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北京矿冶研究总院矿山技术研究院:破解深部采矿技术
日期:2019-07-01   来源:   作者:匡国友   

  采矿技术方面,机械化、自动化、智能化采矿必然是未来采矿的发展趋势。因此以后的研究方向可能是高效率、井下无人化采矿,从根本上解决安全问题。

  采矿工艺技术方面,进一步发展卸荷采矿,尝试通过采矿工程,有意识的卸掉部分地压,实现采矿安全。

  井下能量利用方面,利用高地压进行破岩,开展诱导崩落技术,利用高地温进行制冷,利用高井深势能发展深井液力提升技术等。

  充填技术方面,重点研究深部充填管道输送方法,开展深部金属矿的充填体力学作用研究。

  目前,我国的矿产资源正逐步进入深部开采阶段,同时面临许多亟待解决的问题。国家从“九五”开始就对深部开采的相关问题进行研究,研究的问题越来越深入。

  “十二五”期间启动的“大型金矿绿色采选冶技术研究及示范”项目围绕深部开采所面临的高地压、高地温、高井深等主要问题,研发并形成了深部采矿和爆破工艺、灾害监测评价与防治的成套关键技术。

  近日,《中国黄金报》记者就该课题专访了北京矿冶研究总院矿山技术研究院副院长杨小聪。

  杨小聪:实际上,我国对于深部开采的深部标准并没有明确规定,业界也没有一个权威的定义。目前业界对深部开采主要有两种观点:一种是以高地压显现为标准;另一种以开采的垂直深度为标准,这种观点更为主流。国内一般以开采深度超过600米~800米为深部开采,近些年来,业界逐步倾向于超过1000米为深部开采。

  目前国内矿山的浅部资源已逐渐开采殆尽,整体正逐步转入到深部开采,部分矿山已经进入井下1000米深部开采。从数量上来看,目前我国金属矿山达到或正在建设中的深井矿山有30多个,千米深井有40多条。我国深部开采向下延伸的平均速度为10米~25米。

  我国虽然主要以小矿山为主,但是目前深井矿山尤其是正在规划开发的深井矿山主要以大规模为主,部分达到千万吨级,如北京建龙重工集团有限公司的思山岭铁矿是1500万吨级/年,五矿集团陈台沟铁矿是2000万吨级/年。

  我国在深部开采技术的研究始于“九五”期间,中南工业大学、北京矿冶研究总院等单位负责开展了《千米深井矿山300万吨级强化开采综合技术》;随后理论界意识到深部开采将面临诸多岩石力学的问题,在2001年举办了深部岩体力学基础研究问题香山学术会议,开始系统研究矿山开采的深部岩体力学问题;“十一五”期间,开展了863项目和973项目,重点研究深部开采普遍面临的高地压、高地温、高井深等问题;“十三五”专门部署了深地资源勘查开采重点专项。从“九五”到“十三五”,国家和业界对深部开采一直都非常重视。

  针对深部采矿,目前国内已经形成了一些关键技术成果。例如微震监测技术、深井空区大变形与岩壁垮落三维激光扫描智能监测技术与装备、深井开采的冰浆制冷降温技术与装备、诱导崩落技术与理论、岩石岩爆模拟试验装置等。

  《中国黄金报》:深部开采普遍面临高地压、高地温、高井深等主要问题。为什么会有这些问题?

  杨小聪:地壳本身受构造应力和重力的复合应力。深部开采面临的地压主要表现在垂直方向的岩石重力和水平方向的构造应力,受水平方向的构造应力为主,无论是重力还是构造应力都随开采深度的增大而增大。

  随着开采的深度加深,井下的温度越高。在三山岛金矿测量结果显示,每加深100米,温度升高约2.2摄氏度,且井下的湿度很高,这就让深部开采高地温的影响更大。

  深度越深,对矿井的提升系统要求越高,对于电能的消耗更大,开采成本也越高。

  实际上,深部开采面临的“三高”问题是客观存在的,是无法彻底消除的,并不是简单通过技术就能够解决。一方面,随着开采深度的加深,“三高”问题也就越突出;另一方面,解决“三高”问题需要大量的成本投入,因此,我们追求的是以更经济、更有效、更可靠的方法来解决“三高”问题。在解决“三高”问题上是无止境的。

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  杨小聪:我们在解决地压问题方面做了很多的研究。例如,基于完全温度补偿地应力(地压)测量技术的研究历史悠久,这项新技术主要在温度补偿方面有了进一步的改进。由于深部地温很高,对传感器的测量结果影响很大,不能很好地指导深部生产,因此研发了能有效消除温度影响的地应力测量技术。

  卸荷采矿技术。卸荷采矿不仅是一个采矿过程,也是对深部地压进行重构,形成局部卸压环境,降低岩爆的风险和地应力对深部采矿的影响过程。地压的解决主要有两个思路和途径:一种是支护加固的解决方式;另一种是合理规划采矿方式和回采顺序,这种思路相对来说更为本质地解决问题,矿山一般要同时考虑这两种方式。

  在充填方面,我们研发了垂直管段螺旋管调压增阻装置,有效控制管路料浆的输送速度与压力,保证料浆输送的平稳与安全;由于三山岛金矿的特殊性,我们还对充填材料在卤水环境下的影响进行了研究,这在以前是从未考虑过的。

  《中国黄金报》:在三山岛金矿做的深部采矿的课题研究成果,能否在全国推广?

  杨小聪:国家性的支撑项目必然要具有普适性,但是落到具体矿山,还需要考虑矿山的个性化问题,来解决矿山的具体问题。因此,并不是全部的研究成果都能够进行大规模推广。

  每个矿山的矿石特性不同、地质环境不同,很难将其他的开采技术直接照搬过来,即使基本一致,也需要根据矿山的实际情况,进行针对性调整。

  但是地应力测量、区域与地域相协调的卸荷采矿、动力灾害的评价分析与预警等理念性的许多技术及技术理念是可以在其他矿山推广应用的。

  杨小聪:从采矿方法的分类来讲,基于对采空区的处理方式,将采矿方法分为空场法、崩落法、充填法。

  充填采矿法具有安全、环保等优点。由于将采矿区进行充填,从而保证地表不会塌陷,有利于安全生产和生态保护,随着环保意识和充填采矿技术不断提高,充填法的应用日益广泛。

  目前充填法是解决深部采矿安全问题最有效的手段之一。其能够大大降低岩爆的风险,能够有效解决地压问题,同时能起到隔温效果,对于解决高地温也有很好的效果。

  当然,目前深井采矿充填也面临着一些技术难题。如充填材料的输送问题,由于上千米深度的输送,会带给管道很大的压力,造成管道磨损甚至爆裂。还有如充填体控制地压的作用机理问题,如何采矿、如何充填,从理论到实践都存在难题。

  《中国黄金报》:目前国外已经可以做到4000米深度的矿石开采,我国在深部采矿技术上远远落后于国外,您认为是什么原因造成的?

  杨小聪:国外的深井矿山主要集中在南非、加拿大、俄罗斯、印度等国家。南非的卡里顿维尔金矿是目前世界上开采深度最深的矿山,开采深度已达3800米,主井开拓深度为4154米。总体而言,造成我国在深部开采技术上落后于国外的原因有三个。

  一是深井开采技术是由需求决定的,我国目前还没有4000米深部开采技术的需求。国外深井普遍达到2000米,个别矿山已经发展到3000米甚至4000米,因此需要发展与采矿深度相适应的开采技术。我国的深井矿山目前大部分还集中在1000米~2000米范围内,在采矿技术研究上自然应以解决此深度段的问题为主,未来随着开采深度的不断加深,深部开采技术必然会逐渐提高。

  二是在实践经验上不如国外。我国从上世纪90年代才开始进入深井开采的阶段,到目前为止,也只有40多条千米深井,缺乏相应的理论和实践积累。

  三是我国的矿山深部开采条件与国外不同。我国深部矿山的规模远远大于国外,因此面临的挑战也更大,许多问题并不是简单通过引进国外的技术就能够解决。

  总体来说,我国深部开采技术落后于南非、加拿大等国家,主要是因为我国的矿井还没有达到国外的深度。但是深度并不是制约开采技术的唯一因素,我国并不是全面落后,在综合利用、基础理论等方面有些处于世界领先水平。

  杨小聪:首先是技术本身面临着重大难题。例如,微震监测系统,可以监测到很多信号信息,目前我们能够对这些信号评估其安全性,但是无法准确预测灾害发生的具体时间。信号和地质灾害之间的知识桥梁尚未搭建起来。

  深部开采地质灾害发生的原因有岩石的特征、自身重力、构造应力等内因,但是造成灾害发生的直接外在原因是人为的采矿活动。开挖情况、采空区位置、矿柱位置等情况我们都清楚,在这种情况下再进行监测,还是有希望进行预报的,这就需要我们继续进行研究。

  其次是思想认识上的不足。改变既有的开采方式,需要投入更多的人力和物力,在现有的采矿方法能够满足需求的情况下,部分矿山不愿意做出改变。这需要矿山企业领导要有风险意识和投入理念。

  再其次是经费支持上存在困难。采矿技术的创新是一个需要经费支撑、需要时间检验校正的过程。

  在科研阶段,国家投入加上企业的配套资金,能够顺利实施,但是科研成果在推广应用上,需要矿山企业增加资金投入,这对于某些矿山企业来说无法做到。同时,对于解决矿山个性问题的研究,企业是愿意投入的,但是对于某些共性问题的研究,企业的积极性不高。

  要解决这些问题,一方面需要我们继续进行研究,同时借鉴学习国外的先进技术和理念。另一方面,需要国家出台相关政策,鼓励引导矿山企业领导提高创新认识,加大创新力度与投入。

  杨小聪:随着矿山岩体开挖,尤其进入深部开采阶段,原岩应力平衡状态发生变化,使得矿山围岩产生变形、移动或破坏,如岩爆等,就形成了“动力灾害”。灾害监测预警系统和地震监测的原理基本上一致,主要是通过在一个区域范围内布置传感器,用以监测震动的信号,然后根据不同传感器接收同一信号的时间差,对震源进行定位,同时根据获取的的微震、位移、应力、应变等数据,加以科学化分析,分析岩体变化趋势和动力灾害发生的可能性。

  目前并没有一种特别有效的监测预警系统,一般采用多种系统监测,进行互补和印证。针对监测预警技术的发展现状,我们采用了大尺度系统式监测与小尺度便携式监测相结合的监测方法。

  我们采用安装系统级微震监测系统,构成尺度较大的立体式监测网络,再通过将大尺度监测区域“划大为小”,在小尺度范围内,尤其是在工作面范围,安装便携式微震监测点,提高了微震监测的准确性,从而提高了现场作业人员的安全性。

  但是目前我们还不能做到把这些信息与动力灾害形成确定的关系函数,无法确定发生动力灾害的各项数据的阀值。因此我们只能预测灾害发生的可能性,无法对灾害发生的具体时间进行预警。

  杨小聪:基础理论方面,研究深部岩石本身的力学性质有何变化,在地应力影响下,动力响应有哪些特殊性。

  采矿技术方面,机械化、自动化、智能化采矿必然是未来采矿的发展趋势。因此以后的研究方向可能是高效率、井下无人化采矿,从根本上解决安全问题。

  采矿工艺技术方面,进一步发展卸荷采矿,尝试通过采矿工程,有意识的卸掉部分地压,实现采矿安全。

  井下能量利用方面,利用高地压进行破岩,开展诱导崩落技术,利用高地温进行制冷,利用高井深势能发展深井液力提升技术等。

  充填技术方面,重点研究深部充填管道输送方法,开展深部金属矿的充填体力学作用研究。

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