金属矿深部开采现状与发展战略

赵 钺

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

随着经济建设速度逐渐加快，我国的资源需求量越来越大，各项资源消耗都极为严重，使得各国都面临着不同程度的资源危机。金属矿产业市场也不例外，金属矿开采会破坏农田和土地，属于能源消耗较大行业，大量金属产品出现了供不应求的局面，导致全球性金属资源价格大幅度上涨，金属资源开采行业进入了前所未有的新高潮。面对新形势下金属矿产资源需求旺盛的局面，我国在结合国内外金属矿深部勘探的先进技术、理念和实践经验，不断挖掘出更富更深的新矿体。近年来，由于全球性资源供给压力加大，使得具有一定资源条件的老矿山不断扩大开采规模，过去在技术条件限制下的深部矿、难采矿以及低品位矿不断被开发出来，与此同时，与之相对应的大型金属开采技术、深部矿开采技术、难采矿开采技术等不断更新与发展，使金属矿开采品位逐渐降低。加之当前开采业对陆地矿产资源进行了大规模、高强度的开发和利用，使得陆地矿产资源逐渐枯竭，海洋采矿、太空采矿等方式将成为未来金属采矿发展趋势。因此，推动金属矿山重建技术、无废技术、充填采矿技术、节能减排技术与生态环境保护技术相结合，对地球深部金属矿产资源进行探测与发掘是稳定矿产资源发展、缓解我国矿产资源短缺现状的最有效途径。

1 金属矿产资源深部开采技术现状

金属产品和金属材料的根本来源是金属矿产资源，其不断推动着社会的进步和国民经济的高速发展，但随着金属矿产资源浅部开发的日益枯竭，国内外开采业开始陆续进行深部金属资源的勘探与开采。据相关数据显示，在未来十年内，我国的三分之一地下金属资源开采深度将达到或超过1000m，最大深度可达2000m～3000m，金属矿产资源深部开采已成为金属矿业发展的必然趋势，也是我国金属产品供给的主要途径。但是，进入金属矿深部开采后，一方面开采活动会受到高地应力环境的影响遭遇很多问题，例如，塌方、巷道变形、冒顶、岩爆、吐水等动力危害[1]。且随着采深的不断增加，岩层温度会逐渐呈上升趋势，从而对设备的运行和工作环境造成一定影响。除此之外，由于金属矿深部开采面临复杂的地质情况，高度的不断提升会使作业难度逐渐加大，影响采矿工人和企业的生命财产安全，因此提升金属矿深部开采技术势在必行，针对深部开采难题，从深井提升工程技术、深井高地应力开采动力灾害预测防控技术、深井高温热害控制治理技术等战略性角度出发解决金属矿深部开采问题现状。

1.1 国内金属矿深部开采现状

近几年，我国金属矿深部发展迅速，但相比于国外金属矿深部开采进度，我国进入深部开采时间相对较晚。据相关资料显示，我国在“十三五”规划期间，启动了多个金属矿深部开采计划项目，同时推出重点深部资源勘探技术目标和相关理论科研成果，分别从多元、三维、系统研究理论出发，对深部岩石开采力学特征进行分析与探讨。

随着21世纪我国矿山事业的迅猛发展，并根据目前我国金属矿深部开采发展速度，我国的深井矿山数量将在较短时间内达到世界第一水平，并且会有相当多大型地下金属矿山达到世界最高开采水平和规模。近年来的深部开采业务中，铁矿深部开采建设力度最大，计划建设或正在建设的大型金属地下矿山，绝大部分为铁矿。例如：辽宁本溪大台沟铁矿、思山岭铁矿、河北滦南首钢马成铁矿、辽宁鞍山五矿集团矿业公司陈台沟铁矿、山钢集团莱芜矿业公司济宁铁矿等矿业。随着我国勘探技术、勘探装备及信息智能化的高速发展，未来金属矿业深部达到3000m～5000m是完全有可能实现的[2]。

1.2 国外金属矿深部开采现状

国外最早有记载的为美国密歇根州的铜矿，建设时间为1904年。据相关资料显示，目前国外深部金属矿山开采深度超千米数量大约为112座，其中百分之七十以上为铜矿和金矿。超过3000m开采深度的地下金属矿山约有16座，其中12座矿山为金矿，且全部位于南非。

2 金属矿深部开采主要技术难题

金属矿进入深部开采过程后，开采环境、技术条件、矿体赋存及矿床地质构造相对恶化，地应力逐渐增大，破碎岩体增多，井温升高等因素导致金属矿深部开采难度加大、事故增多，劳动生产率急剧下降且相应成本加大，无法保证大规模深部金属矿山开采的正常生产和安全，为深部开采高效率带来一系列工程技术问题。

2.1 深部开采中高地应力引发的开采动力灾害

所有地下工程（井下巷道、采场）动力灾害的根本来源是高地应力。从本质上讲，深部开采工程打破了岩体处于的原始平衡状态，使岩体变形并向自由面进行位移导致地应力释放和围岩应力重新分布。地下巷道开挖和采场动工使得围岩位移过量和应力聚集，从而产生地压和围岩整体或局部的失衡与破坏[3]。随着开采深度的增加，地应力会以线性递增速率随之增加，与此同时，对开采扰动能力就越大，岩爆发生的概率和震级也会越大。所谓岩爆就是指采矿引起的扰动能量在一定诱因下冲破岩体而突然释放的过程。但由于我国进入金属矿深部开采时间较晚，因此所观测到的岩爆矿山相对较少，其规模也比较小。随着越来越多的金属矿山进入深部开采，对岩爆发生的可能性、发生地点以及强度大小建立可靠、有效的检测系统和手段已刻不容缓，综合分析和研究地应力、岩体结构、采矿方法、开采顺序及开采过程是避免围岩高能量聚集与释放，防止岩爆发生的有效措施。

2.2 金属矿深部开采中的高温环境与热害

数据显示，常温带以下，岩层温度每100m的变化区间在1.7℃～3.0℃之间，呈梯度增加趋势。而在深度超过千米的深井，岩层温度将高于人体温度，在持续高温环境下作业，工作人员的身体健康、工作能力以及工作效率都会受到很大程度损伤，使劳动生产率大打折扣，影响金属矿深部开采工作的正常运行。根据《地下矿山安全规程》要求，兼顾工程开采成本，保证人员及设备处在适宜温度和湿度环境下进行正常开采工作，解决深井通风、降温问题极为关键。

2.3 金属矿深部开采中的提升安全问题

提升与开挖都是深部采矿过程中极其重要的工作环节。我国金属矿深部开采普遍采用摩擦轮多绳提升机，但随着深部开采深度的加大，提升高度也在不断增加，不仅使安全生产受到严重威胁，还会导致生产成本大幅度增加，生产效率大幅度下降等现象。金属矿山深部开采深度在1000m以内，此范围，摩擦轮多绳提升机的提升效率、提升成本、安全性和可靠性都是有所保障的，此时，采用摩擦轮多绳提升技术是最高效且经济的提升方法。但随着深部开采进程，提升高度逐渐增加，所需钢丝绳也要不断加长，提升负荷随之加大，这将会对提升能力、运行成本、工程安全性等方面造成严重威胁。根据统计资料表明，深部开采深度超过1800m后，提升稳定性将无法控制且钢丝绳惯量的增加会使得尾绳长度、钢丝绳张力变化过大，引发因钢丝绳有效金属截面减小、抗拉强度降低，导致断丝等现象发生，结合多种制约因素，摩擦轮多绳提升机在大于1800m范围将不再适用。

3 解决金属矿深部开采难题的关键发展战略

3.1 加强金属矿深部开采动力灾害（岩爆）的预防与防控

金属矿深部开采动力灾害主要存在塌方、岩爆、突水和冒顶几项，其中以岩爆危害最为突出。岩爆现象的产生是因为采矿开挖所产生的扰动能量在围岩中聚集、演化，通过一定的诱因如围岩破裂情况下突然爆发的过程[4]。岩爆主要是在地应力主导下产生的动力灾害，深部采矿会打破地层原有的自然平衡规律，使围岩变形、应力集中，在达到一定程度的上限后就会突破围岩产生冲击破坏。对于岩爆现象的研究已持续了大半个世纪之久，但大多数国内外理论都只停留在经验和探讨阶段，仍没有形成准确、实用的岩爆预测与防控技术。但为了满足金属矿深部开采需求，研究人员基于岩爆发生的两个必要条件即采矿岩体在受到破坏时具有的较强冲击性能和围岩产生高应变能的应力环境，从强度、刚度、岩体损伤、能量等方面，结合开采计划，采用位移、应力及三位数字图像扫描技术对岩爆进行定量分析和预测。与此同时，着力优化开采布置，改善开采方法，减少扰动能量聚集和应力过度集中，通过防治结合手段尽量减少岩爆现象的发生。

3.2 深井降温与热害治理

近年来，许多金属矿山深部开采用矿井降温技术，最常见的两类为人工制冷降温技术和非人工制冷降温技术。

人工制冷降温技术包括冰冷却系统和水冷却系统。冰冷却系统是通过风力或水力将地面冰厂制取的粒状冰或泥状冰运送到井下融冰装置以完成降温任务。水冷却系统包括回风排热、地面排热井下集中式以及地面集中式等机组布置方式，两者应根据项目实际情况择优选择。

非人工制冷降温技术主要是通过提高通风能力、改进通风方式，应用矿井通风系统而达到深井降温效果，包含预冷岩层、填充采空区、热源隔离等方法[5]。但是，将风流预冷后送入井下，降温能力不足，降温成本高，且遇矿井热害严重，根本无法满足降温需求。

以上两种降温技术均属于被动降温技术。为提高深井的降温效率，应鼓励发展主动降温技术。当前，金属矿深部开采所采用的主动降温技术包括深井高温岩层隔热技术和深井地热开发技术，通过新工艺、新技术同时辅以人工制冷降温技术，为深部采矿降温找到一条经济有效的双赢技术途径。

3.3 金属矿深部开采提升技术

有绳提升技术在提升高度超过3000m或4000m时，会因钢丝绳所产生的大惯量、大负荷和大扭矩等问题产生无法解决的障碍。因此，必须着力研究无绳提升技术，例如磁悬浮驱动提升技术和无线直线电机驱动提升技术等[6]。传统的提升方式如，箕斗、罐笼等都属于机械提升方式，而无线直线电机驱动属无绳垂直提升技术，无需开挖竖井就可进入超深开采，这样不仅减少了井巷投资与维护费用，还大大提高了深部采矿工程的安全性。无线直线电机驱动垂直提升技术具有高效率、设备尺寸小、无提升高度限制的特点，适用于超深井提升。

4 结语

我国目前处在工业化高速发展时期，对资源特别是金属矿产资源需求量日益增加。国内越来越多的金属矿山浅部资源已采空，转入地下开采，深部开采已成为将来矿山开采的必然趋势。为了适应矿山开采的发展，特别是实现深部无人开采技术，非常有必要对传统采矿方法、方式与工艺进行变革。新的采矿概念和采矿系统模式必将取代安全系数和效率较低的传统的采矿形式，未来采矿科技必将凭借新技术的潜在力量提高采矿效率、保证采矿工程的安全与稳定，不断推进我国金属矿深部开采技术向更高更远长久发展。