金川矿山深井高应力开采潜在的问题与关键技术研究

王永才,康红普

(1.煤炭科学研究总院北京开采分院,北京 100013;2.金川集团有限公司，甘肃 金昌 737100)

金川铜镍矿由于矿岩破碎、构造应力及采动压力较大，属于难采矿体，一直受到国内、外采矿工程界和岩石力学界的关注。

随着开采机械化程度的提高和矿山产能的扩大，金川矿山采深接近1000m，步入深井开采的行列。随之而来的地应力增大，深部岩石力学问题、巷道的稳定性问题、采场的稳定性问题、深部地压控制技术问题、大面积采掘均衡和安全生产问题日显突出，对开采的影响也越来越严重。因此，借鉴国内外先进技术，并总结金川二矿区大面积多中段无矿柱连续开采的经验，深入分析深部矿床的开采技术条件，揭示深部采场地压活动规律，科学指导金川矿区深部开拓系统的布局以及开采方案进行优化，并对开采过程中潜在危害进行预测、评价和预防，确保金川矿山安全、经济、高效生产和可持续发展。

2 金川矿山深井开采的潜在问题

2.1 深部巷道稳定性问题

目前，金川矿山采掘强度在全国金属矿山已名列前茅，一个矿山采矿中段有3个，采矿面积达25万～32.7万m2，采切下降速度达5～8m/a，回采到850m中段时，开采深度达到1000m。其围岩的工程地质条件更加恶化，破碎岩体增多，岩体节理裂隙更加发育、地应力增大，大变形、强流变导致巷道的稳定性问题愈加突出。深部地压显现及巷道破坏形式主要有：巷道侧墙内挤、巷道底臌和巷道整体收敛变形等。

统计显示，2001～2009年，仅二矿区的巷道返修总量已达103.27km，返修费用高达8.076亿元(图1)。

图1 2001～2009年金川二矿区巷道返修量与费用图

2.1.1 深部巷道变形破坏特征

金川矿山深部巷道围岩变形与破坏主要受三方面的因素影响：其一是地质条件影响；其二是构造应力及采动压力影响；其三是巷道工程形式及布置方式。

受上述因素影响，其巷道收敛变形具有如下特点：

(1) 变形量大。根据现场调查及监测结果，金川矿山深部的巷道收敛变形一般为数厘米至数十厘米，最大可达2m以上，其变形破坏特征主要以两帮收缩、拱顶上升或下降和底臌为主。

(2) 由于原岩应力高且以形变压力为主，开挖卸荷迅猛，来压快，故高应力软岩巷道初期变形速率很大。

(3) 变形持续时间长，巷道围岩流变特征明显。

2.1.2 巷道失稳破坏模式分析

根据现场监测显示，金川矿山深部巷道主要是受应力控制而发生变形破坏。

对于深埋巷道或处于采场应力集中区的围岩，由于受高应力环境的挤压、使围岩中的结构面的结构效应显著降低，甚至不起作用。而在高应力环境中的围岩受挤压屈服、剪切滑移影响，产生围岩破碎张裂和塑性变形，从而导致巷道底臌、断面收缩，甚至片帮或垮冒。

变形地压的显著特点是四周受压，且在初期，变形地压与阻止围岩的变形量成正比，即支护结构刚度越大，变形地压越大。随着围岩变形的增加，其地压也随之减小。同时，围岩变形能量释放的过程也是围岩本身强度降低的过程。当围岩变形发展到一定量值时，围岩强度发生急剧恶化，不能自稳，围岩就容易以垮冒、底臌或者两帮挤进等形式发生变形破坏。

2.2 采场的稳定性问题

目前，金川矿山两个潜在的采场稳定性问题是：

(1)充填体整体滑移失稳

在大面积无矿柱连续开采的情况下，充填体与围岩之问的剪切力是维持充填体稳定的重要因素。由于充填体与围岩的接触面是一个弱面，该面的抗剪强度有限，因此，一旦接触面上的抗滑阻力小于充填体的重力时，充填体就会沿接触面发生滑移失稳，而且，随着开采水平的延伸，这种潜在的危险也随之加大。

(2)矿柱失稳破坏

金川矿山1#矿体采取1000 m中段和1150 m中段同时开采。随着1150 m中段采矿的推进，1250 m与1150 m之问的矿柱逐渐变薄，矿柱所承受的地应力却在增大，承载能力达到了极限，保安矿柱的整体性、连续性已被破坏。因此，在随后的开采中，保安矿柱底部新出露的部分，由于无法与已经破坏的保安矿柱旧的部分协同抵抗外力，将会依次迅速进入塑性破坏状态。

现阶段的水平矿柱，承载穿脉方向上压力的能力已达极限，承载能力还会因为矿岩屈服后的强度弱化效应而降低。

1#矿体的水平矿柱、保安矿柱的岩体质量较差，给安全回来两柱带来极大的安全风险。

2.3 岩层移动对采矿工程的影响

(1)地表开裂沉降明显，岩体移动盆地变形程度加大

尽管金川矿山采用充填法开采，但地表已经出现明显的张裂缝和岩层错动痕迹，这表明采场上覆岩层移动已经发展到地表，并将随着开采深度的增加有不断增大的趋势。从目前的研究成果来看：充填法开采可以减小岩体移动，滞缓了岩层的进一步破坏，但是并不能完全控制岩体的变形与破坏。

从2001年到目前的GPS变形监测结果表明：金川矿山地表变形较严重的区域为10～22行之间，并以14～18行为中心形成一移动盆地。

这种大面积无矿柱充填式采矿引起的采动影响、岩层移动范围的大小以及对对采矿工程所造成的危害，是目前金川矿山安全开采所关注的重大问题。

(2)14行风井井筒遭到变形破坏

金川矿山14行主力回风井位于矿体下盘，井深715.5m，主要承担着1#矿体两个主运输水平，14个生产盘区的回风任务。该风井于1999年10月开工下掘，2002年投入使用，2005年3月，由于岩层移动，风井发生跨塌(图2)。

根据GPS监测,14行风井处于金川二矿区地表最大岩移中心剖面线上,位于移动盆地边缘，三年半期间14行风井水平位移130mm，垂直位移210mm，三维位移250mm，是金川矿山目前运行竖井中变形量最大的。

图2 14行风井地质剖面图和冒落示意图

对金川矿山而言， 14行风井垮塌破坏后，经过一年多的修复治理，又投入正常的生产运营。但是地表的岩体移动可否再次对14行造成安全威胁，也是目前矿山重点关注的安全问题之一

2.4 采矿工艺

根据金川矿山的地质特征、构造特点和矿体特性，金川矿山主要采用机械化盘区下向分层水平进路和下向六角形高进路胶结充填采矿法。伴随矿山进入深部开采，其存在的两个问题是：

(1)采场生产效率较低。这主要体现在：进路式采矿的崩矿量有限，平均每崩矿步距的崩矿量在100～150 t：采场内铲运机出矿的运距较长，造成设备满负荷甚至超负荷低效率的运转。如：二矿区机械化盘区的铲运机平均单程运距约260 m，据现场测试，某盘区铲运机平均每次的出矿时问为8～10 min。

(2)充填成本居高不下。据统计，金川矿山充填成本占采矿成本的1/3，而充填成本中充填材料成本费用占85%以上，随着开采深度加大，充填成本也随之显著上升，并越来越成为影响矿山经济效益的重要因素。

3 深井开采的关键技术与对策

3.1 深部巷道围岩支护成套技术研究

针对金川矿山深部巷道的稳定性问题，要根据金川矿山深部巷道围岩的岩石力学特性，借鉴国内外支护技术先进经验，深部巷道围岩支护将以锚杆支护动态信息设计法为特色。采用高强度高刚度预应力锚杆支护系统，实现一次支护技术，有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。高强度高刚度预应力锚杆成套支护技术将是金川矿山深部巷道支护技术今后的发展方向，同时，探索并研发适用于金川深部巷道支护的施工机械，以保证该套技术的顺利实施。

3.2 深井开采方案决策与开采工艺优化

深部开采方案的决策是另一关键性课题。它不仅涉及经济、技术问题，还与环保、安全、管理等问题密切相关。进一步优化金川矿山深部回采工艺、进一步完善管理机制意义重大。对于深部开采方案的决策，应考虑以下三个方面的问题：

(1)资源的损失与贫化，提高劳动生产率，降低采掘生产成本。

(2)采场地压控制。运用适合于金川深部矿岩特点的采场地压控制技术，降低巷道返修频率，延长巷道服务年限，确保采场正常生产，提高采矿综合效益。

(3)采矿生产能力。扩大采矿生产规模必须采用相应的采掘和出矿设备，巷道断面尺寸也必须与之相配套。从巷道的稳定性考虑，巷道断面越大，其稳定性越差。所以必须提高巷道的支护强度，从而会增加支护成本，降低采矿经济效益。如何解决扩大生产规模所带来的巷道稳定性问题，是采矿设计应考虑的问题。

3.3 深井开采岩层移动及其对井巷工程的影响

采场岩层的变形方式和剧烈程度影响着采场的地压显现，而采场的地压显现方式又改变和影响着岩层的移动范围和规模，同时影响矿山开拓系统工程的总体布置。

由此可见，研究和揭示岩层移动规律，是优化开拓工程设计，探索最佳开采方案和回采工艺，提高采场巷道工程稳定性的关键技术之一。这主要涉及两个方面的问题：

(1)岩层移动规律与影响范围。对于目前的开采水平，地表已经出现明显的岩层移动迹象。由于1#矿体在850～1000m 中段，其矿体形态趋于最大值，因此，在进行850m 中段开采的过程中，采场覆岩的岩层移动将表现出何种规律？金川矿山能否安全平稳地实现大面积无矿柱连续下向开采？采矿活动会不会引起更大范围的采动影响？移动剧烈程度如何？这些问题也是目前和今后金川矿山所关注的重点问题之一

(2)岩层移动对井巷工程的影响评价与预测。

岩层移动达到或超过一定范围，将引起井巷围岩变形，导致井巷变形超过允许值而失稳，影响正常使用；此外，岩层移动还改变采场地压显现规律，也可能间接影响巷道围岩的变形与破坏。因此，研究和揭示不同采矿方法和回采方案的岩层移动规律，以及对采矿工程的直接与间接影响，也是金川矿山深部开采所要解决的关键技术问题之一。

3.4 深部开拓工程控制技术与长期稳定性预测

金川矿山深部工程围岩处于高应力环境之中，上部矿体开采活动所产生的次生应力场交替变化，对开拓工程的长期稳定性会产生不利影响。而深部开拓工程对工程的稳定的要求更高。如何寻求更趋合理、更加提出经济的控制技术。需要解决以下关键性的问题：

(1)深部高应力环境中工程围岩的变形机理。针对深部工程岩体的地质结构和应力环境，探讨工程围岩的变形破坏机理，并建立相应的力学模型，进行定量分析和稳定性评价，对于充分认识和控制金川矿山深部围岩的碎胀蠕变变形是十分重要的。

(2)深部开拓工程稳定性控制技术。深部开拓工程变形破坏机理研究的目的在于为工程的地压控制和长期维护提供重要依据。共涉及三个方面的问题：一是支护型式和支护参数；二是支护成本；三是工程长期稳定性评价与预测。这三个方面的问题既相互影响又相互对立。研究的目的就在于协调他们之间的关系，寻求经济、可靠和方便施工的支护方案和最优支护参数，确保采矿工程的稳定性。

4 结 语

金川矿山正面临着深井开采所带来的一系列问题。要实现金川矿山深部矿体的安全、高效、低成本开采，必须坚持走科技创新之路，吸收和消化国内外先进采矿技术和经验，进一步科学决策深部开采方案，优化开采工艺，重视深部巷道围岩支护成套技术的研究与应用，统筹规划深部开拓巷道和开采顺序；关注深部开采岩层移动规律以及对井巷工程影响的探索研究，积极开展深部开拓工程的稳定性控制技术研究与长期稳定性预测，将对金川矿山深部高应力高强度采掘条件下的矿山可持续发展，具有深远的科学意义。

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