張海軍,陳宗林,陳懷利

(金川集團有限公司二礦區(qū),甘肅金昌 737100)

深部開采面臨的技術問題及對策

張海軍,陳宗林,陳懷利

(金川集團有限公司二礦區(qū),甘肅金昌 737100)

金川二礦區(qū)是我國唯一一座年產礦石突破350萬t的大型鎳礦產資源生產基地,其開采工程已經進入到850中段,開采深度超過千米,隨著開采深度加深,礦區(qū)地壓、地熱、涌水等顯現(xiàn)日趨劇烈,并潛在著突變失穩(wěn)的風險。因此,深部高效、安全和低耗開采是金川礦區(qū)乃至金屬礦山亟待解決的重要課題。本文結合金川二礦區(qū)目前開采現(xiàn)狀和遇到的問題,探討分析了深部開采面臨的技術問題,并提出了研究對策,對深部礦山資源開采具有一定借鑒。

金川礦區(qū);深部開采;面臨問題;對策

0 前言

金川二礦區(qū)1#礦體開采已經進入到850中段,部分工程超過千米,屬世界公認的深部開采工程,現(xiàn)還在逐年向下延深,與淺部生產中段相比,隨著開采深度加深,采礦作業(yè)環(huán)境發(fā)生變化,面臨著巖石力學、地熱、巖爆、巷道支護、通風、充填等一系列問題。因此,如何面對深部開采的復雜地質條件,及時解決深部開采所涉及的技術性同題,是擺在當前技術生產管理者和廣大工程技術人員面前的重要課題。本文結合二礦區(qū)目前開采現(xiàn)狀和遇到的實際問題,對深部開采可能出現(xiàn)的問題做出了簡要分析與探討。

1 開采現(xiàn)狀

承擔著金川集團有限公司76.5%以上自產礦石原料的二礦區(qū)采用機械化盤區(qū)下向分層水平進路膠結充填采礦法,盤區(qū)垂直礦體走向布置,大面積無礦柱連續(xù)回采。

目前,金川二礦區(qū)正在進行開采的中段為1150中段和1000中段,地下已形成水平礦柱和垂直礦柱“兩柱”結構,并正在加速“兩柱”的回采,850中段已進入掘進施工,部分工程垂深超過千米,還將向更深部開進,2008年850中段開始首采層978分段的回采,如圖1所示。與淺部生產中段相比,深部850中段水文地質條件、巖體強度變得更加復雜,礦區(qū)地壓、地熱、涌水等日益顯現(xiàn)。

2 深部開采面臨技術問題分析

2.1 整體穩(wěn)定性問題

由于金川礦體特殊的賦存條件及其固有的金屬價值,決定了對富礦的開采使用膠結充填采礦法,已成功地實現(xiàn)了5萬m2的大面積無礦柱連續(xù)回采,有效地控制了巖層移動和充填體滑移。

目前,金川二礦區(qū)地下已形成“兩柱”結構,且正在加速水平礦柱和垂直礦柱的回采。然而多中段大面積無礦柱連續(xù)開采的問題極具挑戰(zhàn)性,在國內外尚屬首例,沒有相同或相似的范例可供參考和借鑒,且進入850中段開采后,采場面積將擴大至10萬m2,地應力將超過50MPa,對于急傾斜特厚大1#礦體,在充填體與貧礦及圍巖接觸帶又是軟弱破碎帶以及沿礦體傾斜方向和走向不留礦柱的條件下,能否安全平穩(wěn)的實現(xiàn)大面積無礦柱連續(xù)下向開采?會不會發(fā)生整體滑移?這是一個亟需解決的問題。

圖1 金川二礦區(qū)開采現(xiàn)狀示意圖

2.2 地熱升高問題

研究結果表明,原巖溫度隨開采深度的增加而升高,開采深度每增加100m,巖石溫度增高3～5℃,在深度為1000m時,地溫將達30～50℃。

目前,金川二礦區(qū)1150中段和1000中段采礦過程中暴露出回采工作面環(huán)境溫度較高,實測局部回采工作面環(huán)境溫度已達32℃。

金川礦區(qū)進入850中段及其更深部,由研究推理并結合1150中段和1000中段回采實際情況分析可得,深部開采時作業(yè)環(huán)境溫度可能達到40℃以上,將面臨著嚴重的地熱問題,持續(xù)高溫將對人員的健康和工作能力造成極大傷害,工人在熱濕的空氣環(huán)境中較長時間的勞動,會發(fā)生中暑暈倒、嘔吐和濕疹等疾病,使勞動生產率大大下降和生產事故大大增加,同時還會降低井下設備的工作性能,減少井下設備的使用壽命。

2.3 涌水問題

根據(jù)金川礦區(qū)以往水文地質資料顯示金川水文地質簡單、地下涌水小,然而,二礦區(qū)850中段24行主井在掘進施工過程中,由于井筒涌水,平均月進尺不到20m。為堵水,2005年停止掘進2個月,2006年停止掘進4個月。目前24行主井井筒涌水量達60m3/h,850m水平廢石運輸巷涌水量達80m3/h,嚴重影響施工質量和工程進度。

經分析發(fā)現(xiàn)24行主井、850水平運輸?shù)烙克饕蚴枪こ烫幵诔詭r體的上盤混合片麻巖中,巖體構造、節(jié)理發(fā)育,各種斷裂帶和小巖體接觸處富含裂隙水。

面對水文地質條件、巖體強度復雜的深部,其開采過程中,一旦遇到類似與24行主井、850水平運輸?shù)烙克?必然給深部開采帶來嚴重的困難,對二礦區(qū)乃至整個金川集團公司的正常生產將造成極大影響。

2.4 巖爆等地質災害問題

生產實踐顯示,對于高應力區(qū)較堅硬巖石,深部圍巖潛在著巖爆破壞類型。實際上早在1984年,在圍巖破壞調查中就已經發(fā)現(xiàn)金川二礦區(qū)發(fā)生一些小規(guī)模的巖石劈裂現(xiàn)象。只不過由于巖爆發(fā)生規(guī)模較小,沒有引起人們的足夠重視。

南非Blyvooyuit Zicht金礦、撫順紅透山銅礦深部礦山的巖爆實踐表明,隨著深度增加,地應力呈線性或非線性增加趨勢,巖體變硬變脆,地溫升高,地質條件進一步惡化。

進入深部回采后,隨著采深增加,地應力線性增加,巖體變硬變脆,地溫升高,巖爆問題將會變得突出。

2.5 巷道穩(wěn)定性問題

研究結果表明,金川礦區(qū)以水平構造應力為主,進入中深部開采后,地應力呈線性增加,水平應力隨深度增加而增大,水平最大主應力與最小主應力差值隨深度增加而增大。以致,巷道巖體強度降低,巷道與支護體破壞非常嚴重。據(jù)統(tǒng)計,淺部1150中段和1000中段,從1999年開始,井下巷道返修量急劇增加,由1999年的3200m增加到2006年的13244m,這可以認為是長時間巖體移動的集中表現(xiàn),足以形成一次大范圍的地壓活動。

進入850中段及更深部開采過程后,礦山開采深度加大、采動影響加劇,必然致使巷道周圍地應力分布發(fā)生顯著變化,地應力值增大,巷道巖體強度降低,巷道與支護體破壞將非常嚴重。

2.6 充填體質量問題

進入850中段深部回采后,深部礦巖條件復雜、地應力和采動應力大,開采強度將逐年加大,采充循環(huán)時間縮短,20世紀70年代后期確定的充填體強度標準5MPa是否適合深部850中段及更深部礦體回采、能否滿足深部安全開采人工假頂?shù)膹姸纫?這將關系到礦山能否可持續(xù)發(fā)展及鎳礦資源能否安全合理開發(fā)利用的關鍵技術問題!

2.7 深部通風問題

850中段開采時,二礦區(qū)將形成“多級機站進風、地表機站集中回風”通風系統(tǒng),與現(xiàn)有通風系統(tǒng)相比較,井下通風網(wǎng)絡更加復雜,將出現(xiàn)較多的角聯(lián)網(wǎng)路,通風系統(tǒng)將出現(xiàn)較為嚴重的風流短路與風流循環(huán)現(xiàn)象,局部甚至會出現(xiàn)反風和渦風,造成煙氣積聚、能見度低,嚴重影響職工的身心健康和礦山安全生產。

3 深部開采的對策

針對金川二礦區(qū)深部開采面臨的技術問題,深部開采解決方法、對策和研究方向應從以下幾個方面著手。

3.1 金川礦區(qū)工程穩(wěn)定性監(jiān)測網(wǎng)建立與災變預測及預防研究

2000年金川礦區(qū)地表發(fā)現(xiàn)變形和裂縫,引起人們關注,而礦區(qū)目前采用的無礦柱大面積連續(xù)開采方案,應用于深部工程,這不僅在國內沒有實踐,而且國外也無先例,是一個世界性難題,五年來地表變形觀測結果表明:地表變形不但在繼續(xù)發(fā)展,而且還存在不斷加劇的趨勢。

礦山深部大面積突然失穩(wěn)破壞的“前兆不明顯”特征,使得精確預報很難辦到,但可以根據(jù)礦山實際采礦過程及礦山賦存地質條件、經過科學研究,給出礦山中沖擊礦壓的可能模式及其可能的發(fā)生區(qū)域和規(guī)模的估計,然后有的放矢,制定有效的處置策略,包括:針對各種可能發(fā)生的災變失穩(wěn)模式,分析誘發(fā)各種災變模式走向現(xiàn)實的關鍵因素,然后根據(jù)各種災變模式及其誘發(fā)因素,制定相應的預防措施和注意事項,布置和完善相應的監(jiān)測系統(tǒng)和預警設備,并制定災后應急預案等。

3.2 深部無礦柱連續(xù)回采技術方案研究

金川二礦區(qū)地下開采形成的“兩柱”結構(水平礦柱+垂直礦柱)是一個比較穩(wěn)定的受力結構,厚大的“兩柱”抵御著垂直和水平地應力,支撐著上、下盤圍巖,約束著大范圍巖體移動?！皟芍遍_采中或開采后,上述作用逐漸減弱直至消失。大范圍應力調整的結果,勢必導致上、下盤圍巖移近加速,充填體受力增大,可能使充填體邊界處產生破裂,下沉變形。

因此,必須調研國內外金屬礦山無礦柱回采方案現(xiàn)狀,對礦區(qū)監(jiān)測資料進行分析,應用國內外先進的分析軟件建立數(shù)值模擬回采方案,預測金川礦區(qū)深部開采無礦柱回采方案可能出現(xiàn)的大面積充填體突發(fā)破壞的模式,針對各種災變模式進行穩(wěn)定性評價,提出綜合安全對策,探索850水平以下礦體回采方案的科學手段,為850水平以下礦體回采提供設計依據(jù);并通過數(shù)值模擬,對850水平以下礦體進行回采初步方案論證及研究,確定合理的回采順序、采場結構參數(shù)、合理的布置采準工程方式和產能,為850m水平以下礦體進行初步回采方案設計和安全回采提供保障。

3.3 深部開采地熱預測與降溫技術研究

地溫升高是深部開采無法回避的地質災害問題,二礦區(qū)進入850深部開采時,“地熱”問題必然成為影響生產的一個重要因素,因此,必須盡快開展二礦區(qū)深部開采時地溫產生原因、對生產的影響及深部開采降溫技術與措施等進行研究,并預測深部各中段回采時的地溫及對生產的影響,提出深部開采降溫的技術措施,為金川礦區(qū)深部礦體的安全回采提供有力保障。

3.4 深部涌水治理技術研究

24行主井、850水平運輸?shù)莱霈F(xiàn)大量涌水問題,特別是850水平廢石運輸巷涌水量達80m3/h,因此,必須開展深部涌水治理技術研究,對整個金川礦區(qū)的水文地質進行調查、評估,從理論上解釋礦區(qū)主副井和主運輸水平涌水的原因,提出金川礦區(qū)主副井防治水的措施并付諸實施,提出礦區(qū)深部水平運輸巷防治水的措施,提出在井巷掘進尤其是深井掘進中的防治水技術,并對金川礦區(qū)地下含水區(qū)域進行科學預測,以便指導將來井巷工程的選址。

3.5 滿足深部開采安全生產的充填體強度研究

金川礦區(qū)深部的礦巖條件復雜、地應力和采動次生應力較大,開采強度逐年加大,采充循環(huán)時間縮短,必然使充填體與圍巖的接觸邊界處水平應力增加,20世紀70年代后期確定的充填體強度能否滿足金川礦山深部開采人工假頂?shù)膹姸纫?沒有進行過科學試驗研究、缺乏科學依據(jù),因此急需對此進行研究,請有關權威科研機構做出科學的鑒定;且金川礦山的充填材料和充填工藝與原設計相比已經發(fā)生了很大的變化,在新的充填體強度指標提出以后,如何利用金川現(xiàn)有的充填材料和充填工藝來實現(xiàn)充填體的強度,需要進行全面的充填料漿配比研究和充填工藝系統(tǒng)的運行參數(shù)研究。

3.6 深部回采圍巖控制技術研究

圍巖支護方式可分為被動支護和主動支護,被動支護是限制圍巖的變形破壞,而主動支護是以加固圍巖為目的,利用圍巖的自撐能力來限制圍巖的變形破壞。

在金川二礦區(qū)這樣的礦山,實施開挖幾小時后圍巖就有可能發(fā)展成為碎裂體或松散體,支護對象是破裂后的剪脹變形圍巖,且在深部新掘巷道中,支護設計、材料、工藝及支護參數(shù)等方面與返修巷道相比,均存在較大差異,深部新掘巷道的支護技術還需做大量的深部圍巖控制技術研究工作和攻關試驗,形成一套金川礦山深部高應力高強度采掘條件下的強蠕變碎脹巖體巷道支護施工標準,減少巷道維修量,降低綜合支護成本,力求使巷道收斂率控制在30%以下,這對保障金川礦區(qū)深部開采井巷工程的穩(wěn)定性、延長深部井巷工程的服務年限、為深部回采創(chuàng)造更加有利的采礦環(huán)境意義重大。

3.7 深部通風技術研究

針對二礦區(qū)進入深部開采后可能出現(xiàn)的嚴重問題,必須進行深部850開采時的通風技術研究,進行通風系統(tǒng)調控與調控方式研究,研究850中段接替1150中段采礦工程過渡時期的通風問題,提出通風方案,實現(xiàn)850中段生產的順利過渡,并優(yōu)化井下風機站及通風網(wǎng)絡,提高各風機站運行效率。

4 結語

金川礦區(qū)深部開采正面臨著巖石力學、地熱、巖爆、巷道支護、通風、充填等一系列問題,要實現(xiàn)深部礦體安全、高效、低成本開采,必須堅持走科技創(chuàng)新之路,吸收和消化國內外先進技術和經驗,進行深部回采面臨技術問題研究,不斷改進和優(yōu)化生產工藝,才能做到事半功倍,為深部開采創(chuàng)立一條新新之路。

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Technological Problem s and Countermeasures in DeepM in ing

ZHANG Hai-jun,CHEN Zong-lin,CHEN Huai-li
(Jinchuan Group Co.,Ltd,,Jinchang 737100,Ganshu,China)

The Jinchuan No.2 mining area is the only large-scale production base of nickelmineral resources in China with annual ore production being over 3,500,000t/a,mining operation down to-850 level,and the exploiting depth exceeding one kilometer.As the exploiting depth extends,the mining area geo-pressure,geothermal power,water welling-up,etc.appear and become gradually violent,besides,it has the potential risk of sudden changes and lossof stability.Therefore,high-efficiency,safety and low consumption deep exploiting are important subjects for Jinchuan mining area and othermetalmines to expect earnest solution.By combining the Jinchuan No.2 mining area’s currentmining situation and problems facing atpresent,this paper discusses and analyzes technological problems existing in deep mining,and putd forward some research countermeasures,which can be are used as reference for deep-buried resourcesmining.

Jinchuan mining area;deep mining;facing problem;countermeasures

TD803

:B

:1009-3842(2010)01-0025-04

2010-01-05

張海軍(1982-),男,湖南懷化人,工程師,金川集團有限公司二礦區(qū),從事礦山高效開采技術研究與設計。