金属矿业的前沿领域_深部采矿(正稿).ppt

1、1，1，金属矿业前沿领域的深部开采，顾德生，中南大学，2010年10月，1，2，前言在人类发展的长河中，采矿始终贯穿着整个历史进程，现代文明起源于采矿；没有矿业的发展，就没有国家工业化和国防现代化，矿业就处于基础地位；矿产资源短缺严重，矿床开发逐渐转向深部开采，进入前沿领域；与20世纪90年代相比，现代矿业科技已经不再一样。它突破了传统学科的范畴，极大地拓展了矿业科技的发展空间传统矿业正在走向现代化。2、1、3围绕深部开采讨论了以下七个问题：1 .加强我国金属矿产资源的勘查；2.金属开采正在向深部开采过渡；3.深部开采特殊环境下的灾害控制：4.经济安全的深井规模开采；5.实施矿区深部资源绿色开

2、发；6.促进深部采矿科学技术的发展；7.构建深井未来开采模式；3，1，4。1.加强对中国金属矿产资源的勘探。中国金属矿产资源短缺形势严峻。中国的矿产资源相对丰富。已探明储量的金属矿产有54种，占世界总量的12%，但中国占世界人口的四分之一。人均资源只有世界人均水平的三分之一；尤其是大宗矿产与世界人均水平差距较大：铁为42.4%，铜为23.3%，铝为7.3%。中国许多大宗消费矿物，如铁、铜、铝、镍、钾、磷等都是稀缺资源，对国外的依赖程度超过50%，有的甚至高达70-80%。中国金属矿产资源的保障程度较低，见以下预测表3360-4。美国的铜、铅、锌、铝、镍和M0的消费量是中国的5.932.4倍。在

3、国家工业化进程中，随着人均国内生产总值的增长，人均金属消费量将呈S型曲线变化。如下图所示。目前，中国正处于工业化中期，即人均金属资源消费强度增长最快并逐渐接近峰值的时期。从下表可以看出，中国粗钢、铝和铜的金属消费高峰期分别为2015年、2020年和2025年。1，8，3。加强矿产勘查保障国家资源安全加强矿区边缘和深部资源勘查经过长期大规模开发，浅层优质资源越来越少，但实际情况表明，我国大多数大中型矿山在深部和深部都有很大的资源前景。通过加强矿区勘探，在矿集区获得了新的资源。大力加强西部资源开发。西部地区是中国的后备资源基地。除了石油和天然气，煤炭占全国的40%，铁占47%，钾占97%，铜、镍和

4、金也非常丰富；切实增加矿产勘查投资2010-2012年，国家每年投资130亿元实施“地质矿产保护工程”，其中地质矿产勘查投资50亿元，矿山环境管理投资40亿元，矿产综合利用投资30亿元，境外勘查投资10亿元。目前，占世界人口不到四分之一的发达国家消耗了全球四分之三的矿产资源，而发展中国家仅占四分之一。这是全球矿产资源配置的模式。全球资源竞争形势。矿产资源是不可再生的。资源的有限性与世界经济发展对资源的无限需求是矛盾的。再加上资源的地理分布不均，这是全球争夺资源和国际关系紧张的原因。目前，有4300多家矿业公司(不包括煤炭和石油)在100多个国家进行勘探和开发。其中，美国、加拿大的矿业公司我国的

5、政策是“积极开展资源外交”，“实现互利共赢、共同发展”。在国外有成千上万的公司从事矿产勘探和开发。投资方式：通过参股承销、购买产权、并购和风险探索。据商务部统计，2010年上半年企业海外投资主要集中在采矿业，总额达130亿美元，是2005年的100倍。10，1，11，2。金属开采正在向深部开采过渡。1.深部开采是矿业发展的必然。2.中国的许多矿山已经转向深部开采。3.国外有大量的深井。11，1，12，1。深部开采是矿业发展的必然。中国金属矿床的开采正逐步扩展到五种类型的矿床：贫矿床、软破碎矿床、水下矿床、高山地区矿床和深部矿床。经过长期开采，许多建于20世纪50年代和60年代的金属矿山已逐渐耗

6、尽其资源，只剩下几个大型露天矿山，一半的主要地下矿山已逐渐过渡到深部矿床开采。实际情况表明，我国大部分矿集区的大中型矿山的深部和边缘资源仍然很有前景，而且与世界矿业一样，矿床的开采深度越来越大。对于已开采的矿山，深部开采是最经济有效的开发方式。深部矿床将成为未来的主要开采目标。国内开采深度达到1600米，国外开采深度达到4100米以上。12，1，13，2。中国的许多矿山已经被转移到深部开采。什么是深部开采？学术表述：随着开采范围的扩大，地应力逐渐增大。当它增加到一定值时，岩爆频率明显增加。超过这个临界深度的开采被定义为“深部开采”。普遍认为矿岩结构复杂，同一深度的地应力不一定相同，因此理论表述

7、存在很大的不确定性。一般来说，开采深度大于800-1000米的矿床被视为“深部开采”。我国已进入深部开采的金属矿山有夹皮沟金矿1600米、会泽铅锌矿1360米、红透山铜矿1300米、冬瓜山铜矿110米、寿王坟铜矿1000米和弓长岭铁矿1000米；此外，凡口铅锌矿、金川镍矿、高枫锡矿和湘西金矿都已进入深部开采。13，1，14，3。据不完全统计，国外非煤矿山开采深度超过1000米的有80多个，按国家划分：加拿大30个，南非15个，美国11个，印度4个，澳大利亚4个，俄罗斯、波兰和赞比亚2个；根据开采类型，有80多个深井矿山，包括26个金矿、18个铜矿、9个镍矿、7个钾盐矿、6个铅锌矿、5个银矿、4

8、个铀矿和3个铁矿。根据开采深度：60个，深度1000-2000米，12个，深度2000-3000米，3个，深度3000米以上，其中最深的是南非的卡里顿威尔金矿，井深4164米，开采深度3800米。深部开采特殊环境的灾害控制。“三高”深部开采特殊环境2。深井高应力灾害。高温井的热损害。15、1、16、1高深井举升技术问题。深部开采的“三高”特殊环境当开采深度达到800-1000米时，矿井转入，是一种高应力、高井温、高井深的特殊开采环境。“三高”是深井的主要致灾因素。高应力(40-80 Mpa)诱发岩爆，导致冒顶，支护困难，危及作业安全，采矿方法与支护技术不相容。井温高(30-60)导致矿石自燃、

9、自爆和工作环境恶化。在高温环境中，人体生理是有限的；高井深(1000-5000米)导致提升、通风、排水和填充的难度增加，效率降低，成本增加。16，1，17，2关于深井高应力灾害问题(1)在国外深井开挖过程中，由于工程扰动，矿石和岩石的应力会增大，使软岩坍塌，诱发硬岩爆。岩爆经常在没有预警的情况下发生，其暴力程度足以伤人在国外，印度在1900年首次观察到科拉尔金矿的岩爆。1906年，美国大西洋煤矿发生岩爆，地震强度达到里氏3.6级，导致铁轨弯曲，矿井停止工作；岩爆也会引发空气爆炸，导致火灾。在南非，金矿埋藏很深。根据南非采矿工程师协会的统计，1994-1998年期间，有139，000名矿工受重伤

10、，2，264人死亡。造成人员伤亡的主要原因是在高应力深井中工作时没有合适的开采技术。国外深井高应力研究1977年，国际岩石力学学会成立了岩爆专门委员会。20世纪80年代，加拿大开展了两个为期10年的深井研究项目，包括微震监测、岩爆预测、计算机模拟、潜在岩爆区支持系统、岩爆风险评估等。在美国，密歇根理工大学和西南研究所与国防部合作，研究岩爆引起的地震信号与自然地震和核爆炸信号之间的差异。在南非，为了解决3000.5万米深井开采的技术难题，1998年启动了深井研究计划，并取得了一系列创新成果，包括液压支柱、液压钻机、深井冷却、快速连续采矿法、采场输送机、地下粗磨浮选和向地表泵送浓缩细精矿。18，1

11、，19，(3)中国深井高应力灾害研究岩爆最早于1933年在中国抚顺胜利矿区出现。目前，红透山铜矿等20多个矿山都有岩爆记录。我国非常重视深部开采。开展了“九五”国家300万吨深井千米集约开采综合技术研究和“十五”国家大型稀缺金属矿产资源勘查高效开采技术研究；2001年香山深部岩石力学基础研究学术会议召开；国家自然科学基金委在2003年启动了深部岩石力学基础与应用研究重大项目，之后又启动了一系列基础研究基金项目。我国在岩爆的机理、预测和监测方面做了大量的研究工作。冬瓜山矿床开采设计中采用了一些深部开采技术来控制冲击地压。19，1，20，3。深井热害(1)根据欧洲2000米钻孔观测，地温梯度约为3

12、/100米，影响井下温度的主要热源有：围岩散热、坑内热水散热、矿石和岩石氧化散热、机电设备散热、空气压缩散热和人体散热等。南非西部矿井井深3300米，井下温度50；日本于风铅锌矿开采深度为500米，但受裂隙热水影响，地下温度高达80。20世纪90年代，中国有70个热害矿井(包括台湾省的20个)，其中40个煤矿有30多个采煤工作面，最多40个；有43个金属矿。根据我国煤矿安全规程，井下工作面在20、1、21时不得超过26，如果温度超过30，必须停止作业并采取降温措施。在南非设计矿井冷却系统时，矿井温度应控制在28以内(指气流通过采场后的湿球温度)。据南非多年统计，当地下工作场所空气湿球温度达到2

13、8.9(相当于干球温度30)时，劳动生产率明显降低，中暑死亡事故开始发生。见下表：(2)深井降温模式通风降温增加风量和风速，以“稀释”地下热量，改善人体散热条件。这种方法常用于大断面巷道。然而，仅靠通风很难满足深井降温要求。21、1、22，压缩空气冷却是工作面冷却的辅助方法。虽然有效，但成本太高；供水制冷有三种冷却方式。地下分散制冷和空调的数量地面冷冻厂的水量一般为2-4。22、1、23，将地面制冰和冷却冰块粉碎后通过管道输送到地下冷库，然后通过换热系统对空气和水进行冷却，可以提高冷量传输效率，减少地下抽水量，降低抽水成本。南非的实验取得了良好的效果。这是一个新的发展方向。(3)南非斯坦总统金

14、矿深井降温实例，矿井深度为3200米，原岩温度高达63，地面设置7000千瓦的制冷站，产生100升/秒的冷却水来冷却地下空气。澳大利亚布罗肯希尔铅锌矿在井下生产过程中设置了一个制冷站，为工作面的空气冷却服务。在中国，新汶矿务局孙村矿建立了中国第一个地下集中制冷站；平顶山八矿建立了国内第二套井下制冷系统，并取得了良好的效果。23，1，24，4。论深井提升(1)开采深度的限制南非德兰士瓦公司设计的矿井最大深度为4000米，这是开采深度的限制。由于4000米深度的地压很高，开采爆破后容易引起岩爆，可能导致大能量释放的地震事故；4000米深处的原岩温度通常达到45-50，矿井降温问题十分突出；矿井排水

15、和通风存在许多困难。深井举升的经济合理性。由于深井提升的有效载荷会随着深度的增加而显著降低，提升成本必然会大幅增加。一级提升一般不超过2000米，当井深达到2000-4000米时，往往需要采用两级提升。24，1，25，(2)深井提升示例，1，26，世界上最大直径的多绳提升机德国曾经制造了一种大型四绳落地式提升机，其摩擦轮直径为9米(中国最大直径为5米)，箕斗有效载荷为30吨(中国最大有效载荷为22吨)，提升高度为1200米，提升速度为20米/秒。超千米深井的提升速度一般为15-20m/s。近年来，我国在深井开采的科学研究方面取得了一些成果，积累了一些经验。然而，在埋藏深、岩石温度高、冲击倾向性高、品位低、开采强度大的条件下，有许多关键技术需要系统研究。26，1，27，4。经济安全的深井大规模开采。推进深井开采现代化。提高装备水平，实现深井高效开采。金属矿山大规模开采的新设计理念。国外地下金属矿大规模开采实例27，1，28，1。深井开采技术的现代化依赖于采矿设备的创新。没有采矿设备的创新和发展，就不可能有采矿技术的进步。近20年来，国外地下采矿设备在实现无轨迹和液压的基础上向大型化和智能化发展：铲运机：25吨负荷的电动铲运机已投入运行；遥控铲运机逐渐小型化(铲斗容量2立方米，负载2吨)。(中国只开发了0.76、1、2和3立方