近海黄金矿床深部开采科技难题及研究展望

刘焕新 王剑波 赵 杰 吴钦正

(1.山东黄金集团有限公司深井开采实验室,山东 莱州 261442；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

根据中国工程院咨询研究项目“我国金属矿深部开采创新技术体系的战略研究”的调研结果[1]，当前国外开采深度1 000 m以上的深井矿山112座，排在前五位的分别是加拿大(28座)、南非(27座)、中国(16座)、澳大利亚(11座)、美国(7座)，全球范围内的深部矿产资源开采已成为常态。中国矿产资源开发将逐步进入1 000～2 000 m开采阶段[2-3]。山东黄金集团拥有包括三山岛断裂带、焦家断裂带和招平断裂带等重要成矿带，并于2017年3月发布探获“三山岛矿区西岭金矿”这一深埋的地下800～2 600 m的世界级巨型单体金矿床，目前已备案金金属量382.58 t，平均品位4.52 g/t，预计2年后可累计提交资源量550 t。三山岛金矿(新立矿区)是我国唯一一座海下开采黄金矿山，西山矿区和西岭矿区矿体均为滨海矿床，西山矿区目前开采深度已接近-1 000 m。进入深部开采后，高应力作用下的地压控制和支护技术，通风、降温、提升、排水技术，高效率低成本回采技术等都是需要解决的关键难题。

1 近海黄金矿床深部开采关键科技问题

目前，我国尚无成熟的海下和近海开采技术及经验可参考，尤其是在近海2 000 m以浅，如何在确保安全、经济的前提下，最大程度地提升深部资源的获取能力，需全面考虑以下关键科技问题。

1.1 深部高地应力与灾害风险

深部高应力可能导致破坏性的地压活动。包括岩爆、塌方、冒顶、突水等由采矿引起的动力灾害及岩体片状剥落等岩体失稳情况，严重影响着矿山的正常生产。 三山岛金矿西山矿区在-1 140 m水泵房施工过程中发生明显的岩石弹射现象(图1)。

图1 三山岛金矿深部片帮和岩块滑落明显Fig.1 Obviously deep rib failing and rock sliding of Sanshandao Gold Mine

进入深部开采后，地下工程开挖表现出较强的时空性，深部开拓工程和局部采场出现应力集中(图2)、矿柱开裂、围岩弹射等现象，严重影响矿山安全生产。深部金属矿床埋深大、应力高，岩体破坏机理复杂与破坏模式多样，其开采过程中应力、开裂、变形、能量时空演化规律极为复杂，是深部开采结果的综合体现。

图2 深部开挖引起的应力集中Fig.2 Stress concentration caused by deep excavation

1.2 深部支护和采矿方法

深部岩体结构及其力学特性会发生重大变化，浅部的硬岩到深部变成软岩，弹性体变成潜塑性体[4-5]。适用于浅部的采矿和支护设计理论很多不能适用于深部开采。

进入深部开采后，随着采场地压问题的突出，目前采用的上向分层充填采矿方法及点柱法已不能更好适应和满足深部开采对安全生产、效率、采矿成本的要求，矿山急待在深部采矿方法和支护方面取得突破，以便于安全、高效、经济地回收深部资源。

1.3 深井提升难题

进入-1 500～-2 000 m开采后，深部矿石的提升难度和提升成本增加，并成为亟待解决的关键性难题。目前三山岛金矿在西岭矿区已设计并将在近期建设1条2 000 m深度的竖井，新城金矿已开工建设1 526 m的深井。开凿深2 000 m的竖井不仅在国内，即使在南非深井开采发达的国家也是一个难题。尽管南非有多个矿山步入4 000 m[6]以下进行开采，但大都是通过2～3级盲竖井开拓，或者针对缓倾斜矿体主要是通过斜坡道开拓与竖井开拓相结合的方法。因此针对深井提升难题，需重点解决深2 000 m竖井建井技术、竖井井筒装备、提升系统可靠性、竖井开凿过程通风问题、复杂环境下竖井井壁的稳定性等科技问题。

1.4 高渗透压与海水溃入风险

三山岛金矿主要可采矿体均赋存于海底下部岩体中，矿区存在涌、突水甚至海水溃入的潜在危险。进入-1 000 m以下开采深度，岩体中孔隙水压的增大对竖井井壁的稳定性产生不利影响，渗流的复杂性造成突水风险的不确定性和难预测性，对采矿活动造成安全威胁。由于近海深部开采的特点，高渗透压及海水溃入的风险，由此带来了竖井施工及采矿活动中的注浆堵水、海水突涌突冒的预测预报以及渗流场、应力场、温度场等多场耦合下岩体力学性质的改变等科学问题，关系到海下采矿安全。

1.5 深部高地温

三山岛金矿西山矿区-600 m水平以下局部温度梯度2.6 ℃/100 m，在-600 m标高，原岩温度达36 ℃，井下空气温度达34 ℃以上。西岭矿区-1 240 m中段，预测原岩温度将达到38.2 ℃，-1 770 m中段将达到51.8 ℃。深部开采过程中，机械设备和电气设备产生与消耗的能量也不断增加，转换为热能而随风流扩散，同样会引起井温的升高。目前由于地热问题使井下的生产受到了严重的影响，造成矿山深部工程进展缓慢。

1.6 充填技术滞后

泵送膏体输送工艺、高浓度全尾砂充填技术、新型高效充填方法、高浓度输送工艺等现代充填采矿技术已经在世界得到全面推广应用[9]。高浓度浆体/膏体充填技术经过多年的探索和实践，因其具有稳定性好、不分层离析、充填成本低等优点，已在世界主要采矿国家得到广泛应用，是未来矿井充填技术的发展方向。目前，矿山充填系统存在的主要问题是充填体强度低、采场充填接顶率低。为了控制或缓解深部开采造成的地压活动，急需改进和研发充填新技术，解决充填方式及充填体的强度问题，满足深部矿体开采的要求。

2 海底金矿床开采成套技术积累

以三山岛金矿为例，通过“海底大型金属矿床高效开采与安全保障关键技术”项目，开发出海底金属矿床开采中的一整套技术，包括海底金属矿开采的开拓方式、回采顺序、采准布置、主要回采工艺与技术(凿岩、通风、出矿、支护、充填)、海底地压控制、岩层变形监测、井下突水与安全预警等一系列技术，解决海底金属矿开采时的“防止海水溃入”、“海域下岩层开采覆岩运动规律及其控制技术”、“海底金属矿开采灾害预警系统和安全保障体系”等难题，实现三山岛金属海底矿床的安全高效经济开采，填补我国海底金属矿开采的技术空白，为我国海底金属矿开采提供示范与榜样。同时，制订出海底金属矿相关的技术规范与技术标准，为海底矿山开采提供地压控制与安全预警系统，形成具有我国自主知识产权的海底金属矿开采技术。

3 研究展望

3.1 拟解决的关键技术

面对近海-1 000～-2 000 m深部开采的现状，需在系统总结浅部已有技术积累的基础上，着重解决以下关键技术。

(1)区域地应力测试及地应力环境。通常而言，浅部原岩应力场分布规律主要以水平方向的构造应力为主，进入一定深度后垂直方向的主应力会大于水平方向的构造应力[10]，当进入超深阶段地应力的分布会呈现静水压力状态[11]，即三向等压状态。进入-1 000 m以下，地应力分布是否仍然以水平方向的构造应力为主，地应力值从浅至深是否仍然以线性规律增长，亟待研究、摸清。系统掌握区域地应力场分布规律，是开展深部开采采矿方法试验、回采结构参数、支护设计、竖井设计与施工、应力迁移规律及调控研究、岩爆等动力灾害防治的基础，具有前瞻性的工作意义。

(2)深部岩体力学数据库构建。进入深部以后，岩石破坏会由弹塑性破坏转变为弹脆性破坏甚至延性破坏,围岩变形流变特征显现。为掌握-1 000～ -2 000 m深部岩体力学性质，需系统开展岩体力学调查、岩体质量分级工作，建立深部岩体力学综合数据库，并研发相应的岩体质量智能分级系统，为深部采矿工程设计提供支撑。

(3)采矿方法革新。三山岛金矿自上个世纪80年代运用至今的点柱式充填和水平分层充填法在安全及效率上目前已显现出不适用性。在系统掌握区域地应力分布规律及深部岩体力学性质的基础上，针对深部高应力环境，开展深部采矿方法试验，进行采矿方法革新，提出一套适用于深部的安全、高效采矿工艺技术体系迫在眉睫。

(4)2 000 m深井开凿与提升。三山岛金矿建设2 000 m竖井将成为国内首例大型深部开拓工程。在施工过程中，需重点研究2 000 m竖井开凿技术、井筒综合机械化快速施工技术、一次成井滑膜快速施工工艺、支护方式与支护材料。同时需掌握施工过程及运行后地压管理技术，保证施工及运行后井筒的安全性。另外，施工及运行后井筒通风、在水—温度—化学腐蚀—高地应力耦合作用对井壁稳定性关系到人员及井筒的安全。在提升方面，在国内安全规程和国家标准的规定下，设计提升高度达到1 500～2 000 m的提升机面临巨大的困难。“大载荷、大功率、大惯量”条件下，钢丝绳的直径、材料及安全系数、提升机的选型、性能、制动系统和罐笼的选取、提升过程动力学参数，提升机安全系数等将是研究的重点。

(5)深部绿色充填工艺与技术。绿色开采是当前深部资源开采的重要理念[14]。充填法对于有效控制岩层移动和地表沉陷，确保海下开采安全，同时对于保护生态环境、有效控制深部开采剧烈的地压活动，避免采场和巷道失稳破坏引起各种灾害的发生具有重要作用。膏体充填是新型绿色开采技术，但是具体应用过程中管道易裂、易损、充填体难接顶、强度低的问题一直难以解决。所以研发深部绿色充填工艺与技术的关键，在于研发膏体充填材料、膏体充填工艺及高浓度和高倍线下管道输送技术、全尾砂浓缩与脱水工艺等技术。

(6)深部降温。地下岩层温度随深度大约以3 ℃/100 m的梯度上升[15-16]。进入-1 000 m开采后，常规通风已不能满足降温要求。针对2 000 m以浅的深部开采，在确保开采仍然可盈利的条件下，通过制冷或制冰的方式，向井下输送冷空气或将制造的冰浆或粒状冰进入循环管路，最大限度地降低工作面温度及控制回采成本，是深部经济、高效开采的保障。

3.2 基础理论与技术支撑

解决上述关键技术的同时，应开展相应的基础科学理论和应用技术研究，为上述科学难题和关键技术的解决提供基础支撑。

(1)在深部岩体力学方面，研究真三轴及多场耦合作用下岩石的破坏机制、岩爆的孕育机理及防控、采动条件下水的迁移(渗流)、高应力下深部围岩大变形控制、应力场与能量场的演化规律研究与分析、开采过程中的应力阻断及卸压、采动条件下支护与围岩相互作用机理等。

(2)在智能化与信息化方面，研究开采过程多元信息演化协同智能感知技术、开采过程监测大数据的集成可视化、协同分析与智能预警。基于大数据分析技术，开展深部金属矿床开采、充填、支护过程仿真、优化、安全性时空预测预警与动态调控效应的时空分析等。

(3)在深部通风降温方面，研究深井降温的热交换解算方法、巷道采场蓄热蓄冷及局部预冷技术、井下作业环境舒适度评价模型、深井污风循环利用技术。

(4)在高效、绿色开采方面，开展高效破岩方法和高效采矿工艺技术研究，建立深部高应力条件下开采理论与工艺技术体系。基于循环经济方法研究地下采选一体化、尾矿复用、无废开采、风水循环利用技术，建立减量化、无害化、资源化的深部绿色开采体系，实现2 000 m以浅黄金矿床安全、高效、经济开采。

4 结 语

深地资源勘探开发是当前国家和学术界关注的重大科技问题。山东黄金集团应审时度势，展望未来发展，在全面总结已有技术积累的基础上，面向集团所属矿山，以科学技术为驱动力，力争在深部开采方面作出突出成绩，形成示范性基地。主要研究工作归纳为：

(1)以深部岩石力学及地应力环境为基础，建立深部岩体力学数据库，建立深部高效、安全、经济开采体系和方法，为2 000 m以浅深部开采及企业的可持续发展奠定基础。其中需重点关注深部岩爆等动力灾害的机理、监测、防控研究，解决超深竖井施工、提升及运行维护难题。

(2)以渗流理论为基础，系统开展工程地质和水文地质工作，开展近海或海下多场耦合条件下岩体变形控制，掌握水的运移规律与岩体的作用机理，开展深部开采防水、治水工作，确保近海或海下开采安全，严防海水溃入。

(3)以通风理论为基础，以经济开采为前提，以国外深井降温技术经验为指引，开展-1 000 m以下特别是-1 500 m以下通风降温技术研究，研发制冷、制冰降温技术，最大限度的降低井下工作面温度。

(4)以绿色发展为理念，深入开展深部绿色充填工艺技术研究，研发充填材料，研发高浓度充填体输送技术，研发料浆浓缩脱水工艺，解决充填体难接顶、难输送等难题，建立深部无害化、减量化绿色开采理论技术体系。

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