摘要：随着经济和科技水平的快速发展，在调研国内外众多金属矿山和收集大量相关文献的基础上，综述了国内外金属矿山开采现状及研究进展，聚焦深部开采主要工程技术难题，从开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深井提升，提出了解决我国深部开采难题的战略建议。
关键词：深部开采；动力灾害；高温热害；深井提升；战略建议
引言
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。
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。
1.2深井开采中的高温环境与热害治理
地下岩层温度随着矿井开采深度的增大而升高。据统计，常温带以下，深度每增加100m，岩层温度一般将提高1.7-3.0℃左右。通常情况下，千米以上的深井，岩层温度将超过人体温度，如南非西部矿井，在深部3000m处，岩层温度最高可达80℃。目前，我国开采深度超过1000m的地下金属矿山已达16个，开采深度超过700m的地下金属矿山有100多处。据各地统计资料，开采深度超过700m的矿井的岩层温度大都超过35℃，有的接近40℃，最高的达到近50℃。如：安徽罗河铁矿，在700m的深度，东部测得的岩温值为38℃，西部为42℃；广西河池高峰锡矿700m深度达到40℃；山东三山岛金矿825m深度达到38.5℃；安徽庐江泥河铁矿870m深度达到40.9℃。这样的温度值远远超过我国《地下矿山安全规程》规定的“采掘工作面空气温度不得超过28℃”的标准。高温导致工作面条件严重恶化，给设备的安全运行、生产效率、工人的健康、劳动生产率等带来严重影响。当地下作业环境温度过高时，地下作业人员的注意力、判断和协调反应能力会降低，影响工人的工作效率，严重的将导致事故的发生。据统计资料，矿内环境气温超标1℃，工人作业劳动生产率会下降7%-10%。因此，必须采取有效的降温措施，井下工作面环境保持合理的温度和湿度，才能保证深部地下开采的正常开展。
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1.3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。
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
金属矿山深部开采动力灾害包括：岩爆、塌方、冒顶、突水等，以岩爆为重点。岩爆是在地应力的主导下发生的采矿动力灾害，是采矿开挖形成的扰动能量在围岩中聚集、演化和在围岩出现破裂等情况下突然释放的过程。地应力存在于地层中本处于自然平衡状态，开挖扰动引发地应力释放，形成“释放荷载”导致围岩变形和应力集中。当岩体中聚集的变形势能达到一定程度，在一定条件下突然释放产生冲击破坏，就形成了岩爆。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。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
我国对矿井降温技术的研究开始于20世纪60年代，1964年淮南九龙岗矿第一次使用了矿井局部制冷系统。目前国内外常见的深井降温技术可分为非人工制冷降温技术和人工制冷降温技术两类。非人工制冷降温包含热源隔离、预冷岩层、填充采空区等多种方法，但应用最多的是矿井通风系统。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。若将风流预冷后送入井下，通风降温效果会更好。但它的缺陷在于降温成本较高、降温能力小，如果矿井热害严重，很难满足需求。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。
结语
当前我国正处在工业化、城镇化快速发展的关键时期，对矿产资源的需求日益增加。随着浅部资源的日益枯竭，我国金属矿已进入向深部开采全面推进的阶段。本文作者通过对国内外金属矿深部开采现状的调研，归纳总结了深部开采主要工程技术难题，提出了解决深部开采难题的发展战略。
参考文献：
[1]胡社荣，彭纪超，黄灿，等．千米以上深矿井开采研究现状与进展．中国矿业，2011，20（7）：105）.
[2]王琼杰． 如何实现深部开采技术的“弯道超车”［J/OL］． 中国矿业报（2017 -- 01 -- 06）［2018 -- 11 -- 08］.
论文作者:杨天清
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/29
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