金属矿床开采新技术技术

金属矿床开采新技术王新民,目录,1.前言,2.金属矿床地下开采连续采矿,3.缓倾斜层状含水松软矿体深孔合采连续采矿法,4.采矿环境再造深孔诱导落矿充填采矿法,5.采矿环境再造分段空场嗣后充填采矿法,6.深部开采的致灾环境控制,7.展望,研究背景,1.前言,矿产资源开发向深部、“三下”难采方向发展，开采技术条件复杂化,矿产资源日趋减少，价格上涨,现用采矿方法生产规模小、损失贫化率高、地表环境破坏严重,浅表矿产资源不断枯竭，露采转地采，地下矿山转入深部开采趋势日益加强,采矿方法创新、采矿工艺技术变革和实现矿床开采规模化成为发展趋势,采矿技术发展方向,机械化连续采矿技术,连续采矿技术的实质是以整个矿段作为大型采场，在上下连续的多个矿段分别平行进行采切、回采、充填工序，采矿作业分工序在不同的空间和时序上平行进行，但整体向前连续推进。,之外，提升系统、外部运输系统和管理调度系统的优化配套也是必不可少的。,充填采矿技术,在地下采矿领域，空场采矿法嗣后充填和充填采矿法，将以其具有的资源回收率高、对环境破坏小等优点，得到更大的发展空间。采矿充填工艺技术的理论研究和实际应用方面已成为当今采矿科技界发展的一个热点。,深井采矿技术,按照当前较为普遍的认识，地下开采垂直深度超过800m以上时界定为深部开采。据不完全统计，国外开采深度超1000米的金属矿山已有近100座，主要是在南非、俄罗斯、加拿大、美国、澳大利亚、印度等国家。,溶浸采矿技术,由于溶浸采矿技术以其总投资少、工程周期短、矿物回收率高、生产成本低、劳动强度较小、环境破坏小和有利于低品位或小型难采矿体开发的优势，已成为矿业发达国家广泛应用的一种高效采矿方法。目前，该采矿技术在美国、加拿大、南非、澳大利亚、智利、前苏联、法国、葡萄牙等国家推广迅。我国也有部分铜、铀、金、银等矿山开始规模化应用有色金属的溶浸采矿。,海底资源是海洋资源的一部分，主要是指海洋底部岩层中能获得、并能为人类所利用的矿物资源，包括大洋底部岩层及洋底表层中的各种固体、液体、气体矿藏，如石油、重金属海泥、天然气、锰结核、铁、铜、金、煤等。极地资源指地球南北两极为人类所利用的有用资源，包括水、生物、矿产、旅游、科学考察等资源。,海底与极地资源开采,研究目的意义,主要分析、介绍了连续采矿、充填采矿及深井开采技术等金属矿床开采新技术。探索矿业的发展道路，促进环境与经济的协调发展。站在全球可持续发展的战略高度，从金属矿产资源的可持续发展、矿产资源的可持续供应、矿产开发的发展战略与环境管理、循环经济与矿业循环经济模式等方面，阐述了现代金属矿床开采新技术。,2.连续矿床地下开采连续采矿,连续采矿技术发展的背景,1）采矿装备的大型化和智能化,露天：,卡车有效载重：327t,236t,280t,如T282型电动轮卡车、797型液力机械传动卡车,挖掘机斗容：40m3(超大型已达到83m3),如495B、351M、4100TS等型号的单斗挖掘,牙轮钻机：穿孔直径310380mm,自控挖掘机系统,全球卫星定位系统(GPS),地下：,Toro2500E型电动铲运机载重：25t,瑞典井下使用120t的七轴大型卡车,配有水力潜孔冲击式凿岩机的Simbaw型自动遥控台车广泛应用,遥控铲运机、凿岩台车；凿岩机器人、装载机器人和采煤机器人,2）采矿作业走向规模化和连续化,3）连续采矿理念的形成,目前，全世界有十余座年产量超过1000万吨的地下金属矿山。,“间断连续开采工艺”：穿孔爆破作业间断，装载、破碎、长短距离输送连续进行。,深孔大量落矿，高强度集中采矿，一步骤连续回采，工作面连续推进，反映了连续趋势,煤矿是沉积矿床，产状平缓、规则，硬度不大，可用机械连续切割,实现了连续采矿,金属矿山矿床赋存条件多变且不规则，矿石坚硬，采下矿石块度大，,智利埃尔特尼恩特铜矿，3500万吨/年；瑞典基鲁纳铁矿，超过2000万吨/年,设备配置：大型穿孔爆破设备、巨型电铲、半固定或可移动破碎站、大倾角胶带输送机（用于采矿场内的矿石输送）和长距离大型胶带输送机。,地下金属矿连续采矿模式,第一类：单一采矿机的连续采矿,基于非爆破破岩的狭义的连续采矿理念，即借助机械切割破岩的连续采矿方法。,基于爆破破岩的广义连续采矿理念，是一步骤回采的采矿方法和高效率采、装、运设备组成的采矿系统。,1）地下金属矿连续采矿模式,第二类：采装运机组与一步骤回采方法配套的连续采矿,连续切割机大规模投入生产尚需时日，但前景看好。,该方式的理念已在地下金属矿山中逐步推广应用，不追求严格意义上的连续并行作业，而以规模化采矿为目标，将各工序和设备有机组合起来。,广义连续采矿的两种模式：,第一种：一步骤回采的采矿法与无轨采掘装运设备构成的连续采矿系统,第二种：一步骤回采的采矿法与连续作业组构成的连续采矿系统,大矿段侧向深孔落矿、振动连续作业机组出矿、一步骤回采的阶段矿房法回采系统,大矿段束状深孔落矿、绳架式胶带运输机连续作业机组出矿、一步骤回采的阶段矿房法回采系统,2）一步骤房式回采连续采矿的概念方案,1充填的废石；2崩落的矿石；3垂直深孔：4凿岩水平层；5拉底水平层；6受矿水平层；7出矿运输平巷,矿石路径：,采场,采场溜井,电机车,振动连续作业机组,振动出矿机,井底车场,3）一步骤房式回采连续采矿的技术关键,a.创造与采矿连续工艺相适应的采矿方法,b.采用与连续采矿生产能力相适应的采矿设备,c.具有与连续采矿设备相适宜的矿石块度组成,巷道由立体空间转向平面布置,采用高分段、高阶段回采,巷道由立体空间转向平面布置,结构简化、巷道减少、布置规范化,采用大矿段、一步骤回采,增大落矿孔径、孔深，提高合格大块尺寸,4）连续采矿的工艺系统,一步骤房式回采振动机组出矿的连续采矿,1）连续采矿试验方案,（1）传统的房式采矿方法,将阶段划分为矿房与矿柱，先回采矿房，后再回收矿柱。,弊端:,矿柱不规则，后期回采问题多,矿柱回收滞后，导致大量工程无法结束，造成经济损失,矿柱回收率低，甚至无法回收,回收困难，生产率低，多阶段同时作业，生产管理困难,（2）采矿方法变革试验,变革基础,项目名称,“地下金属矿采矿连续工艺技术与装备的研究”,振动出矿技术,阶段划分为矿段，以矿段为回采单元，不留间柱；先采宽10m左右的矿壁，胶结充填形成人工隔墙；振动机底部出矿结构；下向平行深孔，中部拉槽，侧向崩矿；采场振动机出矿、分节式振动机、分节式振动运输列车和原矿振动条筛组成的出矿、运矿连续作业线运输列车和原矿振动条筛配套，组成出矿、运矿连续作业线。,依托矿山,狮子山铜矿和凤凰山铜矿,“地下金属矿无间柱连续采矿工艺技术研究”,技术条件,凤凰山铜矿：矿体平均厚度14m，倾角75，矿石坚硬稳固，局部矿段水平节理发育，稳固性有所下降；矿体上盘为花岗岩，中等稳固，下盘为灰岩，比较稳固；含铜平均品位0.93%，松散系数1.6。,技术思路,1最先形成的胶结充填人工隔墙；2最后回收的临时矿壁；3无二次破碎水平的底部结构；4直径165毫米垂直深孔；5采场振动出矿,无间柱连续采矿方式方案概念图,方案实施要点：,增大矿块的长度，延长至80100m；,采用无二次破碎水平的底部结构；,矿段大规模回采前，构筑胶结人工隔墙，保证充填强度；,采用深孔爆破与定向致裂爆破技术；,溜井上部安装原矿振动条筛，隔离大块（6001100mm），并处理；,矿段回采后期，靠胶结充填人工隔墙一侧留矿壁暂不爆破；,矿段回采结束后，随即用块石尾砂充填采空区；,回采过程中，采用仪器对地压监测，确保安全；,多个相邻矿段同时回采，保持规模化；,2）振动连续作业机组,本次试验采用ZCYS振动连续作业机组。包括：采场振动出矿机、分节式振动运输列车、原矿振动条筛。技术特性如下表：,1条形橡胶件；2振动台板；3两台板间的密封压板；4机架；5振动电机,FSZ采场振动出矿机示意图,出矿口：1.3m3.3m,允许最大块度：1.4m1.1m0.9m,矩形运输槽：3600mm1950mm1000mm,1输送槽体；2输送槽体；3振动电机激振器；4机架；5连接构件,激振角：=30,HZY分节式振动运输机示意图,1、2橡胶弹簧；3固定筛条；4振动筛条；5振动电机,YZS原矿振动条筛示意内图,矿石路径：,采场振动出矿机,分节式振动运输机,原矿振动条筛,1采场振动出矿机；2降尘喷雾器；3分节式振动运输列车；4原矿振动条筛；5采场溜井；6振动出矿机；7电机车,采场出矿、运矿连续作业系统示意图,从根本上解决长期来二步骤回采所留大量间柱、未及时回采给生产带来的被动、资源大量损失，及矿山经营效益受到严重影响的问题；,阶段连续回采时，有利于实现井下采矿作业的合理集中和规模化开采，创造良好的生产条件；,连续采矿评价,阶段连续回采时，强采、强出、强充，围岩暴露时间较短，有利于采场地压控制；,阶段连续回采将推动地下金属矿山作业机械化，工艺连续化，生产集中化和管理科学化的进程，促进矿山现代化。,3.缓倾斜层状含水松软矿体深孔合采连续采矿法,缓倾斜多层松软矿体深孔连续采矿法的提出,1）采矿技术条件,试验矿山,云锡公司松树脚锡矿,锡石硫化物矿床,缓倾斜似层状氧化矿矿体，,倾角025,沿走向延长数十米到数百米，,厚度在几十厘米至数十米,锡品位达1.80%以上,试验矿段,大马芦矿段,缓倾斜似层状氧化矿体为主(占总储量80%),矿体厚度15米（部分达620米）,脉状矿体和似多层状矿体，倾角在025之间,大部分矿体较松软，稳固性差，f=46,围岩为白云岩、灰岩，强度34.566Mpa，稳固性较好,全面采矿法,2）矿山现有采矿方法应用情况,预切顶空场采矿法,底盘漏斗分段采矿法,矿块生产能力小,劳动强度大,安全条件差,暴露问题,先采矿体影响后采矿体，资源损失,同时回采采场数目太多，管理复杂,采准工作量大，开采成本高,工作面劳动和安全条件差,3）深孔合采连续采矿技术思路与采矿工艺系统,1矿石；2凿岩硐室；3钻机；4深孔；5夹石；6回填废石；7出矿漏斗；8分节式振动运输列车；9原矿振动条筛；10矿段溜矿井；11原矿振动筛洗机；12矿浆溜井；13矿废分离硐室；14重型振动条筛；15废石溜井；16集矿池；17废石提升井；18矿车；19矿浆管道；20浓缩池；21泵送管道；22电机车,缓倾斜层状松软含水矿体深孔合采连续采矿工艺系统示意图,多层合采大直径深孔落矿,矿岩筛洗分离,直接回填再灌浆,废石,集矿池,矿石,分离后的矿浆坑口浓缩,至选厂,试验方案创新点：,首次采用大直径深孔回采多层松软矿体，实现了多层缓倾斜矿体的高效回采；,在我国地下矿山首次采用井下矿岩集中分离，分离出的废石回填采空区，后再对充填废石灌浆充填；,在我国地下矿山首次采用矿浆输送方式从井口至选厂运输矿石；,首创地下综合开采工艺与技术，把大直径深孔连续采矿技术、井下矿岩集中分离技术、连续开采过程的岩层控制技术、浆体输送技术等综合起来。,缓倾斜层状松软含水矿体深孔合采连续采矿试验,1）阶段开采顺序,走向上,由东向西前进式开采,倾向上,先采北部（上段），再采南部（下段）,矿段间,相邻矿段同时开采，后一个矿段滞后前一个矿段23个落矿步距,形成由东向西，由北向南，自上而下的开采顺序,2）采矿试验方案,1顶部凿岩巷道；2深孔；3矿层；4中深孔；5集矿巷道；6电耙巷道；7联络道,层状松软含水矿体深孔合采连续采矿方案示意图,a.试验方案的要点,将矿体划分为矿块，一步骤阶梯后退式连续回采；,堑沟底部结构，扇形中深孔拉底，垂直扇形深孔落矿；,留设点柱或增设块石胶结人工矿柱，减少顶板大面积暴露；,强采、强出，随即充填，及时处理采空区，加快盘区回采速度；,废石充填，并灌浆，形成人工矿柱；相邻采空区废石非胶结充填；,在回采过程中采取相应地压监测手段，保证回采工作的顺利进行。,b.采场构成要素及布置,采场构成要素采场垂直矿体走向布置，沿走向长14m，斜长5070m，高度2535m。采用电耙堑沟底部结构，底柱高7m。,采切工程布置采场出矿1600m中段运输平巷沿矿体走向布置在脉外，采切工程主要由顶部凿岩巷道、底部结构、拉底及切割平巷、切割井、矿块回风系统和充填系统等组成。,采切工程量,c.矿块回采顺序,矿块回采顺序示意图,采场结构参数的优化,分析方法:,拉格朗日元分析法,技术思路:,为了研究多层矿体深孔合采连续采矿采场稳定性问题，通过数值模拟定量计算和分析回采过程中的采场围岩应力、位移和塑性区、破坏区的分布状况，了解它们随每步回采的动态变化过程，从而对采场围岩的稳定性状态作出判断；通过多方案的计算和分析，比较不同采场结构参数条件下围岩稳定状态，确定最佳的采场结构参数。,计算网格图,岩体节理裂隙,计算材料力学参数,参考对松树脚锡矿“大马芦”矿段所做的岩石力学试验结果依据岩体的节理裂隙发育程度和经验类比分别对岩体进行了岩体强度折减,初始地应力:,自重应力场，水平应力与垂直应力之比=0.25。,x=3.7125MPa，y=14.85MPa,莫尔库仑破坏准则,破坏准则；,最大主应力,最小主应力,材料内聚力,材料内摩擦角,破坏判断系数,材料处于塑性流动状态,材料处于弹性变形阶段,设计方案：,模型1：矿段宽12米，人工矿柱12米，矿柱与矿段1同步回采；模型2：矿段宽13米，人工矿柱13米，矿柱与矿段1同步回采；模型3：矿段宽14米，人工矿柱14米，矿柱与矿段1同步回采；模型4：矿段宽15米，人工矿柱15米，矿柱与矿段1同步回采；模型5：矿段宽16米，人工矿柱16米，矿柱与矿段1同步回采。,采场结构参数分析计算结果：,顶板最大主应力排序：模型2、6、5、4、3矿段宽度取14m较合理,矿柱尺寸加大，矿柱垂直方向位移逐渐减少,人工矿柱宽度1516m之较合理,最优方案数值分析结果图：,最大主应力,最小主应力,水平方向的应力,垂直方向的应力,灌浆工业试验,先用井下矿岩分离出的废石充填采空区，再对充填的废石灌浆。,人工矿柱,1）灌浆过程及浆液的扩散形式,在充填的废石上自上而下分段灌浆、钻孔，再分段灌浆、再钻孔，直至全部松散体下部（全部废石充填体）灌浆结束，再重新钻孔直到松散体下部，然后在孔内放置22mm焊接钢筋，作为插筋，并用水泥浆液固结。,采用充填瓜子石、公分石，提高浆液浓度,加入水玻璃及实施间歇灌浆方法，控制浆液流动范围，避免浆液浪费,灌浆中后期，实施压力灌浆，最高工作压力达到56Mpa,浆液扩散规律,初期为充填灌浆,中期为渗透灌浆,后期为劈裂灌浆,灌浆方式,决定,点灌浆,球面扩散,自下而上分段灌浆,柱状扩散,完整孔灌浆,圆柱半球面扩散,扩散形式,灌浆方式,2）浆液的流变性和粘度,浆液流变性能直接影响到浆液的扩散距离和灌注的难易程度,粘性：液体层流时，液体内部相邻各层间流动速度不同，流速较慢的流层对流速较快的流层产生阻滞力，它只有在液体流动时才存在，称之为液体的粘性。,水灰比对水泥浆液粘度的影响,水泥浆液的浓度越高，粘度就越大。,采用较高水灰比的浆液,采用较稀的水泥浆液,灌浆前期,灌浆后期,3）浆液凝胶时间及其浆液的特性,C：S对凝胶时间的影响（W：C=0.7：1，温度21C）,水泥,水玻璃,水,C：S对凝胶时间的影响（W：C=1：1，温度21C）,C：S在1：0.31：1范围内，水玻璃用量减少，浆液凝胶越快，反之，变慢。,水泥浆液浓度越高，凝胶时间越短。,4）灌浆质量检测,灌浆效果观测采用钻孔取样和孔内电视成像的方法进行观测,(a)1排1号孔孔口部位（大理岩孔壁）(b)1排1号孔中间部位（松散体）,(c)1排1号孔孔底部位（松散体内）(d)2排1号孔孔口（大理岩）,(e)2排1号孔中部（松散体内）(f)2排1号孔底部（松散体内）,多层矿体深孔合采条件下矿岩分离,1）矿岩分离的基本思路：,利用“大马芦”矿段土状的氧化矿与夹层废石的崩落块度等物性差异大、便于分离的特点，在井下进行矿岩集中分离。,土状氧化矿筛洗后成泥浆，通过泵送到地表，再转运到选厂，分离出的废石充填井下采空区。,2）振动给矿筛分机组：,1振动台面；2振动给料机机架：3皮带传动机构；4单轴激振器；5调速电机；6弹性支座；7金属橡胶弹簧；8筛侧板；9筛分机机架；10振动电机；11橡胶筛网,振动给矿机,振动筛分机,振动给料筛分机组主要技术参数,缓倾斜层状矿体深孔合采连续采矿试验的综合评价,采矿方法工业试验主要技术经济指标表,主要技术经济指标对比表,试验采矿方法的主要技术特点：,（1）打破传统采矿模式，在分层含水矿体的开采条件下，采用深孔合采、连续回采、松软矿体深孔凿岩等技术；,（2）回采缓倾斜松软含水多层矿体过程中，成功地采用旋转切削式凿岩设备，解决了软硬相间矿岩中凿岩成孔率低的难题；,（3）成功地采用PVC管对含水、松软、分层、倾斜（扇形）矿体的炮孔进行护孔；,（4）开发了废石充填体注浆构筑人工隔离矿柱的工艺技术；,（5）开发了钻孔摄像监测技术。,4.采矿环境再造深孔诱导落矿充填采矿法,松软破碎富矿体的传统采矿方法,矿体松软破碎，极不稳固，采场允许的暴露面很小，采用生产效率低、生产环境更差、作业成本更高的下向分层进路回采胶结充填采矿方法。,高品位复杂难采矿体开采：通常采用分层充填采矿法,回采工艺十分复杂、安全条件差、劳动生产率较低、作业成本高、矿块生产能力也受到很大限制。,松软破碎富矿体的开采问题：下向分层进路回采胶结充填采矿方法,1假顶；2尾砂充填体；3充填天井；4人行天井；5分层切割平巷；6溜井；7阶段运输平巷；8回采进路；9矿石,下向分层进路回采胶结充填采矿方法示意图,下向分层进路回采胶结充填采矿方法存在的问题：,（1）盘区生产能力小,（2）采矿效率低,（3）采矿成本高,（4）井下作业环境差,环节繁多,进路断面小、采用传统小型设备,工作面小、设备效率低、充填效率低,充填成本高,独头巷道型通风,采矿环境再造深孔诱导落矿充填法的提出,项目名称,用传统下向（上向）采矿技术、岩层控制技术、注浆技术等，在回采矿段周围用胶结充填料分步构筑一个人工封闭结构，然后在新的采矿环境下采用强制与诱导耦合的高效落矿方法进行回采，采后用低成本的尾砂充填，一次大量尾砂充填取代分层进路胶结充填。,依托矿山,喀拉通铜镍矿,“开采环境再造深孔诱导崩矿充填采矿法”,技术条件,矿体呈脉状，上下小，中间大，走向长度325m，矿体平均厚度2025m，平均倾角6075；岩体为块状碎裂结构，断裂、节理、裂隙特别发育，地下裂隙水较大；受构造控制、断层以及地下水的影响，矿体稳固性较差；富矿的矿石品位高，价值大。,技术思路,1戈壁料充填体；2胶结充填人工间柱；3充填通风天井；4深孔凿岩巷道；5溜井；6出矿平巷；7集矿堑沟；8加筋混凝土底部结构；9运输平巷；,采矿环境再造深孔诱导崩矿充填法概念图,实施要点,将矿体划分为盘区，盘区内划分矿段，以矿段为回采单元,实施采矿环境再造,在人工顶柱中预留一定规格的小井，作为回采过程中的通风、人行井和充填采空区的充填井，在人工顶柱下面参照深孔抵抗线尺寸，形成深孔凿岩巷道硐室,在下部的人工底柱中预留放矿口,在凿岩硐室中用深孔凿岩设备钻凿大抵抗线的下向大直径深孔，然后在阶段全高上实施球状药包下向崩矿,大量崩落的矿石通过放矿口由铲运机运出，实施强化出矿,出矿结束后，通过人工顶柱中的充填小井下放全尾砂充填料,采矿环境再造深孔诱导崩矿充填法采矿工艺,1）采准切割工作,采场顶部,采场底部,自矿体下盘溜井分别沿矿体走向掘进二条联络平巷；自联络平巷往矿体开挖三条凿岩联络道达矿体下盘边界，之后继续向矿体上盘开挖凿岩巷道至矿体上盘边界，在采场宽度方向形成四条凿岩巷道；在顶柱戈壁料充填假顶中构筑三条充填回风井，分别直达凿岩巷道。,钢筋混凝土人工假底集矿堑沟底部结构,采准切割工程量：3113.9m3混凝土量：2296.1m3千吨采切比：25.8m3/kt（6.5标m/kt）,1充填体；2加筋胶结充填顶板；3胶结充填间柱；4充填通风天井；5深孔凿岩巷道；6通风、溜矿天井；7上盘出矿平巷；8上盘出矿巷道；9中深孔凿岩巷道；10集矿堑沟；11下盘出矿巷道；12加筋混凝土底部结构；13下盘运输平巷；14切割平巷；15切割天井,开采环境再造深孔诱导崩矿充填采矿法图,2）基于采矿环境再造的人工封闭结构的构建,（1）垂直分条胶结充填体的形成工艺过程设计,采用大直径深孔形成垂直分条，然后再进行胶结充填,工艺关键在于切割天井形成，天井布孔关键在于中间拉槽孔,VCR法形成切割天井爆破布孔形式,起爆顺序示意图,切割天井形成后，转入垂直分条切割,（2）人工顶板施工工艺,第一步：,第二步：,下向分层进路胶结充填采矿法回采一个2.8m的分层,用同一方法再回采高3.2米的分层,两个分层之间用长锚杆进行加固,第三步：,步骤,方案一：,方案二：,方案三：,进路方式,上、下分层进路错开半个进路,上、下两分层进路垂直相交,上、下分层进路斜交,最终选用,人工顶板布筋方案表,（3）人工堑沟底部结构施工工艺,第一步：开凿装矿进路（图a）第二步：两帮凿岩（图b）第三步：构筑混凝土人工假底充填体（图c）第四步：用中深孔形成堑沟受矿空间（图d）第五步：人工集矿堑沟倾斜面成型与加固（图e）,人工底部结构施工工艺图,3）回采工作,先用下向分层进路回采胶结充填采矿方法、回采采场两侧宽6米的垂直分条；用14的灰砂比的戈壁料胶结充填料，构筑人工矿柱；其后回采矿段中的顶柱和底柱，分别充填后形成戈壁料钢筋混凝土充填假顶和假底；然后用大直径深孔诱导崩落回采宽36米的矿段；矿段采矿工作结束后，用戈壁料对采空场进行一次性充填。,采场主要设备配置情况,采矿方法主要技术经济指标,4）地压监测与控制,（1）安全监测的必要性,第一，验证环境再造构筑物的设计参数，了解构筑物的工作状态，诊断可靠程度，对采矿环境再造采矿技术进行评估和改进；第二，对再造构筑物的变形与性态预测，长期积累观测资料，对采矿环境再造的构筑物未来性态变化及时作出预报，确保采矿活动的安全运行；第三，地压与安全监测资料是采矿环境再造的构筑物工作状态的真实反映，可以为工程评价和未来设计提供定量的信息，有利于了解破再造构筑物的坏机理和更新设计理念。,（2）影响采矿环境安全的主要自然因素,地应力环境及采矿活动引发的地应力释放规律矿岩体的地质构造。控制的安全度岩体的力学特性地下水采矿活动的工程影响,（3）监测手段与应用,矿块自然崩落法（或强制与诱导耦合落矿）的落矿程度监测,变形位移监测,压应力监测,围岩松动范围的声波法监测,地下水的监测,（4）监测系统布设原则,a.按照采矿环境再造工程试验的需要、该铜镍矿试验采场的地质条件、采矿环境再造的构筑物结构特点和实际需要来确定；b.埋设仪器的断面位置应该具有灵活性，便于施工中调整位置；c.为了校核设计计算方法，观测断面应在典型区段选择岩体或结构性态变化最大的部位；进行采准、回采及充填的全过程的监测；结合监测目的，确定合理的断面数量和仪器数量；d.考虑数据自动化采集和人工观测的双向需要；e.应适当设置现场的巡回观察。,新采矿方法的评价,优点：（1）资源利用率大大提高；（2）机械化程度高，作业安全条件好；（3）劳动生产率较高，作业成本低。,缺点：（1）构筑出矿系统的人工底柱的工艺复杂；（2）采矿新环境的构建对充填质量的要求较高。,5.采矿环境再造分段空场嗣后充填采矿法,新采矿法的提出及方案,1）采矿技术条件,安徽省新桥硫铁矿是以硫为主的露天与地下联合开采的铜硫矿床，工业与远景储量达1.7亿吨。矿区范围为1.2平方公里，矿床由50余个矿体组成。主矿体为I号矿体，占全矿总储量的87%，矿石中伴生有少量的金、银、镉、锌等元素，具有较高的开采价值。I号矿体出露于矿区南部和东部，走向长2560m，斜深1810m，平均真厚度为23m，赋存标高140m至负680m。矿区西部坑采，规模日产2000吨，范围是230m中段I号主体矿体西翼，工业储量约860万吨，平均倾角12，平均真厚23m，开采区域地表为低矮丘陵与耕地，埋深约250m，矿区地表有“两河一库”构成较为复杂的开采条件。覆岩中有孔隙水、裂隙水及裂隙溶洞水，大气降雨是主要补给源。各层之间有隔水层和相对隔水层，但水文地质较复杂。,间接顶板：船山灰岩，稳固性较好；直接顶板：17m的角砾岩破碎带，易风化片落；底板：高骊山组砂页岩和部分砂岩，稳定性较差；矿石：黄铁矿，局部为含铜黄铁矿，稳定性较好，平均含硫31.2%，高硫矿床，有自然发火和潜在炸药自爆危险,230m2#川脉矿山取样测定岩石力学参数表,2）新采矿法的技术思路及方案,（1）原采矿方法：点柱式上向水平分层非胶充填采矿法,因留有点柱与连续间柱，永久损失矿量约占坑下一期工程工业储量860万吨的30%，即258万吨左右，损失过大；设计采用铲运机出矿，自行式凿岩岩车打眼，须依赖进口，鉴于当时配件供应周期长，资金紧缺，难以实现；由于矿体直接顶板存在有17m的破碎带，部分采场矿体节理裂隙发育，并有多个走向断层切剖，采场暴露面积达3000m2，作业安全性差。,（2）新采矿方法技术思路,依据缓倾斜厚矿体特点，不留永久矿柱，矿块采用一步回采分步实施的方案，即首先在矿块四周分条回采，用胶结充填料构筑人工矿壁，然后在四周胶结矿壁的保护下矿块进行大量落矿。,1阶段运输平巷2穿脉3溜矿井4人行井5电耙道6充填人行井7分段凿岩巷道8人工胶结矿壁9矿块中心矿量,采矿环境再造分段空场嗣充填采矿法示意图,矿块采用分段实施一步骤回采，首先用中深孔分段空场法在矿块四周进行回采，每分条采后胶结充填，最终四个胶结充填的矿壁，构筑成一个具有一定强度的框架，再造了采矿环境，确保框架中的矿石实现安全、高效开采。,人工矿壁,矿块落矿顺序:A、B、C、D、E、F区,矿块大量落矿分区示意图,（3）新采矿方法的技术关键,合理的回采方法与充填体保护问题矿山前期建设中坑下开拓与大部分采准工程已按点柱式上向水平分层充填法完成，胶结人工矿壁难于完全接顶，必须针对矿块四周江砂胶结充填体的特点采用合理的回采方法，保护充填体；充填材料与充填工艺技术本矿的尾矿是合格的硫精矿，无尾砂作充填料，必须寻求来源广泛、价格低廉的充填材料，并解决充填工艺、系统等一系列技术难题；地压监测与控制问题该方案一步回采不留连续矿柱，缓倾斜矿床采后充填难于接顶，西翼生产后期采空区总面积将达1520万平方米，地压活动将不可避免，坚持长期的地压监测与控制等岩石力学研究，采取措施，才能确保矿山持续、稳定、安全开采。,2）大跨度矿房回采技术,（1）矿房结构参数及回采顺序,结构参数：采场长度40m，宽度22m，阶段高度50m，分段高度810m，回采高度1936m。,回采顺序：由中央向四周，自下而上逆倾斜方向推进回采，将回采区域划分为6个分区，并按A区、B区和C区、D区和E区、F区的顺序依次回采。,（2）采准与切割,矿块采矿方法示意图,（3）回采作业,凿岩爆破YGZ-90凿岩机、散装BMH型防自爆乳胶炸药、BQF-50型装药器；上向扇形中深孔、最小抵抗线W=1.01.2m、孔底距a=1.62.0m；多排微差爆破，导爆管毫秒雷管与导爆索起爆。通风风流路径：230m中段平巷、穿脉巷道、人行通风天井、电耙道、分段凿岩巷道、工作面、充填回风井、180m回风平巷。出矿矿石路径：2条电耙道、溜矿井、振动出矿机、4m3矿车（6t双机电车牵引）、主井矿仓、箕斗、地表。充填回采结束，矿石出完后及时充填，用块石充填系统进行非胶结充填，铺底及接顶则用江砂充填。,（4）技术经济指标,3）块石胶结充填技术,块石输送系统示意图,设计能力150t/h,实际能力165.6t/h,4）采区地压监测与分析,(1)井下岩移观测站布设,a.移动范围设计:-180m中段的老顶沿、新顶沿、7条穿脉巷道及顶沿绕道中。,b.向巷道顶板打一深200mm的孔，注入13.5的水泥砂浆，插入长200mm、宽约10mm铜片作顶板点标志，铜片下端锯有一三角形缺口供挂垂球和小钢尺用。,（2）岩移观测,利用井下原有级导线点的平面坐标，进行平面联测。利用级导线点的高程，按地面等水准要求，采用S3水准仪联测。,5）新采矿方法评价,1、通过用胶结充填法在矿块四周首先回采构筑人工矿壁，创造矿块大量落矿的有利环境，由于采用空场嗣后一次充填，回采充填效率高、成本低；2、采用块石胶结充填新技术，确保了人工胶结矿壁具有良好的承载效果，为矿块大量落矿创造了必要的安全环境；3、矿块大量落矿由于矿量集中，回采跨度大，一次爆破药量大，在回采顺序上进行了优化，避免了爆破对人工胶结矿壁的冲击破坏；4、通过多年的地压监测表明，充填体的承载效果好，矿块大量落矿工艺安全可靠。,6.深部开采的致灾环境控制,深部矿床开采现状,1）我国矿床开采正向深部过渡,长期大规模开发，浅部矿产枯竭，开采条件恶化,红透山铜矿开采深度达9001100m冬瓜山铜矿开拓深度达1100m弓长岭铁矿开拓深度1000m湘西金矿开采深度超过850m,寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿、高峰锡矿等许多矿山，都正在步入深部开采期,深部开采（8001000m）,2）国外深部开采现状,国外开采深度超千米的金属矿山有80多座，其中最多的是南非,南非Anglogold金矿，开采深度已达3800m,南非WestDriefovten金矿，开采深度将超过5000m甚至6000m,印度的Kolar金矿区，已有三座金矿采深超2400m,俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，有8座矿山将达到2000-2500m,加拿大、美国、澳大利亚有一批采深超1000m矿山，将达到20002500m,3）深部开采的研究概况,南非已取得了四项主要研究成果:研制出了一种用于快速支护顶板的水压支柱这种支柱对于深部开采工作面附近的不稳固顶板，能提供可靠的支撑力。这种水压支柱得到广泛应用，并成为南非各种机械化采矿方法的配套设备；在回采工作面采用冲击方法破岩这种方法的效果取决于井下地压对岩石的破坏程度，目前正在研制结构十分紧凑的新型大冲击力的破岩机，采用这种破岩机，在深矿井工作面能获得令人满意的破岩速度；研制出了一种坚固耐用、高度低矮的铰接的往复式刮板输送机，它能与破岩机配套使用，在采矿工作面输送矿石；提出了许多有关采矿方法和采矿设备的新概念。,改善通风状况一般情况下采用强制通风，据南非杂志报道，强制通风最大的、经济的通风深度为1700-2300米；控制热源散发国外矿山实践证明，通风巷道沿途的热源散发，对进风流的温度影响很大。进风巷道避开各种热源的干扰是提高矿井通风效率和改善环境温度的重要措施；合理选择通风方式主要采用混合式通风方式；制冷设备降温当矿井温度超过400C，用通风方式不能改善矿井环境条件时，则采用制冷设备降温。,深井降温研究：,岩爆控制,区域防治措施,确定最佳回采顺序，优化采场结构，防止区域应力长期过载；先回采矿段的上部（或下方），使回采矿段置于卸压带内，降低矿段区域应力；强制崩落空区顶板，降低岩体自然崩落引发的危害；注水增加岩体塑性变形，避免应变能集中释放发生岩爆；进行空区充填，减少采场弹塑性变形，降低平均能量释放率，减少岩爆发生。,在高应力区打大孔，增加岩体塑性，降低局部岩体承压强度，防止岩爆发生及降低岩爆强度；采用松动爆破，解除工作面附近的应力极限岩体发生岩爆的危险；采用锚杆、喷锚网支护，预防和控制岩体剥落和破坏。,局部解危措施,深部开采的特殊环境与基础研究,1）深部开采的特殊环境,“三高”环境,高应力环境（6080Mpa）可能导致采掘工作面出现岩爆、冒顶等灾害，危及工人安全；高井温环境（4060C）将恶化工作面的作业条件，危害工人生理与心理的健康；高井深环境（8001000m）将使矿石提升和排水的技术难度增大，成本上升，增加管理困难。,对岩爆系统信息的“多元性”，没有引起足够的重视；对岩爆灾害系统缺乏清晰的认识；提取“有效信息”的手段落后。,研究较少,2）深部开采致灾因素的诱变,深部开采特殊环境与致灾因素诱变框图,结构与应力探测,三致灾因素诱变成有利因素,3）深部开采的基础研究问题,（1）深部高应力矿岩的岩爆控制（2）深井高应力矿岩的碎裂诱变（3）深井采矿中的高温环境与控制（4）深井采矿模式与采矿系统,深井岩爆的能量诠释,岩爆分类,构造型岩爆,采矿型岩爆,采矿过程中区域应力重新分布、使存在较高残余应力的岩体构造弱面所引起的岩爆,采矿活动造成应力集，使周围岩体承受载荷接近或达到强度极限，在爆破扰动下岩体发生的脆性破坏。多发形式。,岩爆的能量诠释原理,当硐室几乎是瞬间突然形成时，在S面上，开挖前的牵引力突然降为零。在S面逐渐降低的支护力所做的功，表现为开挖面上的多余能量，随后耗散(或释放)或传播到周围介质中，因而称为耗散能Wr。,开挖前在S面上任一点受tx，ty力作用，在S面范围内逐渐开挖的情况下，面上牵引力逐渐降为零，开挖面周围产生诱发应力区。,耗散能与开挖的岩体体积V之比称为能量耗散率（EnergyReleaseRatio），EERR=Wr/V,开挖边界i点处作用力,对应于txi、tyi方向上开挖后引起的位移,开挖体积,积分区域，即整个开挖面,研究表明：深度不超过2000m的矿山，能量耗散率EERR=30MJ/m2可以接受,能量控制采场围岩失稳风险预测,确定计算模型和参数建立采场围岩系统有限元计算模型，计算采场范围内矿岩体力学与变形参数均值和方差；,建立节点位移的响应面函数,开挖面上任一点k的响应面函数,采场围岩力学与变形参数,待定的响应面函数,建立围岩系统突变失稳可靠度分析的极限状态方程,有限元节点i处x和y方向的位移,开挖面边界点i处的等效载荷（节点力）,采场围岩系统处于极限稳定状态的判别式,4P3+27Q2=0,当已经确定了随机参数的统计特征值（均值、方差）和概率分布，就可以计算获得系统稳定可靠度Pr或突变失稳概率Pf。而失稳概率Pf可作为系统失稳风险度。,采场围岩突变失稳可靠度分析与失稳概率计算,预测过程借助于有限元分析工具进行正交实验（基于某种准则进行多次有限元计算），建立系统可靠度分析的响应面函数，在此基础上进行系统的可靠度分析，求得系统稳定可靠度和失稳概率，并以系统的失稳概率作为评价系统突变失稳的风险度。,矿山充填体的作用机理,（1）充填体的支护作用,（2）充填体与系统的共同作用,应力转移与吸收充填体进入空区，最初是不受力的，以后随着充填体强度的提高，具备了吸收应力和转移应力的能力。从而也形成了地层“大家族”的成员，参与地层的自组织系统和活动。应力隔离作用充填体对围岩稳定的应力隔离作用有两种情况：一种是隔离水平应力；另一种是隔离垂直应力。系统的共同作用充填体充入地下采场后，由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用，特别是开挖系统的自组织机能，使围岩变形得到控制，围岩能量耗散速度得以减缓，从而可以有效控制矿山结构和围岩破坏的发展，防止发生无阻挡的自由破坏塌落。,（3）充填体的充填作用,保持顶板岩层的