高速發展，未來金屬礦業深部達到3000m～5000m是完全有可能實現的[2]。

1.2 國外金屬礦深部開采現狀

國外最早有記載的為美國密歇根州的銅礦，建設時間為1904年。據相關資料顯示，目前國外深部金屬礦山開采深度超千米數量大約為112座，其中百分之七十以上為銅礦和金礦。超過3000m開采深度的地下金屬礦山約有16座，其中12座礦山為金礦，且全部位于南非。

2 金屬礦深部開采主要技術難題

金屬礦進入深部開采過程后，開采環境、技術條件、礦體賦存及礦床地質構造相對惡化，地應力逐漸增大，破碎巖體增多，井溫升高等因素導致金屬礦深部開采難度加大、事故增多，勞動生產率急劇下降且相應成本加大，無法保證大規模深部金屬礦山開采的正常生產和安全，為深部開采高效率帶來一系列工程技術問題。

2.1 深部開采中高地應力引發的開采動力災害

所有地下工程（井下巷道、采場）動力災害的根本來源是高地應力。從本質上講，深部開采工程打破了巖體處于的原始平衡狀態，使巖體變形并向自由面進行位移導致地應力釋放和圍巖應力重新分布。地下巷道開挖和采場動工使得圍巖位移過量和應力聚集，從而產生地壓和圍巖整體或局部的失衡與破壞[3]。隨著開采深度的增加，地應力會以線性遞增速率隨之增加，與此同時，對開采擾動能力就越大，巖爆發生的概率和震級也會越大。所謂巖爆就是指采礦引起的擾動能量在一定誘因下沖破巖體而突然釋放的過程。但由于我國進入金屬礦深部開采時間較晚，因此所觀測到的巖爆礦山相對較少，其規模也比較小。隨著越來越多的金屬礦山進入深部開采，對巖爆發生的可能性、發生地點以及強度大小建立可靠、有效的檢測系統和手段已刻不容緩，綜合分析和研究地應力、巖體結構、采礦方法、開采順序及開采過程是避免圍巖高能量聚集與釋放，防止巖爆發生的有效措施。

2.2 金屬礦深部開采中的高溫環境與熱害

數據顯示，常溫帶以下，巖層溫度每100m的變化區間在1.7℃～3.0℃之間，呈梯度增加趨勢。而在深度超過千米的深井，巖層溫度將高于人體溫度，在持續高溫環境下作業，工作人員的身體健康、工作能力以及工作效率都會受到很大程度損傷，使勞動生產率大打折扣，影響金屬礦深部開采工作的正常運行。根據《地下礦山安全規程》要求，兼顧工程開采成本，保證人員及設備處在適宜溫度和濕度環境下進行正常開采工作，解決深井通風、降溫問題極為關鍵。

2.3 金屬礦深部開采中的提升安全問題

提升與開挖都是深部采礦過程中極其重要的工作環節。我國金屬礦深部開采普遍采用摩擦輪多繩提升機，但隨著深部開采深度的加大，提升高度也在不斷增加，不僅使安全生產受到嚴重威脅，還會導致生產成本大幅度增加，生產效率大幅度下降等現象。金屬礦山深部開采深度在1000m以內，此范圍，摩擦輪多繩提升機的提升效率、提升成本、安全性和可靠性都是有所保障的，此時，采用摩擦輪多繩提升技術是最高效且經濟的提升方法。但隨著深部開采進程，提升高度逐漸增加，所需鋼絲繩也要不斷加長，提升負荷隨之加大，這將會對提升能力、運行成本、工程安全性等方面造成嚴重威脅。根據統計資料表明，深部開采深度超過1800m后，提升穩定性將無法控制且鋼絲繩慣量的增加會使得尾繩長度、鋼絲繩張力變化過大，引發因鋼絲繩有效金屬截面減小、抗拉強度降低，導致斷絲等現象發生，結合多種制約因素，摩擦輪多繩提升機在大于1800m范圍將不再適用。

3 解決金屬礦深部開采難題的關鍵發展戰略

3.1 加強金屬礦深部開采動力災害（巖爆）的預防與防控

金屬礦深部開采動力災害主要存在塌方、巖爆、突水和冒頂幾項，其中以巖爆危害最為突出。巖爆現象的產生是因為采礦開挖所產生的擾動能量在圍巖中聚集、演化，通過一定的誘因如圍巖破裂情況下突然爆發的過程[4]。巖爆主要是在地應力主導下產生的動力災害，深部采礦會打破地層原有的自然平衡規律，使圍巖變形、應力集中，在達到一定程度的上限后就會突破圍巖產生沖擊破壞。對于巖爆現象的研究已持續了大半個世紀之久，但大多數國內外理論都只停留在經驗和探討階段，仍沒有形成準確、實用的巖爆預測與防控技術。但為了滿足金屬礦深部開采需求，研究人員基于巖爆發生的兩個必要條件即采礦巖體在受到破壞時具有的較強沖擊性能和圍巖產生高應變能的應力環境，從強度、剛度、巖體損傷、能量等方面，結合開采計劃，采用位移、應力及三位數字圖像掃描技術對巖爆進行定量分析和預測。與此同時，著力優化開采布置，改善開采方法，減少擾動能量聚集和應力過度集中，通過防治結合手段盡量減少巖爆現象的發生。

3.2 深井降溫與熱害治理

近年來，許多金屬礦山深部開采用礦井降溫技術，最常見的兩類為人工制冷降溫技術和非人工制冷降溫技術。

人工制冷降溫技術包括冰冷卻系統和水冷卻系統。冰冷卻系統是通過風力或水力將地面冰廠制取的粒狀冰或泥狀冰運送到井下融冰裝置以完成降溫任務。水冷卻系統包括回風排熱、地面排熱井下集中式以及地面集中式等機組布置方式，兩者應根據項目實際情況擇優選擇。

非人工制冷降溫技術主要是通過提高通風能力、改進通風方式，應用礦井通風系統而達到深井降溫效果，包含預冷巖層、填充采空區、熱源隔離等方法[5]。但是，將風流預冷后送入井下，降溫能力不足，降溫成本高，且遇礦井熱害嚴重，根本無法滿足降溫需求。

以上兩種降溫技術均屬于被動降溫技術。為提高深井的降溫效率，應鼓勵發展主動降溫技術。當前，金屬礦深部開采所采用的主動降溫技術包括深井高溫巖層隔熱技術和深井地熱開發技術，通過新工藝、新技術同時輔以人工制冷降溫技術，為深部采礦降溫找到一條經濟有效的雙贏技術途徑。

3.3 金屬礦深部開采提升技術

有繩提升技術在提升高度超過3000m或4000m時，會因鋼絲繩所產生的大慣量、大負荷和大扭矩等問題產生無法解決的障礙。因此，必須著力研究無繩提升技術，例如磁懸浮驅動提升技術和無線直線電機驅動提升技術等[6]。傳統的提升方式如，箕斗、罐籠等都屬于機械提升方式，而無線直線電機驅動屬無繩垂直提升技術，無需開挖豎井就可進入超深開采，這樣不僅減少了井巷投資與維護費用，還大大提高了深部采礦工程的安全性。無線直線電機驅動垂直提升技術具有高效率、設備尺寸小、無提升高度限制的特點，適用于超深井提升。

4 結語

我國目前處在工業化高速發展時期，對資源特別是金屬礦產資源需求量日益增加。國內越來越多的金屬礦山淺部資源已采空，轉入地下開采，深部開采已成為將來礦山開采的必然趨勢。為了適應礦山開采的發展，特別是實現深部無人開采技術，非常有必要對傳統采礦方法、方式與工藝進行變革。新的采礦概念和采礦系統模式必將取代安全系數和效率較低的傳統的采礦形式，未來采礦科技必將憑借新技術的潛在力量提高采礦效率、保證采礦工程的安全與穩定，不斷推進我國金屬礦深部開采技術向更高更遠長久發展。