深部开采面临的技术问题及对策

张海军,陈宗林,陈怀利

(金川集团有限公司二矿区,甘肃金昌 737100)

深部开采面临的技术问题及对策

张海军,陈宗林,陈怀利

(金川集团有限公司二矿区,甘肃金昌 737100)

金川二矿区是我国唯一一座年产矿石突破350万t的大型镍矿产资源生产基地,其开采工程已经进入到850中段,开采深度超过千米,随着开采深度加深,矿区地压、地热、涌水等显现日趋剧烈,并潜在着突变失稳的风险。因此,深部高效、安全和低耗开采是金川矿区乃至金属矿山亟待解决的重要课题。本文结合金川二矿区目前开采现状和遇到的问题,探讨分析了深部开采面临的技术问题,并提出了研究对策,对深部矿山资源开采具有一定借鉴。

金川矿区;深部开采;面临问题;对策

0 前言

金川二矿区1#矿体开采已经进入到850中段,部分工程超过千米,属世界公认的深部开采工程,现还在逐年向下延深,与浅部生产中段相比,随着开采深度加深,采矿作业环境发生变化,面临着岩石力学、地热、岩爆、巷道支护、通风、充填等一系列问题。因此,如何面对深部开采的复杂地质条件,及时解决深部开采所涉及的技术性同题,是摆在当前技术生产管理者和广大工程技术人员面前的重要课题。本文结合二矿区目前开采现状和遇到的实际问题,对深部开采可能出现的问题做出了简要分析与探讨。

1 开采现状

承担着金川集团有限公司76.5%以上自产矿石原料的二矿区采用机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法,盘区垂直矿体走向布置,大面积无矿柱连续回采。

目前,金川二矿区正在进行开采的中段为1150中段和1000中段,地下已形成水平矿柱和垂直矿柱“两柱”结构,并正在加速“两柱”的回采,850中段已进入掘进施工,部分工程垂深超过千米,还将向更深部开进,2008年850中段开始首采层978分段的回采,如图1所示。与浅部生产中段相比,深部850中段水文地质条件、岩体强度变得更加复杂,矿区地压、地热、涌水等日益显现。

2 深部开采面临技术问题分析

2.1 整体稳定性问题

由于金川矿体特殊的赋存条件及其固有的金属价值,决定了对富矿的开采使用胶结充填采矿法,已成功地实现了5万m2的大面积无矿柱连续回采,有效地控制了岩层移动和充填体滑移。

目前,金川二矿区地下已形成“两柱”结构,且正在加速水平矿柱和垂直矿柱的回采。然而多中段大面积无矿柱连续开采的问题极具挑战性,在国内外尚属首例,没有相同或相似的范例可供参考和借鉴,且进入850中段开采后,采场面积将扩大至10万m2,地应力将超过50MPa,对于急倾斜特厚大1#矿体,在充填体与贫矿及围岩接触带又是软弱破碎带以及沿矿体倾斜方向和走向不留矿柱的条件下,能否安全平稳的实现大面积无矿柱连续下向开采?会不会发生整体滑移?这是一个亟需解决的问题。

图1 金川二矿区开采现状示意图

2.2 地热升高问题

研究结果表明,原岩温度随开采深度的增加而升高,开采深度每增加100m,岩石温度增高3～5℃,在深度为1000m时,地温将达30～50℃。

目前,金川二矿区1150中段和1000中段采矿过程中暴露出回采工作面环境温度较高,实测局部回采工作面环境温度已达32℃。

金川矿区进入850中段及其更深部,由研究推理并结合1150中段和1000中段回采实际情况分析可得,深部开采时作业环境温度可能达到40℃以上,将面临着严重的地热问题,持续高温将对人员的健康和工作能力造成极大伤害,工人在热湿的空气环境中较长时间的劳动,会发生中暑晕倒、呕吐和湿疹等疾病,使劳动生产率大大下降和生产事故大大增加,同时还会降低井下设备的工作性能,减少井下设备的使用寿命。

2.3 涌水问题

根据金川矿区以往水文地质资料显示金川水文地质简单、地下涌水小,然而,二矿区850中段24行主井在掘进施工过程中,由于井筒涌水,平均月进尺不到20m。为堵水,2005年停止掘进2个月,2006年停止掘进4个月。目前24行主井井筒涌水量达60m3/h,850m水平废石运输巷涌水量达80m3/h,严重影响施工质量和工程进度。

经分析发现24行主井、850水平运输道涌水主要原因是工程处在超基性岩体的上盘混合片麻岩中,岩体构造、节理发育,各种断裂带和小岩体接触处富含裂隙水。

面对水文地质条件、岩体强度复杂的深部,其开采过程中,一旦遇到类似与24行主井、850水平运输道涌水,必然给深部开采带来严重的困难,对二矿区乃至整个金川集团公司的正常生产将造成极大影响。

2.4 岩爆等地质灾害问题

生产实践显示,对于高应力区较坚硬岩石,深部围岩潜在着岩爆破坏类型。实际上早在1984年,在围岩破坏调查中就已经发现金川二矿区发生一些小规模的岩石劈裂现象。只不过由于岩爆发生规模较小,没有引起人们的足够重视。

南非Blyvooyuit Zicht金矿、抚顺红透山铜矿深部矿山的岩爆实践表明,随着深度增加,地应力呈线性或非线性增加趋势,岩体变硬变脆,地温升高,地质条件进一步恶化。

进入深部回采后,随着采深增加,地应力线性增加,岩体变硬变脆,地温升高,岩爆问题将会变得突出。

2.5 巷道稳定性问题

研究结果表明,金川矿区以水平构造应力为主,进入中深部开采后,地应力呈线性增加,水平应力随深度增加而增大,水平最大主应力与最小主应力差值随深度增加而增大。以致,巷道岩体强度降低,巷道与支护体破坏非常严重。据统计,浅部1150中段和1000中段,从1999年开始,井下巷道返修量急剧增加,由1999年的3200m增加到2006年的13244m,这可以认为是长时间岩体移动的集中表现,足以形成一次大范围的地压活动。

进入850中段及更深部开采过程后,矿山开采深度加大、采动影响加剧,必然致使巷道周围地应力分布发生显著变化,地应力值增大,巷道岩体强度降低,巷道与支护体破坏将非常严重。

2.6 充填体质量问题

进入850中段深部回采后,深部矿岩条件复杂、地应力和采动应力大,开采强度将逐年加大,采充循环时间缩短,20世纪70年代后期确定的充填体强度标准5MPa是否适合深部850中段及更深部矿体回采、能否满足深部安全开采人工假顶的强度要求,这将关系到矿山能否可持续发展及镍矿资源能否安全合理开发利用的关键技术问题!

2.7 深部通风问题

850中段开采时,二矿区将形成“多级机站进风、地表机站集中回风”通风系统,与现有通风系统相比较,井下通风网络更加复杂,将出现较多的角联网路,通风系统将出现较为严重的风流短路与风流循环现象,局部甚至会出现反风和涡风,造成烟气积聚、能见度低,严重影响职工的身心健康和矿山安全生产。

3 深部开采的对策

针对金川二矿区深部开采面临的技术问题,深部开采解决方法、对策和研究方向应从以下几个方面着手。

3.1 金川矿区工程稳定性监测网建立与灾变预测及预防研究

2000年金川矿区地表发现变形和裂缝,引起人们关注,而矿区目前采用的无矿柱大面积连续开采方案,应用于深部工程,这不仅在国内没有实践,而且国外也无先例,是一个世界性难题,五年来地表变形观测结果表明:地表变形不但在继续发展,而且还存在不断加剧的趋势。

矿山深部大面积突然失稳破坏的“前兆不明显”特征,使得精确预报很难办到,但可以根据矿山实际采矿过程及矿山赋存地质条件、经过科学研究,给出矿山中冲击矿压的可能模式及其可能的发生区域和规模的估计,然后有的放矢,制定有效的处置策略,包括:针对各种可能发生的灾变失稳模式,分析诱发各种灾变模式走向现实的关键因素,然后根据各种灾变模式及其诱发因素,制定相应的预防措施和注意事项,布置和完善相应的监测系统和预警设备,并制定灾后应急预案等。

3.2 深部无矿柱连续回采技术方案研究

金川二矿区地下开采形成的“两柱”结构(水平矿柱+垂直矿柱)是一个比较稳定的受力结构,厚大的“两柱”抵御着垂直和水平地应力,支撑着上、下盘围岩,约束着大范围岩体移动。“两柱”开采中或开采后,上述作用逐渐减弱直至消失。大范围应力调整的结果,势必导致上、下盘围岩移近加速,充填体受力增大,可能使充填体边界处产生破裂,下沉变形。

因此,必须调研国内外金属矿山无矿柱回采方案现状,对矿区监测资料进行分析,应用国内外先进的分析软件建立数值模拟回采方案,预测金川矿区深部开采无矿柱回采方案可能出现的大面积充填体突发破坏的模式,针对各种灾变模式进行稳定性评价,提出综合安全对策,探索850水平以下矿体回采方案的科学手段,为850水平以下矿体回采提供设计依据;并通过数值模拟,对850水平以下矿体进行回采初步方案论证及研究,确定合理的回采顺序、采场结构参数、合理的布置采准工程方式和产能,为850m水平以下矿体进行初步回采方案设计和安全回采提供保障。

3.3 深部开采地热预测与降温技术研究

地温升高是深部开采无法回避的地质灾害问题,二矿区进入850深部开采时,“地热”问题必然成为影响生产的一个重要因素,因此,必须尽快开展二矿区深部开采时地温产生原因、对生产的影响及深部开采降温技术与措施等进行研究,并预测深部各中段回采时的地温及对生产的影响,提出深部开采降温的技术措施,为金川矿区深部矿体的安全回采提供有力保障。

3.4 深部涌水治理技术研究

24行主井、850水平运输道出现大量涌水问题,特别是850水平废石运输巷涌水量达80m3/h,因此,必须开展深部涌水治理技术研究,对整个金川矿区的水文地质进行调查、评估,从理论上解释矿区主副井和主运输水平涌水的原因,提出金川矿区主副井防治水的措施并付诸实施,提出矿区深部水平运输巷防治水的措施,提出在井巷掘进尤其是深井掘进中的防治水技术,并对金川矿区地下含水区域进行科学预测,以便指导将来井巷工程的选址。

3.5 满足深部开采安全生产的充填体强度研究

金川矿区深部的矿岩条件复杂、地应力和采动次生应力较大,开采强度逐年加大,采充循环时间缩短,必然使充填体与围岩的接触边界处水平应力增加,20世纪70年代后期确定的充填体强度能否满足金川矿山深部开采人工假顶的强度要求,没有进行过科学试验研究、缺乏科学依据,因此急需对此进行研究,请有关权威科研机构做出科学的鉴定;且金川矿山的充填材料和充填工艺与原设计相比已经发生了很大的变化,在新的充填体强度指标提出以后,如何利用金川现有的充填材料和充填工艺来实现充填体的强度,需要进行全面的充填料浆配比研究和充填工艺系统的运行参数研究。

3.6 深部回采围岩控制技术研究

围岩支护方式可分为被动支护和主动支护,被动支护是限制围岩的变形破坏,而主动支护是以加固围岩为目的,利用围岩的自撑能力来限制围岩的变形破坏。

在金川二矿区这样的矿山,实施开挖几小时后围岩就有可能发展成为碎裂体或松散体,支护对象是破裂后的剪胀变形围岩,且在深部新掘巷道中,支护设计、材料、工艺及支护参数等方面与返修巷道相比,均存在较大差异,深部新掘巷道的支护技术还需做大量的深部围岩控制技术研究工作和攻关试验,形成一套金川矿山深部高应力高强度采掘条件下的强蠕变碎胀岩体巷道支护施工标准,减少巷道维修量,降低综合支护成本,力求使巷道收敛率控制在30%以下,这对保障金川矿区深部开采井巷工程的稳定性、延长深部井巷工程的服务年限、为深部回采创造更加有利的采矿环境意义重大。

3.7 深部通风技术研究

针对二矿区进入深部开采后可能出现的严重问题,必须进行深部850开采时的通风技术研究,进行通风系统调控与调控方式研究,研究850中段接替1150中段采矿工程过渡时期的通风问题,提出通风方案,实现850中段生产的顺利过渡,并优化井下风机站及通风网络,提高各风机站运行效率。

4 结语

金川矿区深部开采正面临着岩石力学、地热、岩爆、巷道支护、通风、充填等一系列问题,要实现深部矿体安全、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技术和经验,进行深部回采面临技术问题研究,不断改进和优化生产工艺,才能做到事半功倍,为深部开采创立一条新新之路。

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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

张海军(1982-),男,湖南怀化人,工程师,金川集团有限公司二矿区,从事矿山高效开采技术研究与设计。