金属矿山深部开采的研究

金属矿山深部开采的若干关键问题及其对策研究

北京科技大学教授 蔡美峰

摘要

阐述了金属地下矿山深部开采中的深部巷道变形与支护、深部地压显现与开采动力灾害、地温升高引起作业环境恶化和露天矿山高陡边坡稳定性及合理的边坡角确定、改变传统运输方式、降低运输和生产成本等关键问题及其对策思路；介绍了以地应力为切入点的金属矿采矿优化理论、以能量聚集和演化为主线的岩爆预测及防治和深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化的主要技术内容。

关键词 金属矿山 , 深部开采 , 关键问题 , 对策

1 影响金属矿山深部安全高效开采的主要问题

1.l 地下矿山

我国有很多重要的金属矿产资源都是通过地下开采的方式所获得, 如大多数的有色金属矿山和黄金矿山均为地下矿山。随着浅部资源的逐渐减少和消失,

地下开采的比例将越来越大, 包括现有的部分露天矿山也将转入地下开采。经过几十年的开采,目前很多地下矿山均己进入深部开采或即将进入深部开采。如铜陵狮子山铜矿的开采深度己到1100 米, 山东玲珑金矿和吉林夹皮沟金矿己到 1000 米, 辽宁红透山铜矿己达

1300 米。随着开采深度的不断增加, 地质条件恶化, 破碎岩体增多, 地应力增大, 涌水量加大, 地温升高, 带来了深部地压、提升能力、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加等一系列问题, 抑制了生产能力提高和矿产资源的充分回收。

1.1.1 深部巷道变形与支护

随着开采深度的增加, 地应力随之增大。因此, 深部巷道与采场的维护原理与浅部有十分明显的区别, 这种区别的根源在于岩石所处的应力环境的区别以及由此导致的岩体力学性质的区别。在浅部十分普通的硬岩, 在深部可能表现出软岩的特征, 从而引起巷道和围岩的大变形；浅部的原岩大多处于弹性状态, 而深部的原岩处于“潜塑性”状态, 由各向不等压的原岩应力场引起的压、剪应力超过岩石强度, 造成岩石的潜在破坏状态。深部高应力环境下的巷道支护, 除了必须考虑岩石强度性质和岩体结构外, 还应重视巷道所处的应力环境。浅部中、低应力条件下的巷道支护主要考虑业己存在的地质构造等不连续面的影响, 而深部高应力岩体中巷道支护必须考虑巷道围岩因掘进造成的断裂破坏带, 即新生断裂结构的影响。所以, 深部高应力环境下的巷道支护应强调峰后破坏岩体残余强度的利用。应合理控制岩体的峰后变形, 并尽量使巷道围岩处于三向应力状态, 为此, 需采用先柔后刚的能保持和提高岩体强度的加固措施；深部巷道支护设计应更多地建立在能量分析的基础上, 而不是简单地以应力和强度作为设计准则。

11.2 深部地压显现与开采动力灾害

从根本上讲, 地应力是所有地下工程, 包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。在没有开采工程扰动的情况下, 岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖, 打破地层原始平衡状态, 导致地应力的释放, 从而引起岩体的变形和向自由面的位移, 引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。这就是地压发生的过程和机理。它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。深部地压主要有两种表现形式, 即：变形地压和冲击地压。变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起的压力, 这是地压的最基本形式。在岩体条件较好的情况下, 围岩的位移和变形发展到一定程度就停止了, 可能不需要支护, 围岩自身就能维持稳定。深部高应力条件下, 围岩具有产生大变形的内外部条件, 围岩的过量变形将产生微观或宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等等。围岩必须通过支护才能防止过量的变形而引起的破坏。此时, 变形地压的显现特征与支护方法和支护结构密切相关。在围岩与支护结合在一体的条件下, 围岩与支护构成共同承载体, 它们相互依存、相互制约、共同变形。只有及时采取支护措施, 并且支护方法得当, 才能有效改善围岩应力分布状态, 抑制围岩变形, 阻止围岩的失稳和破坏。冲击地压是一种岩石动力学现象, 它是围岩内聚集的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现出的一种形式。在金属矿山, 冲击地压叫岩爆。产生冲击地压和岩爆主要与两方面因素有关。一是岩石的岩体的结构性质, 具有在围岩内贮存高应变

能的内在条件。一般来讲, 坚硬完整岩体容易贮存高应变能。二是有产生高应变能的外部环境, 如地应力大、围岩应力集中的地方。随着开采深度的增大, 地应力不断增大, 因而深部容易出现岩爆和冲击地压。

随着越来越多的矿山进入深部开采, 加强对岩爆的研究己刻不容缓, 研究重点在以下三个方面：

①从地应力、岩体结构、矿岩物理力学性质、采矿方法、开采过程、开采顺序、围岩能量聚集和释放规律等方面综合分析和研究岩爆机理；

②建立有效可靠的监测系统和手段, 对岩爆发生的可能性、发生的地点和大小进行预测预报；

③从防止和解除围岩高能量聚集, 避免引起高能量迅速释放的外部条件出现两方面采取防治岩爆的有效措施。

11.3 地温升高引起作业环境恶化

地下岩层温度随着深度的增加而增加。据统计, 常温带以下, 岩层温度以3℃ /loom 的梯度增加。千米以上的深井, 岩层温度将超过人体温度。如南非西部矿井,在深部 3000 米处, 岩层温度高达80 ℃ ； 我国铜陵冬瓜山铜矿在深度 1000 米处, 最高温度达 40 ℃ 。深井开采工作面气温的升高导致工作条件的严重恶化。在持续的高温条件下, 人员的健康和工作能力将会受到很大的损伤, 这影响到采掘工作的正常进行, 使劳动生产率大大下降。据统计资料,

超过适合人体温度后, 温度每增加1 ℃, 工人的劳动生产率将降低7%~10%。采取经济和有效的措施, 解决深井的通风和降温问题, 使深井开采工作面保持人员和设备所能承受的温度和湿度, 并使综合开采成本限定在可以接受的范围内, 对保证深部地下开采的正常发展具有重要意义。

1.2 露天矿山

12.1 高陡边坡稳定性及合理的边坡角确定

我国大型金属露天矿山多始建于 20 世纪 50~60 年代, 现己生产多年, 其中多数逐步由山坡露天开采转为凹陷开采, 甚至深凹开采, 开采深度己延深至地表下 100~ 30Om, 有的将超过 400m 。如首钢水厂铁矿凹陷开采深度为430m。很多露天矿的边坡垂直高度将超过 500m, 如太钢峨口的铁矿的设计边坡垂直高度为 720m, 首钢水厂铁矿为 670m, 形成名副其实的高陡边坡。随着边坡的加高加陡 , 边坡滑移和倾倒破坏事故的发生日益增多, 边坡稳定性维护的难度越来越大, 严重威胁矿山的安全, 制约矿山生产能力的提高。另一方面, 我国大型露天矿山与国外同类矿山相比, 边坡角普遍缓 50 左右, 而年产千万吨的矿山, 边坡角每提高10 就可减少剥离量数千万吨, 节省投资上亿元, 经济效益极为显著。但边坡角加大又会给边坡稳定性维护带来更大困难。因此, 必须进行边坡设计的优化。在采取先进的综合措施在保证边坡生产安全的前提下, 最大限度提高边坡角, 就成为露天矿山降低成本, 提高效益的最重要的途径。

1.2.2 改变传统运输方式 , 降低运输和生产成本露天矿进入深

凹开采以后, 重车下坡运行变为上坡运行, 运输距离加长, 运输效率降低, 导致运输成本急剧上升, 经济效益下降。据统计分析, 目前我国大型深凹露天矿的生产总成本中, 运输一项占到 40~60% 。如果开拓运输方式仍然采用目前广泛应用的铁路运输、铁路一汽车联合运输和公路汽车运输, 多数矿山将因为成本太高而无法开采。因此, 必须研究并应用适合大型深凹露天矿山的高效运输系统, 以保证矿山开采成本不增加, 从而保证矿山的正常生产。

针对这种情况, 一些矿山采用了陡坡铁路运输开采技术, 以延长铁路服务年限。 这种运输方式对原有运输系统的改造和投资较少, 运输成本较低, 对于开采境界大且凹陷开采深度不超过 300 米的矿山有较好的适用性。但是, 陡坡铁路运输对坡度的增加有限, 随采场深度增加, 其适用性越来越差, 开采深度超过 300 米将不宜使用。目前西方发达国家普遍采用汽车一胶带半连续运输方式, 这种运输方式技术含量高, 既可发挥汽车运输的机动灵活、适应性强、短途运输经济、有利于强化开采的长处；又 可发挥带式输送机运输能力大, 爬坡能力强, 运营费低的优势, 两者联合可达到最佳的经济效益。目前, 胶带的爬坡坡度可达到 250~280‰, 汽车可达 60~80‰, 普通铁路为 20~25‰。陡坡铁路可达到 40~50‰。所以胶带运输系统对大中型深凹露天矿具有普遍适用性。因此, 汽车一胶带半连续运输是我国未来深凹露天矿运输系统的重点发展方向。同时, 露天矿转入深凹开采以后, 开采条件日趋恶化, 空间作业尺寸逐渐狭窄, 干扰增大。而大型露天矿生产设备品种多、数量大, 生产设备和环节时空关系复

杂, 建立自动化的生产调度和管理信息系统, 对充分发挥设备作业效率, 降低生产成本, 提高矿山效益具有重大意义。

2 以地应力为切入点的金属矿采矿优化理论

2.1 深部开采设计存在的主要问题

由于深部开采条件的恶化和深部地压控制与支护、深部提升、深井排水、通风降温等引起的开采成本的大幅度增加, 采用传统的采矿方法, 采矿工艺, 设备己不能实现大规模生产, 不能保证开采的安全, 不能达到充分回收资源以获取所希望的经济效益的目标。为此, 必须进行适合深部开采的高效、安全、经济的采矿方法的研究, 实现采矿设计的优化。为了实现采矿设计的优化, 就必须首先实现采矿设计的产量计算和分析。由于采矿工程结构的复杂性和形状多样性, 利用理论解析解的方法进行采矿工程的计算和分析是不可能的。但是, 近20 年来大型电子计算机的应用和各种数值分析方法的不断发展, 使采矿工程迅速接近其他工程领域, 成为一门可以进行定量设计计算和分析的工程学科。采矿工程的定量设计计算比其他工程要复杂得多和困难得多, 其根本点在于工程地质条件、岩体性质的不确定性以及岩体材料受力后的应力状态具有加载途径性。采矿开挖的力学效应不仅取决于当时的应力状态, 也取决于历史上的全部应力状态。由于采矿是一个多步骤的多次开挖过程, 前面的每次开挖都对后期的开挖产生影响。施工步骤不同, 开挖顺序不同, 都有各自不同的最终力学效应, 即最终不同的稳定性状态。所以只有采用系统工程、数理统计理论, 通过大量的计算和分析, 比较各种不同开挖的支护方法、过

程、步骤、顺序下的开采稳定性状态, 采用优化设计的方法, 才能确定最经济合理的开挖设计方案。所有的计算和分析都必须在己知地应力的前提下进行, 因为金属矿床的形成过程、赋存状况和开采稳定性均受地应力场的控制, 地应力是进行采矿设计产量计算和分析必须的力学边界条件。

2.2 采矿设计优化理论与方法

以地应力为切入点的金属矿采矿优化理论就是根据实测地应力和扎实的工程地质、水文地质及矿岩物理力学性质等基础资料, 以及实际的矿体赋存和开采条件, 通过定量计算和分析, 选择合理的采矿方法, 确定最佳的开采总体布置、采场结构参数、开采顺序、支护加固和地压控制措施, 实现安全高效的开采目标。优化路线如下 :基础资料采集一 初选方案确定一 多方案定量计算分析一多目标优化决策一 工程技术实施一现场监测和反分析一 修改和完善方案。该理论充分地考虑到采矿岩体的非线性特征及采矿的多段性开挖特点, 成功地应用数值分析、人工智能等现代的计算和分析技术, 为实现采矿设计从传统的经验类比向科学的定量计算转变提供了有效途径。

3. 以能量聚集和演化为主线的岩爆预测及防治

3.1 基本理论

岩爆是威胁金属矿山深部开采安全的最突出问题之一。我国在深部开采方面的经验和对岩爆、冲击地压等开采动力灾害的研究还非常欠缺。

从本质上讲, 岩爆是由地应力主导的能量聚集和演化的结果。因

此, 必须从系统的地应力测量、工程地质调查、岩石力学试验和现场监测资料的采集入手, 以能量聚集和演化为主线, 揭示岩爆的发生机理及其与采矿过程的关系, 以储存高应变能的岩石学特性和聚集高应变能的应力环境研究为核心, 对岩爆发生的时间、空间和强度进行预测; 将预测和防治融为一体进行评价和研究。同时, 以改进采矿方法、减小围岩应力集中和能量聚集为手段,

研究控制和减少岩爆发生的技术措施。

3.2 预测及评价方法〈以玲珑金矿为工程实例〉

3.2.l 采矿岩体能量聚积分析研究

以扎实的地应力测量、工程地质调查和岩石力学综合试验资料为基础, 采用大型三维非线性数值模拟方法, 定量计算和分析开采过程中, 围岩应力集中和能量聚积的分布情况, 对引发岩爆的应力环境做出评价。国内外已有研究和现场监测结果表明, 当岩体内部弹性能达到或超过1.0×105J/m3时, 将发生岩爆和冲击地压。计算表明, 玲珑金矿位于 -270m 水平以下采场围岩中的最大弹性应变能均超过了这一临界数值。因而, 玲珑金矿 -270m 水平以下开采时, 有发生岩爆的很大可能性。

3.2.2 岩石 ( 岩体 ) 破坏岩爆冲击性评价研究

岩石或岩体的力学性质和结构决定了它们赋存应变能的能力和在高应力条件下的冲击性倾向, 即在高应力、高能量条件下是否容易形成岩爆和冲击地压的动力学特征。

(l) 岩石单轴压缩循环加载特性评价准则岩石在压缩过程中,

试件变形将产生以弹性应变能形式聚积的能量, 而岩石的塑性变形和内部微破裂将消耗能量。如果在岩石达到峰值强度前对试件卸载, 岩石由于受压而产生的总应变能 (Wtot) 减去由于塑性变形等消耗的能量 (Wsp) 便储存在岩石内部 (Wst,) 。由 F=, 可对岩石破坏时的冲击特性做出判断 :F>5.0, 中等到强烈冲击；F=2.0-5.0, 弱到中等冲击。根据试验结果, 玲珑金矿深部花岗岩加卸载曲线基本上重合, 即 Wsp →0, F →∞, 所以, 玲珑金矿深部围岩在发生破坏时, 将可能产生很大的冲击作用, 易于发生岩爆。

(2) 岩石刚性试验结果评价准则

在刚性试验所获得的全应力-应变曲线图上, 以峰值强度点为界, 曲线所围左半部分面积代表岩石在破坏前积聚的变形能 We, 右半部分面积代表破坏后消耗的塑性变形能Wp。一般认为：当 R= 时, 将产生冲击现象：R 值越大, 冲击能力越大。根据刚性试验结果, 计算得到玲珑金矿深部花岗岩：R=1.04-1.90, 因此, 玲珑金矿深部花岗岩具有岩爆冲击性。

(3) 线弹性能准则

在单轴压缩条件下, 岩石达到峰值强度前所贮存的弹性能计算如下：式中, σ「一一单轴抗压强度 (MPa):Es 一一卸载切线弹性模量 (MPa) 。 根据国内外试验结果： 可产生弱岩爆 :100 , 可产生强烈岩爆 :, 可产生极强烈岩爆。

根据试验结果, 计算出玲珑金矿深部岩石：

WQ=141.8~335.6kj/m3 。因此, 玲珑金矿深部岩石属于易产生强烈岩

爆或极强烈岩爆岩石。

(4) 岩石脆性评价准则

岩石的单轴抗压强度 ( σ c) 与抗拉强度 ( σ T) 之比定义为 B, 称为脆性系数, 它反映了岩石的脆性程度。根据国内外试验结果: B=26.7-40, 弱岩爆岩石 :

B=14.5~26.7, 中等岩爆岩石 :B

因此, 玲珑金矿深部岩石属于中等岩爆或强岩爆岩石。

(5) 切向应力评价准则

该准则同时考虑了岩体的应力状态和岩石的力学性质。将围岩中的切向应力 ( σ。)和岩石抗压强度 ( σ c) 之比定义为 T 。 根据国内外试验结果：

T=0.3~05, 弱岩爆 ;

T=05~0 工中等岩爆 ;

T 〉0.7强烈岩爆。

根据岩石力学试验和数值模拟结果, 得到玲珑金矿 -270m 水平围岩:T=0.783~0.862。因此玲珑金矿 -270m 水平以下开采可能出现强烈岩爆。

(6) 岩体 RQD 指标评价准则

一般情况下, 裂隙发育的岩体完整性较差, 不易引起高应力集中和能量积聚。因此, 岩体裂隙的发育程度, 从一个侧面反映了岩体产生岩爆的倾向。岩体质量系数 (RQD) 是描述岩体完整性的一个简

单而实用的指标, 根据岩体的 RQD 值可以问接分析和掌握岩体的岩爆倾向。

根据现场调查和试验结果, 玲珑金矿浅部岩体的平均

RQD=25~50%, 深部(>400m) 岩体平均 RQD=70-90%。因此, 预示深部岩体有较大的岩爆倾向。通过以上研究, 从整体上揭示了玲珑金矿深部岩体在开采过程中具有形成高应变能聚集的环境条件和多数岩石 ( 岩体 ) 具有储存较高弹性应变能的能力, 并且这些弹性应变能释放具有很强的冲击特性。因此, 可做出结论: 玲珑金矿深部开采具有潜在的强岩爆可能性。

3.3 防治岩爆的开采工艺和技术措施 建议现场在深部开采过程中, 采取必要的防治岩爆的技术措施 :1) 进行合理的开采设计, 确定优化的开采顺序和开挖步骤,采用卸压开采技术,避免围岩局部应力集中和应变能聚集 :2) 对采空区实施及时有效的充填, 尽量减少空区的空顶面积和体积, 减少岩爆可能发生的空间；3) 对关键部位的响室和围岩采用喷锚网、可塑性锚杆等柔性或先柔后刚的支护措施, 保证支护系统既有良好的柔性, 又有较高的初始刚度, 允许围岩的适量位移和应变能的逐步释放；4) 进行合理的爆破设计, 尽量减少爆破振动的影响, 避免引起岩爆的各种诱发因素的发生； 5) 在开采过程中, 加强岩体稳定性监测和岩爆预测工作: 制订预防岩爆的措施, 建立完善的安全生产体系。

4 深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化

4.1 基于现代三维数值模拟与三维极限平衡分析相结合的边坡

稳定性分析与优化设计方法 国内外传统的边坡稳定性分析和设计方法是二维极限平衡分析法。这种方法只有 一种边坡稳定性判断指标, 即“安全系数”: 只能考虑一种边坡破坏方式，即“滑坡”, 而实际边坡又多种破坏模式。这种方法不能考虑实际岩体条件, 如断层、构造的影响, 也不能考虑地应力的作用, 而这些往往对边坡稳定性起控制性作用。此外, 露天矿边坡是三维问题, 简化成二维进行分析, 会造成很大的误差。所以, 这种方法对山坡露天矿还有一定适用性, 但对深凹露天矿不适用。

针对深凹露天矿的开采特点, 必须采用基于现代三维数值模拟与三维极限平衡分析相结合的边坡稳定性分析和优化设计方法。这种方法有如下优点:

(1) 有多种边坡稳定性判断指标, 如应力集中、塑性区、破坏区、位移量、位移速度等, 多种指标的综合分析, 就能作出比较准确的判断:

(2) 可考虑断层、构造和地应力等各种影响边坡稳定性的因素, 使计算合分析结果符合实际的岩体和应力环境条件 :

(3) 三维数值模拟和三维极限平衡分析符合边坡结构的实际状况, 计算分析结果的可靠性和精度高。

通过多方案的计算、分析、比较, 就可作出优化的设计方案, 在保证开采安全的前提下, 尽可能提高边坡角、减少剥岩量, 降低生产成本, 增加矿山效益。

4.2 首钢水厂铁矿边坡设计优化 ( 工程应用实例〉

4.2.1 主要研究内容

l) 基础资料的调查、试验和研究

(l) 边坡工程地质勘查与试验研究

①边坡岩体工程地质岩组的划分

②结构面 ( 断层 )

③岩体结构

④边坡破坏模式

⑤边坡工程地质分区

(2) 矿区边坡水文地质调查与渗流场分析研究

①矿区水文地质条件

②边坡深部工程地质补充钻探勘查和水文地质试验

③边坡渗流场分析

(3) 矿区地应力测量

2) 边坡稳定性分析与设计优化

(l) 稳定性分析与设计优化方法

(2) 物理力学参数

(3) 计算模型

(4) 计算方案

4.2.2 边坡设计优化结果

通过多种方法系统的边坡稳定性分析和设计优化计算, 最终推荐的水厂铁矿边坡优化设计方案见表 1 。表中,“原方案”即原设计院的设计方案, 不分上、下部, 整体边坡角；现推荐方案中多数剖面

采用上、下部不同边坡角,“分界标高”为上、下 部岩层分界面的高程。通过优化设计, 水厂铁矿各区的边坡角分别提高了10-60, 平均30-40 。