深井开采的地质环境特征

深井开采的地质环境特征

中国大部分剩余的色矿床资源正在萎缩，而且往往会加快对深部矿床资源的勘探和开发。深井开采存在“三高一扰动”的地质环境特征,具有复杂的开采技术条件。“十五”期间,国家科技攻关课题进行了“复杂难采深部铜矿床安全高效开采关键技术研究”(2004BA615A-04)。以采矿方法为核心,开展了采矿方法、爆破工艺、高浓度全尾矿充填技术、岩爆与地压监测及控制技术、地热防治与通风降温技术、信息可视化集成系统等内容的研究。现将课题研究示范性矿山冬瓜山铜矿的研究成果主要部分展示给矿业界专家学者及同行进行交流与探讨,为深井开采理论和技术的创立奠定基础。1矿体地质特征冬瓜山铜矿是国内目前开采深度达到1000m的典型大型金属矿山。冬瓜山矿床位于安徽省铜陵市狮子山矿区,是一个设计年产铜矿石330万t的特大型矽卡岩型铜矿床。1#主矿体位于青山背斜的轴部,赋存于石炭系黄龙组至船山组层位中,呈似层状产出。矿体产状与围岩一致,与背斜形态相吻合。矿体走向NE35°~40°,矿体沿走向向北东侧伏,侧伏角一般10°左右,为缓倾斜矿体。矿体两翼分别向北西、南东倾斜,最大倾角达30°~40°。矿体赋存于-690~1007m标高之间,水平投影走向长1810m,最大宽度882m,最小宽度204m,平均厚度34m。矿体主要为含铜磁铁矿、含铜蛇纹石和含铜矽卡岩。矿体直接顶板主要为大理岩,底板主要为粉砂岩和石英闪长岩,矿岩稳固,底部含铜蛇纹石遇水有风化现象,需要支护。岩石力学研究结果表明:原岩应力在方向和量级上主要受地质构造控制,最大主应力方向与矿体走向一致,为NE~SW方向,近似水平,量值在30~38MPa之间,属高应力区。矿体中含铜磁黄铁矿、顶板矽卡岩和底板粉砂岩、石英闪长岩,均有岩爆倾向。矿石平均含硫17.6%,硫铁矿中局部有少量胶状黄铁矿,开采过程中这部分矿石有氧化结块和自燃发火的可能性。矿体所处层位的原岩温度高达30~39.8℃,地表不允许崩落。冬瓜山基建和开拓过程中,在主井和-790m、-850m主回风道掘进时,发生了多起岩溶突水事故,水压高达9MPa,造成淹井等事故,严重影响了施工进度。冬瓜山矿床的矿石品位低,平均含铜1.02%,在矿体下部含有10~15m的难选蛇纹石,占储量的1/3;充填、提升、运输、通风、排水、支护等回采作业成本高,采矿强度大,对采矿及相关技术要求高。2本研究2.1现阶段空场总结及采矿方法研究2.1.1采矿方案确定根据矿床开采技术条件,考虑到矿石品位以及不同生产规模所带来的不同经济效益等因素,为达到1万t/d的生产规模,对采矿方案用“采矿方法专家系统”进行了优化选择,确定采用高效率的阶段空场嗣后充填采矿方法。为尽快建成投产,把矿体厚大、品位较高(平均含铜1.18%)、勘探程度高、产状稳定的50~58线作为首采地段。根据回采工艺和岩层控制之间的内在联系和矛盾规律构成的阶段空场嗣后充填采矿方法的逻辑结构见图1。2.1.2采场充填采矿方案根据冬瓜山铜矿床的开采技术条件,对盘区连续回采方式和盘区间暂留隔离矿柱的回采方式进行了充分比较,经研究确定盘区间采用暂留隔离矿柱的方案。设置隔离矿柱可从根本上改善矿房采场回采的安全条件,使采场回采机动灵活,简化回采工艺过程,便于大规模生产的组织和管理。在首采地段优化了采矿方案系统布置。将首采地段初步设计的12个小盘区调整为4个大盘区,分别为50~52线盘区、52~54线盘区、54~56线盘区、56~58线盘区。盘区沿矿体走向布置,长度为矿体水平厚度,宽度为100m,在盘区内垂直矿体走向划分采场。使采场长轴方向与最大主应力方向呈小角度相交,让采场处于较好的受力状态,以利于控制地压和岩爆。为简化采准工程,将大孔采场的顶部凿岩巷道和充填联络道,底部结构中的拉底和出矿水平合二为一,整个系统仅分为凿岩充填层与出矿层两层。同时,为提高充填率和改善接顶效果,在中深孔采场顶部巷道设计充填回风联络道,在单号勘探线顶板的围岩中布置一条充填联络道。为适应冬瓜山似层状缓倾斜矿体厚度变化大的特点,采用高效的凿岩和出矿设备。采用大直径深孔和扇形中深孔2种落矿方案。矿体厚度小于30m时,采用SinbaH1354、T-100电动液压凿岩台车打上向扇形孔中深孔(Ф76mm)回采;大于35m时,采用大孔(Ф165mm)回采,采用Sinba261、T-150电动液压高风压潜孔钻机向下打Ф165mm垂直深孔回采。矿体可采厚度介于30~35m时,若两侧为大孔采场,采用大孔采矿;若两侧为中深孔采场,为减少采切工程量,采用中深孔采矿。采场崩落的矿石采用6.5m3电动铲运机通过出矿进路运至盘区溜井。采场出完矿后及时充填,矿房采场用全尾砂胶结料充填,矿柱采场用全尾砂充填。根据盘区布置方式,隔离矿柱宽度考虑8,12,16,18,20m等5种方案;采场宽度考虑12,15,18m等3种方案,长度考虑50,75,90m等几个方案,分别采用平面和三维弹塑性有限元进行数值模拟计算。计算结果表明,随着矿柱宽度增加,隔离矿柱边缘出现拉应力的单元数目下降,而且大多数单元的拉应力只有2~4MPa,因此,适当增加隔离矿柱的宽度将有助于改善其受力状况;加大采场宽度,加长采场长度,采场顶板和矿房、矿柱中应力集中程度要略增大,顶板中央部位与矿柱中间将出现局部拉应力,最大值4~5MPa。90m长采场参数组合方案在受力状态上较75m采矿方案稍差,但从整体上,仅在采场和顶板的局部位置出现受力较差的情况,对采场整体稳定性影响较小,矿房与隔离矿柱在开采过程中整体是稳定的。鉴于盘区隔离矿柱和采场的结构参数要满足采掘出设备尺寸的要求,隔离矿柱宽度对其受力状态影响较大,综合考虑后,隔离矿柱宽度与矿房宽度均取18m;采场结构参数为78m(尾砂采场)或82m(尾胶采场)。2.1.3矿采顺序确定回采顺序包括盘区回采顺序和采场回采顺序。根据优化的盘区布置方式,盘区回采顺序采用沿矿体走向推进。考虑部分矿岩具有岩爆倾向性,为控制地压和岩爆,经过三维有限元数值模拟,并借鉴国外有岩爆倾向矿床开采的实际经验,从岩层控制稳定性出发,矿体总体回采顺序确定为:在垂直矿体走向方向上,由背斜轴部向两翼推进,在沿矿体走向上由中央厚大部位向两端推进,局部遇断层和岩墙等地质弱面时,由弱面向远处推进。采场的回采顺序为:在开采厚大矿段(大于50m)和先期生产时,采用“隔3采1”,其它根据施工条件和方便生产组织,尽量采用“隔3采1”,也可采用“隔1采1”的回采方式。2.1.4采矿前后采切反应冬瓜山首采地段按照优化的采矿方案研究成果进行施工和试采,实际采切比为610m3/万t,与初步设计的840m3/万t相比有很大的减小,采切工程量大大降低,达到了采矿方法优化的目的。从试验采场的情况来看,试投产采场的出矿生产能力已接近或达到2400t/d(见表1)。2.2束状深孔三维炸药袋的爆炸技术研究2.2.1药包直径和间距束状深孔爆破是以数个密集平行深孔爆破形成的叠加应力场的作用机理为基础的深孔爆破技术。束状孔爆破应力场质点速度运动情况分析表明,束状孔的单孔间距3.5~9倍的药包直径时,叠加效果较好,试验采用单孔间距7倍药包直径。N个直径为d的孔所组成的束孔,其所等效的更大孔直径D按公式计算:D=N−−√dD=Νd。采用5个直径为165mm的大直径深孔组成束孔,束间距和抵抗线为7m。依据漏斗爆破试验和小台阶爆破模拟试验,采场边帮双密集孔间距为7.0m,在采场中间部位布置束状深端帮单孔间距取孔径的21倍(3.6m)。束状孔组合爆破漏斗作用机理见图2。2.2.2爆破质量分析束状孔当量球形药包落矿试验采场为52-2#采场。充分考虑到试验采场就是生产采场的原则,进行了大直径束状深孔采场布孔及爆破方案设计。采用一个凿岩硐室布置两条凿岩巷道,束状孔在束状硐室中布置;采用5孔束状孔与边孔双孔的布孔设计,设计参数为:束孔由间距为0.825m的垂直平行孔组成,贯通凿岩硐室顶板和拉底层顶板之间,束间距为7m,侧帮边孔为双密集孔,间距为7.0m,端帮为单孔垂直平行孔,间距为3.6m。其中下向垂直深孔按布孔设计定位误差不大于5cm,偏斜率不大于1%。凿岩硐室分别布置于-687,-714,-730m水平,采场最深孔深37.7m,最浅孔深18.4m。采场共进行了10次分层和落顶爆破,分层高度为7m(见图3),落顶爆破为12~14m。通过观测,设计的爆破参数与起爆网络合理、可靠,爆破效果好,爆破大块率少,爆破后顶板平整,孔口保护好。通过束状当量球形药包采场爆破试验,该项技术取得了突破性进展,主要技术指标见表2。2.3尾砂充填采场试验研究2.3.1充填系统为确保深井高地应力矿体的开采安全,设计采用先进的高浓度尾砂充填技术,以提高充填体质量及胶结充填体强度、降低充填成本。考虑到矿山尾砂产出率高(大于80%),且尾砂粒级组成较细(d50=33~40μm),为采用高浓度(71%-74%)全尾砂浆充填采场,进行了探索性试验研究。采用国际先进的三相流态化技术及絮凝沉降固液分离技术,将选厂尾砂直接泵入立式砂仓,实现了仓顶进料和仓底放砂连续充填。一方面仓顶进料,通过絮凝沉降脱水系统,尾砂下沉,清水溢流,回选厂重复利用;另一方面,仓底采用高压水/气活化放砂,制备高浓度全尾砂浆进行充填,造浆及充填成本低。试验取得的技术指标为立式砂仓尾砂制浆流量为50m3/h,连续制浆尾砂浓度68%,间隔6h制浆尾砂浓度71%,间隔12h制浆尾砂浓度74%以上,絮凝剂添加量30~40g/t,溢流水为清水。2.4通过钻探和地压监测和控制技术研究2.4.1岩爆与地压监测系统动态针对冬瓜山地应力高有岩爆倾向的特征,建立了微震监测系统(动态)、常规应力和位移监测系统(静态)及人工观察系统的综合深井开采岩爆与地压监测系统。开展了矿山地压活动规律的研究,有岩爆倾向深井矿山采矿巷道的失稳模式分析及其控制技术研究。2.4.2从实时监测采场激发的点系统进行实时点震点设置方法冬瓜山微震监测系统是引进南非ISSI公司研制的岩爆地震活动监测系统,于2005年8月投入运行。主要由硬件及软件2部分组成。硬件系统由地震传感器、数据采集单元地震仪、井下通信控制中心微震控制器、通讯单元地面监测控制中心(网络中心)和终端用户计算机、通讯电源电缆等组成。软件系统有运行时间系统、微震处理系统、微震事件可视化及解释系统等软件。现正在24h对首采区段(50~58线)矿体开采影响范围的岩体,及其附近的采场、巷道围岩和矿柱进行动态实时监测。今后随开采范围的扩大,监测范围扩展到整个矿体的开采区域。该系统具有足够的灵敏度和精度,安装调试好后,在首采区内不同空间位置进行了直径38mm、药量2kg的点炮爆破,试验结果表明,震源的定位误差小于5~10m。通过对微震监测数据的研究,随开采的进行,得到了初步的地震活动区和采场围岩内的地震活动的空间变化和时间变化规律。研究表明,目前采区内的地震活动总体上比较平稳,岩层稳定,并主要集中在正在开采的采场和正在凿岩的凿岩水平区域,地震活动区相互孤立,地震活动对爆破活动比较敏感。研究结果对冬瓜山深井开采生产安全起到重要的指导作用,随着开采规模的扩大,为继续深入开展基于微震监测的矿山安全预警研究打下了较好的基础。2.4.3围岩应力分析为配合微震监测,掌握重点区域底部结构、隔离矿柱、相邻工程采场顶板及二步骤回采采场的地压变化规律,采用GK4300EX和KSE-Ⅱ振弦式钻孔应力计监测围岩应力的变化;采用机械式多点位移计和巷道收敛计观测岩体内部位移的变化。无论是应力、应变还是巷道收敛值,仪器刚开始监测数据时,数据变化幅度较大,达到一定时间后,逐渐趋于稳定,只是在局部地段由于采动影响应力、应变值有较大变化,但一段时间后又趋于稳定状态,即使是在变化幅度较大时,其量值仍在矿岩的强度范围之内。2.4.4巷道支护型式及参数根据岩体结构调查统计分析、数值模拟计算以及工程实际经验,针对采矿巷道不同岩体的特性、工程部位巷道的作用以及预测破坏模式,研究并提出了“喷浆、锚杆、喷-锚-网-锚索”联合支护等不同的支护型式及其参数。2.5井热治理与通风降温技术的研究2.5.1盘区风控措施为解决冬瓜山盘区复杂风网风量调控问题,利用现场实测和预测技术相结合的方法和改进的通风网络数字化方法,建立了冬瓜山盘区复杂角联通风网络数字模型,合理优化了盘区通风网络,提出了以增压调节为主的深井盘区风量调节方案,以移动式轻型无风墙节能辅扇为主的深部矿床盘区风流调控方法,形成了一套深井开采的盘区风流控制方法和控制系统。2.5.2多级机站通风系统针对冬瓜山矿的大规模、高强度深井开采的特点,采用大风量(600m3/s)多级机站的通风系统。运用通风系统风压平衡原理,合理分配各级机站风压。通过多级机站通风网络软件解算,并经过技术经济比较,首次采用一级进风机站风机风压只克服进风井筒的通风阻力;二级采区采用无风墙机站,对风量和风流起分风导向作用;其风压只克服采区风路的通风阻力;三级回风机站采用两级串联、每级由两台风机并联的串并联的结构形式,该回风机站风压克服全系统其他井巷的所有通风阻力。为了充分发挥多级机站通风系统的优越性,首次将计算机网络与通讯技术以及风机变频调速技术结合。对分布于深热条件下的大型冬瓜山铜矿井下多级机站通风系统各级机站的风机进行远程集中监控,对主要进回风巷道风流参数进行自动监测。通风系统的优化和节能控制技术,解决了国内在推广应用多级机站通风技术中设计各级机站风机压力不合理分配的问题,避免了普遍存在的多级机站通风设计方案在现场实施后,系统中进风段和需风段存在大量漏风和污风循环的现象。冬瓜山的多级机站优化,通风降温和风量的实时调控使得井下作业面温度由38℃降低到28℃,大大改善了井下作业环境和作业条件。年节省通风运行与管理成本300万元以上,经济效益显著。多级机站通风系统有效风量率≥70%,主要风机平均效率≥70%。2.6信息可视化系统实践2.6.1基于三维elaunay三角网的环境分析基于DATAMINE先进的矿山软件系统,提出了适用冬瓜山深井开采环境特点的线框和块段嵌套构模技术,在二维Delaunay三角网构模算法的基础上,对三维Delaunay三角网构建算法进行了研究,成功解决了深井开采环境可视化建模及评价的关键技术问题。以此为基础,针对冬瓜山矿床的复杂地质及工程条件,建立了冬瓜山深井开采环境三维可视化模型(线框和实体模型),包括地表、岩层、岩体、矿体、不良地质界面、井巷工程等,使得采准系统的设计能够综合考虑设备通行和工程稳定的要求,并能够在设计阶段预先制定相应的工程加固措施。2.6.2基于flac3的回采接口在对开采环境建模系统与FLAC3D系统和微震监测可视化JDI分析系统深入研究的基础上,成功开发了他们之间的系统接口。这些接口的开发,使得应用FLAC3D系统对回采方案回采过程的结构稳定性进行分析时,计算模型建立的速度、精度、准确性等能够切实反映冬瓜山矿复杂介质的实际,模拟结果的准确性得以大大提高,模拟时间得以大大缩短。同时,也使得冬瓜山矿开采环境模型与微震监测分析成果成功地结合,使微震事件与开采环境之间的关系直观明了地得以体现,方便了微震监测数据的分析和工程措施的制定。2.6.3生产采动计划以可视化开采环境模型为基础,针对井下开拓及采准、回采工程的现状,按照回采方案的最佳回采顺序,基于MINE2-4D系统,利用输入的基础数据,对冬瓜山矿首采区段编制了1a和3a的动态生产采掘计划。2.6.4e系统回采方案的确定在对DATAMINE和FLAC3D系统数据格式深入分析的基础上,开发了FLAC3D与DATAMINE和MPLAN(自主开发的)系统的接口,将DATAMINE系统中的矿床