摘要：进入深部开采后，在高地应力的环境下首先要面临巷道变形、岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾害问题。其次，岩层温度随开采深度的增加逐步上升，严重影响工人作业和设备运转。此外，深部开采面临的地质情况复杂，提升高度的增加将加大提升难度，影响生产安全，因此深部开采对深井提升技术也有更高要求。鉴于此，本文作者对国内外金属矿山深部开采现状进行归纳总结，针对深部高地应力开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深井提升等工程技术难题，从战略性的角度提出了解决深部开采难题的关键工程科技发展战略。
关键词：金属矿；深部开采；现状；发展战略
1深部开采主要技术难题
1.1高地应力引发的开采动力灾害
深部高地应力场引起岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾害，严重威胁深部开采安全。地应力随深度的增加以线性的速率增加。岩爆是采矿开挖引起的扰动能量在岩体中聚集和突然释放的过程。地应力越大，开采扰动能量越大，岩爆发生概率和震级越大。我国地下金属矿进入深部开采的时间较晚，上世纪进入深部开采的矿山很少，因此观测到岩爆的矿山很少，时间较晚，规模也不大。红透山铜矿20世纪80年代开采到400m时，就发生过轻微岩爆，开采深度达到700m后岩爆逐渐频繁发生，1999年发生了2次较强岩爆，破坏力相当于500～600kg（TNT当量）。冬瓜山铜矿1999年发生了较强岩爆，造成大量锚杆钢筋网破坏。到目前为止，我国发生过显著岩爆的地下金属矿山有8个。
1.2深井采矿的提升能力和提升安全问题
提升是采矿过程中与开挖同等重要的一个环节，随着开采深度增大，提升高度成倍增加，不但使生产效率大幅度下降、生产成本大幅度增加，而且对生产安全构成严重威胁。
我国矿山普遍采用摩擦轮多绳提升机，在深度小于1000m的范围内，采用这种提升技术是最经济和高效的。2000年以前，我国地下矿的开采深度绝大多数在800m之内，很多位于500～600m。在这个深度范围，采用传统的摩擦轮多绳提升机，提升效率、成本、可靠性、安全性都是有保证的。但是，进入深部开采后，随着提升高度的增加，钢丝绳需要不断加长，这种提升技术就会在提升能力、安全性和运行成本方面遇到许多困难。根据各国的统计资料，摩擦轮提升机在井深超过1800m后将不能使用，主要问题在于：超1800m深井中使用时，由于钢丝绳加长，提升负荷增加，钢丝绳的重量可能超过提升容器装载的重量，从而使提升能力大大降低；钢丝绳加长后，其惯量大大增加，给提升运行的稳定性控制造成困难；钢丝绳加长后，尾绳长度的变化越来越大，导致钢丝绳因张力变化过大，较早出现断丝且不均匀，钢丝绳有效金属截面减小，抗拉强度降低，钢丝绳寿命急剧下降，成为制约摩擦轮提升机提升安全与效率的主要因素。
为了克服摩擦轮提升机的不足，英国的布雷尔研发出多绳缠绕式提升机。多绳缠绕式提升机解决了多绳摩擦提升机在深井提升中存在的尾绳问题，不仅可用作双容器多水平提升，而且可用于井筒掘进，少了尾绳，容器底部还能悬挂设备和材料，目前该提升设备主要在南非应用。
2解决深部开采难题的关键工程科技发展战略
2.1深部开采动力灾害（岩爆）预测与防控
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。岩爆发生必须具备两个必要条件：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冲击性；二是采场围岩必须有形成高应力集中和高应变能聚集的应力环境。因此，岩爆预测研究应与开采计划结合，从刚度、强度、能量、岩体损伤等多方面入手，定量分析定性预测。对于岩爆防控，首先改善采矿方法，优化开采布置、端面形态的方法，避免开采过程中应力过于集中，减少扰动能量聚集。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其次，采用防治结合的支护方式，包括提前应力解除爆破，改善围岩的物理力学性质，喷、锚、格栅、钢架加固围岩等措施。
综上所述，目前在岩爆诱发机理和预测理论上的研究已经取得重要进展，但在岩爆实时监测和精准预报方面还缺乏可靠技术，准确的岩爆实时预报，特别是准确的岩爆短期和临震预报还难以做到。对此应该在超前理论预测的基础上，除了采用传统的应力、位移、三维数字图像扫描（3GSM）、声波监测、微震监测等手段外，还需进一步研究新的探测技术和方法，精准监测深部开采过程中岩体能量聚集、演化、岩体破裂、损伤和能量动力释放的过程，为岩爆的实时预测预报提供可靠依据。
2.2深井降温与热害治理
人工制冷降温技术是目前金属矿山应用较为广泛的降温技术，主要有水冷却系统和冰冷却系统两类。水冷却系统按冷却机组布置方式可分为：地面集中式，地面排热井下集中式，回风排热井下集中式。地面集中式的优点是设备安装维护方便、安全可靠、冷凝热排放方便，缺点是供冷管道长冷损大、经济性差。地面排热井下集中式的优点在于系统简单、供冷管道少、冷损小，缺点是需在井下开凿大断面硐室、制冷站建在井下设备安装维护不方便。冰冷系统是在地面建造制冰厂制取粒状冰或泥状冰，通过风力或水力运送到井下融冰装置，完成空调水的换热。非人工制冷和人工制冷技术均为被动降温。为了提高深井降温效率，应该着力发展主动降温技术。具体包含以下两个方面：
深井高温岩层隔热技术。深井高温岩层热辐射是造成井下温度高的主要原因，因此研发新型隔热材料，采用新工艺、新技术对巷道进行热隔离，并辅以人工制冷降温技术，可以取得良好的降温效果。
深井地热开发技术。地热是一种天然能源，在深部开采过程中采用热交换技术，可以对岩层中地热资源开发利用。如果将深部地热开发与深井采矿联系起来，可以大幅抵消降温成本，实现能源利用与资源开发的双赢，为采矿深井降温找到一条具有颠覆性且经济有效的技术途径。
2.3深井提升技术
当提升高度超过3000m或4000m后，有绳提升技术由于钢丝绳造成的大负荷、大惯量、大扭矩将是无法解决的问题。为此，必须研发无绳垂直提升技术。如直线电机驱动，磁悬浮驱动提升技术等。永磁直线同步电机工作原理与旋转永正弦磁同步电机工作原理相类似。如图所示，当电机初级单元内通入三相对称的电流后，在中气隙产生一个磁场，此气隙磁场沿直线方上呈正弦分布，峰值随着时间平移，称为行波磁场。行波磁场与永磁体建立的磁场发生作用便产生电磁推力，在这个电磁推力的作用下，实现罐笼直线向上移动。
传统的箕斗、罐笼等提升方式，都是机械提升方式，除向无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术发展外，欧盟国家前些年还曾试验开发水力提升技术。这种提升方式在井下对矿石进行粗选、破碎和磨矿，之后用泵扬送到地面选矿场，可大幅降低提升成本，实现废石不出坑便于井下充填，同时也减少了环境污染，为建立“无废矿山”创造条件。由于无需开挖竖井，不仅减少了井巷工程的投资和维护费用，而且提高了采矿工程的安全性。德国的普鲁萨格金属公司和瑞典基律纳铁矿是水力提升系统的先行者。进入超深开采之后，水力提升必须分多段提升才能完成，这也制约了水力提升的效率和提升高度，真正能够实现无高度限制是无线直线电机驱动垂直提升技术。无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术，设备小，运动灵活，效率高，无提升高度的限制，是适合超深井提升的技术和设备。
结论
由上可知，对金矿开采的高效率与高质量对我国后期的建设发展具有非常重要的意义，然而我国的矿脉开采的质量与效率处于发展阶段，尚且存在着一些不足，这主要是因我国的地质、环境等因素以及开采时使用的采矿方法选择错误而导致的。所以，有效的勘查地质以及文化，对做好金矿采矿方法的优化选择尤为重要。同时，开采前还需要对金矿的结构进行调研，并综合利用技术经济分析比较法、模糊数学法等来进行选择工作。同时，在这一过程中，也要特别注意方法实验、方法创新等方面的问题。
参考文献：
[1]闻明.关于金矿采矿方法的优化选择思考[J].科学技术创新，2018（14）：56-57.
[2]黄武胜.阿勒泰某金矿采空区稳定性评价与采矿方法优化研究[D].北京科技大学，2016.
论文作者:张本乐,郑振
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：深井论文; 技术论文; 深部论文; 应力论文; 钢丝绳论文; 井下论文; 地热论文; 《基层建设》2019年第15期论文;