金属矿山深井开采中的力学问题研究进展

刘立顺，杨小聪，万串串，周玉成

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

随着浅部资源的日趋枯竭和社会对矿产资源需求的不断增加，采矿必然向深部发展[1]。据初步统计，国内外已有上百座金属矿山开采深度超过1 000 m，且正以每年8～12 m的速度向下延伸，南非深部采矿最为普遍，绝大多数金矿的开采深度都超过了1 000 m，其中West Driefovten金矿开采深度达到6 000 m。我国的红透山铜矿、冬瓜山铜矿、夹皮沟金矿等矿山开采深度已达到1 000 m[2-3]。

深部岩石赋存环境与浅部截然不同，深部矿床开采面临着以下问题：地压与岩爆灾害显著增加，岩层稳定性控制难；原岩温度高(有的深井矿山原岩温度高达80℃)，矿井通风降温难度大；深部高应力环境下充填体的力学特性更加复杂；提升高程大、运输距离远，矿岩、涌水、物料等输送困难[4-7]。为解决以上深井开采面临的技术难题，部分学者提出利用深井的高应力、高落差的特点，进行高应力岩石诱导致裂，深井高压水碎岩，将深井地压灾害转化为开采的有利因素，这类问题是目前国内外研究的焦点[8-9]，但尚停留在探索阶段。以上分析表明，深井开采技术与力学密切相关，涉及岩石力学、热力学、充填体力学、流体力学及材料力学等力学基础理论，本文就金属矿山深井开采中的相关力学问题进行探讨。

1 金属矿山深部开采的相关力学问题

自20世纪80年代以来，随着深部开采矿山数量的递增及开采深度的不断增加，深井矿山事故频频发生[8]。据统计资料表明，1984年至1993年南非有6 966名矿工死于采矿事故，而1994年至1998年间矿难事故人数竟达13 900人之多，究其原因是适用于浅部工程的传统力学理论不能指导深部采矿，缺乏与深部环境相适应的采矿工艺、支护技术和灾害防治体系[9]。

地压控制与岩爆预防一直是深井开采的技术难题，高温、高应力下岩石的力学特性是需要进行深入研究的岩石力学课题。深部采矿大都采用充填采矿法，充填体力学作用机理、深部采场充填方式及充填体强度如何确定等，这些技术难题与充填体力学相关，是充填体力学的研究内容。深井开采原岩温度高，必须进行通风降温，原岩高温能否加以利用、通风降温系统怎样设计、热交换过程如何调节与控制等，这些技术难题都与热力学相关。深井复杂开采技术条件下，地下水大，水压高，深井接力排水、注浆堵水、预防突水灾害等是流体力学的研究任务。深井高应力条件下，采用何种材料既能实现隔热防火，又能起到很好的支护效果，这是材料力学要解决的技术难题。

以上分析表明，深井开采技术与力学密切相关。综合国内金属矿山深井开采经验，金属矿山深井开采存在如下几个方面的力学问题。

1.1 岩石力学问题

岩爆作为岩体的一种猛烈动力破坏现象，表现为应力集中、裂纹失稳扩展、脆性断裂和能量突然释放。研究表明岩爆发生频度随开采深度增加呈幂指数关系增长(如图1所示)，而且在工程动力扰动下会成倍加剧。为了减少和预防岩爆，国内外学者对岩爆发生机理、预测预报方法及防治技术进行了大量的研究和试验[10-11]。但由于岩爆发生机理的极端复杂性，加之地质条件的多样性和工程条件的多变性，许多问题尚没有统一定论。

图1 岩爆次数与开采深度关系Fig.1 Relationship between rock burst times and mining depth

根据深井高地应力环境特点，巷道与矿块怎样布置更为合理，巷道和采场顶板应采用什么样的支护方式和参数更为有效，采场用怎样的回采顺序能避免应力集中、防止岩爆，这些都是深井开采中岩石力学必须研究和解答的问题。

1.2 充填体力学问题

为了应对恶劣的地下深井开采环境，深井开采基本都采用充填采矿法。为了指导充填采矿，矿业科技工作者对充填理论进行了大量研究，逐渐形成了充填体力学体系。深部开采充填体力学主要研究以下方面：深部高温高应力环境下充填材料的选择，深井充填料管道输送，胶结充填体力学特性，胶结充填体配比优化，深部采场充填料脱水及固化机理，充填体与深部岩体的耦合作用等。国内外学者对充填体的力学作用进行了系列研究和探索，一致认为采场充填在控制采区地压、预防深井岩爆灾害、提高矿石回收率、降低贫化率等方面具有显著的作用，但在充填体力学作用机理方面尚无共识。在充填体结构和强度设计方面，目前经验类比法占据着主导地位[12]，由于深井开采的技术条件与浅部相差很大，采用经验的方法进行充填体结构和强度设计往往造成不必要的材料浪费或充填体强度达不到实际工程要求。

根据深井充填采矿工艺的特点，研究充填体力学作用机理，并根据作用机理和充填体受力工况，优选经济有效的充填材料、设计合理的充填体结构和强度，是深井采矿充填体力学的重要研究课题。

1.3 热力学问题

随着矿山开采深度不断加深，深井热害问题成为深井开采中的一大技术难题。矿山实践表明，随着开采深度增加，原岩温度呈直线上升，井下温度过高，将大大降低劳动者的生产效率。研究表明，当井下湿球温度达到32 ℃时，工人生产效率降到95%；当井下温度升至34 ℃，工人生产效率只有50%；井下温度升高到36 ℃，工人几乎没有生产能力，可能产生热痉挛、中暑及高温猝死等现象。

目前国内外针对深井热害的研究主要集中在矿井温度监测预测与热交换理论、通风降温技术、热源阻隔技术、制冷系统设计、个人防护等方面。矿井风温预测、矿井风流热交换理论在一定程度上为矿井热害防治提供了指导，但由于深井条件复杂多变，根据预测公式计算得出的热源和热量大多准确性不高[13-14]。热害控制主要集中在矿井通风、制冷系统、个人防护等方面，但效果并不明显，一些采取多种控制措施的深井环境温度依然很高，严重影响了工人的作业效率和安全。

根据深井开采的地热特点，准确辨识热源，测量散热量，在此基础上通过有效的通风、阻隔、制冷、防护等措施，准确控制和调节井下作业环境的温度，是深井开采热力学需要解决的技术难题。

1.4 流体力学问题

深井开采中水文地质条件对开采的影响发生了重大变化，当开采深度达到1 000 m以深后，由水力梯度而产生的岩溶水压可达10 MPa以上，掘进或工作面回采过程中，触及各类地质弱面都可能打破深部原有流场的平衡，产生突水事故，情况严重的将会造成矿井被淹，深井开采的地下水渗流和突水等问题需要流体力学理论来解决。

深井开采中生产系统中的供水、排水、充填管道较浅部开采承受着更大的压力，掌握并控制输送过程中的水或料浆的流动特性和压力，对防止管道事故发生具有重要的意义，需要依据流体力学理论来解决。

目前，深井开采流体力学问题主要集中在地下水的渗流特性与水害防治、注浆加固与封堵、应力场与渗流场耦合作用、流体管道输送特性研究等方面。

1.5 材料力学问题

深井开采条件下，由于高地应力、高地温、岩体软化，传统的支护材料对深井围岩的加固效果不再那么明显，选择什么样的支护材料和支护方式能起到高效的加固作用，需要材料力学来解决[15-18]。

提升设备将矿石从几千米的深井提至地表，提升钢丝绳的强度、设备功率、耐磨性等都受到了前所未有的挑战，提升钢丝绳的抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳性能应有更高的要求。选择与之匹配的材料用于深井提升需要材料力学来解决。

目前，深井开采材料力学问题主要集中在软岩巷道支护材料和支护方式选择、提升设备材料选择和安全检测等方面。

2 与力学相关的金属矿山深井开采新理论、新技术

2.1 深井开采岩石力学研究新进展

1)动静组合加载下岩石的力学特性与破坏模式

深部开采岩石所处的应力状态可用图2来描述，对其进行简化，可得到图3所示的两种力学模式：同轴动静组合加载模式(图3A)和围压下动静组合加载模式(图3B)。

图2 深部开采岩石受力示意图Fig.2 Schematic diagram of rock stress under deep mines

图3 深井岩石的两种典型受力模式Fig.3 Two typical stress models of rock under deep mines

动静组合加载下岩石的力学特性与破坏机理是新的研究课题，为我们认识深部岩石特性提供了新的思维方式。初步研究结果表明：动静组合加载下岩石表现出与纯静载或纯动载作用下不同的力学特征，动静组合加载下岩石的力学特性和破坏模式表现得更为复杂。

2)深井岩石力学多相多场耦合分析

深井开采的环境变得更为复杂，应力、水流、温度等因素都会对岩石的物理力学特性产生重大影响，单独的应力分析难以满足深井开采岩石力学研究的要求。考虑深井岩石多相多场的特殊赋存环境，进行应力、温度与渗流场的耦合分析和实验研究，揭示深部工程岩体在复杂条件下的力学特性，为深井开采岩石力学提供了新的研究思路。

3)高应力岩石诱导致裂与控制

深井开采中的岩爆现象使大家认识到深井岩石具有“好凿好爆”的特征。基于这一思路，国内外学者提出将高应力这一有害因素变为破岩的有利因素，即高应力诱导破岩，其本质是将高应力进一步集中，使得矿岩内聚集更大的能量，当聚集的能量高于岩体储能极限时，岩体发生碎裂。高应力条件下矿岩的诱导碎裂机理、诱导破岩的技术手段、诱导破岩的控制技术正在被系统地研究、开发。

4)深井卸荷开采技术

与高应力诱导致裂思路相反的是深井卸荷开采，即通过采取相应的工程技术措施，将开采揭露区域的高应力进行转移，实现开采区域内的卸荷，保证开采作业的安全[19]。根据卸荷区域的大小，可分为掘进面卸荷、采场卸荷、开采区域卸荷，相应的卸荷方法分为钻孔卸荷、切槽卸荷、调整顺序卸荷等[20]。深井卸荷开采通过近些年的发展正在被越来越多的科研工作者所接受。

2.2 深井开采充填体力学研究新成果

1)充填体力学作用机理

深井开采中充填体的作用不再仅仅是处理采空区，还能控制区域地压、防止大规模地压灾害；改善局部应力环境，减少岩爆发生；吸收矿柱释放的能量，共同支撑围岩；阻隔深井热源，吸收矿岩热量，改善地热环境。相关的充填体作用机理正在被学者挖掘。

2)充填体强度设计

深井开采中充填体的结构和强度设计正在从经验法向数值计算方向发展，随着充填体力学机理研究的深入，数值计算方法也越来越多，如面向下向揭露充填体强度设计的弹性力学法——梁模型、弹性力学法——薄板模型、加拿大米切尔法，面向侧面揭露充填体强度设计的重力法、简化楔形模型、拉裂楔形模型、太沙基应力模型、滑坡法、米切尔法等，见图4、图5。

图4 下向揭露充填体的力学分析模型图Fig.4 Mechanical analysis model diagram of filling roof exposed downward

图5 侧向揭露充填体的力学分析模型图Fig.5 Mechanical analysis model diagram of laterally exposed filling body

3)充填体质量检测

由于深井复杂的环境，井下充填体的质量与室内实验有较大偏差，井下采场内充填体质量如何，井下充填体质量与室内试验充填体质量有着怎样的关系正在被越来越多的学者们关注。随着设备和自动化的发展，井下充填体质量检测技术手段也在不断进步，充填体原位取芯检测、充填体原位透明监测(图6)正在推广应用。

图6 充填体原位透明监测装置Fig.6 In situ transparent monitoring device for filling body

2.3 与热力学相关的深井降温与地热利用新技术

随着科技的发展，深井降温技术越来越多的被研发出来并应用于深井开采中，代表性的新技术成果有：研发绝热材料，将其覆盖在岩体表面，既实现了隔热作用，又对岩体进行了加固；通风自动调节与控制，采用分区通风、按需通风，既实现了精准通风，又降低了通风成本。通风降温与热能利用相结合，将降温系统带出的热量用于矿区自主发电和热水供应，将地热这一有害因素变为有利条件。

2.4 与流体力学相关的深井开采新研究

深井中的高水压严重威胁着深井开采安全，但从另外一方面来看，深井高压水有其独特的优势，例如深部高压水可为机械设备提供天然的动力源，代替通常的风压与电动源。最新的研究表明：水力驱动开采设备比传统的驱动方式具有较高的生产效率与安全性，同样大小和质量的水力凿岩机的平均凿岩速度是气动凿岩机的两倍，穿凿同样数量的炮孔，水力凿岩机的动力消耗比风动凿岩机减少75%。水介质凿岩设备还有噪声低、抑尘等优点，可减少呼吸性粉尘70%以上。此外，水介质柔性冲击凿岩还可减轻扰动诱发型岩爆的发生。

2.5 与材料力学相关的深井开采新经验

深井岩体软化，常规的锚杆和锚索抗变形量小，混凝土抗拉强度低、韧性差，用于深井巷道支护的效果不佳。大变形锚杆[21]、钢纤维混凝土的研发已获得成功，正在被越来越多的矿山应用。随着材料力学在深井开采中的运用，越来越多的支护材料将被研发出来。

三角股钢绳在载荷情况下有很强的扭转响应，不适用于深井提升。最新的研究指出，采用两根质量相同的钢绳取代原来的一根，提升深度可增加30%，或提升能力增加40%。此外，戈培式提升机、怀亭提升机、双筒提升机及渐缩钢丝绳的应用，丰富和发展了深井提升技术。

3 结语

深部矿床特殊的开采技术条件对传统力学理论提出了前所未有的挑战，解决深井采矿技术难题离不开力学基础理论，深井采矿技术必然要与岩石力学、充填体力学、热力学、流体力学、材料力学深度融合。深井开采是采矿行业发展的必然选择，我国在深井开采技术研究方面起步较晚，与国外相比有一定的差距，从深井采矿的力学基础理论进行研究，是深井采矿技术发展的根本。