我國(guó)冶金礦山復(fù)雜難采礦體開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀與展望

1、我國(guó)冶金礦山復(fù)雜難采礦體開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀與展望張傳信，郭金峰，遠(yuǎn)洋(中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院， 安徽馬鞍山市243004)摘要：詳細(xì)介紹了金屬礦山中復(fù)雜難采礦體的類(lèi)型和特征，指出了不同類(lèi)型的復(fù)雜難采礦體開(kāi)采中存在的主要問(wèn)題，并對(duì)國(guó)內(nèi)外復(fù)雜難采礦體研究的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)和概括，指出了未來(lái)研究工作的重點(diǎn)和主攻方向。關(guān)鍵詞：復(fù)雜難采礦體；開(kāi)采技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)；地下水；巖爆1 復(fù)雜難采礦體的類(lèi)型和特點(diǎn) 我國(guó)的礦山開(kāi)采以地下開(kāi)采為主。據(jù)對(duì)1173家國(guó)有大中型礦山調(diào)查，地下開(kāi)采礦山數(shù)量占6889。目前，我國(guó)已查明鐵礦產(chǎn)地1834處，累計(jì)探明鐵礦石儲(chǔ)量50478億t，扣除歷年來(lái)的開(kāi)采和損失，尚有保有儲(chǔ)量4

2、4347億t。2003年全國(guó)地下鐵礦石產(chǎn)量4430萬(wàn)ta，其中難采鐵礦石產(chǎn)量1500萬(wàn)ta，占總產(chǎn)量的34。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)尚有各類(lèi)地下復(fù)雜難采鐵礦石儲(chǔ)量約85億t，上述總儲(chǔ)量中屬形態(tài)復(fù)雜多變型和礦巖不穩(wěn)固型的儲(chǔ)量占大多數(shù)。在16座重點(diǎn)鐵礦山中，屬難采礦山的占13。所謂的復(fù)雜難采礦體是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不同。11 1980年代前難采礦體特征 20世紀(jì)在我國(guó)黑色地下難采礦山中，最有名的是“兩洼一店一門(mén)”即張家洼鐵礦、玉石洼鐵礦、金山店鐵礦和西石門(mén)鐵礦；其次是湖北程潮鐵礦、四川綦江鐵礦、山東萊蕪鐵礦、浙江漓渚鐵礦、陜西略陽(yáng)閣老嶺鐵礦和南京冶山鐵礦等；另外一些鐵礦山從總體上不算難采礦山，但局部有一些難

3、采礦體，如酒鋼鏡鐵山的 一礦體，弓長(zhǎng)嶺鐵礦(井下)的西礦區(qū)等。上述難采鐵礦山的主要地質(zhì)特征是：礦、巖松軟破碎，特別是近礦圍巖節(jié)理裂隙極其發(fā)育；礦體形態(tài)復(fù)雜，多呈似層狀、透鏡狀，礦體內(nèi)穿插圍巖夾層，頂?shù)装迤鸱兓?。上述難采鐵礦山開(kāi)采多表現(xiàn)出：巷道掘支十分困難，巷道和采場(chǎng)垮冒嚴(yán)重；礦石損失和貧化大，資源回收率低；生產(chǎn)能力及產(chǎn)量低，與設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模相差甚遠(yuǎn)；作業(yè)安全性差等。針對(duì)復(fù)雜難采礦體存在的技術(shù)難題，“七五”期間原冶金部組織了國(guó)內(nèi)著名的大專院校、科研院所開(kāi)展重點(diǎn)攻關(guān)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，為難采礦體開(kāi)采開(kāi)辟了新的途徑。12 目前難采礦體的類(lèi)型與特點(diǎn) 20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定

4、的高速增長(zhǎng)需要消耗大量的礦產(chǎn)資源，同時(shí)我國(guó)采礦技術(shù)和選礦技術(shù)也得到突飛猛進(jìn)的提高，以前認(rèn)為不能開(kāi)采的、開(kāi)采價(jià)值不高的礦體紛紛上馬開(kāi)采，部分20世紀(jì)六、七十年代建設(shè)的礦山相繼進(jìn)入深部開(kāi)采，部分露天開(kāi)采礦山轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，特別是在一些國(guó)有礦山周邊民采亂采濫挖留下了大量的不明采空區(qū)，成為影響礦山安全生產(chǎn)的最主要的危害源之一；從而帶來(lái)開(kāi)采中出現(xiàn)一些新的技術(shù)難題，出現(xiàn)新的復(fù)雜難采礦體。 (1)厚大第四系(含流沙層)下礦床。如安徽霍邱地區(qū)的鐵礦床、淮北地區(qū)的鐵礦床、山東萊蕪地區(qū)的萊蕪、固家臺(tái)等礦床、河南許昌武莊、磨李、翟莊和崗河礦床，等等。其特點(diǎn)是：緩傾斜一極傾斜礦體，礦床上部為巨厚的第三、四系松散沉積物，

5、地表地形平坦，多為大量的耕地、水田，地表不宜塌陷。 (2)大水礦床或河床下礦床。在長(zhǎng)江流域、淮河流域的鐵礦床以及河北北銘河鐵礦等礦床，等等。特點(diǎn)是：礦床周?chē)嬖诟缓畬樱踔恋V床上方存在地表水體，開(kāi)采時(shí)水大。 (3)深井礦床。由于采深加大，地層壓力隨之增大，由此引發(fā)的巖爆(礦震)必然逐漸增多。如紅透山銅礦目前開(kāi)采已進(jìn)入9001100 m深度，在1999年發(fā)生的一次中等程度的巖爆，即導(dǎo)致近100m長(zhǎng)的斜坡道一次性崩塌報(bào)廢和部分采場(chǎng)停產(chǎn)。 (4)采空區(qū)環(huán)境中的殘留礦體。其賦存特點(diǎn)是：周?chē)嬖诖罅康牟煽諈^(qū)(多數(shù)是不明采空區(qū))，開(kāi)采環(huán)境惡化，造成礦柱變形破壞，相鄰作業(yè)區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難等地壓現(xiàn)象；同

6、時(shí)引發(fā)大面積冒落和巖移，引起地表塌陷；空區(qū)突然垮塌的高速氣浪和沖擊波造成人員傷亡和設(shè)備破壞；采空區(qū)老窿的積水，形成突水隱患等，給生產(chǎn)和安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。 (5)礦(巖)松軟破碎礦體。特點(diǎn)是：礦體本身松軟破碎，圍巖不穩(wěn)固，特別是近礦圍巖，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，巷道掘支十分困難；礦體形態(tài)復(fù)雜，多呈似層狀、透鏡狀，頂?shù)装迤鸱兓蟆?(6)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦體。露天開(kāi)采留下的高大邊坡以及露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采銜接時(shí)出現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定性、巷道地壓?jiǎn)栴}以及暫留底柱的穩(wěn)定性問(wèn)題，一直是制約著地下開(kāi)采的安全問(wèn)題。2 復(fù)雜難采礦體開(kāi)采中存在的主要問(wèn)題 (1)開(kāi)采方法問(wèn)題。由于礦床賦存條件復(fù)雜，礦體開(kāi)采受多種因素限制，邊界條件

7、多，可供選擇的采礦方法受到限制，采礦效果較差。 (2)地壓災(zāi)害問(wèn)題。復(fù)雜難采礦體地壓環(huán)境一般比較復(fù)雜，特別是深井礦床，采場(chǎng)地壓、區(qū)域地壓等變化強(qiáng)烈，經(jīng)常發(fā)生局部或區(qū)域性的地壓災(zāi)害，致使巖層控制及采空區(qū)處理困難，甚至某些礦山因大規(guī)模的地壓活動(dòng)影響地表建構(gòu)筑物的安全。 (3)開(kāi)采順序及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于該類(lèi)型礦體開(kāi)采工程地質(zhì)環(huán)境較差，在采場(chǎng)布置方式、采場(chǎng)參數(shù)選擇上較為困難，致使礦石開(kāi)采效果指標(biāo)較差；并可能由此而造成礦山地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生。 (4)資源利用效果不理想。由于目前該類(lèi)礦體開(kāi)采沒(méi)有較為成熟、可行的技術(shù)，開(kāi)采時(shí)造成了大量的礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，而且該類(lèi)礦體一旦進(jìn)行了開(kāi)采并造成資源丟棄后，基本上無(wú)法再

8、進(jìn)行回收，其資源的損失將是永久性的。 (5)露天開(kāi)采留下的高大邊坡以及露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采銜接時(shí)出現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定性、巷道地壓?jiǎn)栴}以及暫留底柱的穩(wěn)定性問(wèn)題。 (6)地表塌陷危害性問(wèn)題。松軟破碎礦體開(kāi)采，最終將形成采空區(qū)影響到地表的破壞。如程潮鐵礦東區(qū)自1958年基建以來(lái)，受地下開(kāi)采及地下水疏干等因素的影響，在地表已產(chǎn)生十幾個(gè)不同時(shí)期、不同規(guī)模、不同原因所引起的塌陷坑和錯(cuò)動(dòng)區(qū)；魯中冶金礦業(yè)集團(tuán)公司的小官莊鐵礦因井下開(kāi)采引起地表塌陷變形，導(dǎo)致主副井井筒變形影響正常生產(chǎn)：梅山鐵礦地處南京市郊區(qū)，隨著南京市城市建設(shè)的步伐加快和南京市第三長(zhǎng)江大橋建成通車(chē)，梅山鐵礦區(qū)已被列入南京市社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，在梅山鐵礦區(qū)塌

9、陷區(qū)范圍規(guī)劃多條城市道路、周?chē)芯用駞^(qū)，此外，礦區(qū)毗鄰秦淮新河，且雨水充沛，這樣在梅山鐵礦區(qū)存在道路、建筑物和秦淮河等對(duì)開(kāi)采不利條件，給梅山鐵礦今后的開(kāi)采造成了極大的難度；而“三下”礦體(包括厚大第四系巖層、流沙含水層和大水礦床等)的開(kāi)采，由于上覆巖層的特殊性，需要嚴(yán)格控制其塌陷范圍和高度，確保礦山開(kāi)采的安全，但對(duì)于這類(lèi)礦床的開(kāi)采，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的成套礦山開(kāi)采技術(shù)，存在的困難較大。 (7)對(duì)地質(zhì)和自然環(huán)境的破壞日趨嚴(yán)重。采礦形成大量的采空區(qū)，如不及時(shí)進(jìn)行充填，可造成地表塌陷、山體崩塌，財(cái)產(chǎn)和生命遭受損失；采礦導(dǎo)致區(qū)域性水位下降，地表水和地下水動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)遭到破壞，以致水源枯竭和河水?dāng)嗔?，?/p>

10、表沉降，對(duì)人們的生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不良影響；自然景觀、地形地貌、土地山林也受到破壞。此外，廢石與尾礦堆置需要投入大量的建設(shè)資金和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，使礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下降。礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)造成的負(fù)作用，其根源在于地下資源被采出的同時(shí)形成采空區(qū)及廢棄物(包括廢石、尾礦等)在地表堆置造成的。因此，如果采用不產(chǎn)生廢棄物或產(chǎn)生廢棄物量少的采礦新工藝技術(shù)，并將廢棄物及時(shí)返回地下充填采空區(qū)，則對(duì)自然環(huán)境的破壞也會(huì)相應(yīng)的減小。 (8)我國(guó)礦山地下水災(zāi)害非常嚴(yán)重，其主要表現(xiàn)形式為突水淹井、海水入侵、地下水水位下降、產(chǎn)生井下泥石流等。3 復(fù)雜難采礦體開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)31 深井巖爆發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù) 在20世紀(jì)，國(guó)內(nèi)進(jìn)入

11、深部開(kāi)采的礦山不多，主要有石嘴子銅礦和紅透山銅礦，其中石嘴子銅礦于1969年已經(jīng)閉坑，紅透山銅礦也接近后期開(kāi)采。隨著國(guó)內(nèi)金屬礦山的開(kāi)采深度不斷增大，一些礦山也相繼進(jìn)入中深部開(kāi)采，國(guó)內(nèi)一些科研單位相繼進(jìn)行了深部礦床開(kāi)采的前期探索性研究，但工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)研究基本還是空白。在巖爆發(fā)生機(jī)理研究方面，國(guó)內(nèi)外著重對(duì)巖石的巖爆特性和產(chǎn)生巖爆的應(yīng)力條件進(jìn)行了較多的研究，并取得了一系列成果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，從微觀結(jié)構(gòu)上和聲發(fā)射特征等方面可以判定巖石是否具有巖爆性質(zhì)，并劃定巖爆可能性等級(jí)。結(jié)合巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)，判定巖石是否會(huì)發(fā)生巖爆。在巖爆防治工程應(yīng)用方面，主要對(duì)采礦引起的應(yīng)力集中和能量聚積原因，以及如何防止應(yīng)力

12、在局部高度集中和阻止巖爆發(fā)生，開(kāi)展了初步的探索和實(shí)踐。如優(yōu)化采礦順序和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式防止圍巖巖體和待采礦體中出現(xiàn)大的應(yīng)力集中，采用充填方法充填采空區(qū)緩和應(yīng)力集中程度和巖爆造成人員傷害。很顯然，對(duì)采礦引起的巖爆發(fā)生機(jī)理，或者說(shuō)采礦引起的能量集聚或消散過(guò)程、規(guī)律，人們還遠(yuǎn)未掌握。尤其是在工程應(yīng)用中如何防止巖體中能量在局部高度聚集，如何平穩(wěn)地釋放聚集在巖體中的巨大能量，并最終阻止災(zāi)難性巖爆的發(fā)生，以及如何監(jiān)測(cè)巖爆的發(fā)生、預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的部位和程度，技術(shù)手段貧乏，具體實(shí)施困難。32 地表沉降、塌陷防治技術(shù)采礦引起的地表沉降塌陷主要是由于采空區(qū)塌陷(空?qǐng)霾傻V法礦柱支撐系統(tǒng)崩潰造成采空區(qū)頂板垮冒，崩落采礦法崩

13、落頂板巖石形成覆蓋巖層)造成的。與煤礦相比較，非煤固體礦山礦體開(kāi)采多屬于非充分開(kāi)采，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，地表沉降、塌陷多具有局部性、突然性、隨機(jī)性，規(guī)律性較差。因此，對(duì)采礦引起的地表沉降、塌陷，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的研究工作都較少。國(guó)內(nèi)只有長(zhǎng)沙礦冶研究院和馬鞍山礦山研究院等研究單位在萊蕪小官莊鐵礦、南京梅山鐵礦、銅陵獅子山銅礦、銅山銅礦、南京鉛鋅銀礦等礦山，開(kāi)展過(guò)一些地表沉降觀測(cè)和研究工作，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和有限的成果。對(duì)崩落采礦引起的地表沉降，著重研究了地表沉降隨地下采礦的推進(jìn)、擴(kuò)展而發(fā)展變化的規(guī)律，以及沉降量與采礦下降延深的關(guān)系，預(yù)測(cè)未來(lái)采礦形成的地表沉降范圍等；對(duì)空?qǐng)龇ú傻V形成采空區(qū)而引起的地表沉降

14、，著重對(duì)采礦可能引起的地表沉降動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警，防止突然垮冒危及地表人員與設(shè)施安全。研究手段主要有地表水準(zhǔn)測(cè)量、數(shù)值模擬計(jì)算分析、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比等。對(duì)于采礦引起的地表沉降和塌陷的治理，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)今最常用的方法是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填和對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行壓力注漿。值得關(guān)注的是，近二三十年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)尾砂充填采空區(qū)防止地表沉降和塌陷給予了高度重視，開(kāi)展了大量的研究與實(shí)踐工作。除了用分級(jí)尾砂或尾砂膠結(jié)充填采場(chǎng)進(jìn)行采礦(充填采礦)外，鑒于尾砂堆置在尾礦庫(kù)占用田地、破壞環(huán)境且建設(shè)尾礦庫(kù)投資巨大，很多研究與生產(chǎn)單位開(kāi)展了用全尾砂充填采礦形成的采空區(qū)或塌陷坑的研究工作。如馬鞍山礦山研究院在馬鋼桃沖鐵礦開(kāi)展了尾

15、砂充填地表塌陷坑的研究、在南京鉛鋅銀礦和銅陵獅子山銅礦開(kāi)展了全尾充填采空區(qū)的研究等。其中銅陵獅子山銅礦東、西山采空區(qū)容積達(dá)300萬(wàn)m以上，用尾砂充填采空區(qū)不僅可緩解尾礦庫(kù)庫(kù)容不足的矛盾，而且可節(jié)省大量建設(shè)資金，減少對(duì)環(huán)境的污染，可謂一舉數(shù)得。在未來(lái)的研究工作中，如何有效快速地實(shí)現(xiàn)尾砂充填的水、砂分離，提高充填效率、效果，防止井下水的污染，使全尾砂充填采空區(qū)的方法取得成功并在實(shí)踐中得以推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)行艱苦的試驗(yàn)研究工作。33 地下水災(zāi)害防治技術(shù) 地下采礦引起的地下水災(zāi)害，包括地下突水和地下水位下降兩個(gè)方面，以及由此造成的淹井和井下泥石流事故、地表沉降塌陷和地表生態(tài)破壞等。例如，1994年底銅陵

16、冬瓜山銅礦井筒在施工中多次被突水淹井；2000年廣西南丹礦發(fā)生特大突水事故；山東萊蕪礦谷家臺(tái)二礦區(qū)1999年發(fā)生的特大井下涌水事故；湖北程潮鐵礦、江蘇梅山鐵礦曾多次發(fā)生井下泥石流事故；等等。國(guó)內(nèi)外在地下水災(zāi)害領(lǐng)域的研究工作主要有：采礦過(guò)程中地下水的運(yùn)移規(guī)律和突水機(jī)理研究，工作面及礦井涌水量預(yù)測(cè)，老窿與巖溶水探測(cè)設(shè)備與技術(shù)，裂隙或構(gòu)造帶涌水通道堵截技術(shù)及材料等。疏干降壓、堵水截流是我國(guó)礦井防治水害的主要技術(shù)措施和重要方法，在靜水與動(dòng)水條件下注漿封堵突水點(diǎn)、礦區(qū)外圍注漿帷幕截流等都有比較成熟的方法和經(jīng)驗(yàn)。從1960年代起在徐州、棗莊、新汶等煤礦和張馬屯鐵礦、水口山鉛鋅礦等不同水文地質(zhì)條件下的灰?guī)r地

17、層中成功地建造了大型堵水截流帷幕，取得了良好的堵水效果。為充分利用隔水層厚度，減少排水量，國(guó)外正在對(duì)隔水層的隔水機(jī)理、突水量與構(gòu)造裂隙的關(guān)系、高水壓作業(yè)下的突水機(jī)理以及隔水層穩(wěn)定性與臨界水力阻力的綜合作用等進(jìn)行研究。34 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采技術(shù) 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，實(shí)踐表明，各礦山在實(shí)施這一工程時(shí)有許多共同的安全問(wèn)題和采礦技術(shù)問(wèn)題。包括： (1)露天爆破對(duì)地下井巷和采場(chǎng)工程的影響，以及地下開(kāi)采對(duì)上部露天邊坡的影響。 (2)過(guò)渡時(shí)期的地下工程作業(yè)影響露天作業(yè)的正常進(jìn)行和安全生產(chǎn)，露天坑底與地下采場(chǎng)之間留有必要的境界頂柱和礦房間礦柱。 (3)通過(guò)監(jiān)測(cè)掌握地下采空區(qū)上覆巖層的破壞機(jī)

18、制和移動(dòng)規(guī)律，確保露天邊坡和生產(chǎn)作業(yè)的安全。 (4)露天采場(chǎng)積水涌人井下，在地下與露天溝通的井巷或采空?qǐng)鲆扇》浪胧?，防止泥沙水突然涌人井下? 今后研究方向和重點(diǎn)縱觀國(guó)內(nèi)外難采礦體開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)，今后研究方向和重點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。 (1)針對(duì)國(guó)內(nèi)各類(lèi)難采礦體的特點(diǎn)，采用成熟的、系統(tǒng)的研究方法，如噴射水泥砂漿、錨桿、錨索、金屬支架、采空區(qū)充填等多種支(維)護(hù)形式對(duì)高應(yīng)力區(qū)軟破礦巖進(jìn)行地壓控制，解決難采礦體在開(kāi)采過(guò)程中的地壓災(zāi)害問(wèn)題。 (2)根據(jù)礦體具體的開(kāi)采技術(shù)條件，將一些傳統(tǒng)的采礦方法加以改進(jìn)，形成一些聯(lián)合采礦方法，用以適應(yīng)各種類(lèi)型難采礦體的開(kāi)采，解決采礦方法、技術(shù)指標(biāo)和資源利用問(wèn)

19、題。 (3)松軟破碎礦體和“三下”礦體(厚大第四系巖層、流沙含水層和大水礦床等)的開(kāi)采，采用新型的綜合采礦技術(shù)和巖層控制技術(shù)，解決巖層變形與控制問(wèn)題、巖層塌陷對(duì)地表建構(gòu)筑物的破壞問(wèn)題。 (4)深井巖爆監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)研究；通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究巖體聲傳播和衰減特性、微震震源定位方法和微震聲波傳播頻譜特征與巖爆發(fā)展和發(fā)生的關(guān)系，開(kāi)發(fā)定位分析軟件，提高定位精度，實(shí)現(xiàn)定位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。在微震監(jiān)測(cè)定位、微震聲波頻譜特征研究基礎(chǔ)上，用傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代非線性理論相結(jié)合的方法，建立巖爆發(fā)生與程度預(yù)測(cè)模型，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的分析軟件，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)的自動(dòng)化和智能化。 (5)利用3S(RS、GPS、GIS)技術(shù)，即遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)構(gòu)成了現(xiàn)代地球信息科學(xué)技