胡社榮，彭紀超，黃 燦，陳培科，李 蒙

(中國礦業(yè)大學(北京),北京 100083)

20世紀60年代，吉林省磐石市石嘴子銅礦的開采深度已近千米(950m)。1977年，河北省開灤趙各莊礦作為中國煤炭開采的最深礦井之一：開拓水平已超過千米；1990年，開采深度超千米。

20世紀80年代以來，有關(guān)國外深部礦床開采的信息被不斷地介紹到國內(nèi)[1-7]。隨著中國為數(shù)不多的金屬礦的開采深度超過千米，東部一些煤礦的開采深度也不斷地超過千米。千米以上采深的礦井較普遍地遭遇高地溫、高形變、高沖擊地壓、高涌水和高瓦斯突出潛在危險的情況，引起了我國政府的高度重視。21世紀以來，科技部、國家自然科學基金委、教育部等機構(gòu)相繼批準了眾多的有關(guān)礦床深部開采的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)方面的研究項目；國務(wù)院則批準了40億元經(jīng)費的“危機礦山”項目，其中六條原則中的第三條就提出“以礦山外圍和深部找礦為主”的原則，顯示了其對深部資源問題的重視。2009年，中國科學院公布了中國2050年科技發(fā)展路線圖，提出了“中國地下四千米透明計劃”。

深部礦床開采涉及深部的概念、國內(nèi)外深部礦井開采歷史與現(xiàn)狀、關(guān)鍵科學理論與技術(shù)、發(fā)展趨勢與愿景等一系列問題。作者在此前討論了深部礦床開采概念和分類[8]的基礎(chǔ)上，本文將著重討論國內(nèi)外深部礦床開采狀況及國內(nèi)的研究概況，以其拋磚引玉。

1 國外千米以上礦床開采現(xiàn)狀與進展

美國西部采礦業(yè)以1874年布萊克山金礦的發(fā)現(xiàn)為標志，被劃分為前、后兩個時期：淺層開采時期和深層挖掘時期[9]。美國上湖附近阿米克一個銅礦于1951～1953年時采深就已達到1500m，Galena銀礦最深達2800 m[10]；美國愛達荷州北部克達倫礦區(qū)的幸運星期五礦，開采的5930水平距地表1808 m；Sun-shine礦開采的5600水平距地表2 100 m。安大略省kidd銅鋅礦開采深度已達2100m[11]。

印度南部卡邦東南角的科拉爾(Kolar)金礦的巨礦脈(Champicn Reef，也有譯為錢皮恩里夫)和奴底朱格(Nundydrccg，也有譯為農(nóng)迪德魯格)兩金礦，于1957～1962年間，相應(yīng)的采深分別達到2000m和3000m[7]?？评瓲柦鸬V海拔高度約900m，開采深度3260m。該金礦開采近百余年，已采出礦石約5000萬t。后來，該礦剩下三座生產(chǎn)礦山：中央為錢皮恩里夫金礦，共有112個階段水平，采深3260m，是當時最深的井筒之一；北為農(nóng)迪德魯格金礦，采深2400m；南為邁索爾(Mysore)金礦，采深2500m[12-13]。最深的礦山已采到3400m[11]。

蘇聯(lián)克里沃羅格礦區(qū)開采高品位鐵礦石的各礦井，1958年初開采深度為326～527m, 1986年，開采深度已達755～1165m?；üこ淘诘乇硐?85～1568m(1987年)深部進行，富礦開采深度最近將達1500m，將來要達到2000～2500m[14]。

20世紀90年代，前蘇聯(lián)的頓巴斯礦區(qū)，千米以上新深井最多，如“礦工深井”風井深1336m，“斯科欽斯克”礦井深1300m，“普奇科夫”礦風井深1410m[10]。

近年來，開采深度越來越大，平均深度達690m，最深的斯柯欽斯基礦達1400m(http://www.gjny.org.cn/view.asp?id=2624)。

南非西部深水平金礦位于卡爾頓維爾(Carletonville)地區(qū)。該礦1號豎井系統(tǒng)于1986年7月正式投產(chǎn)。采礦深度達3582m。首先開采VC(Venlersdorp)脈到地表以下3000m深部，然后開采CL(Carbon Leader)脈至地表以下4000m。目前，正在開采地表以下2000～3000m的礦體[15]。南非金屬礦平均采深已超過2000m，南非威特沃特斯蘭德盆地，礦體延伸 6000m 以下，采礦深度已接近地表以下4km，而最深豎井已達4176m。不遠的將來，開采深度將達5000m至6000m[14，16]。目前，開采最深的礦床是卡勒頓維累(Carlrtonville)金礦田的Western Deep Level 金礦，現(xiàn)已開采到4800m[17]。

在國外開采超千米深的礦山數(shù)量統(tǒng)計方面，存有不同的數(shù)據(jù)。

據(jù)20世紀90年代中期的不完全統(tǒng)計，國外開采超千米深的礦山有80多座[12]。隨后[14]，在2001年11月5日至7日在北京香山召開的以 “深部高應(yīng)力下的資源開采與地下工程” 為主題的香山科學會議第175次學術(shù)討論會中，也沿襲了這一統(tǒng)計數(shù)據(jù)[13,18]。這一數(shù)據(jù)一直跟隨在后來研究者的文章中[13-14，18-27]。也有文獻指出：截至目前，世界上開采深度超過千米的礦山已近百座[16]，或國外開采深度超千米的金屬礦山上百座[28]。

由此看來，近百座開采深度超過千米的礦山，并不包括煤礦深礦井。因為，就獨立體國家的主要產(chǎn)煤區(qū)：頓涅茨克、庫茲涅茨克、仁拉干達、伯紹拉等礦區(qū)，有24對采深超過1000m，最大采深1329m的礦井[29]。

除獨立體國家外，還有其他一些國家，如波蘭、聯(lián)邦德國、英國、日本和法國，早在1980年，煤礦開采深度已經(jīng)達到千米以上(表1)。

表1 1980年以前世界一些國家煤礦開采深度(據(jù)文獻[2])

到20世紀90年代，煤礦開采深度進一步加大，最大的煤礦開采深度達：德國1713 m、波蘭1300 m、俄羅斯1200～1400 m[30]。

就金屬礦山來說，根據(jù)20世紀80年代前期的資料，在國外年產(chǎn)礦石l0萬t以上的2018座(包括露天礦)非煤礦山中，開采深度超過l 000m的就有79座。這79座深井礦山分別是：加拿大30座，南非15座，美國11座，印度和澳大利亞各4座，俄羅斯、波蘭、西班牙和贊比亞各2座，烏克蘭、挪威、日本、英國、匈牙利、墨西哥和津巴布韋各1座。開采深度為1 000～2 000m 的有64座，2 000～3 000m的有12座，3 000m以上有3座，其中最深的是南非卡里頓維爾金礦，開采深度達3 800m[31]。后來，又有文章指出：據(jù)不完全統(tǒng)計，采礦深度超過1 450m的主要礦山全球有114座：澳大利亞1座(1 800m，銅)，巴西1座(2 453m，金)，加拿大26座(1 524～2 499m，金、銅-鎳、銅-鉛-鋅為主)，芬蘭1座(1 450m，銅-鋅)，印度3座(1 681～3 200m，金)，南非76座(1 524～4 117m，金)，美國6座(1 600～2 438m，金、銅、銀)[31]。

如此說來，應(yīng)該是，20世紀80年代中期，據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上開采深度超過千米的金屬礦山至少有79座[31]。國內(nèi)1996年就統(tǒng)計得出，國外開采深度超千米的金屬礦山有80多座[12]。爾后，這一數(shù)據(jù)一直被許多研究者廣泛引用至今[14，18-27]。

2 國內(nèi)深部礦床開采研究現(xiàn)狀與進展

2.1 國內(nèi)深部礦床開采現(xiàn)狀與進展

從網(wǎng)絡(luò)上流行的個人，甚至是應(yīng)該比較權(quán)威的集體所發(fā)布的關(guān)于我國煤礦開采超千米的礦井數(shù)據(jù)，存有很大的差異：采深超過1 000m的煤礦有8處(《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》編寫小組，2005，06)；開采深度超過1 000m的有開灤趙各莊、新汶孫村和華豐礦、攀枝花小寶鼎和大寶鼎等10余處(煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十一五”規(guī)劃，發(fā)改能源〔2006〕1044號)。對于國內(nèi)進入煤炭開采深度超千米的礦井數(shù)據(jù)，有很大差別：目前全國煤礦平均采深400m，東部地區(qū)煤炭采深超600m，全國已有34個礦井采深超過1 000m(2010年06月21日 23:52，來源： 21世紀經(jīng)濟報道)；我國大中型煤礦平均開采深度為456m，最深達1 365m，已有近50個礦井采深超過1 000m(遼寧工程技術(shù)大學黨委宣傳部，2010-1-26，http://www.lntunews.cn/show.asp?ID=6888)。

初步文獻追索和某些礦井研究結(jié)果表明，似乎是最早報道的中國大陸超千米的煤礦有：趙各莊礦最大采深已達1154m，其他礦區(qū)如淮南、新汶、北票、長廣、沈陽等也有一批礦井 開采深度接近和超過1 000m[33]。后來的研究者給出的數(shù)據(jù)更為具體，開采深度超千米的礦井有：沈陽彩屯礦(1 199 m)、開灤趙各莊礦(1 160 m)、新汶孫村礦(1 055 m)、北票冠山礦(1 059 m)和北京門頭溝礦(1 008 m)；開灤唐山礦、馬家溝礦和林西礦、北票臺吉礦、新汶華豐礦、長廣牛頭山礦和阜新王家營礦等礦井的開采深度接近1 000 m[27,30]。同樣地，被后人廣泛引用[21,23-24,27,31]。不過，有的數(shù)據(jù)略有變化，也增添了個別的礦，如開灤趙各莊礦(1 159m)、沈陽彩屯礦(1 197 m)、浙江長廣礦1 000m、徐州張小樓礦1 100m[19,21,23-24]。

據(jù)1995年初統(tǒng)計，國有重點煤礦現(xiàn)有生產(chǎn)礦井中，最終開采深度達1 000 m深礦井有47處，采深大于1 200 m的特深礦井有30處。這些深礦井和特深礦井主要分布在開灤、雞西、七臺河、北票、舒蘭、沈陽、新汶、平頂山、徐州大屯、淮南、長廣和南桐等礦區(qū)。其中：最終開采深度最大的是一平浪煤礦的抗八礦，其最終采深將達到1 483 m。其次是沈陽礦務(wù)局彩屯礦，其最終采深將達到1 449 m。其他如雞西礦務(wù)局小恒山礦、北京礦務(wù)局房山礦，其最終采深將分別達1 432 m和1 421 m。另外，撫順礦務(wù)局老虎臺礦、天府礦務(wù)局三匯二礦、徐州礦務(wù)局旗山礦、通化礦務(wù)局道清礦北斜井、砟子礦四立井、北票礦務(wù)局冠山礦，其最終采深分別將達1 394 m、1 350 m、1 333 m、1 330 m、1 325 m、1 310 m和1300 m[30]。

在中國煤炭開采中，河北省開灤趙各莊礦是開采深度達到千米以上的最早礦井之一：1977年，開拓水平(12水平)的標高為-1 002.8m，深度為1 056.7m；1990年，開采深度達1 056.8m(-1002.3m)，開拓水平(13水平)已達1 154.5m(-1 100m)；目前，開采水平主要集中于13水平(1 154.5m)；開拓水平為14水平(-1 200m)①。

1999年6月，山東省新汶礦業(yè)集團孫村礦開采水平達-800m(埋深975m)；2003年，開拓水平-1 100m(埋深1 275m)[34]。目前，孫村礦的開采深度已達-1 100m(垂深1 350m)[35]。協(xié)莊礦、潘西礦和華豐礦開采深度都超過了千米[36-39]。華豐礦最大開采深度1 230m，四煤層工作面開采深度1 050m[36]。淄博礦業(yè)集團有限責任公司唐口礦[40]、平頂山煤業(yè) (集團) 有限責任公司平煤5礦和十二礦[41-42]、徐州礦務(wù)集團龐莊煤礦張小樓井[43]、夾河礦[44]、河北金牛能源股份有限公司邢東礦井田[45]的開采深度都達到了千米以上(表2)。

千米采深的金屬礦山也見諸報道，獅子山銅礦(后來的文獻稱冬瓜山銅礦)最早達到開采深度千米以上，為1 100m[46]。

對冬瓜山銅礦，存有不同的表述：開拓深度達1 074m[11]和1 100m[25]。

表2 中國大陸開采深度超千米礦山(井)(數(shù)據(jù)來源見正文)

2.2 國內(nèi)深部礦床開采研究現(xiàn)狀與進展

在煤炭深部開采方面，開采深度最大，也是最早的開灤趙各莊礦與新汶孫村礦，都是最早設(shè)立深部開采突水與高地應(yīng)力等問題進行專題研究的礦井。

“七五”期間，開灤礦務(wù)局組織了《趙各莊煤礦深部-1 200m以上奧灰水承壓含水層的安全開采技術(shù)的實驗研究》等項目的研究；1992年，新汶礦業(yè)集團立項《深部開采井巷礦壓及布置的研究》課題，為孫村煤礦-1 100 m開采水平及新汶礦區(qū)其他礦井的深部開拓巷道布置及開采部署提供理論和技術(shù)依據(jù)[47]。《新汶老區(qū)埋深1300m煤層開采綜合技術(shù)研究》項目，于2003年獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學技術(shù)獎項目一等獎。

在金屬礦山深部開采方面，1995年，國家計委以科技〔1995〕1539 號文批準將冬瓜山礦床《千米深礦井 300 萬 t 級礦山強化開采綜合技術(shù)研究》列為“九五”國家重點科技攻關(guān)項目。由此，標志著我國政府與企業(yè)在20世紀末期，對深部金屬、煤炭資源安全、有效、經(jīng)濟開采的技術(shù)保障條件研究的啟動和重視。

21世紀以來，國家與政府對深部礦床開采越來越重視。在深部資源開采，尤其是煤炭深部資源和開采問題的研究上，得到了政府的極大重視?？萍疾?、國家自然科學基金委等相繼設(shè)立了一系列項目：《深部開采條件下工程巖體的力學行為及災(zāi)害的探測、防治與對策》(2002年，國家自然科學基金委“創(chuàng)新群體研究”項目，批準號：50021402)；《深部巖體力學基礎(chǔ)研究與應(yīng)用》(國家自然科學基金重大項目，批準號：50490270)；《深部煤炭資源賦存規(guī)律、開采地質(zhì)條件與精細探測基礎(chǔ)研究》(973計劃2006年立項項目，批準號：2006CB202200)；《煤礦突水機理與防治基礎(chǔ)理論研究》(973計劃2007年立項項目，批準號：2007CB209400)；《煤炭開采中的動力災(zāi)害機理與防治基礎(chǔ)研究》(973計劃2010年立項項目，批準號：2010CB226800)和《深部重大工程災(zāi)害的孕育演化機制與動態(tài)調(diào)控理論》(973計劃2010年立項項目，批準號：2010CB732000)；深部煤炭開發(fā)中煤與瓦斯共采理論(973項目編號：2011CB201200)；《深部煤炭開發(fā)中礦井工程地質(zhì)理論與方法研究》(2003.01～2007.12，教育部優(yōu)秀博士論文基金)及眾多的國家自然科學基金等面上項目。

3 深部研究展望

對于中國大陸來說，煤礦開采深度超千米的深礦井僅限于大興安嶺-太行山一線以東地區(qū)，且主要分布在華北(太行山以東)地區(qū)、東北的南部和內(nèi)蒙東部地區(qū)。對華北地區(qū)來說，譬如，開灤礦區(qū)，開采深度最大的趙各莊礦，距奧陶-石炭系風化面的間距，有的地段已不足百米。而其開采煤層與奧陶紀灰?guī)r含水層的最少安全厚度至少應(yīng)在80m以上。目前，13水平(1 154.5m，突水系數(shù)小于0.1 MPa/m)的開采已經(jīng)達到了基本安全的程度。

《煤礦防治水規(guī)定》(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第28號，2009年09月21日)中指出：底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m。開灤趙各莊礦開采14水平時，將遇到突水系數(shù)超過0.1 MPa/m的潛在突水問題。因此，從目前的技術(shù)水平來說，距奧灰間隔小、且突水系數(shù)大的情況下，尚無有效的解決辦法。

從開采千米以上礦井的情況來看，地溫和瓦斯突出的情況也千差萬別，孫村礦、平煤集團所屬的一些礦，地溫相對高于相同深度的趙各莊礦。因此，由于地質(zhì)與水文地質(zhì)條件等的不同，目前很難得出解決這些深部開采中遇到的棘手問題的理論基礎(chǔ)。

山東省是中國煤礦開采深度達千米以上礦井最多的省份。從開采經(jīng)濟、安全等角度來看，即使是煤礦區(qū)地質(zhì)條件簡單的情況下，由于高應(yīng)力(變形)、高瓦斯含量、高地熱、高突水潛在風險和提升或運煤上井的高成本和技術(shù)難度大等原因，而不得不停批建設(shè)千米以下煤礦(CCTV.com 2008年02月20日 16:53 來源：新華網(wǎng))。

中國大陸的煤炭資源主要分布于昆侖山-大別山-秦嶺一線以北，千米以上采深的煤礦僅分布于華北地區(qū)東部、東北南部與內(nèi)蒙東部地區(qū)。在大興安嶺-太行山以西，六盤山以東的地區(qū)，開采深度大都不足千米。在六盤山以西的甘肅、青海和新疆等地，特別是新疆地區(qū)，大多數(shù)煤礦的開采深度不大，而且，煤炭自燃問題非常嚴重。所以，在大興安嶺-太行山以西地區(qū)，就煤炭開采問題而言，深部開采問題還遠遠提不上議事日程。此外，由于大興安嶺-太行山以東地區(qū)的深礦井中，多數(shù)地方的煤層距奧灰?guī)r很近，加大開采深度的客觀可能性已經(jīng)很少。所以，從某種角度來說，深部資源勘探的作用巨大，可能是一個忽悠某些人或機構(gòu)的偽問題。

從開采深部礦產(chǎn)資源所遇到的“三高”[13,19-24,27](或“四高”[28])一擾動也好，還是尚有華北東部地區(qū)高潛在突水風險的存在也好，這些深部礦產(chǎn)開采中遇到的問題的產(chǎn)生機理，應(yīng)該與國外的相似，而最大的不同，應(yīng)該是地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，以及開采方式等的不同。因此，大力加強國外深礦井勘探、開采的方法與技術(shù)措施的研究，根據(jù)我國具體的礦區(qū)(井)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，進行適用性研究，應(yīng)該是比較合理，并且是能解決實際問題的有效途徑之一。20世紀90年代就已經(jīng)得出的國外開采深度達千米以上的金屬礦山有80多座的數(shù)據(jù)，到今天已經(jīng)變化了。

4 結(jié)論

1)20世紀80年代中期，國外開采深度超千米的金屬礦山已有79座，90年代中期達80多座，目前，至少在114座以上。

2)中國開采深度千米以上的金屬礦3座，煤礦至少17座，最大煤礦開采深度礦井是山東省新汶集團孫村礦，開采深度1350m。

3)千米以上深度煤炭開采區(qū)，僅限于華北地區(qū)之太行山以東地區(qū)、東北南部與內(nèi)蒙古東部地區(qū)。目前，深部煤炭資源開采的研究區(qū)域僅限于上述地區(qū)。

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