楊志強(qiáng)，高 謙，王永前，姚維信，陳得信

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

金川鎳礦位于我國(guó)甘肅省河西走廊中段的金昌市境內(nèi)，金川鎳礦是世界著名的多金屬共生的大型硫化銅鎳礦床之一，分布在龍首山下長(zhǎng)6.5km、寬500m的范圍內(nèi)。已探明礦石儲(chǔ)量為5.2億t，鎳金屬儲(chǔ)量550萬(wàn)t，列世界同類礦床第3位，銅金屬儲(chǔ)量343萬(wàn)t，居中國(guó)第2位。

近年來(lái)地質(zhì)勘探成果表明，金川鎳礦深部、邊部及外圍具有良好的找礦前景。金川礦石還伴生有鈷、鉑、鈀、金、銀、鋨、銥、釕、銠、硒、碲、硫、鉻、鐵、鎵、銦、鍺、鉈、鎘等元素，其中可供回收利用的有價(jià)元素有14種。礦床之大、礦體之集中、可利用金屬之多，在國(guó)內(nèi)外都是罕見(jiàn)的。

金川鎳礦分為4個(gè)礦區(qū)，其中Ⅰ、Ⅱ礦區(qū)為正在開采的富礦，Ⅲ、Ⅳ礦區(qū)為將開發(fā)的貧礦(見(jiàn)圖1)。位于礦床中部的Ⅱ礦區(qū)，礦石品位高，礦體規(guī)模大，是金川公司的主體礦山。F17斷層錯(cuò)開Ⅱ礦區(qū)分成1#和2#兩個(gè)礦體。

圖1 金川鎳礦礦區(qū)劃分與位置

金川鎳礦發(fā)現(xiàn)于1958年，1959年開始建設(shè)。工程分為兩期：一期工程設(shè)計(jì)龍首井下開采年產(chǎn)礦石52.8萬(wàn)t，露天礦年產(chǎn)礦石170萬(wàn)t，1966年10月正式投產(chǎn)。1967年以后進(jìn)行了一期工程擴(kuò)建。1978年金川被列入國(guó)家資源綜合利用三大基地之一。1982年老采坑閉坑，隨著露天礦老坑閉坑對(duì)露天井下三角礦部分?jǐn)U大了露天開采，形成了年產(chǎn)70萬(wàn)t礦石的露天生產(chǎn)能力，擴(kuò)建一期工程使礦山為選冶提供了生產(chǎn)20000t電鎳的礦石資源。

金川二礦區(qū)于1966年開始建設(shè)，1982年試生產(chǎn)，1983年正式投產(chǎn)。一期設(shè)計(jì)規(guī)模為日產(chǎn)礦石3000t，年產(chǎn)礦石99萬(wàn)t。1983年投產(chǎn)以來(lái)，二礦區(qū)產(chǎn)量一直穩(wěn)步增長(zhǎng)，1987年出礦量突破百萬(wàn)t大關(guān)，1990年達(dá)到128.4萬(wàn)t。1995年提前1年二期工程建成投產(chǎn)，2003年首次突破300萬(wàn)t大關(guān) ，提前兩年達(dá)到二期改擴(kuò)建生產(chǎn)能力，并以每年10%的速度增加，2009年達(dá)到430萬(wàn)t，2012年將達(dá)到450萬(wàn)t，成為我國(guó)為數(shù)不多的地下大型坑采現(xiàn)代化充填礦山。

1 二期工程高效開采潛在風(fēng)險(xiǎn)與面臨挑戰(zhàn)

1.1 金川鎳礦采礦技術(shù)條件與開采技術(shù)難題

1.1.1 金川鎳礦采礦技術(shù)條件

金川礦區(qū)巖層多為古老變質(zhì)巖，節(jié)理裂隙十分發(fā)育。在成礦前后經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，火成巖活動(dòng)，礦石和圍巖均受到不同程度的破壞，因此巖層整體穩(wěn)定性差，礦區(qū)地應(yīng)力高，地壓大。因此金川礦區(qū)礦床賦存條件以“富”(礦石品位高)、“大”(礦體規(guī)模大)、“深”(礦體埋藏深)、“碎”(礦巖體破碎)著稱于國(guó)內(nèi)外，是一座典型的厚大難采礦床。

1.1.2 二期工程開采存在的技術(shù)難題

二期工程主要開采1250m水平以下礦體，工程分為3個(gè)階段，即1250～1150m為前期工程，1150～1000m為中期工程，1000～700m為后期工程。由于礦體呈透鏡狀產(chǎn)出。隨著礦體延深，礦體厚度增加，采場(chǎng)面積逐漸擴(kuò)大。表1為二礦區(qū)1#礦體一、二期工程采場(chǎng)面積對(duì)照表。由此可見(jiàn)，開采面積從一期工程的5萬(wàn)m2到二期工程達(dá)到12萬(wàn)m2，開采深度也接近1000m，上覆充填體超過(guò)1200萬(wàn)m3。與一期工程相比，二期工程的地應(yīng)力環(huán)境和采場(chǎng)參數(shù)均發(fā)生了根本變化，給采礦生產(chǎn)帶來(lái)一系列技術(shù)難題：一期工程成功實(shí)施的大面積連續(xù)開采工藝能否推廣應(yīng)用于二期工程？上覆巖層和充填體整體移動(dòng)和下沉?xí)粫?huì)導(dǎo)致采場(chǎng)整體失穩(wěn)？高應(yīng)力不良圍巖巷道地壓能否得到有效控制？深部采礦巖移是否影響豎井工程的穩(wěn)定性等。這些問(wèn)題的解決關(guān)系到二期工程的安全、高效開發(fā)，也決定金川企業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 二期工程開采潛在的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)模式

根據(jù)一期工程采礦實(shí)踐和工程經(jīng)驗(yàn)以及深部采礦技術(shù)條件，明確了二期工程采用大面積連續(xù)開采存在以下采礦風(fēng)險(xiǎn)與失穩(wěn)模式。

表1 金川二礦區(qū)西部1#礦體一、二工程采礦參數(shù)對(duì)比(地表標(biāo)高1750m)

1.2.1 二礦區(qū)二期工程整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)與災(zāi)變模式

采場(chǎng)圍巖和充填體構(gòu)成的采礦系統(tǒng)潛在三種失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1.1 構(gòu)造控制的塊體滑落失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)關(guān)鍵塊體理論，關(guān)鍵塊體的形成和滑移失穩(wěn)，首先取決于礦體與圍巖的斷層、剪切破碎帶和礦巖接觸帶等大的地質(zhì)構(gòu)造面與采場(chǎng)臨空面切合形成的可移動(dòng)塊體，塊體的穩(wěn)定性還依賴于地質(zhì)構(gòu)造面的抗剪強(qiáng)度以及支撐塊體的充填體強(qiáng)度。這種失穩(wěn)模式主要受控于斷層、剪切帶以及礦巖接觸帶等構(gòu)造斷裂帶的位置、產(chǎn)狀以及力學(xué)特性，因此將該失穩(wěn)模式稱之為“構(gòu)造控制型失穩(wěn)”。

隨著二期工程采場(chǎng)面積逐步擴(kuò)大，斷層、剪切帶和礦巖接觸帶等構(gòu)造面與采場(chǎng)臨空面切割圍巖構(gòu)成的可移動(dòng)塊體數(shù)量增多、體積擴(kuò)大?？梢苿?dòng)塊體在深部高地應(yīng)力環(huán)境的作用下，可能向采場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)或滑落，形成關(guān)鍵塊體，造成采場(chǎng)圍巖和充填體整體失穩(wěn)。因此，這種失穩(wěn)模式是二期工程潛在的重大風(fēng)險(xiǎn)之一。

1.2.1.2 能量控制的采場(chǎng)突變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)

礦山開采過(guò)程伴隨著礦巖體能力聚集、損耗和釋放。當(dāng)?shù)V巖中損耗和釋放的能量小于圍巖聚集變形能時(shí)，采場(chǎng)圍巖變形能將逐漸增加，并且在達(dá)到某一臨界值突然釋放。采場(chǎng)地壓活動(dòng)程度依賴于礦巖的能量釋放率(單位時(shí)間釋放的能量)，決定著地壓災(zāi)害的危害程度。采場(chǎng)礦巖能量的儲(chǔ)存和釋放，主要取決于礦巖質(zhì)量和充填體強(qiáng)度。礦巖強(qiáng)度越高，儲(chǔ)存的能量也就越多。充填體強(qiáng)度越高，吸收的能力也就越多。因此，這種災(zāi)變失穩(wěn)由巖體能量釋放率控制，故稱之為“能量控制型災(zāi)變失穩(wěn)”。

二礦區(qū)二期工程進(jìn)入深部開采，深度增加和地壓增大。在高地應(yīng)力環(huán)境中的礦巖強(qiáng)度顯著提高，由此提高了采礦系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)備。因此，采準(zhǔn)和進(jìn)路工程在掘進(jìn)中的能量釋放率有所增大，地壓活動(dòng)日趨劇烈，由此潛在由于采場(chǎng)圍巖能量釋放所導(dǎo)致的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1.3 水平礦柱壓桿式災(zāi)變失穩(wěn)和塑性破壞

二礦區(qū)1#礦體二期工程采用雙中段或3中段開采。圖2顯示了1150m和1000m兩個(gè)中段同時(shí)向下開采示意圖。由此可見(jiàn)，上、下中段同時(shí)開采，在其間形成采場(chǎng)中的梁(二維結(jié)構(gòu))或板(三維結(jié)構(gòu))承載結(jié)構(gòu)，通常習(xí)慣稱之為水平礦柱。該水平礦柱承受礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力以及充填體的自重作用，類似于壓桿結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力以及水平礦柱的抗壓剛度。隨著上中段開采向下推進(jìn)，使水平礦柱逐漸變薄，其抗壓剛度隨之在減小。與此同時(shí)，部分礦柱材料達(dá)到屈服應(yīng)力狀態(tài)而發(fā)生屈服破壞，使整個(gè)礦柱的承載能力降低。因此，在礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力的作用下，潛在兩種失穩(wěn)模式：其一，當(dāng)水平壓力達(dá)到礦柱的臨界荷載，發(fā)生類似于壓桿的突變失穩(wěn)；其二，水平礦柱隨著內(nèi)部集中應(yīng)力的作用逐漸屈服而全部變成塑性區(qū)，使采場(chǎng)地壓劇烈顯現(xiàn)。這種失穩(wěn)模式稱之為“壓桿式失穩(wěn)模式”。

圖2 雙中段回采形成的水平礦柱示意

1.2.2 二礦區(qū)二期工程局部破壞失穩(wěn)模式

相對(duì)于整體失穩(wěn)與災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)，二礦區(qū)二期工程中的局部破壞與失穩(wěn)是采場(chǎng)劇烈的地壓活動(dòng)，導(dǎo)致采場(chǎng)出礦進(jìn)路、采準(zhǔn)巷道、地下硐室或開拓豎井等工程劇烈變形破壞，從而影響采場(chǎng)的正常生產(chǎn)甚至停產(chǎn)。由于這種災(zāi)變失穩(wěn)或變形破壞主要發(fā)生在采礦工程中。因此，在此稱之為局部破壞失穩(wěn)模式。其破壞模式主要有以下幾種形式。

1.2.2.1 巷道頂板充填體脫落

在采礦生產(chǎn)中，經(jīng)常發(fā)生充填假頂(混凝土)離層脫落，發(fā)生掉塊和冒頂。盡管這種破壞并不影響整個(gè)采礦生產(chǎn)系統(tǒng)，但卻嚴(yán)重危采礦人員安全，給采礦生產(chǎn)潛在重大安全隱患。

1.2.2.2 高應(yīng)力巷道碎脹蠕變變形破壞

節(jié)理裂隙圍巖在屈服破壞過(guò)程中，除了發(fā)生塑性變形，還伴隨節(jié)理碎脹、滑移與擴(kuò)容，這種變形特征稱之為碎脹蠕變。與彈塑性介質(zhì)相比，碎裂巖體的碎裂變形具有以下兩個(gè)顯著特點(diǎn)：①變形量大，變形速率快，四周來(lái)壓；②變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，難以控制。

隨著開采深度增加，節(jié)理巖體碎脹蠕變變形特征日趨明顯。進(jìn)入二期工程，采區(qū)面積擴(kuò)大，埋藏深度增加，地壓增大。因此，對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的金川礦巖條件，碎脹蠕變變形會(huì)越加突顯著。例如1000m環(huán)形運(yùn)輸?shù)拦こ叹蜻M(jìn)成巷不到1個(gè)月就發(fā)生大變形破壞，個(gè)別地段變形達(dá)1m多。因此，二期工程高應(yīng)力環(huán)境的不良圍巖變形控制和穩(wěn)定性維護(hù)使采礦生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1.2.3 巖移誘發(fā)構(gòu)筑物變形破壞和災(zāi)變失穩(wěn)

充填法采礦巖層移動(dòng)問(wèn)題一直為采礦界所忽視。通常認(rèn)為，充填法尤其是膠結(jié)充填法采礦，能夠控制采場(chǎng)圍巖變形和巖層移動(dòng)，不足以對(duì)地表和礦區(qū)構(gòu)筑物產(chǎn)生嚴(yán)重影響。事實(shí)上，金川二礦區(qū)一期工程的采礦實(shí)踐表明，對(duì)于類似于二礦區(qū)厚大不穩(wěn)固圍巖的礦體開采，仍然存在采場(chǎng)圍巖變形導(dǎo)致巖層移動(dòng)，甚至發(fā)展到地表，危及礦區(qū)重要構(gòu)筑物的安全與穩(wěn)定。金川礦區(qū)的地表張裂縫的出現(xiàn)以及地表巖移的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，一期工程開采已經(jīng)引起采場(chǎng)圍巖的劇烈沉陷，導(dǎo)致采場(chǎng)頂板圍巖下沉并發(fā)展到地表。

二期工程的采礦生產(chǎn)，不僅加劇采場(chǎng)圍巖變形，而且影響范圍逐步擴(kuò)大。巖層移動(dòng)對(duì)礦區(qū)構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響，潛在著礦山構(gòu)筑物的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，也是二期工程最嚴(yán)重的安全隱患。

2 二期工程開展的重大采礦技術(shù)攻關(guān)課題

為了實(shí)現(xiàn)金川二礦區(qū)二期工程安全、高效生產(chǎn)，針對(duì)二期工程建設(shè)潛在的安全隱患和災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)，提前開展了二期工程采礦技術(shù)攻關(guān)。隨著工程進(jìn)展，結(jié)合采礦生產(chǎn)進(jìn)行了礦區(qū)深部工程地質(zhì)，采礦系統(tǒng)優(yōu)化、高應(yīng)力碎裂圍巖巷道支護(hù)、充填體強(qiáng)度匹配以及巖移規(guī)律與控制技術(shù)等綜合技術(shù)研究，揭示了二期工程大面積充填法開采采場(chǎng)地壓規(guī)律，優(yōu)化了盤區(qū)開采順序與回采工藝，確定了深部采場(chǎng)膠結(jié)充填體的匹配強(qiáng)度，成功地實(shí)施了1150m中段無(wú)礦柱大面積連續(xù)開采，大大提高了采礦回收率、礦石貧化率以及礦山生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)了大型難采礦床安全高效生產(chǎn)。整個(gè)二期工程采礦技術(shù)研究劃分為兩個(gè)階段：前期研究階段和大面積連續(xù)采礦階段。

2.1 前期開展的采礦技術(shù)攻關(guān)

1994～2002年的8年間，是二期工程前期開發(fā)建設(shè)與穩(wěn)步發(fā)展階段。此時(shí)礦體埋藏深度較小，雙中段(1150m與1000m)開采之間的水平礦柱較厚，采場(chǎng)地壓不甚顯著。

2.1.1 深部開采的安全評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

為了分析和預(yù)測(cè)深部礦體開采潛在的安全隱患和災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)，以便盡早采取安全措施，實(shí)現(xiàn)二期工程無(wú)間柱大面積連續(xù)開采，北京科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在1994～1997年間，與金川鎳礦共同開展了深部開采的安全評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究。進(jìn)行了深部工程地質(zhì)分區(qū)與巖體分類、礦巖力學(xué)特性和地應(yīng)力測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與圍巖分類、充填體變形監(jiān)測(cè)與采場(chǎng)災(zāi)變失穩(wěn)預(yù)測(cè)等研究。由此獲得了以下重要結(jié)論。

1)交替安排20m礦柱和80m礦房的兩階段回采方案，不失為回采富礦的一種方法。但這將會(huì)導(dǎo)致回采工藝復(fù)雜，增大充填作業(yè)和回采礦柱的困難，并在經(jīng)濟(jì)上不盡合理。

2)采用無(wú)間柱連續(xù)回采將導(dǎo)致充填進(jìn)路的破壞，特別是1225～1150m水平較為嚴(yán)重，潛在著整體和局部變形破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3)回采富礦時(shí)會(huì)導(dǎo)致上盤貧礦嚴(yán)重破壞，必須采取相應(yīng)的控制措施，避免給今后開采貧礦帶來(lái)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的困難。

2.1.2 二期工程深井采礦系統(tǒng)優(yōu)化與決策

針對(duì)無(wú)礦柱連續(xù)開采潛在的安全隱患，北京科技大學(xué)與金川鎳礦在1998～2001年間聯(lián)合開展了金川二礦區(qū)采礦系統(tǒng)優(yōu)化與決策研究。首先分析了深部開采潛在的安全隱患和失穩(wěn)模式；然后在分析總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，采用工程地質(zhì)調(diào)查、圍巖和充填體變形監(jiān)測(cè)和深部連續(xù)開采過(guò)程的數(shù)值仿真模擬等綜合手段，進(jìn)行了采場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素分析與安全評(píng)價(jià)以及采場(chǎng)巷道地壓控制等關(guān)鍵技術(shù)研究；最后給出了以下主要結(jié)論。

1)相對(duì)于一期工程，二期工程的圍巖變形和破壞機(jī)理發(fā)生較大變化，其主要特征是應(yīng)力環(huán)境向靜水應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展，深部圍巖主要以碎脹變形為主，導(dǎo)致圍巖變形速率增大，變形控制更加困難。

2)采場(chǎng)整體穩(wěn)定性研究結(jié)果顯示，采場(chǎng)圍巖存在構(gòu)造型礦體失穩(wěn)和整體失穩(wěn)模式，其不穩(wěn)定塊體在礦體下盤圍巖，由F16、Fb和Fc三個(gè)斷裂和采場(chǎng)下盤臨空面構(gòu)成。

3)能量控制失穩(wěn)仍以整體突變失穩(wěn)為主，其次是采場(chǎng)圍巖和充填體內(nèi)擠收斂變形破壞，其地表下沉和整體屈服所導(dǎo)致整體失穩(wěn)的可能性較小。但總的失穩(wěn)概率達(dá)到11.28%，與構(gòu)造塊體失穩(wěn)概率接近，由此潛在的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)特別關(guān)注。

4)影響采場(chǎng)整體穩(wěn)定性因素主要是回采水平的開采比例和水平構(gòu)造應(yīng)力以及兩中段同時(shí)下降距離。結(jié)果表明，開采水平是導(dǎo)致整體失穩(wěn)的突破口。當(dāng)開采水平的比例增加時(shí)，潛在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)也就越大。因此，在即將結(jié)束回采水平時(shí)，尤其注意不要因爆破等其它因素?cái)_動(dòng)，導(dǎo)致大面積來(lái)壓和誘發(fā)整體失穩(wěn)；調(diào)整盤區(qū)下降水平，使沿走向采場(chǎng)的回采工作面形成錯(cuò)落有致的采場(chǎng)臨空面，也是提高采場(chǎng)整體穩(wěn)定性行之有效的安全措施。

5)基于已建立的采場(chǎng)圍巖和充填體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合地表GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行采場(chǎng)圍巖與充填體的變形監(jiān)測(cè)好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，確保深部采礦安全。

2.1.3 地表巖移觀測(cè)網(wǎng)的建立與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

針對(duì)1998年初在二礦區(qū)地表發(fā)現(xiàn)了張裂縫，由此判斷地下開采引起圍巖變形已經(jīng)發(fā)展到地表，導(dǎo)致地表巖層發(fā)生沉降、錯(cuò)動(dòng)和張裂。為此1999～2000年間，金川鎳礦與中科院地質(zhì)與地球物理研究所合作，建立了二礦區(qū)地表巖移GPS觀測(cè)網(wǎng)。通過(guò)2001～2002年多期GPS觀測(cè)結(jié)果顯示，金川二礦區(qū)地表巖層受地下開采影響，已經(jīng)發(fā)生水平位移和沉降，在二礦區(qū)1#礦體上盤地表Ⅳ222和Ⅳ220監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移量分別達(dá)到了47.39cm和40.80cm。二礦區(qū)地表變形較顯著區(qū)域在10～22行之間，并以14～18行為中心形成一個(gè)移動(dòng)盆地，變形量之大出乎預(yù)期。14行風(fēng)井工程已經(jīng)處于圍巖變形影響范圍，潛在災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 二期工程大面積連續(xù)開采技術(shù)攻關(guān)

2004～2010年的8年期間為二期工程采礦生產(chǎn)階段。結(jié)合二期工程的采礦實(shí)踐以及二期改擴(kuò)建工程建成投產(chǎn)，采礦生產(chǎn)能力逐年提高，開采強(qiáng)度逐年加大，盤區(qū)開采水平下降速度加快，2010年底1150m中段回采結(jié)束將轉(zhuǎn)入850m中段，開采深度將達(dá)到800～1000m，采場(chǎng)面積將擴(kuò)大到7萬(wàn)～12萬(wàn)m2。在此期間，采場(chǎng)地壓活動(dòng)更加劇烈，采礦工程穩(wěn)定性控制面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。尤其隨著1150m中段連續(xù)開采，1000m中段的水平礦柱逐漸變薄，其礦柱在高地應(yīng)力作用下應(yīng)力高度集中，其采場(chǎng)的穩(wěn)定性以及圍巖變形較1150m中段更為突出。尤其1150m中段水平礦柱回采結(jié)束，采場(chǎng)軸比的變化也必然導(dǎo)致采場(chǎng)圍巖和充填體應(yīng)力發(fā)生劇烈變化，由此影響采場(chǎng)圍巖和充填體的整體穩(wěn)定性?？梢?jiàn)，二礦區(qū)二期工程進(jìn)入中期階段，深部開采面臨更加嚴(yán)峻的問(wèn)題。為此，金川公司在2004年和2007年的第16次和第17次科技大會(huì)上，實(shí)施了二期工程重大課題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開展了一系列重大科研課題研究，研究解決了重要的采礦生產(chǎn)難題，實(shí)現(xiàn)了二期工程1150m以上厚大礦體大面積連續(xù)開采。圖3和圖4分別為金川集團(tuán)公司在第16次和第17次科技大會(huì)上確定的二期工程采礦技術(shù)攻關(guān)研究課題。

圖3 第16次金川科技大會(huì)確定的二期工程采礦技術(shù)攻關(guān)課題

3 亟待解決的重大技術(shù)難題

金川鎳礦經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的開發(fā)建設(shè)，已經(jīng)發(fā)展成為年產(chǎn)接近1000萬(wàn)t礦石的大型現(xiàn)代化礦山。依托豐富的礦產(chǎn)資源，金川集團(tuán)公司已建成采、選、冶、化配套的大型有色冶金與化工聯(lián)合企業(yè)，是全球主要鎳鈷生產(chǎn)企業(yè)。2013年8月由中國(guó)企業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)企業(yè)家協(xié)會(huì)組織召開的2013中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)發(fā)布會(huì)上，金川集團(tuán)股份有限公司以1511.86億元的營(yíng)業(yè)收入，位列企業(yè)500強(qiáng)第88位、制造業(yè)企業(yè)500強(qiáng)第30位。

圖4 第17次金川科技大會(huì)確定的二期工程深部開采技術(shù)攻關(guān)課題

金川企業(yè)的發(fā)展與壯大，礦產(chǎn)資源是基礎(chǔ)。綜合開發(fā)與合理地利用寶貴的金川資源，實(shí)施資源控制戰(zhàn)略，是金川企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，壯大主業(yè)，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要保證。針對(duì)金川資源的開采現(xiàn)狀以及企業(yè)發(fā)展對(duì)資源的需求，亟待解決以下幾個(gè)重大科技難題，實(shí)現(xiàn)金川資源的安全、高效開發(fā)和綜合利用。

3.1 二礦區(qū)采富保貧遺留的貧礦開發(fā)的技術(shù)難題

二礦區(qū)在一期工程中采取了“采富保貧”的開采方針，因此保留了1328m以上和1328～1250m上盤厚度大于20m的貧礦體(圖5)，其礦石儲(chǔ)量約為1033.7525萬(wàn)t。同樣，在二期工程的1150m中段采礦中，下盤貧礦在回采中大部分已被帶采出來(lái)，但上盤貧礦仍大部分被保留其中。

圖5 二礦區(qū)1#礦體采富保貧遺留貧礦資源

鑒于金川企業(yè)的快速發(fā)展以及對(duì)礦產(chǎn)資源的迫切需求，實(shí)現(xiàn)公司規(guī)模、效益跨越式發(fā)展，盡早研究開發(fā)二礦區(qū)貧礦資源不僅勢(shì)在必行，而且迫在眉睫。無(wú)論是1250m以上貧礦還是1150m中段上盤資源，均處于開采擾動(dòng)的次生應(yīng)力環(huán)境中。不僅貧礦節(jié)理裂隙極為發(fā)育，而且受采礦擾動(dòng)的圍巖和礦體穩(wěn)定性更差，必然給采礦工程的掘支帶來(lái)巨大困難。尤其貧礦開采再次擾動(dòng)采場(chǎng)圍巖，再次導(dǎo)致采場(chǎng)圍巖變形，誘導(dǎo)巖層移動(dòng)，必定對(duì)處于巖移范圍內(nèi)的14行風(fēng)井和西主井的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。因此，二礦區(qū)貧礦資源的開發(fā)利用，需要研究解決以下兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。

1)貧礦開采地壓規(guī)律與巷道工程穩(wěn)定性控制。保留的貧礦處于采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)，雖然對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行了膠結(jié)充填，但充填體難以完全控制采場(chǎng)圍巖的變形。由于上盤圍巖和礦體本身節(jié)理裂隙發(fā)育，加之受采動(dòng)應(yīng)力作用。因此，貧礦開采的采礦工程的掘進(jìn)和穩(wěn)定性維護(hù)必然存在更大困難。合理優(yōu)化采礦系統(tǒng)、盡可能利用保留的掘進(jìn)巷道，優(yōu)化回采順序，采取與之相匹配的充填體強(qiáng)度，維護(hù)采礦巷道的穩(wěn)定性是二礦區(qū)開采的必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2)貧礦開采對(duì)豎井影響風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與穩(wěn)定性控制。地表變形監(jiān)測(cè)顯示，14行風(fēng)井和西主井均已受到采礦活動(dòng)的影響，處于巖層移動(dòng)范圍內(nèi)。尤其14行風(fēng)井已經(jīng)發(fā)生坍塌冒落，給二礦區(qū)采礦生產(chǎn)帶來(lái)巨大影響。開采保留的貧礦必然加劇采場(chǎng)巖層移動(dòng)速率，加劇對(duì)豎井工程的穩(wěn)定性影響。因此，分析和評(píng)價(jià)貧礦開采對(duì)豎井工程穩(wěn)定性的影響和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，并研究提出行之有效的工程穩(wěn)定性控制技術(shù)，確保豎井工程的安全使用，是貧礦開發(fā)利用亟待解決的另一重大關(guān)鍵技術(shù)難題。

3.2 二礦區(qū)850m中段深部高效開采技術(shù)難題

隨著1150m中段開采接近尾聲，采礦中段轉(zhuǎn)移到850m中段，形成1000m中段和850m中段同時(shí)生產(chǎn)的局面。850m中段埋深接近千米。與上部中段相比，不僅地應(yīng)力高，而且地下水也日趨豐富，地溫升高，由此給850m中段開采帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，850m中段深部礦體安全高效開采亟待解決以下關(guān)鍵技術(shù)難題。

1)深部礦體連續(xù)開采安全評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)。鑒于深部礦體采礦技術(shù)條件與上部相比已經(jīng)發(fā)生本質(zhì)變化，因此，研究1150m中段成功實(shí)施的大面積連續(xù)開采工藝，在深部采場(chǎng)應(yīng)用的可行性與可靠性。這不僅需要進(jìn)行深部礦床采礦技術(shù)條件的深入研究，更重要的是全面總結(jié)1150m中段以上大面積連續(xù)開采的成功經(jīng)驗(yàn)與關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合深部礦床開采技術(shù)條件，進(jìn)行深部礦床無(wú)間柱連續(xù)開采的安全評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，從而提前采取安全措施和控制技術(shù)，確保深部采礦的安全生產(chǎn)。

2)高地應(yīng)力碎裂巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。金川鎳礦屬于高地應(yīng)力礦山，隨著開采深度增加，采場(chǎng)地壓增大，因此處于高應(yīng)力環(huán)境的深部碎裂圍巖碎脹蠕變特性將更加顯著。因此，采場(chǎng)圍巖變形機(jī)理與控制技術(shù)是深部礦體開采亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.3 700m中段資源詳細(xì)勘探與開發(fā)技術(shù)難題

金川礦區(qū)采礦深度已經(jīng)接近第一輪地勘深度。為了保證礦山開采持續(xù)發(fā)展，必須加大礦山深部勘探工作。因此700m中段資源勘探是查明接替資源和開采規(guī)劃和資源開發(fā)的重要基礎(chǔ)。為此，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)難題。

1)深部高地應(yīng)力圍巖快速鉆探技術(shù)。礦山工程地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖破碎，地應(yīng)力大，鉆孔在軟弱巖層中布置的工程較多。鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔塌孔、縮徑嚴(yán)重，導(dǎo)致孔內(nèi)事故頻繁，機(jī)臺(tái)鉆進(jìn)效率與巖礦芯采取率較低，有時(shí)甚至導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，嚴(yán)重制約了礦山鉆探工程進(jìn)度及鉆孔質(zhì)量，直接影響鉆探效率、鉆探經(jīng)濟(jì)效益和礦山地質(zhì)勘探進(jìn)度以及勘探質(zhì)量。因此，深部高地應(yīng)力圍巖快速鉆探技術(shù)是深井勘探亟待研究的關(guān)鍵技術(shù)。

2)深部礦床開采數(shù)字化礦山建設(shè)與遠(yuǎn)程控制采礦技術(shù)。深部700m中段及以下礦床開采深部已超過(guò)千米，因此，采場(chǎng)地壓大、地溫高和地下水豐富等采場(chǎng)賦存條件，不僅提高采礦成本，而且還給采礦生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。數(shù)字化礦山建設(shè)可實(shí)現(xiàn)采礦的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、可視化控制和動(dòng)態(tài)管理，從而提高礦山的人員管理、安全監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)控制，并可以實(shí)現(xiàn)采礦生產(chǎn)的遠(yuǎn)程控制，改善從業(yè)人員的工作環(huán)境和安全生產(chǎn)。因此，開發(fā)建設(shè)深井采礦的數(shù)字化建設(shè)，是二礦區(qū)深部礦體開采研究解決的另一關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于金川礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件和豐富的礦產(chǎn)資源，金川鎳礦資源開發(fā)利用一直受到國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度關(guān)心和大力支持，也引起國(guó)內(nèi)外采礦界專家學(xué)者的關(guān)注和興趣。建礦50多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高等院校和科研院所與金川工程技術(shù)人員合作，開展了大量的和卓有成效的科研工作，解決了金川大型復(fù)雜難采礦床1150m中段以上大面積連續(xù)開采的技術(shù)難題，大大提高了礦山的生產(chǎn)能力，確保礦山的安全生產(chǎn)。

隨著礦山生產(chǎn)進(jìn)入深部開采，采礦生產(chǎn)必將面臨更多和更加嚴(yán)峻的技術(shù)難題，真誠(chéng)邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外同行專家、學(xué)者能夠到金川礦山來(lái)，開展科研合作，開展采礦技術(shù)攻關(guān)，解決采礦生產(chǎn)中的技術(shù)難題，為金川企業(yè)發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，為金川集團(tuán)公司以及我國(guó)有色工業(yè)的發(fā)展做出應(yīng)用的貢獻(xiàn)。

[1] 八冶井巷公司.對(duì)金川二礦區(qū)巷道地壓與支護(hù)的看法[C].冶金部金川資源綜合利用第二次科研任務(wù)落實(shí)會(huì)議,1977.

[2] 金川有色金屬公司礦山二期工程建設(shè)情況.金川資源綜合利用科技工作會(huì)議[C].1986.

[3] 北京大學(xué)地質(zhì)系.金川礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造研究中的幾個(gè)問(wèn)題.金川第7次資源綜合利用科研會(huì)議交流材料[R].1984.

[4] 金川鎳鈷研究所.金川礦區(qū)片裂現(xiàn)象調(diào)查報(bào)告.金川第7次資源綜合利用科研任務(wù)落實(shí)會(huì)議[C].1984.

[5] 金川井巷公司，北京鋼鐵學(xué)院.金川巷道工程圍巖分類[R].1983.

[6] 金川有色金屬公司二礦，北京鋼鐵學(xué)院.金川二礦區(qū)上向機(jī)采盤區(qū)采準(zhǔn)巷道噴錨支護(hù)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[R].1984.

[7] 陳宗基.地下巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定性的力學(xué)問(wèn)題.金川巖體穩(wěn)定性分析法材料之二[R].1989.

[8] 金川有色金屬公司科協(xié).金川礦區(qū)不良巖層巷道地壓活動(dòng)規(guī)律及控制方法研究.金川巖體穩(wěn)定性分析法材料之二[R].1989.

[9] 金川有色金屬公司科協(xié).金川巖體穩(wěn)定性分析方法.金川巖體穩(wěn)定性分析法材料之二[R].1989.

[10] 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，金川有色金屬公司.金川鎳礦二礦區(qū)不良巖層巷道穩(wěn)定性研究[R].1991.

[11] 陳俊彥，陳迪文，N.G.W.庫(kù)克，等.金川鎳礦二礦區(qū)采礦方法的巖石力學(xué)研究報(bào)告(第1卷)[R].中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司，中南礦冶學(xué)院.1985.

[12] 金川有色金屬公司，北京有色設(shè)計(jì)研究總院.中國(guó)-瑞典關(guān)于中國(guó)金川二礦區(qū)采礦技術(shù)合作巖石力學(xué)研究報(bào)告[R].1988.

[13] 金川公司二礦區(qū)，長(zhǎng)沙礦山研究院.金川二礦區(qū)西1采大面積充填體穩(wěn)定性作用機(jī)理研究[R].1989.

[14] 北京科技大學(xué)，金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，金川公司二礦區(qū).金川公司二礦區(qū)二期工程大面積連續(xù)開采的穩(wěn)定性及其控制技術(shù)研究[R].1997.

[15] 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，金川集團(tuán)公司.深部多中段回采地壓規(guī)律及災(zāi)變失穩(wěn)預(yù)測(cè)與控制研究[R].2001.

[16] 北京科技大學(xué)，金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，金川公司二礦區(qū).金川二礦區(qū)采礦系統(tǒng)優(yōu)化與決策研究[R].2001.

[17] 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，金川公司龍首礦，金川公司二礦區(qū).金川礦區(qū)地表巖移的GPS測(cè)定與井下系統(tǒng)歸并研究[R].2003.