关于金属矿深部矿体开采方案及应对风险措施

梁阿拉坦巴根

（正蓝旗民乐北山萤石矿业有限责任公司，内蒙古 锡林郭勒盟 027200）

全球化趋势的逐步深入为我国经济快速发展带来了契机，也极大的带动了矿采产业的发展，然而日积月累的开采下，我国地层浅部矿产资源的储存量已明显不足，为继续满足矿产资源的需求，我国的矿采产业开始呈现一种由浅部开采向深部开采转移的趋势。但是随着开采深度的延伸，问题也接踵而来，与浅部矿床的资源开采相比，深部矿床的开采具有很明显的“三高效应”，即高应力、高温、高岩溶水压，其次还伴随着高井深带来的排水与通风的成本问题，安全问题等等，并且因地下资源开采过深而带来的地表沉陷预测与控制也是矿采产业发展过程中不可避免且亟需解决的难题，因此，就深部矿体开采面临的相关问题进行必要的探讨分析，并提出科学合理的应对措施，对进一步促进矿采产业的发展有着不可忽视的重要意义。

1 金属矿深部开采现状

世界范围内，矿产资源的深部开采是大多数国家目前和未来都必须面对的难题，深部矿采的成功甚至可以作为衡量一个国家国力的标准之一，因此矿产资源的深部开采受到越来越多的国家的关注。在这样的大环境下，我国金属矿的采矿规模也得到了前所未有的飞速发展。就目前而言，我国已探明储量的金属矿产有54种，已建成的县级以上的国有金属矿山高达900余座，金属矿石的年产量增长到了4亿吨，居世界首列[1]，而在我国的金属矿产开采中，地下开采有着极其重要的地位，特别是有色金属与贵金属，绝大多数都在采取着地下开采的方式，但是由于地层浅部矿床储存资源的有限，面对部分矿山不得已开始使用深矿井进行开采，根据我国工业现有的发展速度进行推测，未来我国的矿采深度将会以每年9m的趋势逐年增加[2]，这就意味着今后每年都会有着新矿山加入到深井矿采的行列中，而随着深矿井的逐渐增多，矿体开采问题也日益突出。如何使中国的金属矿开采技术取得突破性的进步，提高金属矿山开采的安全性和高效性，依然是矿采产业未来努力的目标。

2 深部开采面临的主要问题

深部矿床资源的开采与地层浅部相比，开采所需的技术条件更为苛刻，开采时的作业环境也更加恶劣，不仅增加了井下作业人员的工作风险，还在考验着矿采企业的专业能力。根据我国多年的矿采经验，总结出深部矿床的开采特点，或者说是开采时面临的主要问题如下：

2.1 高应力

高应力又被称为高地应力。随着矿井深度的延伸，矿井周边的岩体所受到的垂直应力呈线性增加，经专业仪器评测，矿井每深入100m，周围岩体的垂直应力便会上升2.6MPa，而岩体受到的水平应力的变化更是复杂[3]。在这种情况下，高地应力便为矿岩聚集高能量从而发生岩爆事件创造了条件。可以说，高地应力是导致深部采矿灾害事故频发的主要原因之一，而在其影响下所带来的主要问题包括三点，即：原岩应力增大，岩体塑性增加，矿山压力显现剧烈。

（1）原岩应力主要指地层中未受施工影响的自然应力，包括自重应力，构造应力以及原本存在于岩体内部的水对岩体施加的内部应力[4]。当矿井深度逐步增加时，原岩的自重压力便会迅速增加，同时因为原岩本身受到破坏，导致构造应力与内部应力失衡，且随着深度的增加，两种应力的释放愈加困难，失衡程度也就更加严重，最终造成原岩应力普遍增大。

（2）事物本身都具备着一定的可塑性，只是外在表现或大或小，岩石也不例外。根据过往实验可以得出，岩石的变形特性与其受力状态息息相关，当达到一定的开采深度时，原岩应力足够大且无法完全释放，岩体便会进入完全塑性状态，也即静水压力状态[4]。

（3）矿山压力显现是由矿山压力所直接决定的，也可以说是矿采深度增加后，原岩应力和岩体塑性也随之增加的集中外在体现，当矿山压力逐步赶超矿井自身可承受力时，矿井便会出现矿山压力显现强烈的情况，具体表现为巷道维护越发困难，地温升高，勘探结果不明等情况。

2.2 高温

所谓高温具体指高地温，通常为井下岩层的温度，正常未矿采情况下，地温便会随着地下深度的增加呈线性增加。进行矿采后，地温更是直接决定了矿井中采挖工作面的环境温度，也就是所说的矿井温度。因为国家对于深矿井的一般定性为垂直深度800m以上，所以深矿井中的掘进头温普遍在50℃～60℃左右，有时甚至会超过人能承受的生理极限，无形中增加了井下作业人员的安全风险，同时也成为了矿井事故的诱发因素之一。目前我国大部分矿井仍在依靠传统的降温方法以治理矿井热害，如通风、湿喷、机械制冷等。

2.3 高岩溶水压、高井深

地层下蕴含着丰富的地下水，广泛赋存于地面以下岩石的空隙中，当开采深度达到一定程度时，在高地应力的影响下，岩体内部的高岩溶水压会因为无法释放而突出岩体表层，从而导致矿井突水，严重时岩体涌水量会瞬间淹没矿井巷道，或者是在高岩溶水压的作用下，发生矿井巷道壁坍塌事故[5]。另外，由于矿井大多位于地层深处，高井深的环境大大增加了排水、通风、巷道维护与矿产送出所耗费的管理成本，这些都会导致矿采生产成本增加，继而使矿采企业经济效益迅速下降。

2.4 深部矿岩的高强度、高硬度

依据矿采经验，大型、超大型金属深部矿床多是来源于大型岩浆岩和变质岩岩基体，以花岗岩、石英岩、大理岩为代表，此类岩石具有高强度和高硬度，破除本身就具备一定难度，同时还由于处于地层深处，受到作业面环境和作业人员的限制，金属深矿的开采可谓极为不易。此外，还有研究表明[6]，当矿井每延深500m，岩体的密度便会增加0.05t/m3，并且岩体受到的高地应力也会作用于其内部，使深部矿岩成为高储能物体，所以矿采时如果方式不当，便会有着极大的风险发生岩爆，而一旦发生该类情况，在深矿井下狭窄且不稳定的环境中很容易在瞬间产生连锁反应，造成巷道的突然失稳崩塌、采场顶板的突发性坍落以及矿柱的突然性断裂等等。

2.5 深部开采技术不足

目前在我国进入深部开采的矿山中，大部分还是在使用着浅部矿体的采矿工艺和技术，致使深部矿采风险系数较高，矿采效率低下，另外，在矿采设备方面，深部矿采的矿山中更是只有少数几座实现了机械自动化的全应用[7]。从全国范围来看，深部矿采使用的工艺更新程度不高，机械化和自动化设备普及面严重不足，掘进效率低下的同时耗费了大量的矿采成本，另外设备做不到智能化和人工化就会导致大多数矿采工作仍旧需要人工参与，如此不仅会增加人工成本，降低安全系数，也会使得整体的矿采进度相较缓慢。

2.6 地质监测手段不全

就我国深部矿采现状的整体来看，前期地质勘测工作不够完善，开采过程中的地压监测系统运用也有待加强，虽然我国现在已经有几座深井开采的金属矿山建立起了地压监测系统，但实际运用却相当不足，无法对矿采时的地压情况进行及时系统地统计和分析；对于采矿可能诱发的地质灾害或岩爆情况也做不到时间和空间上的准确判断；通过岩体活动评估矿采过程，进而辅助矿采生产的作用也没有完全发挥出来[8]。

3 深部开采风险的应对措施

（1）改善深井巷道的安排方式。随着矿采深度的增加，矿压也会在原岩应力和高岩溶水压的增长中作用于巷道，如何将矿山压力合理有效的释放，避免其直接作用于巷道，进而提高巷道的稳定性便是矿采企业所要关注的重点。针对深部矿井和浅部矿井的不同特点，深部矿井巷道安排时要在浅部矿井巷道的安排方式上进行改进，原本的浅部矿井巷道因为岩体高地应力、高岩溶水压等程度的有限，所以巷道安排可以选择较为均匀受力的方式，以节约矿采成本，但深部矿井巷道周围岩体的各项应力值都已难以预估，再使用均匀受力的方式将会增加巷道塌陷的风险，故此深部矿井巷道应避开岩体应力的峰值，并在开采前对开采程序做出优化，尽可能将岩体应力对巷道的影响降到最低，从而提升矿井巷道的安全性与稳定性[9]。除此之外，根据矿采经验，当矿采深度超过700m时，巷道矿压的显现问题普遍突出，底鼓也成为了最常见的地压现象，特别是在采准巷道中尤为严重。底鼓的出现不仅导致巷道的维护成本大幅度增长，更是为矿采带来了极高的安全风险，因此在巷道的维护方面，底鼓作为影响深井巷道安全性的主要因素，应当作为巷道维护的主要内容，但我国目前并未总结出切实有效的底鼓防治措施，可以说深井巷道的维护已经成为我国矿采产业中最为薄弱的环节。

（2）做好矿井环境降温，减少热害。在矿采过程中，尤其是深部矿采，高地温的现象无法避免，且处理不当很容易引发事故。因此对于深热矿井，为改善井下作业环境，应当做到“事事备于前”，在矿井进行初步开挖时就要最大限度的做好通风系统的优化，通过选取较好的风井位置，加大矿井内部的进风量，提高其通风能力，一般来说，通过调热风道等措施都可以改善井下环境；研制各种有效装置收集井下矿采过程中出现的粉尘废气，之后进行统一处理，以供矿井进行内部风循环使用，与此同时还可以采取各种手段阻断井下热源向风循环流动，以保持风循环温度始终如一，必要时也可采取制冷措施来降低风温[10]；做好个人防护准备措施，在井下地温较高，而风循环在制冷措施的参与下也无法起到理想效果时，就需要对长时间处于热环境下的作业人员做好个人降温防护，如配备冷却服等；最后在以上方式均不能奏效的情况下，便需要对矿井整体进行局部制冷或集中制冷，但一般来说，这种降温方式所耗费的成本较高，且我国目前金属矿山矿深不足千米，热害带来的影响尚不需要进行集中制冷降温。

（3）加强前期深部地质的勘探工作，确定金属矿山所处的地理环境以及地下岩层、水的结构分布，尽可能的避免高强度、高硬度岩层聚集区，并且依据前期可靠的地质勘探结果，充分了解地下断层的空间结构、围岩稳定状态与矿井巷道之间的关系，为做好巷道设计提供准确有效的方案或技术基础。同时要妥善运用现有仪器，加强对矿体及其周围岩体应力的采集深度，并结合一定的室内实验手段对数据做出预测分析，进而掌握矿采工作面及其周围的应力分布趋向，从中找寻出矿压显现的规律。

（4）改进围岩的控制技术，减少围岩因受力而发生的变形损坏。在我国的深井矿采中，围岩支护方式通常分为主动支护和被动支护，主动支护是在掘进时就对围岩进行加固围护，依靠围岩自身起到的控制作用来减少围岩的变形或损坏，被动支护则是在围岩发生变形损坏后进行防护控制。为了更好的把控围岩的剪胀变形程度，取得更好的支护效果，深井矿采时应因地制宜，根据围岩不同的性质选择主动或被动支护，例如地质较好地段可选用锚网索进行主动支护，地质不良地段可采用锚网索进行被动支护或复合支护[11]。

（5）做好深井矿采工艺的技术改造。时至今日，在深部矿井的开采过程中，大部分矿山依旧沿用着浅部矿床的采矿工艺和技术，比如传统的房式采矿法，即先进行矿房的采挖，最后留下部分矿柱作为围岩支撑。就结果来看，房式采矿在浅部矿采工作中起到了不错的效果，但却不适用于深部矿采。因为在深部矿井的掘进中，矿柱很可能会在多种地应力的反复作用下产生严重的矿柱型岩爆，继而对围岩乃至整个矿井造成不可逆转的危害，所以在恶劣的深部矿井开采条件下，常规的矿采方式、支护方法以及矿采工艺已然不足以满足矿采要求，因此，引进或做好国内外深井矿采工作的技术改造工作就显得极为重要，就目前而言，国际上较为切实可行的深井矿采工艺包括盘区房柱法、二步骤充填开采法、无间柱连续充填采矿法等[12]。做好深井矿采工艺的技术改造不仅可以延长矿山的服务年限，降低矿采过程中的安全风险，还可以减少矿采成本，提高矿采企业的经济效益。

（6）加快矿采设备智能化进程。结合我国深部矿采现状，要实现深部矿采的安全性、高效性和低成本，不仅需要在前期做好以地质岩层结构勘测为主要内容的矿采准备，还要在实施矿采时做到新工艺新技术的运用推广，同时结合过往矿采经验，大力发展高效智能的矿采设备，做到矿采智能化、信息化、自动化和机械化，在提高矿采效率的同时以设备代替人工去适应深井开采的恶劣环境，为矿采提供足够的安全保障。

4 结语

中国是世界上矿产的资源大国，随着社会进步和科学技术的发展，国家对于矿产资源的需求量日益增加，金属矿山的开采技术也在不断提高，做到对矿产资源安全、高效、绿色开采以及开发后的合理利用，必将对中国的经济发展起到积极地推动作用，然而伴随着矿产开采逐渐向深部延伸的趋势，我国在金属矿山的采矿经验愈显不足，尤其是深井矿床的开采，面对如地表沉陷预测与控制、岩爆、突水通风等问题时，缺乏完善的理论体系和完备的技术手段，由此可见，随着国家经济进一步的发展，未来的矿产深部开采将会面临的一系列的问题，这些问题也会成为我国今后安全生产的难题与挑战，因此进行矿采时必须做到未雨绸缪，降低和防范因深部矿采所带来的风险或危害，同时加大矿采技术和矿采设备的创新力度，及早形成一套完整的矿采理论，实现深部矿床的安全、高效、绿色、低成本开采，从而保证我国矿采产业的可持续发展。