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摘 要: 近年来镍矿以其复杂的工程地质条件和碎胀蠕变的岩石力学特性 , 一直受到国内外采矿工程和岩石力学界的关注。随着开采深度接近 700m, 矿山采掘强度和开采范围的逐步加大 , 由于深部矿岩破碎程度、构造应力及采动压力均有增大趋势 , 对开采矿带来很多困难和安全隐患。文章在系统分析广西进入深部开采所面临的巷道稳定性、采场稳定性以及岩层移动等主要问题的基础上 , 提出了解决广西深井高应力条件下采矿问题的关键技术思路和方向。
关键词: 镍矿; 潜在问题; 关键技术
镍矿由于矿岩破碎、构造应力及采动压力较大 , 属于难采矿体 , 一直受到国内、外采矿工程界和岩石力学界的关注。随着开采机械化程度的提高和矿山产能的扩大 , 金矿山采深接近700m , 步入深井开采的行列。随之而来的地应力增大 , 深部岩石力学问题、巷道的稳定性问题、采场的稳定性问题、深部地压控制技术问题、大面积采掘均衡和安全生产问题日显突出 , 对开采的影响也越来越严重。因此 , 借鉴国内外先进技术, 并总结广西矿区大面积多中段无矿柱连续开采的经验 , 深入分析深部矿床的开采技术条件, 揭示深部采场地压活动规律 ,科学指导广西矿区深部开拓系统的布局以及开采方案进行优化 , 并对开采过程中潜在危害进行预测、评价和预防 , 确保广西矿山安全、经济、高效生产和可持续发展。
1广西矿山深井开采的潜在问题
1.1深部巷道变形破坏特征
矿山深部巷道围岩变形与破坏主要受三方面的因素影响: 其一是地质条件影响; 其二是构造应力及采动压力影响; 其三是巷道工程形式构造应力及采动压力影响; 其三是巷道工程形式及布置方式。
受上述因素影响 , 其巷道收敛变形具有如下特点：
(1) 由于原岩应力高且以形变压力为主 , 开挖卸荷迅猛 , 来压快 , 故高应力软岩巷道初期变形速率很大。
(2) 变形持续时间长 , 巷道围岩流变特征明显。
1.2巷道失稳破坏模式分析
矿山深部巷道主要是受应力控制而发生变形破坏。对于深埋巷道或处于采场应力集中区的围岩 ,由于受高应力环境的挤压、使围岩中的结构面的结构效应显著降低 , 甚至不起作用。而在高应力环境中的围岩受挤压屈服、剪切滑移影响 , 产生围岩破碎张裂和塑性变形 , 从而导致巷道底谷、断面收缩 , 甚至片帮或垮冒。变形地压的显著特点是四周受压 , 且在初期 ,变形地压与阻止围岩的变形量成正比 , 即支护结构刚度越大 , 变形地压越大。随着围岩变形的增加 , 其地压也随之减小。同时 , 围岩变形能量释放的过程也是围岩本身强度降低的过程。当围岩变形发展到一定量值时 , 围岩强度发生急剧恶化 ,不能自稳 , 围岩就容易以垮冒、底谷或者两帮挤进等形式发生变形破坏。
1.3 采场的稳定性问题
目前,矿山两个潜在的采场稳定性问题是:
(1) 充填体整体滑移失稳
在大面积无矿柱连续开采的情况下 , 充填体与围岩之问的剪切力是维持充填体稳定的重要因素。由于充填体与围岩的接触面是一个弱面 , 该面的抗剪强度有限 , 因此 , 一旦接触面上的抗滑阻力小于充填体的重力时 , 充填体就会沿接触面发生滑移失稳 , 而且 , 随着开采水平的延伸 , 这种潜在的危险也随之加大。
(2) 矿柱失稳破坏
根据矿山1矿体采取 400 m 中段和 550 m中段同时开采。随着 550 m 中段采矿的推进 ,650 m 与550 m 之问的矿柱逐渐变薄 , 矿柱所承受的地应力却在增大 , 承载能力达到了极限 , 保安矿柱的整体性、连续性已被破坏。因此 , 在随后的开采中 , 保安矿柱底部新出露的部分 , 由于无法与已经破坏的保安矿柱旧的部分协同抵抗外力 , 将会依次迅速进入塑性破坏状态。现阶段的水平矿柱 , 承载穿脉方向上压力的能力已达极限 , 承载能力还会因为矿岩屈服后的强度弱化效应而降低。矿体的水平矿柱、保安矿柱的岩体质量较差 , 给安全回来两柱带来极大的安全风险。
2岩层移动对采矿工程的影响
地表开裂沉降明显, 岩体移动盆地变形程度加大尽管矿山采用充填法开采 , 但地表已经出现明显的张裂缝和岩层错动痕迹 , 这表明采场上覆岩层移动已经发展到地表 , 并将随着开采深度的增加有不断增大的趋势。从目前的研究成果来看: 充填法开采可以减小岩体移动 , 滞缓了岩层的进一步破坏 , 但是并不能完全控制岩体的变形与破坏。
3 深井开采的关键技术与对策
3.1深部巷道围岩支护成套技术研究针对矿山深部巷道的稳定性问题,要根据矿山深部巷道围岩的岩石力学特性,借鉴国内外支护技术先进经验,深部巷道围岩支护将以锚杆支护动态信息设计法为特色。采用高强度高刚度预应力锚杆支护系统 , 实现一次支护技术 ,有效控制围岩变形与破坏,避免二次支护和巷道维修。高强度高刚度预应力锚杆成套支护技术将是矿山深部巷道支护技术今后的发展方向,同时,探索并研发适用于深部巷道支护的施工机械 , 以保证该套技术的顺利实施。
3.2深井开采方案决策与开采工艺优化深部开采方案的决策是另一关键性课题。它不仅涉及经济、技术问题, 还与环保、安全、管理等问题密切相关。进一步优化矿山深部回采工艺、进一步完善管理机制意义重大。对于深部开采方案的决策 , 应考虑以下三个方面的问题:(1) 资源的损失与贫化 , 提高劳动生产率 ,降低采掘生产成本。(2) 采场地压控制。运用适合于深部矿岩特点的采场地压控制技术 , 降低巷道返修频率 ,延长巷道服务年限 , 确保采场正常生产 , 提高采矿综合效益。(3) 采矿生产能力。扩大采矿生产规模必须采用相应的采掘和出矿设备 , 巷道断面尺寸也必须与之相配套。从巷道的稳定性考虑 , 巷道断面越大 , 其稳定性越差。所以必须提高巷道的支护强度 , 从而会增加支护成本 , 降低采矿经济效益。如何解决扩大生产规模所带来的巷道稳定性问题 ,是采矿设计应考虑的问题。
3.3深井开采岩层移动及其对井巷工程的影响采场岩层的变形方式和剧烈程度影响着采场的地压显现 , 而采场的地压显现方式又改变和影响着岩层的移动范围和规模 , 同时影响矿山开拓系统工程的总体布置。由此可見 , 研究和揭示岩层移动规律 , 是优化开拓工程设计 , 探索最佳开采方案和回采工艺 ,提高采场巷道工程稳定性的关键技术之一。这主面的问题: 一是支护型式和支护参数; 二是支护成本; 三是工程长期稳定性评价与预测。这三个方面的问题既相互影响又相互对立。研究的目的就在于协调他们之间的关系 , 寻求经济、可靠和方便施工的支护方案和最优支护参数 , 确保采矿工程的稳定性。
4、总结
当前矿山面临着深井开采所带来的一系列问题。要实现矿山深部矿体的安全、高效低成本开采，必须坚持走科技创新之路 , 吸收和消化国内外先进采矿技术和经验 , 进一步科学决策深部开采方案 , 优化开采工艺 , 重视深部巷道围岩支护成套技术的研究与应用 , 统筹规划深部开拓巷道和开采顺序; 关注深部开采岩层移动规律以及对井巷工程影响的探索研究 , 积极开展深部开拓工程的稳定性控制技术研究与长期稳定性预测 , 将对矿山深部高应力高强度采掘条件下的矿山可持续发展 , 具有深远的科学意义。
参考文献
[ 1 ] 吴爱祥, 李宏业, 等. 金川矿山深井开采面临的问题及对策 [J]. 矿业研究与开发, 2002 , 22 (6) : 13 - 15.
[ 2 ] 周青, 杨新安, 高艳灵, 等. 金川不良岩体分类及其巷道支护研究 [J ]. 辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) ,
2002 , 21 (2) : 140 - 142.
[ 3 ] 康红普. 高强度锚杆支护技术的发展与应用 [J ]. 煤炭科学技术, 2002 , 28 (2) : 1 - 4.
[ 4 ] 王永才, 杨长祥, 陈仲杰 . 金川镍矿井巷支护技术评价与展望工程 [M]. 《采矿工程学新论》, 煤炭工业出版社,
233 - 240.
[ 5 ] 马凤山, 邓清海, 陈德信, 等. 采动影响下金川矿山14 行风井变形破坏机制探讨 工程地质学报
关键词: 镍矿; 潜在问题; 关键技术
镍矿由于矿岩破碎、构造应力及采动压力较大 , 属于难采矿体 , 一直受到国内、外采矿工程界和岩石力学界的关注。随着开采机械化程度的提高和矿山产能的扩大 , 金矿山采深接近700m , 步入深井开采的行列。随之而来的地应力增大 , 深部岩石力学问题、巷道的稳定性问题、采场的稳定性问题、深部地压控制技术问题、大面积采掘均衡和安全生产问题日显突出 , 对开采的影响也越来越严重。因此 , 借鉴国内外先进技术, 并总结广西矿区大面积多中段无矿柱连续开采的经验 , 深入分析深部矿床的开采技术条件, 揭示深部采场地压活动规律 ,科学指导广西矿区深部开拓系统的布局以及开采方案进行优化 , 并对开采过程中潜在危害进行预测、评价和预防 , 确保广西矿山安全、经济、高效生产和可持续发展。
1广西矿山深井开采的潜在问题
1.1深部巷道变形破坏特征
矿山深部巷道围岩变形与破坏主要受三方面的因素影响: 其一是地质条件影响; 其二是构造应力及采动压力影响; 其三是巷道工程形式构造应力及采动压力影响; 其三是巷道工程形式及布置方式。
受上述因素影响 , 其巷道收敛变形具有如下特点：
(1) 由于原岩应力高且以形变压力为主 , 开挖卸荷迅猛 , 来压快 , 故高应力软岩巷道初期变形速率很大。
(2) 变形持续时间长 , 巷道围岩流变特征明显。
1.2巷道失稳破坏模式分析
矿山深部巷道主要是受应力控制而发生变形破坏。对于深埋巷道或处于采场应力集中区的围岩 ,由于受高应力环境的挤压、使围岩中的结构面的结构效应显著降低 , 甚至不起作用。而在高应力环境中的围岩受挤压屈服、剪切滑移影响 , 产生围岩破碎张裂和塑性变形 , 从而导致巷道底谷、断面收缩 , 甚至片帮或垮冒。变形地压的显著特点是四周受压 , 且在初期 ,变形地压与阻止围岩的变形量成正比 , 即支护结构刚度越大 , 变形地压越大。随着围岩变形的增加 , 其地压也随之减小。同时 , 围岩变形能量释放的过程也是围岩本身强度降低的过程。当围岩变形发展到一定量值时 , 围岩强度发生急剧恶化 ,不能自稳 , 围岩就容易以垮冒、底谷或者两帮挤进等形式发生变形破坏。
1.3 采场的稳定性问题
目前,矿山两个潜在的采场稳定性问题是:
(1) 充填体整体滑移失稳
在大面积无矿柱连续开采的情况下 , 充填体与围岩之问的剪切力是维持充填体稳定的重要因素。由于充填体与围岩的接触面是一个弱面 , 该面的抗剪强度有限 , 因此 , 一旦接触面上的抗滑阻力小于充填体的重力时 , 充填体就会沿接触面发生滑移失稳 , 而且 , 随着开采水平的延伸 , 这种潜在的危险也随之加大。
(2) 矿柱失稳破坏
根据矿山1矿体采取 400 m 中段和 550 m中段同时开采。随着 550 m 中段采矿的推进 ,650 m 与550 m 之问的矿柱逐渐变薄 , 矿柱所承受的地应力却在增大 , 承载能力达到了极限 , 保安矿柱的整体性、连续性已被破坏。因此 , 在随后的开采中 , 保安矿柱底部新出露的部分 , 由于无法与已经破坏的保安矿柱旧的部分协同抵抗外力 , 将会依次迅速进入塑性破坏状态。现阶段的水平矿柱 , 承载穿脉方向上压力的能力已达极限 , 承载能力还会因为矿岩屈服后的强度弱化效应而降低。矿体的水平矿柱、保安矿柱的岩体质量较差 , 给安全回来两柱带来极大的安全风险。
2岩层移动对采矿工程的影响
地表开裂沉降明显, 岩体移动盆地变形程度加大尽管矿山采用充填法开采 , 但地表已经出现明显的张裂缝和岩层错动痕迹 , 这表明采场上覆岩层移动已经发展到地表 , 并将随着开采深度的增加有不断增大的趋势。从目前的研究成果来看: 充填法开采可以减小岩体移动 , 滞缓了岩层的进一步破坏 , 但是并不能完全控制岩体的变形与破坏。
3 深井开采的关键技术与对策
3.1深部巷道围岩支护成套技术研究针对矿山深部巷道的稳定性问题,要根据矿山深部巷道围岩的岩石力学特性,借鉴国内外支护技术先进经验,深部巷道围岩支护将以锚杆支护动态信息设计法为特色。采用高强度高刚度预应力锚杆支护系统 , 实现一次支护技术 ,有效控制围岩变形与破坏,避免二次支护和巷道维修。高强度高刚度预应力锚杆成套支护技术将是矿山深部巷道支护技术今后的发展方向,同时,探索并研发适用于深部巷道支护的施工机械 , 以保证该套技术的顺利实施。
3.2深井开采方案决策与开采工艺优化深部开采方案的决策是另一关键性课题。它不仅涉及经济、技术问题, 还与环保、安全、管理等问题密切相关。进一步优化矿山深部回采工艺、进一步完善管理机制意义重大。对于深部开采方案的决策 , 应考虑以下三个方面的问题:(1) 资源的损失与贫化 , 提高劳动生产率 ,降低采掘生产成本。(2) 采场地压控制。运用适合于深部矿岩特点的采场地压控制技术 , 降低巷道返修频率 ,延长巷道服务年限 , 确保采场正常生产 , 提高采矿综合效益。(3) 采矿生产能力。扩大采矿生产规模必须采用相应的采掘和出矿设备 , 巷道断面尺寸也必须与之相配套。从巷道的稳定性考虑 , 巷道断面越大 , 其稳定性越差。所以必须提高巷道的支护强度 , 从而会增加支护成本 , 降低采矿经济效益。如何解决扩大生产规模所带来的巷道稳定性问题 ,是采矿设计应考虑的问题。
3.3深井开采岩层移动及其对井巷工程的影响采场岩层的变形方式和剧烈程度影响着采场的地压显现 , 而采场的地压显现方式又改变和影响着岩层的移动范围和规模 , 同时影响矿山开拓系统工程的总体布置。由此可見 , 研究和揭示岩层移动规律 , 是优化开拓工程设计 , 探索最佳开采方案和回采工艺 ,提高采场巷道工程稳定性的关键技术之一。这主面的问题: 一是支护型式和支护参数; 二是支护成本; 三是工程长期稳定性评价与预测。这三个方面的问题既相互影响又相互对立。研究的目的就在于协调他们之间的关系 , 寻求经济、可靠和方便施工的支护方案和最优支护参数 , 确保采矿工程的稳定性。
4、总结
当前矿山面临着深井开采所带来的一系列问题。要实现矿山深部矿体的安全、高效低成本开采，必须坚持走科技创新之路 , 吸收和消化国内外先进采矿技术和经验 , 进一步科学决策深部开采方案 , 优化开采工艺 , 重视深部巷道围岩支护成套技术的研究与应用 , 统筹规划深部开拓巷道和开采顺序; 关注深部开采岩层移动规律以及对井巷工程影响的探索研究 , 积极开展深部开拓工程的稳定性控制技术研究与长期稳定性预测 , 将对矿山深部高应力高强度采掘条件下的矿山可持续发展 , 具有深远的科学意义。
参考文献
[ 1 ] 吴爱祥, 李宏业, 等. 金川矿山深井开采面临的问题及对策 [J]. 矿业研究与开发, 2002 , 22 (6) : 13 - 15.
[ 2 ] 周青, 杨新安, 高艳灵, 等. 金川不良岩体分类及其巷道支护研究 [J ]. 辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) ,
2002 , 21 (2) : 140 - 142.
[ 3 ] 康红普. 高强度锚杆支护技术的发展与应用 [J ]. 煤炭科学技术, 2002 , 28 (2) : 1 - 4.
[ 4 ] 王永才, 杨长祥, 陈仲杰 . 金川镍矿井巷支护技术评价与展望工程 [M]. 《采矿工程学新论》, 煤炭工业出版社,
233 - 240.
[ 5 ] 马凤山, 邓清海, 陈德信, 等. 采动影响下金川矿山14 行风井变形破坏机制探讨 工程地质学报