金屬礦地下開采對(duì)井巷圍巖變形、破壞和穩(wěn)定性的影響

王興亞

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦，山東 萊州 261441）

隨著開采深度和規(guī)模的增加，露天開采資源逐漸消失，地下開采也面臨著嚴(yán)重的生態(tài)問題。為了解決金屬礦地下開采問題，連續(xù)開采技術(shù)是一種有效的途徑。地下連續(xù)開采可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)機(jī)械作業(yè)，改善工作條件和工作環(huán)境，提高開采能力，縮短開采周期，有利于深部低壓的管理和控制。我國金屬礦山數(shù)量眾多，分布廣泛，但在金屬礦山的地下開采過程中，還沒有先進(jìn)的開采技術(shù)和采礦工具作為支撐。同時(shí)，許多企業(yè)擅自開采。近年來，安全事故頻發(fā)，給國家和人民造成了巨大損失。因此，應(yīng)采取有效的方法和措施，防止金屬礦山地下開采安全事故的發(fā)生。

1 地下金屬礦山的采礦技術(shù)進(jìn)展

中國礦業(yè)起步較晚。與前發(fā)達(dá)國家相比，中國的采礦業(yè)落后了但是，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界礦業(yè)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，這并不夸張。經(jīng)過多年的大量前礦業(yè)工人的努力和汗水，中國礦業(yè)取得了前所未有的突破，各種采礦技術(shù)也取得了進(jìn)展倒塌和填充方法是最重要的，為不同的金屬礦山提出了特殊的采礦方法。例如，對(duì)于一些重金屬，我們制定了在深海重金屬的獨(dú)特方法。

（1）崩落法。經(jīng)過多年的采礦技術(shù)發(fā)展，我國提出了幾種金屬采礦方法，不同的采礦方法和技術(shù)各有特點(diǎn)。每個(gè)采礦公司根據(jù)自己的地質(zhì)條件、金屬含量和脈狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)自己的經(jīng)濟(jì)利益，選擇不同的采礦方法。其中，倒塌法主要用于鐵、銅等低價(jià)值金屬。在鐵礦石開采中選擇大規(guī)模的靜脈破裂，以及使用化學(xué)技術(shù)從礦石中提取鐵，可以最大限度地降低經(jīng)濟(jì)成本，并減少開采過程的需求。但是自身的缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯。在大面積崩落后，礦脈中的鐵礦石含量也在下降。與此同時(shí)，礦脈的崩落留下了大片場區(qū)，最終地表塌陷，影響了生態(tài)環(huán)境。與此同時(shí)，崩落法也對(duì)工作人員的安全構(gòu)成威脅，崩落產(chǎn)生的灰塵和碎片等雜物也可能造成采礦區(qū)的通風(fēng)問題，并影響采礦區(qū)的工作環(huán)境。

（2）充填法。在中國地下金屬礦山多年采礦實(shí)踐和金屬充填技術(shù)研究之后，采用了地下金屬礦山開采技術(shù)。一方面響應(yīng)國家環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展呼吁；另一方面，這是為了更好地促進(jìn)采礦發(fā)展和提高采礦效率。雖然充填法的設(shè)備和充填成本很高，但在環(huán)境保護(hù)和礦脈的貧化率方面具有相當(dāng)大的好處。此外，充填方法需要高水平的采礦技術(shù)，并需要科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的有力支持，這就需要制定采礦理論的某些先決條件，而采礦理論是采礦技術(shù)和方法多年來取得進(jìn)展的結(jié)果。

（3）自然采礦技術(shù)。自然開采技術(shù)（或稱露天采場開采）是指在維持開采的同時(shí)，借助圍巖的穩(wěn)定性建立一種采空區(qū)，并對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。也就是說，在礦石堅(jiān)硬、圍巖穩(wěn)定、抗振動(dòng)能力強(qiáng)的礦區(qū)，如果房間安全、開闊，就可以在礦柱支撐的環(huán)境中安全開采。研究表明，自然開采技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡單、工藝要求低的金屬地下采礦法，具有開采成本低的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于礦石及圍巖穩(wěn)定性好的礦區(qū)，但也有以下局限性：當(dāng)?shù)V體厚度達(dá)到中厚層水平時(shí)，自然開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)的回采率將降低。

（4）人工支護(hù)開采技術(shù)。如果采用人工支護(hù)開采技術(shù)，在采空區(qū)維護(hù)中一般采用碎石、礦渣等充填材料，并采用地壓管理控制地表移動(dòng)。因此，人工支護(hù)開采技術(shù)的原理是通過充填體實(shí)現(xiàn)地壓管理和控制地表沉陷。實(shí)踐證明，應(yīng)用人工支護(hù)開采技術(shù)可以不斷擴(kuò)大工作面和采空區(qū)，從而改善地下開采和金屬礦山開采的工作環(huán)境。

2 金屬礦山開采時(shí)存在的主要問題

我國金屬礦山在先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)條件下取得了長足的進(jìn)步，但也存在一些問題，主要表現(xiàn)在：①我國金屬礦山資源豐富，但富礦少，規(guī)模大的金屬礦產(chǎn)少。大多數(shù)是貧礦。因此，雖然礦山眾多，但礦產(chǎn)資源仍然相對(duì)稀缺。②金屬礦山開采技術(shù)不平衡。我國幅員遼闊，各地區(qū)礦業(yè)發(fā)展水平不盡相同，礦業(yè)技術(shù)發(fā)展不平衡。發(fā)達(dá)地區(qū)的采礦技術(shù)與國際先進(jìn)水平相當(dāng)，但在偏遠(yuǎn)地區(qū)，采礦設(shè)備和采礦技術(shù)還比較落后，使得這些地區(qū)的采礦效率普遍較低。③資源利用率低。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們越來越重視環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，因此在金屬礦山，特別是有色金屬礦的開采中，對(duì)礦石的利用和回收越來越重視。但是，我國有色金屬的利用和回收技術(shù)還存在諸多不足，有色金屬資源利用率較低。④地下采礦引起環(huán)境問題。金屬礦地下開采會(huì)引起礦山地面沉降，不僅影響原有地形地貌，還會(huì)破壞區(qū)域內(nèi)的土地和地下水資源，惡化礦山地質(zhì)環(huán)境。礦山開采造成的環(huán)境問題使礦區(qū)無法滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。

3 完善開采的安全保障措施

在金屬礦山的地下開采中，一旦發(fā)生安全事故，將直接中斷采礦作業(yè)，破壞采礦區(qū)段。在這方面，如果再開采，將花費(fèi)大量時(shí)間修復(fù)損壞。因此，為了提高地下開采的效率，必須完善地下開采的安全措施。在金礦區(qū)，采取的安全措施包括：①安裝井下防護(hù)和預(yù)警裝置，隨時(shí)檢查井下情況，一旦有坍塌的可能，保護(hù)預(yù)警裝置在第一時(shí)間報(bào)警，提醒管理人員及時(shí)處理，消除隱患；②隨時(shí)檢查井下支護(hù)保護(hù)系統(tǒng)，即在井下開采的鎳礦，塌方事故不僅偶發(fā)，而且也會(huì)造成嚴(yán)重危害。因此，有必要隨時(shí)檢查井下安全防護(hù)裝置，及時(shí)解決存在的問題，以提高井下作業(yè)環(huán)境的安全性。③在鎳礦地下開采中，引進(jìn)了高新技術(shù)的輸送設(shè)備，其中礦物運(yùn)輸是礦山開采后最重要的環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)的方式可以提高礦山井下作業(yè)環(huán)境的安全性，礦物運(yùn)輸一般采用人工包裝運(yùn)輸，存在運(yùn)輸效率低的問題。為了解決這一問題，金礦區(qū)通過運(yùn)輸軌道運(yùn)輸金屬礦物，從而改善鎳礦的開采工藝，提高其開采效率。

4 地下礦山變形、破壞和穩(wěn)定性的影響

隨著開采深度的不斷增加，地質(zhì)條件的惡化，破碎巖體、地應(yīng)力、涌水量和地溫的增加，帶來了深部地壓、提升能力、工作環(huán)境惡化、通風(fēng)降溫等一系列問題，生產(chǎn)成本急劇上升，制約了生產(chǎn)能力的提高和礦產(chǎn)資源的充分回收。

（1）深部巷道變形與支護(hù)。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力增大。因此，深部巷道和采場的維護(hù)原則與淺部巷道和采場的維護(hù)原則有明顯不同。這種差異的根源在于巖石應(yīng)力環(huán)境和巖體力學(xué)性質(zhì)的差異。硬巖在淺部較為常見，在深部可能表現(xiàn)出軟巖的特征，導(dǎo)致巷道及圍巖變形大；淺部的原巖大部分處于彈性狀態(tài)，而深部的原巖處于“潛在塑性”狀態(tài)，這是由于原始巖石的應(yīng)力場在各個(gè)方向上的壓力不相等造成的巖石的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力超過了巖石的強(qiáng)度，導(dǎo)致了巖石的潛在破壞狀態(tài)。對(duì)于深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù)，除了要考慮圍巖強(qiáng)度特性和巖體結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)注意巷道的應(yīng)力環(huán)境。在淺部中低應(yīng)力條件下，應(yīng)考慮地質(zhì)構(gòu)造等不連續(xù)面的影響，而在深部高應(yīng)力巖石中，應(yīng)考慮新的斷裂構(gòu)造的影響。因此，深部高應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù)應(yīng)充分利用削峰后受損巖體的剩余強(qiáng)度。合理控制巖體峰后變形，使巷道圍巖盡可能處于三維應(yīng)力狀態(tài)。因此，應(yīng)先采取能保持和提高巖體強(qiáng)度的加固措施，再采取剛性措施；深部巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)以能量分析為基礎(chǔ)，而不是簡單地以應(yīng)力和強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

（2）深部地壓特性與礦山動(dòng)力災(zāi)害。從根本上講，地應(yīng)力是所有地下工程（包括地下采場和巷道）地壓性狀的根本來源。在不受采礦工程干擾的情況下，巖體處于初始平衡狀態(tài)。地下巷道或采場的開挖破壞了地層原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地應(yīng)力釋放，引起巖體變形和向自由面位移，引起圍巖應(yīng)力重分布。圍巖位移過大、應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致圍巖局部或整體失穩(wěn)破壞。這就是地壓的過程和機(jī)理。它與巖體的應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、物理力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)條件和時(shí)間有關(guān)。深部地壓主要有兩種形式：變形和巖爆。變形地壓是開挖引起圍巖位移所產(chǎn)生的壓力，是地壓的最基本形式。當(dāng)巖體條件良好時(shí)，當(dāng)圍巖發(fā)展到一定程度時(shí)，圍巖的位移和變形就會(huì)停止，圍巖本身無需支撐就能保持穩(wěn)定。在深部高應(yīng)力條件下，圍巖具有產(chǎn)生大變形的內(nèi)部和外部條件。圍巖的過度變形會(huì)產(chǎn)生細(xì)觀或宏觀的斷裂、巖層移動(dòng)、巷道底鼓、幫肋剝落、頂板冒落、斷面收縮、支架破壞、采場跨度冒落等。必須對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，以防變形過大造成破壞。此時(shí)，變形地壓的行為特征與支護(hù)方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在圍巖與支護(hù)一體化的條件下，圍巖與支護(hù)形成一個(gè)共同的承載體，相互依存、相互制約、共同變形。只有及時(shí)采取支護(hù)措施，支護(hù)方法得當(dāng)，才能有效改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，抑制圍巖變形，防止圍巖失穩(wěn)破壞。它是巖爆的一種動(dòng)力誘因，是巖爆的一種動(dòng)力誘因。在金屬礦山，巖爆被稱為巖爆。巖爆和巖爆主要與兩個(gè)因素有關(guān)。一是巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，它具有在圍巖中儲(chǔ)存高應(yīng)變能的內(nèi)在條件。一般來說，堅(jiān)硬完整的巖體容易儲(chǔ)存高應(yīng)變能。二是產(chǎn)生高應(yīng)變能的外部環(huán)境，如地應(yīng)力大、圍巖應(yīng)力集中的地方。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力增大，深部易發(fā)生巖爆和沖擊地壓。隨著越來越多的礦山進(jìn)入深部開采，迫切需要加強(qiáng)對(duì)沖擊地壓的研究，主要集中在以下三個(gè)方面：從地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、開采方法等方面綜合分析研究巖爆機(jī)理，開采過程、開采順序、圍巖能量積累與釋放規(guī)律；建立有效可靠的監(jiān)測系統(tǒng)和手段，預(yù)測巖爆發(fā)生的可能性、位置和規(guī)模；采取有效措施，防止和緩解圍巖高能量積聚，避免外界條件的影響導(dǎo)致高能量的快速釋放。

（3）地溫升高導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境惡化。地下地層溫度隨深度的增加而升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，巖石溫度在常溫區(qū)以下以3℃的梯度上升。在1000多米遠(yuǎn)的深井里，巖層溫度會(huì)超過人體溫度。如南非西部礦山，3000m深處巖石溫度高達(dá)80℃；銅陵冬瓜山銅礦1000m深處最高溫度達(dá)40℃。深部回采工作面溫度升高導(dǎo)致工作條件嚴(yán)重惡化。這將極大地影響采礦工人在高溫下的工作能力和生產(chǎn)率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)溫度超過人體適宜溫度時(shí)，工人的勞動(dòng)生產(chǎn)率每1℃降低7%～10%。采取經(jīng)濟(jì)有效的措施，解決深部礦井通風(fēng)降溫問題，保持人員和設(shè)備能承受的溫濕度，將綜合開采成本控制在可接受的范圍內(nèi)，對(duì)保障深部地下開采的正常發(fā)展具有重要意義。

隨著開采強(qiáng)度的增加，開采深度逐年增加，開采條件不斷惡化，開采技術(shù)難度越來越大。它不僅直接決定了采礦的經(jīng)濟(jì)效益，而且嚴(yán)重影響了采礦的安全、高產(chǎn)和高效。因此，在選擇采礦方法時(shí)，必須充分考慮地質(zhì)條件、礦體產(chǎn)狀、技術(shù)水平、機(jī)械設(shè)備水平等因素。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況分析，選擇科學(xué)合理的開采方法，提高生產(chǎn)效率，降低礦石損失率和貧化率，在保采的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。