王鹏++陈诚
【摘 要】 随着浅部矿产资源的枯竭，大规模开发深部金属矿产资源是世界矿业发展的必然趋势，深井开采已成为我国乃至世界矿业界特别关注的问题。由于地应力大而导致地压活动频繁，地下水、地热及高额的回采成本等，严重影响矿山正常生产。为此，结合谦比西铜矿的深部开采技术实践情况，为深部开采技术应用提供借鉴和参考。
【关键词】 深部开采 地质灾害 通风 支护
随着社会经济发展，人类对资源依赖程度越来越高，但随着工业化开采，浅部资源正在面临着枯竭或消失，为了工业经济发展的需要，必须进行深部开采提高工业资源供给率，但深部开采面临着各种各样的技术难题，本论文是以赞比亚谦比西深部开采技术实践，为同行业深部开采借鉴。
1 概述
赞比亚谦比西矿隶属于赞比亚铜业联合公司，因公司经营不善破产，后为中国有色收购。谦比西铜矿属于典型的沉积岩型矿床，层理发育，按照地质赋存状态从上盘至下盘以次为石英岩（隔水层）—白云岩—矿体—下盘砾岩—泥质石英岩，总体来说矿体上盘不稳固，下盘中等稳固，此外矿山含水量较大，日排水量达到50000m3，目前开采深度已经达到900m深，属于典型难采矿体。
2 地质条件与岩石工程质量分级
2.1 岩石物理力学试验参数
根据岩石力学试验测试报告：在单轴和三轴力学试验条件下，谦比西主矿体深部岩体力学参数如表1。
以上数据表明：基底花岗岩、硫化矿、长石石英岩、底砾岩的抗压抗拉强度很高，氧化矿和泥质石英砂岩抗压强度一般，燧石白云岩抗压强度相对较差，白云岩和氧化矿抗拉强度相对较差。
2.2 现场地质力学与裂隙节理调查调查
为了反映深部岩体地质力学性质，我们调查现场，位置选定在-878ml泄水巷，根据现场岩石性质，对矿体上下盘和矿体进行现场的地质力学与节理裂隙调查，并将调查出来优势裂隙节理组反映在施密特等密面图上，（如图1）。
通过对裂隙节理调查，我们发现：泄水巷道内矿体上盘岩石层理和裂隙比较发育，节理平均密度约为18m/条，走向为180°，倾角约为80°，岩石顶板存在明显淋水；矿体下盘岩石产状较复杂，大体上被3组主要优势节理组切割，这3组优势节理分别为68°∠80°，40°∠89°，330°∠70°，3组节理组近于垂直，尤其是在距离矿体1m处，底砾岩与泥质石英岩交界处颗粒填充一层约为0.5cm～1cm厚的石英岩，易受采动影响，总的来说，矿体下盘岩体极破碎；矿体内，岩石呈层理分布，主要有有一组优势节理组，这层优势节理组与上盘优势节理组基本一致，由于矿体倾角较大，在水的作用下，容易沿着层面离层形成垮落。
2.3 岩体工程质量分级与评价
根据现场结构面调查、钻孔RQD统计、矿岩物理力学参数测试结果，采用RMR岩石质量分级打分表，对谦比希铜矿主矿体各组岩体打分评价见表2。
根据各岩层的参数的分类结果，RMR分类结果表明：长石石英岩质量中等，矿化板岩和砾岩质量差，而砂层质量很差。
根据以上岩石物理力学试验和工程地质调查表明：谦比西矿体深部岩体地质条件比较复杂，岩体稳固性为不稳固到中等稳固；由于岩体内本身强度不大，岩体中没有多余应变能，因此不会发生岩爆；深部岩体受水影响较大，在水的作用下，岩体层面之间更加光滑，工程岩体质量更加不稳固，前期开拓过程中，必须加强疏水，减小水对岩体工程质量的破坏。
3 深部开采存在技术问题
根据目前开采现状井下采矿主要存在如下几个问题：
3.1 地下水是制约井下开采最重要的因素
井下测水报告显示整个主矿体井下每天涌水量达到近50000m3，目前深部开采开拓工程基本完成，整个深部开采正在进行采准，采场已经在采用嗣后充填采矿法试生产阶段，从现场试生产情况表明：疏水工程相对好的区域，采场稳定性相对较好，采场内地压易于通过支护控制；涌水量大的采场，易冒落，采场稳固性差，施工难以控制。
3.2 地热是影响井下开采的另一个重要因素
深部开采地热问题已经在国内外形成共识：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。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%。在高温条件下，高温对井下无轨设备损害很大，发动机经常因为高温被烧坏。谦比西矿体深部开采，井下刚刚拉开的泄水巷道内温度高达42°，涌水的温度约50°，水的比热容大，放热很多，高温难以褪去，井下开采通风降温非常困难。采矿作业过程中，效率非常低，无轨设备故障骤增。
3.3 采场地压控制又是一个制约回采重要因素
工程地质实践表明：随着开采深度的增加，地应力随之增大。大多数硬岩深部在开挖后，产生明显的大变形，表现出软岩的特征；深部的岩体已经不像浅部岩体处于弹性状态，表现为明显的“塑性”状态；在一些硬岩矿山中，岩爆与冲击地压时有发生，给矿山带来巨大安全隐患。谦比西矿深部岩体也表现出与其他矿山许多相同的特征，但谦比西矿深部岩体更加破碎，冒落现象时有发生，给支护带来很大困难；与其他矿山硬岩不同的是：因岩体非常破碎，应力主要集中在竖直方向，水平方向应力较小，基本没有岩爆现象。
3.4 高额回采成本
深部岩体系统工程中高额成本主要表现在以下几个方面：
3.4.1 高额运输提升费用
随着开采深度的增加，深部岩体运输提升费用增加主要包括以下几个方面：
（1）开拓采准工程过程中，大量废石的运输与提升费用的增加；（2）矿石运输提升费用的增加；（3）地压活动更加剧烈，运输巷道的维护与保养费用的增加。
3.4.2 高额的通风降温费用
浅部矿山作业依靠风机抽压实现自然通风，但深部岩体却面临着地热、系统等各种因素的影响，仅仅依靠自然通风是不够的。因为地热等因素影响，井下通风风量从一个中段或者水平供给也不能实现理想通风；局部区域包括独头掘进以及风流分配不到的作业环境，因温度过高，还必须采取降温措施；比较恶劣作业环境比如采矿采场温度过高等区域必须采取局部制冷措施等。
3.4.3 高额的排水排泥费用
浅部大多矿山排水排泥费用不是很高，但深部排水排泥已经不再像浅部一样，因深部需要开拓工程量更大，排水量与排泥量不再是简单加和，而是呈指数的增加。这必然导致井下排水排泥费用呈指数倍增加，也是引起深部采矿成本增加的一个很重要的因素。
其次，深部地压控制引起采场支护费用也会有所增加；因深部复杂工作环境，设备折旧维修费用也会大幅度增加等。
4 深部开采井下支护技术工艺
4.1 谦比西深部开采巷道破坏机理
现场从-829ml与-865ml巷道施工实践来看，不稳固巷道破坏机理如下：巷道开挖后，由于岩体自身层理产状，冒落先从巷道壁开始片帮；顶板因帮壁片帮，暴露面积逐渐增大；在这种比较差的地质条件下，岩体本身允许暴露面积非常小，巷道顶板因暴露面积过大而冒落。在现场工程质量检查过程中，我们发现巷道交叉口处是工程质量破坏最严重区域，主要原因就是因开挖引起的应力集中和顶板暴露面积过大。同时，在-829ml采用T-100施工下向直径100mm中深孔过程中，孔内变形较大，经常出现卡钎和孔内错位现象；在爆破作用下，应力波对孔的拉伸作用很明显，孔内经常发生错位，爆破后堵孔现象频繁发生。所有现场工程实践表明：深部岩体地应力较大，岩体处于塑性状态。
4.2 谦比西矿深部开采支护工艺
谦比西深部采矿方法为空场嗣后充填法，从谦比西矿复杂的地质条件出发，根据岩体质量分级标准与岩体所处的工程条件，寻找最佳支护技术工艺，经过大量工程实践，谦比西深部开采支护工艺如下：
（1）采准分段巷道与采场联络道布置在矿体下盘花岗岩中，本层岩石属于中等稳固岩体，主要采用管缝锚杆支护，局部区域辅助金属网支护；（2）在矿岩接触带处，岩石属于不稳固到中等稳固，此处易片帮、顶板易冒落，选择管缝锚杆与长锚索支护，然后在巷道表面湿喷一层厚约3cm纤维混凝土。（3）采场内凿岩道布置在底砾岩与矿体交叉位置的岩石属于不稳固岩体，采用的主要支护方式：先管缝锚杆和长锚索支护，然后预支U型钢拱架支护，然后再湿喷一层3cm混凝土支护。
通过以上支护工艺，减少了巷道片帮与冒顶，巷道工程质量大幅度提高。深部采场因为嗣后空场法的采矿方法和上盘围岩岩石性质比较差的原因，上盘围岩垮落比较严重，回采后暴露空间体积增大，致使采场上部冒落。目前，正在试验9m长锚索支护工艺控制上盘冒落工艺。
5 谦比西矿深部采矿工艺
5.1 深部开采工艺
深部开采受开采技术条件限制，面临着许多技术上问题，必须从现场实际情况出发，摸索和寻找适合相对适合矿山的开采工艺，谦比西矿深部开采工艺有自己的特点：
（1）因谦比西矿设计采用无轨开采，开拓采用竖井和斜坡道开拓方式，各分段水平通过斜坡道相连。（2）为了节省开拓或者采准工程高额费用，必须采用高效的采矿方法。谦比西矿采用空场嗣后充填采矿法，这样可以减少分段施工以达到降低采切比实现降低采矿成本。（3）深部开拓或者采准掘进过程中，会产生大量的废石，如果这些废石不能及时利用或者通过提升到地表，将会产生高额费用。谦比西矿深部开拓过程中，优先施工一措施井，作为存储废石井，然后将掘进废石直接转运至需要充填采空区，大大节省了废石运输与提升成本。
5.2 深部通风系统
浅部通风可以通过风机抽压风实现自然通风，深部通风风阻过大，不能实现自然通风，只能通过接力实现井下通风。谦比西矿通风采用的是多级基站实现井下整体通风，但深部因温度高，一个水平供应的风量是不够的，风速太小，起不到降温的作用，后通风采用多水平混合供风方法，中央対角式布置方式（如图2所示）。采用多水平混合供风方法，增加风路正压，提高了回风风速，热量及时被带走，起到通风降温的作用。
在局部作业采场或者掘进掌子面等风路够不着的作业区域，必须采用风机局部通风，加强工作面风量循环，保证作业所需要的通风环境；在一些温度较高区域，还得采用局部制冷系统，比如水制冷系统等，降低作业面温度，生产效率也大幅度提高。
5.3 深部采矿方法
深部采矿面临着复杂的地压问题，也面临着采矿成本问题。因此，深部开采不仅要考虑采矿方法的适用性，更要注重高效性和经济合理性。深部开采中，由于不可预见的冲击地压存在，大多数专家学者倾向于充填采矿法。谦比西深部开采由于自身没有岩爆现象，但考虑到矿体含水较大和上部尾砂充填对深部危害，首先深部排除崩落采矿法，再根据岩体性质与地质品位，划分回采区域回采。将顶板可控的高品位采区采用上向分层充填法回采，保证了回采品位；矿体地质品位中等顶板不易控制的采区采用嗣后充填法回采，提高了回采效率。多种采矿方法合理采用，采矿经济效益明显提高。
5.4 深部疏干、排水、排泥系统
谦比西矿属于典型的含水较大的沉积岩型矿床，水对岩石物理力学性质和采矿影响较大，深部开拓过程中，必须先提前矿床疏干，尽可能减少水对采矿的影响，疏干工程可以采用疏干巷道和泄水孔两种方式并举使用；谦比西深部由于涌水量较大，深部排水与防水系统工程必须兼顾排水与防水，排水采用深挖水沟和预留排水泵等方式加大排水量，同时为预防生产或者事故应急，设计开挖深部储水防水系统以防止水淹；深部排水过程中，也必然伴随着泥沙，谦比西深部排泥采用造浆泵将泥沙抽至采空区或抽放至地表尾砂坝。
6 结论与建议
（1）尽管谦比西深部没有岩爆冲击地压等现象发生，国内外大多数矿山岩体硬岩中，岩爆时有发生，必须做好高应力区预警监测，及时释放岩体内部应力，防止岩爆发生。（2）深部通风和降温措施方法依然是深部开采面临最大难题，深部开采开拓与采准工程布置必须优先考虑通风系统和降温措施。（3）深部开采成本较大，采矿方法应遵循安全高效原则，尽可能提高生产效率和技术经济指标，实现经济效益最大化。（4）深部各开采系统兼顾适用与经济原则，尽可能降低系统成本，同时为采矿作业提高效率创造空间，实现效益最大化。
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