我国冶金矿山复杂难采矿体开采技术现状与展望

1、我国冶金矿山复杂难采矿体开采技术现状与展望张传信，郭金峰，远洋(中钢集团马鞍山矿山研究院， 安徽马鞍山市243004)摘要：详细介绍了金属矿山中复杂难采矿体的类型和特征，指出了不同类型的复杂难采矿体开采中存在的主要问题，并对国内外复杂难采矿体研究的进展和发展趋势进行了总结和概括，指出了未来研究工作的重点和主攻方向。关键词：复杂难采矿体；开采技术；发展趋势；地下水；岩爆1 复杂难采矿体的类型和特点 我国的矿山开采以地下开采为主。据对1173家国有大中型矿山调查，地下开采矿山数量占6889。目前，我国已查明铁矿产地1834处，累计探明铁矿石储量50478亿t，扣除历年来的开采和损失，尚有保有储量4

2、4347亿t。2003年全国地下铁矿石产量4430万ta，其中难采铁矿石产量1500万ta，占总产量的34。据统计，我国尚有各类地下复杂难采铁矿石储量约85亿t，上述总储量中属形态复杂多变型和矿岩不稳固型的储量占大多数。在16座重点铁矿山中，属难采矿山的占13。所谓的复杂难采矿体是随着科学技术的发展而不同。11 1980年代前难采矿体特征 20世纪在我国黑色地下难采矿山中，最有名的是“两洼一店一门”即张家洼铁矿、玉石洼铁矿、金山店铁矿和西石门铁矿；其次是湖北程潮铁矿、四川綦江铁矿、山东莱芜铁矿、浙江漓渚铁矿、陕西略阳阁老岭铁矿和南京冶山铁矿等；另外一些铁矿山从总体上不算难采矿山，但局部有一些难

3、采矿体，如酒钢镜铁山的 一矿体，弓长岭铁矿(井下)的西矿区等。上述难采铁矿山的主要地质特征是：矿、岩松软破碎，特别是近矿围岩节理裂隙极其发育；矿体形态复杂，多呈似层状、透镜状，矿体内穿插围岩夹层，顶底板起伏变化大。上述难采铁矿山开采多表现出：巷道掘支十分困难，巷道和采场垮冒严重；矿石损失和贫化大，资源回收率低；生产能力及产量低，与设计生产规模相差甚远；作业安全性差等。针对复杂难采矿体存在的技术难题，“七五”期间原冶金部组织了国内著名的大专院校、科研院所开展重点攻关，取得了良好的技术经济效果，为难采矿体开采开辟了新的途径。12 目前难采矿体的类型与特点 20世纪80年代后期以来，国民经济持续稳定

4、的高速增长需要消耗大量的矿产资源，同时我国采矿技术和选矿技术也得到突飞猛进的提高，以前认为不能开采的、开采价值不高的矿体纷纷上马开采，部分20世纪六、七十年代建设的矿山相继进入深部开采，部分露天开采矿山转入地下开采，特别是在一些国有矿山周边民采乱采滥挖留下了大量的不明采空区，成为影响矿山安全生产的最主要的危害源之一；从而带来开采中出现一些新的技术难题，出现新的复杂难采矿体。 (1)厚大第四系(含流沙层)下矿床。如安徽霍邱地区的铁矿床、淮北地区的铁矿床、山东莱芜地区的莱芜、固家台等矿床、河南许昌武庄、磨李、翟庄和岗河矿床，等等。其特点是：缓倾斜一极倾斜矿体，矿床上部为巨厚的第三、四系松散沉积物，

5、地表地形平坦，多为大量的耕地、水田，地表不宜塌陷。 (2)大水矿床或河床下矿床。在长江流域、淮河流域的铁矿床以及河北北铭河铁矿等矿床，等等。特点是：矿床周围存在富含水层，甚至矿床上方存在地表水体，开采时水大。 (3)深井矿床。由于采深加大，地层压力随之增大，由此引发的岩爆(矿震)必然逐渐增多。如红透山铜矿目前开采已进入9001100 m深度，在1999年发生的一次中等程度的岩爆，即导致近100m长的斜坡道一次性崩塌报废和部分采场停产。 (4)采空区环境中的残留矿体。其赋存特点是：周围存在大量的采空区(多数是不明采空区)，开采环境恶化，造成矿柱变形破坏，相邻作业区采场和巷道维护困难等地压现象；同

6、时引发大面积冒落和岩移，引起地表塌陷；空区突然垮塌的高速气浪和冲击波造成人员伤亡和设备破坏；采空区老窿的积水，形成突水隐患等，给生产和安全带来严重威胁。 (5)矿(岩)松软破碎矿体。特点是：矿体本身松软破碎，围岩不稳固，特别是近矿围岩，节理裂隙极其发育，巷道掘支十分困难；矿体形态复杂，多呈似层状、透镜状，顶底板起伏变化大。 (6)露天转地下开采的矿体。露天开采留下的高大边坡以及露天转地下开采衔接时出现的边坡稳定性、巷道地压问题以及暂留底柱的稳定性问题，一直是制约着地下开采的安全问题。2 复杂难采矿体开采中存在的主要问题 (1)开采方法问题。由于矿床赋存条件复杂，矿体开采受多种因素限制，边界条件

7、多，可供选择的采矿方法受到限制，采矿效果较差。 (2)地压灾害问题。复杂难采矿体地压环境一般比较复杂，特别是深井矿床，采场地压、区域地压等变化强烈，经常发生局部或区域性的地压灾害，致使岩层控制及采空区处理困难，甚至某些矿山因大规模的地压活动影响地表建构筑物的安全。 (3)开采顺序及采场结构参数。由于该类型矿体开采工程地质环境较差，在采场布置方式、采场参数选择上较为困难，致使矿石开采效果指标较差；并可能由此而造成矿山地质灾害事故的发生。 (4)资源利用效果不理想。由于目前该类矿体开采没有较为成熟、可行的技术，开采时造成了大量的矿产资源浪费，而且该类矿体一旦进行了开采并造成资源丢弃后，基本上无法再

8、进行回收，其资源的损失将是永久性的。 (5)露天开采留下的高大边坡以及露天转地下开采衔接时出现的边坡稳定性、巷道地压问题以及暂留底柱的稳定性问题。 (6)地表塌陷危害性问题。松软破碎矿体开采，最终将形成采空区影响到地表的破坏。如程潮铁矿东区自1958年基建以来，受地下开采及地下水疏干等因素的影响，在地表已产生十几个不同时期、不同规模、不同原因所引起的塌陷坑和错动区；鲁中冶金矿业集团公司的小官庄铁矿因井下开采引起地表塌陷变形，导致主副井井筒变形影响正常生产：梅山铁矿地处南京市郊区，随着南京市城市建设的步伐加快和南京市第三长江大桥建成通车，梅山铁矿区已被列入南京市社会和经济发展规划，在梅山铁矿区塌

9、陷区范围规划多条城市道路、周围有居民区，此外，矿区毗邻秦淮新河，且雨水充沛，这样在梅山铁矿区存在道路、建筑物和秦淮河等对开采不利条件，给梅山铁矿今后的开采造成了极大的难度；而“三下”矿体(包括厚大第四系岩层、流沙含水层和大水矿床等)的开采，由于上覆岩层的特殊性，需要严格控制其塌陷范围和高度，确保矿山开采的安全，但对于这类矿床的开采，目前国内还没有成熟的成套矿山开采技术，存在的困难较大。 (7)对地质和自然环境的破坏日趋严重。采矿形成大量的采空区，如不及时进行充填，可造成地表塌陷、山体崩塌，财产和生命遭受损失；采矿导致区域性水位下降，地表水和地下水动态平衡系统遭到破坏，以致水源枯竭和河水断流，地

10、表沉降，对人们的生活和农业生产造成不良影响；自然景观、地形地貌、土地山林也受到破坏。此外，废石与尾矿堆置需要投入大量的建设资金和运营费用，使矿山企业经济效益下降。矿产资源开发造成的负作用，其根源在于地下资源被采出的同时形成采空区及废弃物(包括废石、尾矿等)在地表堆置造成的。因此，如果采用不产生废弃物或产生废弃物量少的采矿新工艺技术，并将废弃物及时返回地下充填采空区，则对自然环境的破坏也会相应的减小。 (8)我国矿山地下水灾害非常严重，其主要表现形式为突水淹井、海水入侵、地下水水位下降、产生井下泥石流等。3 复杂难采矿体开采技术现状与发展趋势31 深井岩爆发生机理与防治技术 在20世纪，国内进入

11、深部开采的矿山不多，主要有石嘴子铜矿和红透山铜矿，其中石嘴子铜矿于1969年已经闭坑，红透山铜矿也接近后期开采。随着国内金属矿山的开采深度不断增大，一些矿山也相继进入中深部开采，国内一些科研单位相继进行了深部矿床开采的前期探索性研究，但工业应用试验研究基本还是空白。在岩爆发生机理研究方面，国内外着重对岩石的岩爆特性和产生岩爆的应力条件进行了较多的研究，并取得了一系列成果。通过实验室试验，从微观结构上和声发射特征等方面可以判定岩石是否具有岩爆性质，并划定岩爆可能性等级。结合岩石所处的应力状态，判定岩石是否会发生岩爆。在岩爆防治工程应用方面，主要对采矿引起的应力集中和能量聚积原因，以及如何防止应力

12、在局部高度集中和阻止岩爆发生，开展了初步的探索和实践。如优化采矿顺序和采场结构形式防止围岩岩体和待采矿体中出现大的应力集中，采用充填方法充填采空区缓和应力集中程度和岩爆造成人员伤害。很显然，对采矿引起的岩爆发生机理，或者说采矿引起的能量集聚或消散过程、规律，人们还远未掌握。尤其是在工程应用中如何防止岩体中能量在局部高度聚集，如何平稳地释放聚集在岩体中的巨大能量，并最终阻止灾难性岩爆的发生，以及如何监测岩爆的发生、预测岩爆发生的部位和程度，技术手段贫乏，具体实施困难。32 地表沉降、塌陷防治技术采矿引起的地表沉降塌陷主要是由于采空区塌陷(空场采矿法矿柱支撑系统崩溃造成采空区顶板垮冒，崩落采矿法崩

13、落顶板岩石形成覆盖岩层)造成的。与煤矿相比较，非煤固体矿山矿体开采多属于非充分开采，地质条件复杂多变，地表沉降、塌陷多具有局部性、突然性、随机性，规律性较差。因此，对采矿引起的地表沉降、塌陷，国内外开展的研究工作都较少。国内只有长沙矿冶研究院和马鞍山矿山研究院等研究单位在莱芜小官庄铁矿、南京梅山铁矿、铜陵狮子山铜矿、铜山铜矿、南京铅锌银矿等矿山，开展过一些地表沉降观测和研究工作，取得了一定的经验和有限的成果。对崩落采矿引起的地表沉降，着重研究了地表沉降随地下采矿的推进、扩展而发展变化的规律，以及沉降量与采矿下降延深的关系，预测未来采矿形成的地表沉降范围等；对空场法采矿形成采空区而引起的地表沉降

14、，着重对采矿可能引起的地表沉降动态进行监测、预警，防止突然垮冒危及地表人员与设施安全。研究手段主要有地表水准测量、数值模拟计算分析、室内物理模型试验、经验类比等。对于采矿引起的地表沉降和塌陷的治理，国内外现今最常用的方法是对采空区进行充填和对塌陷区进行压力注浆。值得关注的是，近二三十年来国内外对尾砂充填采空区防止地表沉降和塌陷给予了高度重视，开展了大量的研究与实践工作。除了用分级尾砂或尾砂胶结充填采场进行采矿(充填采矿)外，鉴于尾砂堆置在尾矿库占用田地、破坏环境且建设尾矿库投资巨大，很多研究与生产单位开展了用全尾砂充填采矿形成的采空区或塌陷坑的研究工作。如马鞍山矿山研究院在马钢桃冲铁矿开展了尾

15、砂充填地表塌陷坑的研究、在南京铅锌银矿和铜陵狮子山铜矿开展了全尾充填采空区的研究等。其中铜陵狮子山铜矿东、西山采空区容积达300万m以上，用尾砂充填采空区不仅可缓解尾矿库库容不足的矛盾，而且可节省大量建设资金，减少对环境的污染，可谓一举数得。在未来的研究工作中，如何有效快速地实现尾砂充填的水、砂分离，提高充填效率、效果，防止井下水的污染，使全尾砂充填采空区的方法取得成功并在实践中得以推广应用，仍需进行艰苦的试验研究工作。33 地下水灾害防治技术 地下采矿引起的地下水灾害，包括地下突水和地下水位下降两个方面，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态破坏等。例如，1994年底铜陵

16、冬瓜山铜矿井筒在施工中多次被突水淹井；2000年广西南丹矿发生特大突水事故；山东莱芜矿谷家台二矿区1999年发生的特大井下涌水事故；湖北程潮铁矿、江苏梅山铁矿曾多次发生井下泥石流事故；等等。国内外在地下水灾害领域的研究工作主要有：采矿过程中地下水的运移规律和突水机理研究，工作面及矿井涌水量预测，老窿与岩溶水探测设备与技术，裂隙或构造带涌水通道堵截技术及材料等。疏干降压、堵水截流是我国矿井防治水害的主要技术措施和重要方法，在静水与动水条件下注浆封堵突水点、矿区外围注浆帷幕截流等都有比较成熟的方法和经验。从1960年代起在徐州、枣庄、新汶等煤矿和张马屯铁矿、水口山铅锌矿等不同水文地质条件下的灰岩地

17、层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。为充分利用隔水层厚度，减少排水量，国外正在对隔水层的隔水机理、突水量与构造裂隙的关系、高水压作业下的突水机理以及隔水层稳定性与临界水力阻力的综合作用等进行研究。34 露天转地下开采技术 露天转地下开采是一项庞大而复杂的系统工程，实践表明，各矿山在实施这一工程时有许多共同的安全问题和采矿技术问题。包括： (1)露天爆破对地下井巷和采场工程的影响，以及地下开采对上部露天边坡的影响。 (2)过渡时期的地下工程作业影响露天作业的正常进行和安全生产，露天坑底与地下采场之间留有必要的境界顶柱和矿房间矿柱。 (3)通过监测掌握地下采空区上覆岩层的破坏机

18、制和移动规律，确保露天边坡和生产作业的安全。 (4)露天采场积水涌人井下，在地下与露天沟通的井巷或采空场要采取防水措施，防止泥沙水突然涌人井下。4 今后研究方向和重点纵观国内外难采矿体开采的发展趋势，今后研究方向和重点主要体现在如下几个方面。 (1)针对国内各类难采矿体的特点，采用成熟的、系统的研究方法，如喷射水泥砂浆、锚杆、锚索、金属支架、采空区充填等多种支(维)护形式对高应力区软破矿岩进行地压控制，解决难采矿体在开采过程中的地压灾害问题。 (2)根据矿体具体的开采技术条件，将一些传统的采矿方法加以改进，形成一些联合采矿方法，用以适应各种类型难采矿体的开采，解决采矿方法、技术指标和资源利用问

19、题。 (3)松软破碎矿体和“三下”矿体(厚大第四系岩层、流沙含水层和大水矿床等)的开采，采用新型的综合采矿技术和岩层控制技术，解决岩层变形与控制问题、岩层塌陷对地表建构筑物的破坏问题。 (4)深井岩爆监测和预报技术研究；通过室内和现场试验，研究岩体声传播和衰减特性、微震震源定位方法和微震声波传播频谱特征与岩爆发展和发生的关系，开发定位分析软件，提高定位精度，实现定位的计算机自动处理。在微震监测定位、微震声波频谱特征研究基础上，用传统方法和现代非线性理论相结合的方法，建立岩爆发生与程度预测模型，开发相应的分析软件，实现预报的自动化和智能化。 (5)利用3S(RS、GPS、GIS)技术，即遥感、全球定位系统和地理信息系统构成了现代地球信息科学技