深井金属矿床高效开采及地压监控技术研究

曾繁炜

（山东科技大学，山东 青岛 266000）

1 金属矿床深井开采基本特征

（1）深井开采的概念

深井开采在不同的国家和地区有不同的定义标准，如在南非对800m～1000m的矿井深度进行开采称为深井开采；在德国对埋藏深度达到800m～1000m的矿井进行开采称为深井开采，对埋藏深度达到1200m以上的矿井进行开采称为超深井开采；也有一些国家深井深度标准制定的较低，如日本为600m，英国为750m。而中国目前所普遍认同的标准根据矿藏不同而不同，煤矿深度为800m～1500m的为深井开采，金属矿的1000m～1200m为深井开采。

（2）深井开采中的“三高一扰动”

众所周知，矿井开采的深度越深，难度就越大，主要是由于深度越深，地压就越大，而岩温也随之增高，伴随的便是矿山提升、排水、通风、支护等各方面的困难越来越大，深井开采同时也面临着复杂的力学环境，也就是“三高一扰动”（即高地应力、高井温、高井深以及强烈的开采扰动）。高地应力的作用下，容易诱发岩爆、产生地压灾害，一旦发生意外就会危及施工作业人员和设施设备的安全。高井温的作业环境让施工人员面临很大挑战，对施工的效率产生巨大的影响。研究表明，工人劳动时，温度每升高十度，工人劳动效率就降低百分之七到百分之十。高井深使得矿山开采的难度增加，提升、排水等都受到了影响，开采成本随之增加。在深井开采的过程中，会产生更加强烈的开采扰动，使得巷道围岩压力增加到原来的数倍，最终导致矿震、岩体受到破坏等现象。

2 深井金属矿床安全高效采矿方法研究

（1）开采技术条件

首先，我们要对矿区的地层进行探测，对矿区内分布的褶皱、断裂、岩体等构造有足够的了解，对地层、地质构造给开采里带来的影响进行分析。其次，要对开采的矿体和其围岩进行特征分析，有的矿体呈现橄榄状，也就是中间厚大、两边薄尖的分布形态，而有的分布会比较均匀，不同的矿体分布也将影响开采技术的使用。矿体围岩是矿体周围的岩石，对洞体的稳定有十分重要的作用。

（2）初步设计推荐的采矿方法及其存在的技术问题

在开采之前，要根据勘探数据进行采矿方法的设计，结合矿体实际情况进行研究分析。根据矿石品位的不同采用不同的方式来有效地促进资本回笼、还贷等。本文就阶段空场嗣后充填采矿法作为初步设计推荐进行阐述。该方法是以盘区为回采单元，不留盘区矿柱，为了让采场有更好的受力环境，选择的是沿着矿体走向进行布置，也让地压的应力较为集中。盘区逐步向垂直矿体的方向推进，对较为厚大的矿体部分进行开采。同时，采场按隔三采一的方式进行回采，并根据矿体的厚度不同而爱用不同直径的深孔爆破落矿。对采空区的回填使用的是全尾砂胶结或者是全尾砂进行充填。

阶段空场嗣后充填采矿法在技术分析上是可行的，但也要结合不同的矿床情况。结合实际，它仍然有一些技术问题和不足。一是复杂的回采工艺让生产管理难度增加，在隔三采一的方式下，各个盘区、各个采场之间都需要进行紧密的衔接，来让开采有序进行。如果在实际生产过程中，出现爆破、支护、填充等工序的断裂或衔接不顺利的情况，都会造成矿山整体的运行受到影响，最终导致生产效率低，收益低。二是盘区回采顺序不利于产量稳定。在技术设计中，盘区是沿垂直矿体的走向进行推进的，由矿体厚大的部分着手开采，这样一来前期深孔采场回采，而中深孔凿岩设备在生产过程中并不能真正发挥作用，后期的回采中，深孔采场的产量难以得到保证，也将造成深孔凿岩设施设备的闲置。三是可能出现深孔采场凿岩铜室的分布是在矿脉之外，使得炮孔的利用率不高，而围岩中掘进量较大，掘进成本增高。

（3）采矿方法优化研究

首先，确立优化目标。在优化研究当中，要将该设计优化的目标进行确立，才能有针对性的进行研究优化。笔者认为应该朝以下几方面进行优化：一要优化艾匡方法，降低采切比以及回采成本，二要优化采场结构，通过确定盘区之间的隔离矿柱的宽度来降低贫化损失，三要优化回采工艺，对工艺简化，让作业采场数减少从而提高相关设施设备的利用效率，四要优化底部结构，优化拉低、切割工艺，让大型无轨出矿设备发挥出应有的效率，让开采更加的安全高效，从而取得更高收益。其次，对各个技术部分进行分别优化。在盘区和采场的分布上进行优化，根据矿床分布盘区，在盘区内合理布置采场，通过合理的划分来促进回采效率。采用暂留隔离矿柱来灵活盘区的回采方式，有利于采场的安全系数提高，有利于工程采准，也是对回采工艺过程的简化，进而方便组织管理，提高生产效率。

3 深井采矿巷道失稳模式与支护技术研究

（1）采矿巷道失稳模式

在深井“三高”下，最有可能发生地压破坏的是采矿巷道。一般来说，采矿岩体工程的总体是稳定的，但巷道由于分布广、交汇多、密度大，有些区域结构不稳，而且通常井下的爆破作业多，从而容易造成采矿巷道失稳。在高应力的作用下，容易引起两种巷道岩体失稳，一种是动态失稳，一种是静态失稳。动态失稳指的是因高应力集中或这是爆破作业导致的巷道失稳，引发岩爆事件的发生。静态失稳指的是由于岩石节理发育，导致其容易遇水风化，一般发生在位于蛇纹岩矿岩的巷道中，巷道顶板容易塌落，且两侧容易片帮。

（2）采矿巷道地压支护控制

支护是深井开采控制巷地压的一种有效方式，而锚喷支护是运用较为广泛的一种支护方式，它是一种柔性的支护方式，在支护中对围岩起着主要的加固作用，使用锚杆，让其在围岩体中承载岩石应力，让加固锚杆和被加固的围岩共同承担起围岩传递的应力，从而提高围岩的自承能力。另外，喷射混凝土的方式能够封闭围岩，预防围岩的风化，限制围岩膨胀，提高其自身的支撑力，进而保障巷道的稳定，确保人员的安全。通过锚杆和喷射混凝土的相互配合，可以有效的将围岩的承载能力和承载结构进行加强，让锚杆和围岩共同承担冲击荷载。

（3）深井地压灾害的充填控制

在深井开采金属矿床的作业中，应当在矿床开采之后及时的填充采空区，从而保障地质结构稳定，避免深井地压灾害事故的发生，实现高效有又安全的深井开采。深井开采充填控制，要使用合理的充填配比设计，要确保充填体的受应力小于充填体的强度。

（4）爆破振动控制技术研究

在深井金属矿床作业中，爆破是必不可少的内容，而爆破形成的爆破振动，容易对周围岩体或采矿巷道造成不同程度的损伤，甚至破坏。爆破振动的控制技术可以从四个方面进行设计：能量源控制、传播过程控制、传播介质控制和结构动态响应控制。

总之，深井金属矿床开采难度较大，影响因素也较多，本位在对深井开采的特征、技术条件等方面进行了分析，并对实现高效开采的方法进行了探讨，以求推动我国采矿业高效发展。