我國冶金礦山復(fù)雜難采礦體開采技術(shù)現(xiàn)狀與展望

1、我國冶金礦山復(fù)雜難采礦體開采技術(shù)現(xiàn)狀與展望張傳信，郭金峰，遠洋(中鋼集團馬鞍山礦山研究院， 安徽馬鞍山市243004)摘要：詳細介紹了金屬礦山中復(fù)雜難采礦體的類型和特征，指出了不同類型的復(fù)雜難采礦體開采中存在的主要問題，并對國內(nèi)外復(fù)雜難采礦體研究的進展和發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和概括，指出了未來研究工作的重點和主攻方向。關(guān)鍵詞：復(fù)雜難采礦體；開采技術(shù)；發(fā)展趨勢；地下水；巖爆1 復(fù)雜難采礦體的類型和特點 我國的礦山開采以地下開采為主。據(jù)對1173家國有大中型礦山調(diào)查，地下開采礦山數(shù)量占6889。目前，我國已查明鐵礦產(chǎn)地1834處，累計探明鐵礦石儲量50478億t，扣除歷年來的開采和損失，尚有保有儲量4

2、4347億t。2003年全國地下鐵礦石產(chǎn)量4430萬ta，其中難采鐵礦石產(chǎn)量1500萬ta，占總產(chǎn)量的34。據(jù)統(tǒng)計，我國尚有各類地下復(fù)雜難采鐵礦石儲量約85億t，上述總儲量中屬形態(tài)復(fù)雜多變型和礦巖不穩(wěn)固型的儲量占大多數(shù)。在16座重點鐵礦山中，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世紀在我國黑色地下難采礦山中，最有名的是“兩洼一店一門”即張家洼鐵礦、玉石洼鐵礦、金山店鐵礦和西石門鐵礦；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蟆Ｉ鲜鲭y采鐵礦山開采多表現(xiàn)出：巷道掘支十分困難，巷道和采場垮冒嚴重；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)計生產(chǎn)規(guī)模相差甚遠；作業(yè)安全性差等。針對復(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內(nèi)著名的大專院校、科研院所開展重點攻關(guān)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果，為難采礦體開采開辟了新的途徑。12 目前難采礦體的類型與特點 20世紀80年代后期以來，國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定

4、的高速增長需要消耗大量的礦產(chǎn)資源，同時我國采礦技術(shù)和選礦技術(shù)也得到突飛猛進的提高，以前認為不能開采的、開采價值不高的礦體紛紛上馬開采，部分20世紀六、七十年代建設(shè)的礦山相繼進入深部開采，部分露天開采礦山轉(zhuǎn)入地下開采，特別是在一些國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；從而帶來開采中出現(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、固家臺等礦床、河南許昌武莊、磨李、翟莊和崗河礦床，等等。其特點是：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。特點是：礦床周圍存在富含水層，甚至礦床上方存在地表水體，開采時水大。 (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采已進入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長的斜坡道一次性崩塌報廢和部分采場停產(chǎn)。 (4)采空區(qū)環(huán)境中的殘留礦體。其賦存特點是：周圍存在大量的采空區(qū)(多數(shù)是不明采空區(qū))，開采環(huán)境惡化，造成礦柱變形破壞，相鄰作業(yè)區(qū)采場和巷道維護困難等地壓現(xiàn)象；同

6、時引發(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)和安全帶來嚴重威脅。 (5)礦(巖)松軟破碎礦體。特點是：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)地下開采的礦體。露天開采留下的高大邊坡以及露天轉(zhuǎn)地下開采銜接時出現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定性、巷道地壓問題以及暫留底柱的穩(wěn)定性問題，一直是制約著地下開采的安全問題。2 復(fù)雜難采礦體開采中存在的主要問題 (1)開采方法問題。由于礦床賦存條件復(fù)雜，礦體開采受多種因素限制，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，采場地壓、區(qū)域地壓等變化強烈，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)模的地壓活動影響地表建構(gòu)筑物的安全。 (3)開采順序及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于該類型礦體開采工程地質(zhì)環(huán)境較差，在采場布置方式、采場參數(shù)選擇上較為困難，致使礦石開采效果指標較差；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。由于目前該類礦體開采沒有較為成熟、可行的技術(shù)，開采時造成了大量的礦產(chǎn)資源浪費，而且該類礦體一旦進行了開采并造成資源丟棄后，基本上無法再

8、進行回收，其資源的損失將是永久性的。 (5)露天開采留下的高大邊坡以及露天轉(zhuǎn)地下開采銜接時出現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定性、巷道地壓問題以及暫留底柱的穩(wěn)定性問題。 (6)地表塌陷危害性問題。松軟破碎礦體開采，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，受地下開采及地下水疏干等因素的影響，在地表已產(chǎn)生十幾個不同時期、不同規(guī)模、不同原因所引起的塌陷坑和錯動區(qū)；魯中冶金礦業(yè)集團公司的小官莊鐵礦因井下開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江大橋建成通車，梅山鐵礦區(qū)已被列入南京市社會和經(jīng)濟發(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、周圍有居民區(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開采不利條件，給梅山鐵礦今后的開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)的開采，由于上覆巖層的特殊性，需要嚴格控制其塌陷范圍和高度，確保礦山開采的安全，但對于這類礦床的開采，目前國內(nèi)還沒有成熟的成套礦山開采技術(shù)，存在的困難較大。 (7)對地質(zhì)和自然環(huán)境的破壞日趨嚴重。采礦形成大量的采空區(qū)，如不及時進行充填，可造成地表塌陷、山體崩塌，財產(chǎn)和生命遭受損失；采礦導(dǎo)致區(qū)域性水位下降，地表水和地下水動態(tài)平衡系統(tǒng)遭到破壞，以致水源枯竭和河水斷流，地

10、表沉降，對人們的生活和農(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)資金和運營費用，使礦山企業(yè)經(jīng)濟效益下降。礦產(chǎn)資源開發(fā)造成的負作用，其根源在于地下資源被采出的同時形成采空區(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)，并將廢棄物及時返回地下充填采空區(qū)，則對自然環(huán)境的破壞也會相應(yīng)的減小。 (8)我國礦山地下水災(zāi)害非常嚴重，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)雜難采礦體開采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢31 深井巖爆發(fā)生機理與防治技術(shù) 在20世紀，國內(nèi)進入

11、深部開采的礦山不多，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采。隨著國內(nèi)金屬礦山的開采深度不斷增大，一些礦山也相繼進入中深部開采，國內(nèi)一些科研單位相繼進行了深部礦床開采的前期探索性研究，但工業(yè)應(yīng)用試驗研究基本還是空白。在巖爆發(fā)生機理研究方面，國內(nèi)外著重對巖石的巖爆特性和產(chǎn)生巖爆的應(yīng)力條件進行了較多的研究，并取得了一系列成果。通過實驗室試驗，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。結(jié)合巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)，判定巖石是否會發(fā)生巖爆。在巖爆防治工程應(yīng)用方面，主要對采礦引起的應(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，開展了初步的探索和實踐。如優(yōu)化采礦順序和采場結(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，對采礦引起的巖爆發(fā)生機理，或者說采礦引起的能量集聚或消散過程、規(guī)律，人們還遠未掌握。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)測巖爆的發(fā)生、預(yù)測巖爆發(fā)生的部位和程度，技術(shù)手段貧乏，具體實施困難。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(空場采礦法礦柱支撐系統(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采多屬于非充分開采，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、隨機性，規(guī)律性較差。因此，對采礦引起的地表沉降、塌陷，國內(nèi)外開展的研究工作都較少。國內(nèi)只有長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，開展過一些地表沉降觀測和研究工作，取得了一定的經(jīng)驗和有限的成果。對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、擴展而發(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)測未來采礦形成的地表沉降范圍等；對空場法采礦形成采空區(qū)而引起的地表沉降

14、，著重對采礦可能引起的地表沉降動態(tài)進行監(jiān)測、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測量、數(shù)值模擬計算分析、室內(nèi)物理模型試驗、經(jīng)驗類比等。對于采礦引起的地表沉降和塌陷的治理，國內(nèi)外現(xiàn)今最常用的方法是對采空區(qū)進行充填和對塌陷區(qū)進行壓力注漿。值得關(guān)注的是，近二三十年來國內(nèi)外對尾砂充填采空區(qū)防止地表沉降和塌陷給予了高度重視，開展了大量的研究與實踐工作。除了用分級尾砂或尾砂膠結(jié)充填采場進行采礦(充填采礦)外，鑒于尾砂堆置在尾礦庫占用田地、破壞環(huán)境且建設(shè)尾礦庫投資巨大，很多研究與生產(chǎn)單位開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300萬m以上，用尾砂充填采空區(qū)不僅可緩解尾礦庫庫容不足的矛盾，而且可節(jié)省大量建設(shè)資金，減少對環(huán)境的污染，可謂一舉數(shù)得。在未來的研究工作中，如何有效快速地實現(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踐中得以推廣應(yīng)用，仍需進行艱苦的試驗研究工作。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。國內(nèi)外在地下水災(zāi)害領(lǐng)域的研究工作主要有：采礦過程中地下水的運移規(guī)律和突水機理研究，工作面及礦井涌水量預(yù)測，老窿與巖溶水探測設(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、堵水截流是我國礦井防治水害的主要技術(shù)措施和重要方法，在靜水與動水條件下注漿封堵突水點、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。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，國外正在對隔水層的隔水機理、突水量與構(gòu)造裂隙的關(guān)系、高水壓作業(yè)下的突水機理以及隔水層穩(wěn)定性與臨界水力阻力的綜合作用等進行研究。34 露天轉(zhuǎn)地下開采技術(shù) 露天轉(zhuǎn)地下開采是一項龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，實踐表明，各礦山在實施這一工程時有許多共同的安全問題和采礦技術(shù)問題。包括： (1)露天爆破對地下井巷和采場工程的影響，以及地下開采對上部露天邊坡的影響。 (2)過渡時期的地下工程作業(yè)影響露天作業(yè)的正常進行和安全生產(chǎn)，露天坑底與地下采場之間留有必要的境界頂柱和礦房間礦柱。 (3)通過監(jiān)測掌握地下采空區(qū)上覆巖層的破壞機

18、制和移動規(guī)律，確保露天邊坡和生產(chǎn)作業(yè)的安全。 (4)露天采場積水涌人井下，在地下與露天溝通的井巷或采空場要采取防水措施，防止泥沙水突然涌人井下。4 今后研究方向和重點縱觀國內(nèi)外難采礦體開采的發(fā)展趨勢，今后研究方向和重點主要體現(xiàn)在如下幾個方面。 (1)針對國內(nèi)各類難采礦體的特點，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)護形式對高應(yīng)力區(qū)軟破礦巖進行地壓控制，解決難采礦體在開采過程中的地壓災(zāi)害問題。 (2)根據(jù)礦體具體的開采技術(shù)條件，將一些傳統(tǒng)的采礦方法加以改進，形成一些聯(lián)合采礦方法，用以適應(yīng)各種類型難采礦體的開采，解決采礦方法、技術(shù)指標和資源利用問

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題、巖層塌陷對地表建構(gòu)筑物的破壞問題。 (4)深井巖爆監(jiān)測和預(yù)報技術(shù)研究；通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，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，開發(fā)定位分析軟件，提高定位精度，實現(xiàn)定位的計算機自動處理。在微震監(jiān)測定位、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)測模型，開發(fā)相應(yīng)的分析軟件，實現(xiàn)預(yù)報的自動化和智能化。 (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