（矿业工程专业论文）金川二矿区深部开采技术研究.pdf

摘要 本文阐述了国内外矿山深部开采研究基本理论及研究方向，结 合金川矿床四十多年的采矿历史及经验教训，经过认真分析与调查 研究，针对世界公认的采矿难题一金川二矿区8 5 0 中段深部开采， 应用系统理论，对深部开采的采矿方法、开拓系统、深部围岩支护 等多方面进行研究，从而提出许多有见解性的改造方案，综合论证 了深部开采方案的安全可靠性，技术可行性以及安全合理性，同时 提出在深部开采需要研究的课题方向及发展方向。该研究方法与研 究结论对类似条件的矿床开采具有一定的指导意义和推广应用价 值，同时对我国矿山深部开采做出前瞻性的预测。 关键词：深部开采；系统工程；采矿方法；开拓系统；支护 垦塑堡三盔兰三堡堡圭兰堡垒茎 一一塑墨一 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t e r p r e t e db a s i ct h e o r ya n dr e s e a r c ho r i e n t a t i o no nd e e p m i n i n go fu n d e r g r o u n di nd o m e s t i ca n do v e r s e a s a f t e rc a r e f u l l ya n a l y z e d a n di n v e s t i g a t e dj i n c h u a nm i n e s4 0 一y e a r sm i n i n ge x p e r i e n c e sa n dl e s s e n s ，i t c a r r i e do u ts t u d i e st h r o u g hs y s t e mt h e o r yo nm i n i n gm e t h o d s ，d e v e l o p m e n t s y s t e m ，d e e pg r o u n ds u p p o r t i n gf o rj i n c h u a nn o 2m i n ed e e pm i n i n g p r o j e c t w h i c hi st h o u g h ta sad i f f i c u l tm i n i l l gp r o b l e m i nt h ew o r l d al o to f o r i g i n a l v i e w e do p t i m i z e ds c h e m e s a r ep r e s e n t e da n ds a f e t yr e l i a b i l i t y , t e c h n i q u ef e a s i b i l i t y a n d r a t i o n a l i t y f o r d e e pm i n i n gp r o g r a m a r e d e m o n s t r a t e di n s y n t h e s i s i 。m e a n w h ；i 、l e 。t h e p a p e ra l s op r o v i d e dr e s e a r c h s u b j e c t sa n dd i r e c t i o n si nt h ef u t u r ea n dp r o g n o s t i c a t e dd e v e l o p m e n to fd e e p u n d e r g r o u n dm i n ei nc h i n a t h i sr e s e a r c hm e t h o d sa n dc o n c l u s i o nm a yg u i d eu n d e r g r o u n dm i n e sw i t h s i m i l a t c o e i d i t i o n so f j i n c h u a nn o 2m i n e k e yw o r d s ：d e e pm i n i n g ；s y s t e me n g i n e e r i n g ；m i n i n g m e t h o d s ； d e v e l o p m e n ts y s t e m ； g r o u n ds u p p o r t i n g n 昆明理工人学t 程硕士学位论文 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下f 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声名的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：角荔虱 日期：z 口房，年彳月上g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：论文作者签名枷 日期：p 时年多月谚日 昆明理工大学工程硬士学位论文 第一章文献综述及课题研究的目的 第一章文献综述及课题研究的目的 1 1 深部开采研究现状 1 1 1 国外深都开采研究现状 地下工程的深部开采是未来发展必然趋势。据不完全统计，国外开采超千米深的 金属矿山有8 0 多座，其中南非最多。南非绝大多数金矿的开采水平都在1 0 0 0 m 以下。 其中，a n g l o g o l d 有限公司的西部深水平金矿，采矿深度达3 7 0 0m ；w e s td r i e f o v t c n 金矿，矿体赋存地下6 0 0 m ，并一直延伸至6 0 0 0 m 以下。印度的科拉尔( k o l a r ) 金矿区， 已有3 座金矿采深超2 4 0 0 m ，其中钱皮恩里夫金矿共开拓1 1 2 个阶段，总深3 2 6 0 m 。 俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，已有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际等8 座矿山采准深 度达9 1 0 m ，开拓深度到1 5 7 0 m ，将来要达到2 0 0 0 - - 2 5 0 0m 。另外，加拿大、美国、 澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过1 0 0 0 m 。 根据矿床开采工作转向深都所面临的问题，开采深度可以分为以下几类： ( 1 ) 开采深度小于3 0 0 m ，称浅部开采。在此深度内采矿时，一般地压显现不严 重，即使发生地压活动，也属静压问题，易于处理。 ( 2 ) 开采深度介于3 0 0 6 0 0 m ，称为中等深度开采。在此深度内采矿时，根据矿 体赋存条件、矿岩的物理力学性质，在掘进采准巷道或开拓的过程中，可能发生轻度 岩爆，如岩石弹射等现象。 ( 3 ) 开采深度在6 0 0 - - - 2 0 0 0 m ，为深部开采。在此深度开采对，具有二类变形特 征的岩石会发生频繁的岩爆，而且某些采矿方法在深度超过7 0 0 m 时，将会遇到难以 克服的困难，因而难于或甚至无法在采场中进行正常豹回来工作。 ( 4 ) 回采深度大于2 0 0 0 m 为超深开采。目前处于超深开采的矿山不多，世界上 也只有为数不多的几座矿山，如印度的戈拉尔( k o l a r ) 金矿的吉福德( g - i f f o r d ) 矿 井是世界上深井筒之一，开采深度为3 2 6 0 m ：南非西部深水平金矿开采深度达3 5 8 2 m 。 国外深井开采研究起步较早，最早观察到岩煤是在1 9 0 0 年的印度科拉尔金矿。 美国大西洋( a t l a n t i c ) 矿，1 9 0 6 年5 月2 6 日发生了一次较大的岩爆，当时估计的地 震强度达到了里氏3 6 级。美国密西根工业大学存有一份l a k es u t r i o r 铜矿发生岩爆 的报告( 1 9 3 9 年出版) 。南非金矿赋存较深早在1 9 0 8 年就成立了专门委员会研究 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章文献综述及课题研究的目的 深井岩爆问题。加拿大于1 9 2 8 年在安大略( o n t a r i o ) 矿首次出现岩爆，m o r r i s o n 于 1 9 4 2 年完成了一份研究报告，至今仍被视为这方面的经典岩爆研讨报告。 一些有深井开采矿山的国家，如美国、加拿大、澳大利亚、南非、波兰等，政府、 工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合深部开采相关技术开展基础 问题的研究。南非政府、大学与工业部门密切配合，从1 9 9 8 年7 月开始启动了一个 “d e e pm i n e ”的研究计划，耗资约合1 3 8 0 万美元，旨在解决3 0 0 0 - - 5 0 0 0 m 深度的 金矿安全、经济开采所需解决的一些关键问题，已在南非金矿深井开采技术上取得了 系列创新性成果。加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为期1 0 年的两个 深井研究计划。在微露与岩爆的统计预测方面的计算机模型研究，以及针对岩爆潜在 区的支护体系和岩爆危险评估等进行了卓有成效的探讨。美国爱大荷( i d a h o ) 大学、 密西根工业大学及西南研究院就此展开了深井开采研究，并与美国国防部合作，就岩 爆引发的地震信号和天然地震或化进与核爆信号的差异与辨别进行了研究。珏澳大利 亚大学在深井开采方面也进行了大量工作。 由于国外深部开采历史较长，深部开采技术的研究也就较早，对深部开采中存在 的各种问题和现象进行了较系统的研究，已具备了较规范的手段，合理可行的标准及 多种指导理论，并有多年的生产实践经验。 1 。1 2 国内深部开采研究现状 在我国目前煤矿开采深度以每年8 1 2 m 的速度增加，一般矿井正以每1 0 年1 0 0 2 5 0 m 的速度发展，预计在未来2 0 年很多煤矿将进人到1 0 0 0 m 到1 5 0 0 m 的深度。同 时，一批金属矿山近年也已进人深部开采，例如红透山铜矿目前开采已进入 9 0 0 一1 1 0 0 m 深度；冬瓜山铜矿现已建成2 条超1 0 0 0 m 竖井来进行深部开采：弓长岭铁 矿设计开拓深度7 5 0 m ，距地表达1 0 0 0 m ；夹皮沟金矿= 道沟坑口矿体延深至1 0 5 0 m ； 湘西金矿开拓3 8 个中段，垂深超过8 5 0 r n 。此外。还有寿王坟铜矿、几口铅锌矿、金 川镍矿、乳山金矿等许多矿山都将进行深部开采。 金属矿床深部开采，我国虽然有过石碾子褥矿的先例，僵它必竟是子1 9 6 9 年就 结束了的矿山。6 0 年代的采矿技术、采矿技术装备水平与现在是不能同日而语的。 因此，可以说金属矿床深部开采技术的研究在我国目前还是一项空白。 2 昆明理工大学工程硕士学位论文 第章文献综述及课题研究的目的 1 1 3 深部开拓面临的问题和研究方向 就有色金属矿山来说，深部采矿面临以下问题： ( 1 ) 大批矿山转入深部采矿，开采条件大大恶化，资源供需矛盾突出。目前大型嚣 天矿在逐年减少，有的已采到临界，面牦关闭或转向地下开采。地下矿山占矿山总数 的9 0 ，其中5 0 年代建成的矿山，有3 5 因储量枯竭而接近尾声或已闭坑，其余 2 5 的矿山，陆续转入深部开采。即使“六五”、“七五”建成投产的矿山，目前 虽处于鼎盗时期，但3 5 年后，也将陆续转入深部。红透山铜矿采深已近9 0 0 m ，冬 瓜山铜矿床埋深超过1 0 0 0 m ，现已开始基建，两条超1 0 0 0 m 的竖井已形成。采矿工作 越来越困难，深部开采技术难题急待解决。 ( 2 ) 开采品位下降，采切工程量急剧上升，废弃物的处理大幅度增加。以铜矿为例， 1 9 5 0 年我国铜矿石平均开采品位为1 8 7 ，而今已下降到0 7 6 ；每生产i t 铜，平均 要开采1 3 0 t 矿石，尾矿量成倍增加；生产i 万t 矿石，一般要掘进3 5 0 - - 4 0 0 m 工程。 大量掘进废石，严重影喻经济效益和环境效益。 ( 3 ) 工程自然灾害严重，主要表现有：巷道变形速度快、巷道围岩变形范围大： 巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征；采场矿压显现剧烈，采场失稳， 易发生破坏性的冲击地压；金属矿和煤矿相关的统计资料表明，随着开采深度的增 加，岩爆的发生次数及强度会随之上升，巷道中岩爆危险性增加；深部开采条件下， 岩层温度将达到摄氏几十度的高温，作业环境恶化，如俄罗斯千米平均地温为3 0 一 4 0 ，个别达5 2 * ( 2 ，印度某金矿3 0 0 0 m 时地温达7 09 c ：矿山深部开采诱发突水的 几率增大，突水事故趋于严重。 ( 4 ) 矿山机械化装各配套性差，水平不商。虽然少数重点矿山基本达到7 0 年代末、 8 0 年代初国外的装备水平，但绝大部分矿山，仍处在国外5 0 6 0 年代水平。目前技术 装备落后的矿山，大多无力进行技术改造和引进设备，难于改变当前经济效益差或亏 损的局面。 针对以上问题，矿床深部开采研究的方向应以以下几个方面为主： ( 1 ) 采矿方法选择及优化 矿床深部开采，在技术上有一定的特殊性，一些矿业发达国家，由于有较长的深 井开采的历史，研究工作起步较早。在深井岩层控制方面，国外对岩爆机理提出过多 种理论，但实践中多是通过采用优选采矿方法、优化结构参数和合理布置开采顺序等 3 昆明理工大学工程硕士学位论文第一章文献综述及课题研究的目的 措施，来人为地控制和调整应力分布，以预防突发岩爆的产生。国外开采深部矿床时， 所用的采矿方法有崩落法、空场法，如前苏联的克里沃罗格矿区；使用充填法的如美 国爱德华州加利纳银铅矿。我国即将进入深部开采的矿山，采用什么采矿方法，应根 据矿山矿床的赋存条件、矿岩的物理力学性质进行采矿方法优选、优化结构参数和合 理布置开采顺序的研究。 通过对已转入深部矿井开采的矿山的经验和所用采矿方法演变分析可知，空场法 和崩落法难以在深部开采中继续使用，而充填法是开采深部矿床最有效的一类采矿方 法。进人7 0 年代以来，我国有色金属矿山使用充填法开采的矿山所占的比例逐渐增 加，对充填材料、充填的工艺技术、充填设备都有了较深入的研究，并积累了一定的 经验。如水砂充填、胶结充填、块石胶结充填、高水固化充填等都取得一定的科研成 果，对于深部开采是可以借鉴的宝贵经验。 ( 2 ) 深部矿床开采的岩层控制理论和技术研究 深部矿床开采，工程自然灾害多，应在岩爆预测、监测及防治、深井巷道支护技 术、采场周围岩层应力转移、岩层加周技术等方面都应进行深入的研究，突出深部矿 床开采地压理论及控制的研究。 围绕上述的问题，应开最以下几方面的研究： 原岩应力测量： 岩体应变性质研究，调查研究岩体构造分布规律，确定岩体构造模型，测定岩 体各种力学参数； 建立数值分析模型，模拟巷道开挖过程中和开挖之后，在静态和动态载荷作用 下巷道周围的应力分布、断裂的形成和发展，应用非线性程序研究不同岩体及地质构 造的影响，各种支护作愿的影响； 合理选择巷道位置、开采顺序以及巷道断面形状； 在高应力区及易发生岩爆地段，进行卸压技术的研究，转移和释放围岩中的应 力； 支护系统的研究。除常规各种类型的锚杆、锚索、金属网、钢丝绳网、喷浆 外，对变形剧烈区段，还应试验研究新的支护形式： 巷道岩爆机理研究和微震测试系统盼研究。加强监测预报，建立微震监测数 据库。 4 昆明理工大学工程硕士学位论文第一章文献综述及课题研究的目的 ( 3 ) 深部矿体开采环境控制的研究 深部矿体开采环境控制的研究主要包括：空区处理及无废料开采技术、深井通风 降温技术、高温和高硫矿床矿石氧化自然的预防措旌等等。 金属矿，特别是有色金属矿及贵金属矿，矿石的品位都很低，9 0 以上的矿石 开采出来后，要转为尾矿，排放到尾矿库；生产1 万t 矿石，一般要掘进3 5 0 4 0 0 m 工程大量采掘的废石要提升到地表，严重的影响深部矿床开采的经济效益并造成环 境污染。因此，采矿工作者提出了“废石不出坑，尾矿返回坑”的采矿构想。基本思 路是：把深井采矿中，由于掘进和采矿而产生的废石，充填到已形成的采空区，另外， 再加上配以胶结材料的尾砂，作为胶结j f | i 充填到采空区，构成块石胶结充填，实现“废 石不出坑，尾砂返回坑”的构想。这一构想是一个系统工程课题，是一个很有前途的、 很有现实意义的工作。 金属矿床深部开采时，地压大、岩爆频繁、水文地质条件复杂。井下高温和有 毒有害气体、环境控制等技术难题，环境问题是制约深部开采的核心技术问题之一。 深部开采的环境问题主要表现在两个方面：一是环境温度高；二是有毒有害气体问题。 深部开采环境控制问题，涉及范围广，需要的综合技术多，首先需解决好整个矿井的 通风系统设计；为了减少动力设备排出的废气污染，要研制新型的电动采掘设备或其 他机械设备；研究地热增温规律。隔热措施及材料；研究工作环境与工作效率关系等 理论问题。 “) 深部开采的特殊问题 深部开采中，除前边谈的问题以外，在生产中的矿石提升、运输，井下供水、供 风( 压风) 、排水等等，都与浅部开采的常规传统矿山生产不同，有它的特殊性，都 需在生产实践中给以重视和解决。这些问题国外都有了成功的经验及相应的设备，我 们是可以引进和借鉴的。 1 2 深部开采研究的目的和方法 1 _ 2 1 深部开拓研究的目的 从发展的目光看，随着社会与经济发展需求的日益增长和矿山工程技术体系的进 步和完善，资源开采不断地在向深部发展。然而用浅部开采条件下的地质作用特征和 矿压显现规律来推断深部开采地质状况，无疑远远不够且蕴含着极大的风险。因此， 昆明理工大学工程硕一i ：学位论文 第一章文献综述及课题研究的目的 对深部高应力条件下的资源开采与地下工程进行统一的、三维的、系统的多元研究， 以揭示其中的一系列基本科学问题，构筑我国在深部高应力条件下资源开采的相关的 基础理论和地下工程技术体系，显缛尤为重要。 另一方面讲，作为发展中国家，我国正处于国民经济高速持续发展时期，依靠国 外的能源保障和矿产资源的持续供应是不可想象的。因此，深部资源的开发和利用不 仅是必然的世界性的发展趋势，而且将成为2 1 世纪我国最经济、最有效的能源和矿产 资源保障措施。随着国民经济建设对各种金属需求量的增加，金属矿产浅部资源越采 越少，对深部矿体进行开采己摆到日程上来，而我国在深部开采技术和经验还是一片 空白。因此，进行深部矿体开拓的研究，以深部开采的矿山为实例，针对其具体情况， 对其生产各个环节，开展深入的研究，以取得配套的经验，为其他矿山所借鉴；同时， 国外对深部开采中存在的各种问题和现象进行了较系统的研究，己具备了较规范的手 段，合理可行的标准及多种指导理论，并有多年的生产实践经验，应当引进和借鉴国 外这些成功的经验及相应的设备。 同时要改变原有以向自然索取为唯一目标的陈旧思维定势，建立索取资源，保护 环境、防治灾害、以人为本韵全新理念，仓4 新性她加强并及早开展基础科学问题、技 术方法应用的多方位研究。 从小的角度讲，二矿区作为中国镍钴生产基地一一金川集团有限公司的主力矿 山，深部矿体开拓工程关系到二矿区长周期的持续稳产高产，也关系到集团公司今后 发展的大事。同时，金川矿区工程地质条件的复杂性已为大家所公认，岩石破碎，地 压大，蠕变特征明显，深部开采面临的问题较多。因此，必须认真研究8 5 0 深部开拓 问题，合理的布置开拓工程，优化采矿方法，有效的控制她压，安全高效的回收矿产 资源。 1 _ 2 2 深部开拓研究的方法 ( 1 ) 重视理论研究的深入和关键性理念、思路 在矿井深部开拓研究中，应重视理论研究的深入。并特别的关注以下若干理念、 观点和思路： 应重视深部采动覆岩变形- 破断运动稳定全过程描述：采矿工程中的岩石力 学不仅要研究岩体的破坏，还要研究岩体是如何“破碎”的，并要控制其破碎的块度。 6 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章文献综述厦课题研究的且的 采动覆岩中的关键层运动与采动应力场高度集中及灾害机理：深部采动应力 场的高度集中现象严格区别于浅部。深部采动应力高度集中是工程技术难题和灾害的 根源。影响采动应力场分布的因素有3 个：开挖形状与大小、岩层力学特性、岩层结 构与运动一关键层作用。 深部开采岩层移动规律、控制及环境保护：深部开采岩层移动破坏研究的思路 应包括机理、模型、参数、工程应用。必须加强深部高围压下上覆岩层的侧向移动及 其对地表移动盆地形态的影响、安全开采涤度、上覆岩层移动与破坏控制技术等重要 课题的研究。应重视实际工作中遇到的深部采矿场变形破坏的时间效应问题。 深部岩层的强度及强度理论：深部开采对传统理论会提出哪些批判；需要分 析和理解深部开采中关于岩层强度、破坏及理论问题；岩层强度及理论等的再认识应 归结为深部力学环境变化的原因；从采场围岩的破坏机理看，真正的围岩破坏还是一 种自我破坏，三维状态下的岩爆还是一种脆性破坏。 岩层的构造及构造应力场。 ( 2 ) 把握关键性的科学问题 作为矿床深部开拓的优化研究，应注意以下关键的科学问题： 深部岩体围岩应力场和地质构造精细探测的理论基础与方法：深部地质构造与 岩体结构以及深部原岩应力与采动应力场。 深部的岩体力学特性和工程响应：深部岩体力学特性与时效特征、在应力下岩 爆机理、预测及控制、砍断与裂隙岩体非线性、大变形力学行为，高应力岩石破碎诱 导机理。 深部扰动与开挖控制及环境效应：深部采动矿亚显现及上覆岩层移动规律与控 制、深部开采对环境的影响与保护、高应力下巷道围岩失稳机理及控制。 深部多相介质、多场耦合作用及其灾害发生机理与防治：高温、高压下了岩固 液气相互用合作用、高应力与高渗透压下矿山突水机理与防治、低渗透性、高空降 压瓦斯运移规律及煤与瓦斯突出机理和预测。 ( 3 ) 新技术、关键技术的应用与突破 深部矿床的开拓要重视新技术探索，并在关键技术的应用与突破上更予以重视。 深部矿床的开拓关键科学技术领域主要有： 深部岩层强度、结构及深部开发过程中上覆岩层运动破坏规律； 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章文献综述及课题研究豹目的 深部开采与工程中复杂构成及应力应变探测原理和方法； 采场和地下工程稳定性的动力学特征和动态信息设计理念； 岩层固、液、气相互作用及动力灾害发生机理、过程和防治措施。 1 38 5 0 m 中段深部开采研究的意义 1 3 1二矿区8 5 0 m 中段开采工程简要介绍 二矿区l4 矿体8 5 0 m 中段是目前1 1 5 0 中段的接替中段，待1 1 5 0 中段矿石全部采 完后，其日产4 0 0 0 吨的矿石生产能力将全部由8 5 0 m 中段承担，是集团公司的重点建 设项目。在建中8 5 0 m 中段开采工程将采用竖井、斜坡道联合开拓，中段运输为有轨 运输方式，主要工程有：新掘主井、1 8 行副井延深、主斜坡道延深、分斜坡道、溜 井破碎系统、地表矿石运输系统、粉矿回收系统、8 5 0 m 中段平面工程、入行盲井、 9 7 8 分段水平、通风系统、7 0 0 中段工程、地表工业设施等。初步设计工程总量5 l 万余立方米。土建建筑面积4 4 0 0 平方米，厂区矿山公路i 5 公里。 8 5 0 m 中段达产期间生产能力4 0 0 0 吨日，1 3 2 万吨年，平均出矿镍品位1 6 8 ， 服务年限3 9 年。 1 3 2 二矿区8 5 0 m 中段深部开采面临的问题 ( i ) 8 5 0 m 中段开拓工程的工期紧迫 从二矿区现有系统情况看，施工8 5 0 m 中段工程，主要依靠1 8 行副井提毛、下 料，预计1 8 行副井2 0 0 5 年6 月建成，这时1 8 行副井才能正式为8 5 0 m 中段基建开 拓工程服务。由于8 5 0 m 中段的基建工程量约5 0 万m 3 ，工程量较大，从现在着手开 始施工8 5 0 m 中段，工期非常紧。 同时，1 1 5 8 分段是1 1 5 0 中段的最后一个分段，随着回采水平的下降，中段回采 变为大面积水平矿柱的回采，回采难度越来越大，回采期间，由于地压活动频繁，进 路两帮片冒和进路充填体顶板脱层现象在所难免，将严重影响正常回采和生产任务的 完成，但是，其影响程度究竟有多大，现在根本无法预测，根据国内外水平矿柱的回 采经验，水平矿柱的回收率一般为5 0 7 0 ，因此很有可能1 1 5 0 中段比预计提早转 入8 5 0 m 中段。因此，8 5 0 m 中段在2 0 0 8 年年底，部分盘区就要具备生产条件。 借鉴1 1 3 8 分段的回采经验，8 5 0 m 中段第一分段要全面形成有假顶采矿，大约需 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章文献综述及课题研究的目的 要5 - - 8 年时间，8 5 0 m 中段在2 0 0 8 年年底，部分盘区就要进行生产，为形成人工假 顶做工作，从这个意义上讲，工期也是十分紧迫。 ( 2 ) 深部开拓困难大，巷道稳定性差 金川矿山巷道支护的研究已有几十年的历史，积累了丰富的经验和研究成果。这 些成果针对所研究的对象，提出了刚性支护方式、柔性支护方式和刚柔结合的支护方 式，这些支护方式在一定的条件下，都取得了良好的支护效果，推动了金川支护方式 研究的技术进步，保证了矿山的稳产高产。 但支护方式中具体支护方法不是一劳永逸的，这是因为随着二矿区多中段开采的 进行，采动范围和采动影响的不断加大，采掘深度的增加，加上复杂的工程她质条件、 高应力、岩体破碎等不利因素的影响，深部巷道围岩表现出明显的碎胀蠕变特性，以 往的研究成果和实践经验已不能满足现有生产的需要，使得目前二矿区深部巷道稳定 性控制问题更加突出。 深部由于受巷道围岩松动圈的大小、锚杆长度等参数的选取、施工管理、旌工质 量、施工队伍的素质以及现场工程地质条件的复杂性等因素的影响，二矿区深部巷道 的变形破坏严重，施工难度大，施工进度慢，如1 0 0 0 水平改扩建工程的掘进不得不 于2 0 0 1 年全面停止而转入加固返修。 据二矿区统计，截止2 0 0 1 年9 月底，全矿当年的实际返修量已达7 0 6 5 9 米，是 预计返修量2 2 0 0 米的三倍以上。完成返修量分别为：喷锚支护返修量为5 6 8 8 8 米； u 型钢拱架返修置为7 0 0 米，注浆支护消耗水泥2 0 6 6 吨；混凝土支护返修量6 0 1 米 1 2 5 1 6 立方米，总计返修费用成本1 3 1 9 8 9 万元。 巨大的返修工程量、高额的返修成本费用给矿山的持续发展带来非常不利的局 面，不仅使公司要进行大量的资金投入，而且给二矿区造成生产系统不畅，运输能力 不足，风、水、电动力系统脆弱等一系列问鼹，时时处处困扰着二矿区正常生产的组 织和系统的有序运行。 8 5 0 m 中段开采深度已属世界公认的深部开采条件，岩体强度、水文地质条件将 变得更加复杂，使得矿山开采难度加大。深部开采的8 5 0 m 中段工程，与上部开采相 比，采矿环境随深度的增加，也将发生不利的变化，并潜在着深部开采难以预料的地 质灾害，如高应力诱发的岩爆、地热、突水、大面积来压等。因此，8 5 0 m 中段工程 地质条件不容乐观，巷道支护问题较多。 9 昆明理工大学工程硕士学位论文第一章文献综述及课题研究的目的 ( 3 ) 采场的稳定性 二矿区目前使用的机械化水平进路下向胶结充填采矿法，为大面积无间柱的连续 回采，充填体有整体滑落的潜在危险，随着回采深度的增加，这种危险性在增加。 二矿区同时回采的中段有两个，上部中段回采快结束时，仅剩很薄的矿柱，矿柱 承受的地应力由于上下均为充填体会急剧增大，采场有可能片冒频繁发生，矿石回采 困难，甚至于采场整体跨落，发生岩爆，造成系统破坏。 ( 4 ) 采矿方法的选择 根据金川矿区的实际情况，8 5 0 m 中段采矿方法沿用二期工程使用的机械化水平 进路下向胶结充填采矿法：沿矿体走向每一百米划分为一个盘区，每个盘区配备 h - 1 2 8 凿岩台车、6 立方米铲运机、8 0 w q a 渣浆泵各一台套，多个盘区共用材料车， 盘区生产能力设计为1 0 0 0 t d 。 8 5 0 m 中段开采深度增加近千米，岩石力学条件与二期工程肘相比发生了较大的 变化，因此应认真研究学部采矿的采场结构及工艺流程，既回采期间是否预留矿柱， 若预留矿柱还应研究矿房与矿柱的关系，矿柱如何回采的问题。 同时，机械化水平进路下向胶结充填采矿法在实际生产当中也有诸多问题：盘区 生产能力达不到设计要求，采场生产效率低；充填成本高；采准工程量大，井下巷道 的返修量大；充填假顶产生冒落，给安全生产带来隐患等等的问题。 1 3 3 深部开采研究的意义 ( i ) 随着社会与经济发展需求的日益增长，资源需求量也日见加大，矿床开采不断 地在向深部发展。然而用浅部开采条件下的地质作用特征和矿压显现规律来推断深部 开采地质状况，无疑远远不够且蕴含着极大的风险。因此。对深部高应力条件下的资 源开采与地下工程研究，以揭示其中的一系列基本科学问题，构筑我国在深部高应力 条件下资源开采的相关的基础理论和地下工程技术体系，为我国国民经济长周期的发 展提供能源和矿产资源保障，从这一点讲，意义深远。 ( 2 ) 金属矿床深部开采技术的研究在我国目前还是一项空白，然而随着国民经济的 持续发展，和浅部资源的枯竭，开发深部资源势在必行。尽管国外对深部开采进行了 较系统的研究，已具备了较规范的手段，合理可行的标准及多种指导理论，并有多年 的生产实践经验，我们可以引进和借鉴i $ 1 # t - 这些成功的经验及相应的设备。但也有一 0 昆明理工丈学工程硕士掌位论文 第一章文献综述及课题研究的目的 个洋为中用的问题，同时由于矿山个体的差异，虽然有成熟的东西，不能生搬硬套， 有一个吸收消化的问题。因此，尽早对矿体深部开拓中的一系列问题进行综合的、系 统的研究，形成具有自主知识产权的矿体深部开拓理论、方法、对策，为我国即将进 入深部开拓的矿山提供技术支持，意义深远。 ( 3 ) 金川集团有限公司作为中国最大的镍钴生产基地和铂族金属提炼中心，镍和铂 族金属产量分别占中国的8 8 和9 0 以上，为亚洲最大的镍生产厂家，为我国基础工业 的发展和国民经济的发展做出了巨大的贡献。随着我国经济稳定、健康、高速的发展， 对原材料的需求量会大幅度增加，金川集团有限公司要加快发展，才能满足国内市 场的需要，而公司的进一步发展，二矿区8 5 0 深部开拓的问题是关键。围绕着二矿区 8 5 0 深部开拓展开优化设计的研究，能够使二矿区8 5 0 深部的矿产资源安全高效的回 采，满足公司的原料需求，提供国民经济发展的原材料，其意义是显而易见的。 ( 4 ) - - 矿区8 5 0 m 中段开采深度已属世界公认的深部开采条件，岩体强度、水文地质 条件将变得更加复杂，使得矿山开采难度加大；加上高应力、岩体破碎等不利因素的 影响，深部巷道围岩表现出明显的碎胀蠕变特性。另一方面，金属矿床深部开采技术 的研究在我国目前还是一项空白，作为我国有色金属地下矿山年生产能力最大、机械 化、现代化程度最高的充填采矿法矿山的二矿区深部开拓，无疑在国内也是有代表意 义的。二矿区深部开拓的研究，将为我国深部矿山的开采提供典范。 昆明理工大学工程硕上学位论文 第二章矿山生产现状 第二章矿山生产现状 2 1 概述 二矿区所在的金昌市，地处潮水盆地南缘的戈壁滩上，西部、南部为祁连山支脉 龙首山所环绕，东部、北部为戈壁滩，地势起伏变化大，标高在海拔1 5 0 0 - - 1 9 0 0 米 之间。矿区气候干燥，少雨，日照充足，春季风沙大，是干燥的大陆性气候。 金川矿区地处祁( 连) 吕( 梁) 一贺兰山山字型构造前弧的西翼北侧。大地构造 位置属中朝准地台西部阿拉善隆起区南缘的龙首山隆起带。北部以龙首山北侧深断裂 与阿拉善隆起区内部的潮水断陷相接，南以龙首山南侧深断裂与祁连山地槽的走廊过 渡带毗邻。矿区位于龙首山东端北倒。主要出露于下元古界自家咀子组的蛇纹石化白 云质大理岩、云母石英片岩、黑云母片麻岩和条痕混合岩等深变质岩系。岩层总走向 北3 5 。西、倾向南西，倾角4 0 0 - - 7 0 0 。第四系古河床砾石层及近代洪积一坡积层分布 于山麓、山间盆地及古河道阶地之上，缺失其它各个时代的地层。 作为国内大型地下金属矿山一金川集团有限公司二矿区，分为两期进行建设，一 期工程从1 9 6 6 年开始建设，8 2 年投产，8 6 年达到设计生产能力9 9 万吨侔，二期工 程始建于1 9 8 6 年，9 6 年正式投产，2 0 0 2 年达到二期设计的生产能力2 6 4 万吨侔， 从9 5 年起进行二期改扩建，设计生产能力2 9 7 万吨年。 经过几十年开采，二矿区目前已经形成了回采面积近1 0 万m 2 ，开采深度达7 0 0 m ， 上覆充填体体积约8 0 0 万m 3 ，连续高度1 2 0m 左右的局面，地应力已高达4 5 mp a ， 在几十年的开采过程中，二矿区对大面积连续回采中地压控制掌握了一些有效的经 验，但在以后的深部开采中开采难度进一步加大，工程稳定性问题日益突出，且又产 生许多目前尚未能解决及深刻认识问题亟待解决。二矿区经历了一期、二期工程及矿 山改扩建工程建设，形成了比较完整的开采系统。正在建设的矿山改扩建工程已完成 了绝大部分主体工程建设。矿山设计生产能力9 0 0 0 t d ，即年采出矿石量2 9 6 万t ：2 0 0 2 年出矿嚣超过2 6 4 万吨，提前一年实现二期工程达产达标的奋斗目标。2 0 0 3 年二矿 区生产指标多次进行调整，完成了年出矿量3 0 0 万吨，提前两年实现了矿山改扩建工 程2 9 7 万吨，年的设计生产能力，成为我国有色金属地下矿山年生产能力最大、机械 化、现代化程度最高的充填采矿法矿山。 昆明理工大学丁程硕士学位论文 第二章矿山生产现状 目前二矿区采用的采矿方法为1 9 8 6 年中瑞科技合作确定的机械化盘区进路下向 胶结充填采矿法，开拓方式为竖井、斜井、斜坡道联合开拓方案。 2 2 地质概况及主要开采范围 2 - 2 1 地质概况 金川铜镍矿区在大地构造位置上位于阿拉善台块的南部边缘隆起区，北部为台块 内部区，南部为北祁连山加里东地槽边缘拗陷带。二矿区共发现3 5 1 个矿体，其中主 矿体仅l 撑和2 # 两个，矿石储量占9 9 3 1 。 l 撑矿体为i i 矿区最大矿体，占全区总储量的7 6 4 5 ，矿体形态比较规则，矿体 呈似层状的隐伏矿体。矿体中富矿占储量的, 9 7 3 3 ，富矿体位于中心，贫矿位于富 矿的周围、顶部或一侧，贫富矿体之间界线一般比较清楚。 2 群矿体占全区总储量的2 2 8 6 ，为超基性岩型矿石，以贫矿为主。呈不规则的 扁豆体产于岩体的深部、底部，主要分布于3 0 - 5 6 行。本次设计未涉及到该矿体。 矿体围岩顶板主要为二辉橄榄岩，次为大理岩，底板也以二辉橄榄岩为主，占， 次为橄榄辉石岩、蛇纹透闪绿泥片岩、大理岩，。围岩稳固性顶板较好，底板较差。 2 2 2 回采范围 一期工程开采范围为东部群矿体f 1 7 断层以西1 2 5 0 中段( 标高1 2 5 0 m 1 3 0 0 m 之间的矿体) 、1 3 0 0 中段( 标高1 3 0 0 m 以上的矿体) ；西部1 # 矿体1 2 5 0 中段( 标高 1 2 5 0 m 以上的矿体) 。 二期工程设计回采范围是1 号矿体1 2 5 0 以下的1 0 0 0 米( 标高1 0 0 0 m 1 1 5 0 m 之 间的矿体) 和1 1 5 0 米( 标高1 1 5 0 m 1 2 5 0 m 之间的矿体) 两个中段。 即将建设的8 5 0 m 中段，回采1 群矿体标高8 5 0 m l o o o m 之间的矿体。 2 3 生产系统简介 二矿区现有两个中段同时回采，即1 2 5 0 m 1 1 5 0 m 中段和1 1 5 0 m 以下中段，分别 由1 2 5 0 m 标高和1 1 5 0 i i l 标高向下回采。 2 3 1 井下运输提升系统 1 2 5 0 m 1 1 5 0 m 中段正在1 1 9 8 m 分段采矿，盘区采出的矿石由盘区矿石溜井下放 昆明理工大学工程碗士学位论文 第二章矿山生产现状 目前二矿区采用的栗矿方法为1 9 8 6 年中瑞科技合作确定的机械化盘区进路下向 胶结充填采矿法，开拓方式为竖井、斜井、斜坡道联合开拓方案。 2 2 地质概况及主要开采范围 2 2 1 地质概况 金川铜镍矿区在大地构造位置上位于阿拉善台块的南部边缘隆起区。北部为台块 内部区，南部为北祁连山加里东地槽边缘拗陷带。二矿区共发现3 5 1 个矿体，其中主 矿体仅1 # 和2 # 两个，矿石储量占9 9 3 1 。 1 # 矿体为i i 矿区最大矿体，占全区总储量的7 6 4 5 ，矿体形态比较规则，矿体 呈似层状的隐伏矿体。矿体中富矿占储量的8 7 3 3 ，富矿体位于中心，贫矿位于富 矿的周围、顶部或一侧。贫富矿体之间界线一般比较清楚。 2 # 矿体占垒区总储量的2 2 8 6 ，为超基性岩型矿石，以贫矿为主。呈不规则的 扁豆体产于岩体的深部、底部，主要分布于3 0 - 5 6 行。本次设计未涉及到该矿体。 矿体围岩项板主要为二辉橄榄岩，次为大理岩，底板也以二辉橄榄岩为主，占， 次为橄榄辉石岩、蛇纹透闪绿泥片岩、大理岩，口围岩稳固性顶板较好，底板较差。 2 2 2 回采范围 一期工程开采范围为东部2 堋“体f 1 7 断层以西1 2 5 0 中段( 标高1 2 5 0 m 1 3 0 0 m 之间的矿体) 、1 3 0 0 中段( 标高1 3 0 0 m 以上的矿体) ；西部1 # 矿体1 2 5 0 中段( 标高 1 2 5 0 r n 以上的矿体) 。 二期工程设计回采范围是l 号矿体1 2 5 0 以下的1 0 0 0 米( 标高1 0 0 0 m 1 1 5 0 m 之 间的矿体) 和1 1 5 0 米( 标高l l s o m 1 2 5 0 m 之间的矿体) 两个中段。 即将建设的8 5 0 m 中段，回采l # 矿体标高8 5 0 m 1 0 0 0 m 之间的矿体。 2 3 生产系统简介 二矿区现有两个中段同时圃采，即1 2 5 0 m 1 1 5 0 m 中段和1 1 5 0 m 以下中段，分别 由1 2 5 0 m 标高和1 1 5 0 1 1 标高向下回采。 2 3 1 井下运输提升系统 1 2 5 0 m l l s o m 中段正在1 1 9 8 m 分段采矿盘区采出的矿石由盘区矿石溜井下放 1 2 5 0 m 1 1 5 0 m 中段正在1 1 9 8 m 分段采矿盘区采出的矿石由盘区矿石溜井下放 昆明理工大学工程硕士学位论文第二章矿山生产现状 到1 1 5 0 m 运输水平。1 1 5 0 m 中段矿石采用无轨柴油卡车运输，经1 1 5 0 m 中段无轨运输 巷道，卸入l1 5 0 m 1 0 0 0 m 水平的l 。或2 7 旷石主溜井。主溜井内的矿石，经设于溜井 底部的振动放矿机下放到1 0 0 0 m 破碎站卸矿坑内。 1 0 0 0 m 中段正在1 1 1 8 m 分段采矿，采出矿石由铲运机搬运到盘区本分段的矿石溜 井，在1 0 0 0 m 中段主运输水平，由2 5 t 的无轨柴油卡车直接运往破碎站的卸矿坑。 矿石破碎后，利用1 。、2 。、3 。、4 i 皮带将矿石至转运西主井，由西主井将矿石提 升至遗表，再经5 4 、6 l 、7 。皮带倒运至矿石转运站，装火车运往选矿厂。设计矿石破 碎和提升能力为1 7 0 0 0 t d 。 2 3 2 废石运输提升系统 1 1 5 0 中段采准、开拓废石由铲运机倒入废石溜井，由无轨柴油矿用卡车，运往 设于东西副井附近的1 1 7 0 m 废石转运仓，装入1 2 m 3 矿车，由东西副井提升至地表， 运往地表废石场排放。 改扩建工程设计的1 0 0 0 m 中段的废石运输系统，也是将采准、开拓废石由铲运机 倒入废石溜井，再用矿用卡车运往设在1 0 0 0 m 中段破碎站绕道内的废石转载溜井，在 9 7 8 m 水平装入1 2m 3 矿车，由1 8 行副井提升至地表，排放到1 8 行废石场。 1 4 昆明理工大学工程硕士学位论文 第二章矿山生产现状 2 3 3 充填系统 目前二矿区在地表已建成充填搅拌站两个，即一期搅拌站和二期搅拌站。一期 搅拌站共有5 个系列，属于管道自流输送高浓度科浆。二期搅拌站现已建成3 个系列， 其中两个系列与第l 搅拌站相同。为高浓度自流输送系统；另一个系列为膏体泵送系 统。 高浓度管道自流输送系统：- 3 m m 的棒磨砂和r 3 2 5 号散装普通硅酸盐水泥在搅 拌桶内与水搅拌后经充填管井、充填钻孔下至充填回风水平，再经过川脉充填回风道 从预留的充填回风井下至盘区充填进路，中段充填道和回风充填道内安装永久的耐 磨钢管，其余为锰钢管，采场进路内为增强塑料管。 充填工艺指标为：砂浆质量浓度为7 7 7 9 ，灰砂比1 ：4 、1 ：6 ，充填体强度 r 2 8 = 5 m p a 。 膏体泵送系统：在地表按设计配比将尾砂、3 m m 棒磨砂、粉煤灰混合后运送至 双轴叶片搅拌机，经初步搅拌的骨料下放到双轴螺旋式搅拌输送机搅拌均匀后，直接 进入p m 泵，进行泵压管道输送；同时在地表按设计配比水泥浆，也用p m 泵进行泵 压管道输送；在1 2 5 0 m 水平加压泵站将水泥浆与骨料搅拌后，泵送到盘区充填进路。 由于多种因素，该系统运转不十分正常。 两个搅拌站的充填能力可以满足9 0 0 0 t d 矿石开采规模的要求。 昆明理工大学工程硕士学位论文第二章矿山生产现状 2 3 4 行人系统 二矿区井下作业人员可由西副井下放到各自作业中段，1 1 5 0 m 水平以上步行到作 业地点。1 1 5 0 m 以下的作业人员可由人行盲井到达作业分段及1 0 0 0 运输中段。 2 3 5 通风系统 二矿区的进风井有西风井、东西副井、1 8 行副井，污风由1 4 行专用回风井集中 抽出地表。目前井下建有5 个进风机站和1 个回风机站，地表1 4 行回风井口设有主 回风机站。 进风由东西副井、2 行西风井、斜坡道和1 8 行副井完成，分别供给1 2 5 0 m 两个 进风双机站( 压入1 2 3 8 m 及其以下各分段采矿掘进工作面) 、1 2 0 0 m 中段东侧机站和 1 1 5 0 m 东西两侧的进风双机站( 压入1 1 3 8 m 及其以下各分段采矿掘