我国金属矿深部开采现状及面临的问题

发布时间:2017-02-09

我国金属矿深部开采现状及面临的问题

1.概况

随着浅部资源的逐渐减少和枯竭，矿产资源开发正向深部快速发展。2000年以前，我国千米深井金属矿山只有为数很少几个。但十几年来，一批矿山开采深度达到或超过了1000m。

其中，辽宁红透山铜矿、吉林夹皮沟金矿和云南会泽铅锌矿开采深度分别达到或超过了1300m, 1400m和1500m。

正在进行开采前期准备的本溪大台沟铁矿，矿石储量30亿吨，开采深度1200～1600m；同处本溪地区思山岭铁矿，开采深度800-1600m，矿石储量26亿吨，一期开采设计规模1500万吨/年，二期建设投产后开采总规模将达到3000万吨/年。

处于鞍山地区的西鞍山铁矿，矿石储量17亿吨，一期设计生产规模就达到3000万吨/年。思山岭铁矿和西鞍山铁矿将很快成为世界上开采规模最大的地下金属矿山。

据统计，在未来10年内，我国将有1/3以上的金属矿山开采深度达到和超过1000m。

因此，深部开采已成为全世界包括中国矿业界特别关注的重大问题。

2.深部开采面临的关键难题

深部高应力问题。地应力值随深度增加而增加，深部高应力将可能导致岩爆、塌方、冒顶等由采矿开挖引起的动力灾害，对深部开采的安全构成严重威胁。1984-1993年，南非金矿3275名矿工在采矿事故中丧生，根本原因是在2000m以下采矿，未能研究和采用与高应力环境相适应的、有利于控制岩爆与冒顶的采矿方法。

不断恶化的深部地质与岩体条件。进入深部后，在高应力作用下，浅部的硬岩会变成软岩，弹性体变成塑性体或潜塑性体，且破碎岩体增多，将给深部采矿作业造成一系列的困难，严重影响采矿的效率和效益。特别是深部地压控制将比浅部复杂得多，需要研究新的方法，付出更高代价。

深井高温环境。岩层温度随深度以3℃/100m的速率增加，深井的高温环境条件，工人的生理条件难以承受，将严重影响采矿的劳动生产率；而为了进行有效降温，又必将大大增加采矿成本。

深井提升问题。随着开采深度的增加，矿石和各种物料的提升高度显著增加，从而大大增加提升成本，并对生产安全构成威胁。

二、深井高应力条件下的岩爆预测与防控

1.研究现状

最早出现的金属矿深井岩爆于1900年发生在的印度的Kolar金矿；美国金属矿山的首次岩爆于1904年发生在密歇根州区的亚特兰铜矿，该矿因为岩爆破坏严重于1906年而关闭。

南非金矿是世界上发生岩爆最多的地方，最强岩爆震级ML5.1级；仅1975年，31个金矿发生岩爆680起，造成73人丧生。

我国辽宁红透山铜矿1999年发生两次较大规模岩爆，破坏力相当500～600kg炸药。近年来，随着采深增加，一批金属矿山，如山东玲珑金矿、三山岛金矿等均出现了明显的岩爆现象。

岩爆研究历史已有大半个世纪，国内外学者提出了各种岩爆的理论和学说，但大多仍停留在探讨和经验阶段，至今没有形成对岩爆机理的准确认识和具有实用性的岩爆预测与防控技术。

为了满足金属矿深部开采安全的要求，应在已有工作积累基础上，将岩爆研究重点从判据研究转移到预测与防控研究上来。

2.岩爆诱发机理

岩爆是一种由采矿引发的动力灾害，是采矿开挖形成的扰动能量在岩体中聚集、演化和在一定诱因下突然释放的过程，这一过程是在地应力的主导下完成的。

地应力是存在于地层中的天然应力，采矿开挖前地层处于自然平衡状态。采矿开挖引起地应力向开挖空间的释放，形成“释放荷载”，导致岩体变形和应力重分布、应力集中，产生扰动能量。当岩体中聚集的扰动能量达到很高水平，并且在岩体由于高应力作用出现破裂或遇到断层等情况下，能量突然释放，产生冲击破坏(冲击地压），即岩爆。

岩爆和矿震是矿山冲击地压的两种主要形式。岩爆是应变能型的冲击地压，主要发生在硬岩矿山，如金属矿山；大的矿震基本上都是断层活动（错动）型冲击地压，主要发生在煤矿。天然地震都是断层错动型的，因而矿震更接近天然地震。

3.岩爆预测与防控研究思路

经过长期的理论研究和工程实践，依据对岩爆诱发机理的认识，本人提出了矿山岩爆发生的两个必要条件：一是采矿岩体必须具有贮存高应变能的能力并且在发生破坏时具有较强的冲击性；二是采场围岩必须具有形成高应力集中和高应变能聚集的应力环境。这也是进行金属矿山岩爆预测的基本准则。

依据以上两个必要条件，通过现场地应力实测、岩体物理力学试验、三维数值模拟计算，并采用地震学中能量与震级关系式，即可根据开采扰动能量，对未来岩爆发展趋势作出预测。

同样基于岩爆的诱发机理，岩爆防控应主要从选择合理的采矿方法、优化开采布局和开采顺序、改善围岩应力分布，并采取适当的支护措施，避免采矿岩体中的应力集中和过量位移，从而减小和控制开采扰动能量的聚集，减轻和控制岩爆的发生。

三、深井采场高温环境与控制

国内外的深井降温技术，总体上可以分为非人工制冷降温和人工制冷降温技术两大类。

1. 非人工制冷降温技术

矿井通风系统是非人工制冷降温技术中应用比较多的一种降温方法。通过改进通风方式、提高通风能力，可以起到明显的降温效果。

热源隔离、采空区全面充填、预冷岩层等方法都能起到了一定的降温效果。

但实践表明，非人工制冷降温技术的降温能力小，对于热害较严重的矿井往往不能满足要求。

2.人工制冷降温技术

现代人工制冷技术应用于矿井降温工程始于20世纪20年代，迅速发展并广泛应用是在20世纪70年代之后。人工制冷降温技术可以分为水冷却系统和冰冷却系统。

水冷却系统实际上就是空调技术地下矿井的应用。根据布置形式可分为地面集中式、井下集中式、联合集中式和井下局部分散式四种布置形式。

冰冷却系统是将制冰机制出的冰输送到井下，通过冰水相变完成热量交换，达到降温目的。

介绍4种典型的人工制冷降温系统布置方式，包括3种水冷却系统、一种冰冷却系统。

1)地面集中制冷降温系统

地面集中空调制冷是在地面采用各种形式的制冷机组，制出冷水输送到井下，通过井下高低压换热器和空冷器进行工作面降温。

2)地面排热井下集中降温系统

在井下集中布置各种形式的制冷机组，制出冷水输送到工作面，通过高低压换热器和空冷器进行工作面降温。井下热空气经封闭管路送至地表，通过地面冷却塔进行散热。

3)回风排热井下集中降温系统

在井下布置制冷机组，机组冷冻水经过空冷器与巷道进风风流完成换热，冷却后的风流由风机鼓风并经风筒输送到工作面，进行工作面降温。

4)冰冷降温系统

冰冷降温系统，就是在井上利用制冰机制取的粒状冰或泥状冰，通过风力或水力输送至井下的融冰池，然后利用工作面回水进行喷淋融冰，融冰后形成的冷水送至工作面，采取喷雾降温。

3.需要进一步研究的问题

为了从理论上改进和完善已有的深井降温技术，提高降温效果，减少降温成本，需着力进行以下4个方面的研究：

热环境控制的新方法。重点研究超强放热、定向控制传热、排热的经济模式。

深井高温岩层隔热技术研究。深井高温环境主要是由深井高温岩层辐射所造成的。研发新型高效的隔热新材料、新技术，对岩层高温热源进行隔离，在此基础上再采用人工制冷降温技术等，就会使井下巷道和采矿工作面取得良好降温效果。

以个体为单元的微环境降温技术(包括自动冷却服）的研制。

地下热源的综合利用技术研究。如能在进行降温的同时，实现对地下热能的综合利用，将使降温成本大幅度降低。

四、深井采矿模式及其工艺技术变革

为了解决金属矿深井开采安全、环境、效率、成本等面临的一系列问题，必须对已有的采矿模式及其工艺技术进行根本变革。重点研究以下三个方面的技术：

1.连续化高效采矿技术

1)机械连续切割掘进、采矿技术

从长远目标出发，采用机械掘进、机械凿岩的方法，以连续切割设备取代传统爆破采矿工艺进行开采是一个重要方向。

采用机械切割采矿的优越性在于：

切割空间不需实施爆破而明显提高其稳固性。

扩大开采境界，不受爆破安全境界的限制。

连续作业，不受爆破干扰。要求作业场地相对小。

机械切割能准确地开采目标矿石，使矿石贫化率降到最低。

连续切割的矿石块度，适于带式运输机连续运输，可实现切割落矿、装载、运输工艺平行连续进行，从而为实现连续采矿创造了条件。

不需粗碎。切割机在切削矿石的同时将矿石破碎。清洁、平整的作业表面，给装载机平稳行驶创造了最佳条件。

需要解决的关键问题：

采矿机作业受金属矿床形态多变及复杂地质条件的限制；

切割头的寿命及费用。

这将是实施该技术需要解决的的两个关键前沿问题。

2)“无间柱连续采矿”技术

由于采用机械切割机实现连续掘进、采矿还需一个较长研究过程，基于爆破落矿技术的连续采矿工艺和技术，将是近期研究的重点。具有代表性的技术是“无间柱连续采矿”技术。

其优势表现在：

回采工作面连续推进，有利于井下采矿作业的合理集中，实现高强度采矿；

可从根本上解决长期以来因留大量矿柱给矿山带来多中段作业、资源大量损失的问题；

阶段连续回采时，强采、强出、强充，围岩暴露时间短，有利于采场地压控制；

连续回采将推动地下金属矿山作业机械化，工艺连续化，生产集中化和管理科学化的进程，促进矿山现代化。

2.深部充填采矿技术

随着采矿深度不断增加，特是当开采深度超过1500m甚至2000m之后，为了有效控制深部开采的地压活动，保证开采安全，充填采矿法将可能是多数矿山包括铁矿，不得不选择的采矿方法。如大台沟铁矿、思山岭铁矿都将采用充填采矿法。

为了从经济上提高充填采矿法的可行性，在充填工艺方面必须进行重大改革。全尾砂膏体充填工艺，可在低水泥耗量条件下获得高质量的充填体，代表了这种技术的发展方向。

德国PM公司采用膏体泵送充填工艺，将尾砂浆浓缩到78%左右浓度，用泵送到井下，在工作面加水泥（3%）充填采场。

这种工艺采场内不需要脱水、接顶好，充填体强度高，可以有效维护空区，有利于降温和控制岩爆。

我国金川有色金属公司引进这项技术，采用戈壁碎石集料与全尾砂等量比例配置，并加水泥制备成浓度为81%~83%的膏体，充填体抗压强度达到40MPa以上。

我国地下矿山应对这种充填工艺进行更进一步的研究，特别要因地制宜地选择充填材料，研制新型高效的胶凝材料，在成本、效率、充填支护效果等方面形成更加突出的优势，以便为深部开采广泛推广充填采矿技术创造条件。

3.深井提升技术

滚筒式卷扬机和摩擦轮多绳提升机是两种常用的提升设备。一般来说，当井深超过1800m时，使用摩擦轮多绳提升机就会遇到许多困难。南非正逐步用布雷尔（Blair）缠绕式多绳提升机代替摩擦轮提升机。布雷尔提升机的提升高度已达到2400m。

传统的箕斗、罐笼等提升方式，都是机械提升方式。如今，西方发达国家已试验采用水力提升方式，即矿石在地下进行破碎和磨矿，然后用泵扬送到地面选矿场，提升成本大为降低。

为了减少深井的矿石提升量，把选厂建在井下，也是一个重要发展方向。由于废石不出坑，不但为井下就地充填提供了方便，而且为减少环境污染、建立“无废矿山”创造了很好的条件。

由于不需要开挖竖井，不但大大减少了井巷工程的投资和维护费用，而且使采矿工程的安全性得到极大提高。

五、深井遥控智能化采矿

1.技术发展现状

信息化、自动化、智能化是现代工程科技的三大核心技术。信息化是自动化的前提；而自动化是智能化的前提。数字化则是信息化的前提。矿山生产和管理只有实现高度信息化、高度自动化和高度智能化的集成，才能建成数字矿山和无人矿山。

早在上世纪80年代初，瑞典的基鲁纳铁矿就开始使用全盘遥控的无轨采矿设备，现在采场凿岩和装运已实现自动化作业，井下凿岩台车、铲运机和运输电机车已实现无人驾驶。

自20世纪80年代中后期开始，加拿大Noranda技术中心研制了多种自动化设备，包括铲运机和卡车的光学导航系统、自动行走系统，铲运机遥控辅助装载系统等，用于自动化采矿作业。

加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划，即在其北部边远地区建成一个无人矿井，从萨德伯里通过卫星遥控操纵矿山的所有设备。

2.地下遥控自动化采矿的关键技术

先进传感及检测监控技术。用于实现井下环境要素采集、地形感知和三维空间识别、定位、导航及目标跟踪，是智能采矿设备运行及工艺过程控制的前提条件。

采矿设备遥控及智能化技术。包括：采矿设备在采场的置位、定位、生产作业智能控制技术和设备故障诊断与预防技术等。

井下无轨导航与控制关键技术。包括：井下装备定位与导航控制技术，目标跟踪技术，地形感知技术，运动控制技术，远程通讯技术，井下三维空间自动识别技术。

高速数字通信网络技术。井下通信设施布设空间有限且普遍存在无线通信屏障，需要研究适用井下的高速数字通信网络技术。

地下自动采矿新工艺。适应采矿自动控制水平的提高，采矿设计、采矿技术及工艺和采矿生产过程都必须有新的发展和变革。

3.我国自动化采矿技术发展现状及展望

智能采矿是21世纪金属矿山提高劳动生产率和竞争能力所追求的目标。西方发达国家上世纪80年代就开始实施井下工作面的无人采矿，而目前我国不少矿山就连全盘机械化作业还做不到。加速我国自动化智能采矿技术与设备的研究与推广应用任重道远。

近5年来，以首钢杏山铁矿为代表的一批矿山，通过产学研联合攻关，借鉴、引进和采用一批现代化高新技术，在全面推进数字化矿山建设的同时，主要通过自主研发和集成创新，矿山生产的自动化和遥控智能作业的水平也有了长足的进步。

目前，杏山铁矿已基本做到采矿作业，包括凿岩、破碎、提升、皮带运输、排水、通风等全过程自动化控制，实现了井下运输电机车地面遥控无人驾驶和自动装卸矿、中深孔凿岩台车遥控自动化作业等，向遥控智能化无人采矿远大目标迈出了重要一步。

杏山铁矿关键技术效果

现场只需在台车换排移位和每排首孔对孔时给予人工辅助。同排孔间移位、各孔对孔、钻孔、换钻杆等作业均遥控自动完成。钻孔效率大幅度提高，月平均穿孔量可达7300m，比人工操作的同类凿岩太长效率（500m/月）提高10倍以上。

六、结束语

进入21世纪以来，在国家科技、产业政策支持下，我国采矿工程科技在追踪世界科技进步方面有了很大突破。目前在深部采矿、智能采矿，数字矿山、无人矿山建设等方面，均有相当的科技力量在进行研究，并已取得不少实质性的应用成果。

从总体上来看，我国的采矿技术在许多方面已经接近或达到了国际先进水平。差距主要体现在采矿设备大型化、自动化程度不高、生产效率低、资源损失严重等方面。先进采矿设备早期从前苏联进口，改革开放后主要从西欧国家引进。开采设计软件系统基本上从国外引进。这是制约我国采矿进步的关键问题。

仅靠引进不能从根本上解决问题，只有加大科技投入，立足自主创新，充分利用后发优势，才能解决制约我国采矿发展和进步的关键问题，实现我国金属采矿业的可持续发展。

(北京科技大学 蔡美峰)