镍矿资源深部开采面临的技术问题及对策_杨长祥

镍矿资源深部开采面临的技术问题及对策
杨长祥,辜大志,张海军,杨长超
(金川集团有限公司,　甘肃金昌市　737100)
摘　要:金川镍矿是我国最大的镍矿资源生产基地,年产矿石量达640万t /a 以上,其开
采深度超过1000m 。

随着开采深度的加深,矿区地压、地热、涌水等显现日趋剧烈,镍矿深部资源高效、安全和低耗开采是金川镍矿乃至金属矿山亟待解决的重要课题。

结合金川镍矿主力矿山———金川二矿区目前开采现状和遇到的问题,探讨分析了镍矿资源深部开采所面临的技术问题,并提出了研究对策,对深部矿山资源开采具有一定借鉴意义。

关键词:金川镍矿;深部开采;岩爆;井巷支护;深井通风
0　引　言
镍金属以其独特的材料特性,一直是航空、国
防、电气、轻工、机械制造、建筑、化工等行业不可或缺的原材料。

我国最大的镍矿资源生产基地———金川镍矿1#
矿体开采已经进入到850中段,部分工程超过1000m ,最大开拓深度达1165.5m ,属世界公认的深部开采工程,现还在逐年向下延深,与浅部生产中段相比,随着开采深度增加,采矿作业环境发生变化,面临着岩石力学、地热、岩爆、巷道支护、通风、充填等一系列问题。

研究表明,深部开采是地下采矿工程的发展方向。

因此,如何面对深部开采的复杂开采技术条件,及时解决镍矿资源深部开采所涉及的技术性难题,是摆在当前技术生产管理者和广大工程技术人员面前的重要课题。

本文结合金川镍矿主力矿山———二矿区目前开采现状和遇到的实际问题,对镍矿资源深部开采可能出现的问题做出了分析与探讨,并提出了解决策略与建议。

这对国家大型有色金属矿山的深部开采设计和安全开采具有十分重要的意义。

1　开采现状
承担着金川镍矿76.5%以上自产矿石原料的二矿区采用机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法开采,盘区垂直矿体走向布置,大面积无矿柱连续回采。

目前,金川二矿区正在进行开采的中段为1150中段和1000中段,地下已形成水平矿柱和垂直矿柱“两柱”结构,并正在加速“两柱”的回采,850中段
已进入掘进施工,18行副井工程垂深超过1000m ,达1165.5m ,还将向更深部掘进,2008年850中段开始首采层978分段的回采(见图1)。

与浅部生产中段相比,深部850中段水文地质条件、岩体强度特性变得更加复杂,矿区地压、地热、涌水等日益显现。

2　深部开采面临技术问题分析
2.1　整体稳定性问题
由于金川矿体特殊的赋存条件及其固有的金属价值,决定了对富矿的开采使用胶结充填采矿法,并
已成功地实现了5万m 2
的大面积无矿柱连续回采,有效地控制了岩层移动和充填体滑移。

目前,金川镍矿二矿区地下已形成“两柱”结构,且正在加速水平矿柱和垂直矿柱的回采。

然而多中段大面积无矿柱连续开采的问题极具挑战性,在国内外尚属首例,没有相同或相似的范例可供参考和借鉴,且进入850中段开采后,采场面积将扩大
至10万m 2
,地应力将超过50M P a ,对于急倾斜特厚大1#
矿体,在充填体与贫矿及围岩接触带又是软弱破碎带,以及沿矿体倾斜方向和走向不留矿柱的条件下,能否安全平稳地实现大面积无矿柱连续下向开采是一个亟需解决的问题。

2.2　地热升高问题
研究结果表明,原岩温度随开采深度的增加而升高,开采深度每增加100m ,岩石温度增高3～5℃,在深度为1000m 时,地温将达到30～50℃。

目前,1150中段和1000中段采矿过程中暴露出回采工作面环境温度较高,实测局部回采工作面环境温度已达32℃。

I S S N 1671-2900C N 43-1347/T D 采矿技术　第8卷　第4期M i n i n g T e c h n o l o g y ,V o l .8,N o .4
2008年7月
J u l y 2008
DOI :10.13828/j .cn ki .ckjs .2008.04.014
图1　金川二矿区开采现状
金川镍矿进入850中段及其更深部,由研究推理并结合1150中段和1000中段回采实际情况分析可得,深部开采时作业环境温度可能达到40℃以上,将面临着严重的地热问题,持续高温将对人员的健康和工作能力造成极大伤害,工人在热湿的空气环境中较长时间的劳动,会发生中暑晕倒、呕吐和湿疹等疾病,使劳动生产率大大下降,生产事故大大增加,同时还会降低井下设备的工作性能,减少井下设备的使用寿命。

2.3　涌水问题
根据金川镍矿以往水文地质资料,金川水文地质简单、地下涌水量小。

然而,二矿区850中段24行主井在掘进施工过程中,由于井筒涌水,平均月进尺不到20m。

为堵水,2005年停止掘进2个月, 2006年停止掘进4个月。

目前24行主井井筒涌水量达60m3/h,850m水平废石运输巷涌水量达80 m3/h,严重影响施工质量和工程进度。

经分析发现,24行主井、850m水平运输道涌水主要原因是工程处在超基性岩体的上盘混合片麻岩中,岩体构造、节理发育,各种断裂带和小岩体接触处富含裂隙水。

面对水文地质条件、岩体强度特性复杂的深部,其开采过程中,一旦遇到类似于24行主井、850m 水平运输道涌水,必然给深部开采带来严重的困难,对二矿区乃至整个金川集团公司的正常生产将造成极大影响。

2.4　岩爆等地质灾害问题
实践表明,对于高应力区较坚硬岩石,深部围岩潜存着岩爆破坏类型。

实际上,早在1984年,在围岩破坏调查中就已经发现金川镍矿二矿区发生过一些小规模的岩石劈裂现象,只不过由于岩爆发生规模较小,没有引起人们的足够重视。

南非B l y v o o y u i t Z i c h t金矿、抚顺红透山铜矿深部矿山的岩爆现象表明,随着深度增加,地应力呈线性或非线性增加趋势,岩体变硬变脆,地温升高,地质条件进一步恶化,岩爆问题将会变得突出。

2.5　巷道稳定性问题
研究结果表明,金川矿区以水平构造应力为主,进入中深部开采后,地应力呈线性增加,水平应力随深度增加而增大,水平最大主应力与最小主应力差值随深度增加而增大。

以致巷道岩体强度降低,巷道与支护体破坏非常严重。

据统计,1150中段和1000中段,从1999年开始,井下巷道返修量急剧增加,由1999年的3200m增加到2007年的15617.3 m,这可以认为是长时间岩体移动的集中表现,足以形成一次大范围的地压活动。

进入850中段及更深部开采后,矿山开采深度加大、采动影响加剧,必然导致巷道周围地应力分布
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　杨长祥,等:　镍矿资源深部开采面临的技术问题及对策
发生显著变化,地应力值增大,巷道岩体强度降低,巷道与支护体破坏将非常严重。

2.6　充填体质量问题
进入850中段深部回采后,深部矿岩条件复杂、地应力和采动应力大,开采强度将逐年加大,采充循环时间缩短,20世纪70年代后期确定的充填体强度标准(5M P a)是否适合深部850中段及更深部矿体回采、能否满足深部安全开采人工假顶的强度要求,是关系到矿山能否可持续发展及镍矿资源能否安全合理开发利用的关键技术问题。

2.7　深部通风问题
850中段开采时,二矿区将形成“多级机站进风、地表机站集中回风”通风系统,与现有通风系统相比较,井下通风网络更加复杂,将出现较多的角联网路,通风系统将出现较为严重的风流短路与风流循环现象,局部甚至会出现反风和涡风,可能会造成烟气积聚、能见度低,严重影响职工的身心健康和矿山安全生产。

3深部开采的对策研究
针对金川二矿区深部开采面临的技术问题与难点,金川镍矿资源深部开采解决方法、对策和研究方向应从以下几个方面着手。

3.1　金川矿区工程稳定性监测网建立与灾变预测
及预防研究
2000年,金川镍矿地表发现变形和裂缝,引起人们关注,而矿区目前采用的无矿柱大面积连续开采方案,应用于深部工程,这不仅在国内没有实践,而且国外也无先例,是一个世界性难题,5年来地表变形观测结果表明:地表变形不但在继续发展,而且还存在不断加剧的趋势。

矿山深部大面积突然失稳破坏的“前兆不明显”特征,使得精确预报很难办到,但可以根据矿山实际采矿过程及矿山赋存地质条件、经过科学研究,给出矿山中冲击矿压的可能模式及其可能的发生区域和规模,然后有的放矢,制定有效的处置策略,包括:针对各种可能发生的灾变失稳模式,分析诱发各种灾变模式走向现实的关键因素,然后根据各种灾变模式及其诱发因素,制定相应的预防措施和注意事项,布置和完善相应的监测系统和预警设备,并制定灾后应急预案等。

3.2　深部无矿柱连续回采技术方案研究
金川镍矿地下开采形成的“两柱”结构(水平矿柱+垂直矿柱)是一个比较稳定的受力结构,厚大的“两柱”抵御着垂直和水平地应力,支撑着上、下盘围岩,约束着大范围岩体移动。

“两柱”开采中或开采后,上述作用将逐渐减弱直至消失,大范围应力调整的结果,势必导致上、下盘围岩移近加速,充填体受力增大,可能使充填体边界处产生破裂、下沉变形。

因此,必须调研国内外金属矿山无矿柱回采方案现状,对矿区监测资料进行分析,应用国内外先进的分析软件,建立数值模拟回采方案,预测金川矿区深部开采无矿柱回采方案可能出现的大面积充填体突发破坏的模式,针对各种灾变模式进行稳定性评价,提出综合安全对策,探索850m水平以下矿体回采方案的科学手段,为850m水平以下矿体回采提供设计依据;并通过数值模拟,对850水平以下矿体进行回采初步方案论证及研究,确定合理的回采顺序、采场结构参数、合理的布置采准工程方式和确定产能,为850m水平以下矿体进行初步回采方案设计和安全回采提供保障。

3.3　深部开采地热预测与降温技术研究
地温升高是深部开采无法回避的地质灾害问题,二矿区进入850深部开采时,“地热”问题必然成为影响生产的一个重要因素,因此,必须尽快开展金川镍矿深部开采时地温产生原因、对生产的影响及深部开采降温技术与措施等研究,并预测深部各中段回采时的地温及对生产的影响,提出深部开采降温的技术措施,为金川矿区深部矿体的安全回采提供技术保障。

3.4　深部涌水治理技术研究
24行主井、850m水平运输道出现大量涌水问题,特别是850m水平废石运输巷涌水量达80 m3/h,因此,必须开展深部涌水治理技术研究,对整个金川镍矿的水文地质进行调查、评估,从理论上解释矿区主副井和主运输水平涌水的原因,提出金川镍矿主副井防治水的措施并付诸实施,提出矿区深部水平运输巷防治水的措施,研究井巷掘进尤其是深井掘进中的防治水技术,并对金川矿区地下含水区域进行科学预测,以便指导将来井巷工程的选址。

3.5　满足深部开采安全生产的充填体强度研究
金川镍矿深部的矿岩条件复杂、地应力和采动次生应力较大,开采强度逐年加大,采充循环时间缩短,必然使充填体与围岩的接触边界处水平应力增加,20世纪70年代后期确定的充填体强度能否满足金川矿山深部开采人工假顶的强度要求,没有进
(下转第58页)
坝基的的持力层稳定性较好。

(2)拟建场地交通较为方便,地形地貌是属于山谷型,适宜于填埋场建设,库容量大,能满足长时间垃圾填埋要求。

(3)地层渗透性差,属于弱透水层,对场地周围环境影响不大,可以减少铺设防渗材料,节约开支。

(4)基础开挖期间,应避免雨水浸泡基坑,以免降低持力层的强度。

(5)场地土中硬,场地类别I I类,场地范围及其附近除场地基坑边坡外无其它不良地质作用。

(6)对施工过程中高填方地段形成的人工边坡应采取有效的防范措施。

如降低边坡坡度,分台阶护坡,修筑挡土墙。

(7)在填方地段地面易产生不均匀沉降,必须采取相应的防治措施。

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质,1997(4):58.
(收稿日期:2008-01-21)
作者简介:马文华(1964-),大学本科,高级工程师,主要从事地质勘查工作。

(上接第36页)
行过科学试验研究、缺乏科学依据,因此急需对此进行研究,请有关权威科研机构做出科学的鉴定;且金川矿山的充填材料和充填工艺与原设计相比已经发生了很大的变化,在新的充填体强度指标提出以后,如何利用金川现有的充填材料和充填工艺来实现充填体的强度,需要进行全面的充填料浆配比研究和充填工艺系统的运行参数研究。

3.6　深部回采围岩控制技术研究
围岩支护方式可分为被动支护和主动支护,被动支护是限制围岩的变形破坏,而主动支护是以加固围岩为目的,利用围岩的自撑能力来限制围岩的变形破坏。

在金川镍矿这样的矿山,实施开挖几小时后围岩就有可能发展成为碎裂体或松散体,支护对象是破裂后的剪胀变形围岩,且在深部新掘巷道中,支护设计、材料、工艺及支护参数等方面与返修巷道相比,均存在较大差异,深部新掘巷道的支护技术还需做大量的深部围岩控制技术研究工作和攻关试验,以形成一套金川矿山深部高应力、高强度采掘条件下的强蠕变碎胀岩体巷道支护施工标准,减少巷道维修量,降低综合支护成本,力求使巷道收敛率控制在30%以下,这对保障金川矿区深部开采井巷工程的稳定性、延长深部井巷工程的服务年限、为深部回采创造更加有利的采矿环境意义重大。

3.7　深部通风技术研究
针对二矿区进入深部开采后可能出现的严重问题,必须进行深部850开采时的通风技术研究,进行通风系统调控与调控方式研究,研究850中段接替1150中段采矿工程过渡时期的通风问题,提出通风方案,实现850中段生产的顺利过渡,并优化井下风机站及通风网络,提高各风机站的运行效率。

4　结　语
镍矿资源深部开采是资源开发与利用的必然趋势,金川镍矿作为我国最大的镍资源生产基地,其深部开采正面临着岩石力学、地热、岩爆、巷道支护、通风、充填等一系列问题,要实现镍矿资源深部矿体安全、高效、低成本开采,解决镍矿深部开采所涉及的技术性难题,必须坚持走科技创新之路,吸收和消化国内外先进技术和经验,进行金川镍矿深部回采面临技术问题研究,不断改进和优化生产工艺,才能做到事半功倍,为深部开采创立一条成功之路。

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(收稿日期:2008-05-29)
作者简介:杨长祥(1964-),男,甘肃泰安人,高级工程师,主要从事矿山高效开采技术研究与生产管理,E m a i l:e k q z h j @j n m c.c o m。