趙 鉞

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度逐漸加快，我國(guó)的資源需求量越來(lái)越大，各項(xiàng)資源消耗都極為嚴(yán)重，使得各國(guó)都面臨著不同程度的資源危機(jī)。金屬礦產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)也不例外，金屬礦開(kāi)采會(huì)破壞農(nóng)田和土地，屬于能源消耗較大行業(yè)，大量金屬產(chǎn)品出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面，導(dǎo)致全球性金屬資源價(jià)格大幅度上漲，金屬資源開(kāi)采行業(yè)進(jìn)入了前所未有的新高潮。面對(duì)新形勢(shì)下金屬礦產(chǎn)資源需求旺盛的局面，我國(guó)在結(jié)合國(guó)內(nèi)外金屬礦深部勘探的先進(jìn)技術(shù)、理念和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷挖掘出更富更深的新礦體。近年來(lái)，由于全球性資源供給壓力加大，使得具有一定資源條件的老礦山不斷擴(kuò)大開(kāi)采規(guī)模，過(guò)去在技術(shù)條件限制下的深部礦、難采礦以及低品位礦不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，與此同時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的大型金屬開(kāi)采技術(shù)、深部礦開(kāi)采技術(shù)、難采礦開(kāi)采技術(shù)等不斷更新與發(fā)展，使金屬礦開(kāi)采品位逐漸降低。加之當(dāng)前開(kāi)采業(yè)對(duì)陸地礦產(chǎn)資源進(jìn)行了大規(guī)模、高強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)和利用，使得陸地礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，海洋采礦、太空采礦等方式將成為未來(lái)金屬采礦發(fā)展趨勢(shì)。因此，推動(dòng)金屬礦山重建技術(shù)、無(wú)廢技術(shù)、充填采礦技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)地球深部金屬礦產(chǎn)資源進(jìn)行探測(cè)與發(fā)掘是穩(wěn)定礦產(chǎn)資源發(fā)展、緩解我國(guó)礦產(chǎn)資源短缺現(xiàn)狀的最有效途徑。

1 金屬礦產(chǎn)資源深部開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

金屬產(chǎn)品和金屬材料的根本來(lái)源是金屬礦產(chǎn)資源，其不斷推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，但隨著金屬礦產(chǎn)資源淺部開(kāi)發(fā)的日益枯竭，國(guó)內(nèi)外開(kāi)采業(yè)開(kāi)始陸續(xù)進(jìn)行深部金屬資源的勘探與開(kāi)采。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在未來(lái)十年內(nèi)，我國(guó)的三分之一地下金屬資源開(kāi)采深度將達(dá)到或超過(guò)1000m，最大深度可達(dá)2000m～3000m，金屬礦產(chǎn)資源深部開(kāi)采已成為金屬礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我國(guó)金屬產(chǎn)品供給的主要途徑。但是，進(jìn)入金屬礦深部開(kāi)采后，一方面開(kāi)采活動(dòng)會(huì)受到高地應(yīng)力環(huán)境的影響遭遇很多問(wèn)題，例如，塌方、巷道變形、冒頂、巖爆、吐水等動(dòng)力危害[1]。且隨著采深的不斷增加，巖層溫度會(huì)逐漸呈上升趨勢(shì)，從而對(duì)設(shè)備的運(yùn)行和工作環(huán)境造成一定影響。除此之外，由于金屬礦深部開(kāi)采面臨復(fù)雜的地質(zhì)情況，高度的不斷提升會(huì)使作業(yè)難度逐漸加大，影響采礦工人和企業(yè)的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此提升金屬礦深部開(kāi)采技術(shù)勢(shì)在必行，針對(duì)深部開(kāi)采難題，從深井提升工程技術(shù)、深井高地應(yīng)力開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)防控技術(shù)、深井高溫?zé)岷刂浦卫砑夹g(shù)等戰(zhàn)略性角度出發(fā)解決金屬礦深部開(kāi)采問(wèn)題現(xiàn)狀。

1.1 國(guó)內(nèi)金屬礦深部開(kāi)采現(xiàn)狀

近幾年，我國(guó)金屬礦深部發(fā)展迅速，但相比于國(guó)外金屬礦深部開(kāi)采進(jìn)度，我國(guó)進(jìn)入深部開(kāi)采時(shí)間相對(duì)較晚。據(jù)相關(guān)資料顯示，我國(guó)在“十三五”規(guī)劃期間，啟動(dòng)了多個(gè)金屬礦深部開(kāi)采計(jì)劃項(xiàng)目，同時(shí)推出重點(diǎn)深部資源勘探技術(shù)目標(biāo)和相關(guān)理論科研成果，分別從多元、三維、系統(tǒng)研究理論出發(fā)，對(duì)深部巖石開(kāi)采力學(xué)特征進(jìn)行分析與探討。

隨著21世紀(jì)我國(guó)礦山事業(yè)的迅猛發(fā)展，并根據(jù)目前我國(guó)金屬礦深部開(kāi)采發(fā)展速度，我國(guó)的深井礦山數(shù)量將在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到世界第一水平，并且會(huì)有相當(dāng)多大型地下金屬礦山達(dá)到世界最高開(kāi)采水平和規(guī)模。近年來(lái)的深部開(kāi)采業(yè)務(wù)中，鐵礦深部開(kāi)采建設(shè)力度最大，計(jì)劃建設(shè)或正在建設(shè)的大型金屬地下礦山，絕大部分為鐵礦。例如：遼寧本溪大臺(tái)溝鐵礦、思山嶺鐵礦、河北灤南首鋼馬成鐵礦、遼寧鞍山五礦集團(tuán)礦業(yè)公司陳臺(tái)溝鐵礦、山鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)公司濟(jì)寧鐵礦等礦業(yè)。隨著我國(guó)勘探技術(shù)、勘探裝備及信息智能化的高速發(fā)展，未來(lái)金屬礦業(yè)深部達(dá)到3000m～5000m是完全有可能實(shí)現(xiàn)的[2]。

1.2 國(guó)外金屬礦深部開(kāi)采現(xiàn)狀

國(guó)外最早有記載的為美國(guó)密歇根州的銅礦，建設(shè)時(shí)間為1904年。據(jù)相關(guān)資料顯示，目前國(guó)外深部金屬礦山開(kāi)采深度超千米數(shù)量大約為112座，其中百分之七十以上為銅礦和金礦。超過(guò)3000m開(kāi)采深度的地下金屬礦山約有16座，其中12座礦山為金礦，且全部位于南非。

2 金屬礦深部開(kāi)采主要技術(shù)難題

金屬礦進(jìn)入深部開(kāi)采過(guò)程后，開(kāi)采環(huán)境、技術(shù)條件、礦體賦存及礦床地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)惡化，地應(yīng)力逐漸增大，破碎巖體增多，井溫升高等因素導(dǎo)致金屬礦深部開(kāi)采難度加大、事故增多，勞動(dòng)生產(chǎn)率急劇下降且相應(yīng)成本加大，無(wú)法保證大規(guī)模深部金屬礦山開(kāi)采的正常生產(chǎn)和安全，為深部開(kāi)采高效率帶來(lái)一系列工程技術(shù)問(wèn)題。

2.1 深部開(kāi)采中高地應(yīng)力引發(fā)的開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害

所有地下工程（井下巷道、采場(chǎng)）動(dòng)力災(zāi)害的根本來(lái)源是高地應(yīng)力。從本質(zhì)上講，深部開(kāi)采工程打破了巖體處于的原始平衡狀態(tài)，使巖體變形并向自由面進(jìn)行位移導(dǎo)致地應(yīng)力釋放和圍巖應(yīng)力重新分布。地下巷道開(kāi)挖和采場(chǎng)動(dòng)工使得圍巖位移過(guò)量和應(yīng)力聚集，從而產(chǎn)生地壓和圍巖整體或局部的失衡與破壞[3]。隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力會(huì)以線性遞增速率隨之增加，與此同時(shí)，對(duì)開(kāi)采擾動(dòng)能力就越大，巖爆發(fā)生的概率和震級(jí)也會(huì)越大。所謂巖爆就是指采礦引起的擾動(dòng)能量在一定誘因下沖破巖體而突然釋放的過(guò)程。但由于我國(guó)進(jìn)入金屬礦深部開(kāi)采時(shí)間較晚，因此所觀測(cè)到的巖爆礦山相對(duì)較少，其規(guī)模也比較小。隨著越來(lái)越多的金屬礦山進(jìn)入深部開(kāi)采，對(duì)巖爆發(fā)生的可能性、發(fā)生地點(diǎn)以及強(qiáng)度大小建立可靠、有效的檢測(cè)系統(tǒng)和手段已刻不容緩，綜合分析和研究地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)、采礦方法、開(kāi)采順序及開(kāi)采過(guò)程是避免圍巖高能量聚集與釋放，防止巖爆發(fā)生的有效措施。

2.2 金屬礦深部開(kāi)采中的高溫環(huán)境與熱害

數(shù)據(jù)顯示，常溫帶以下，巖層溫度每100m的變化區(qū)間在1.7℃～3.0℃之間，呈梯度增加趨勢(shì)。而在深度超過(guò)千米的深井，巖層溫度將高于人體溫度，在持續(xù)高溫環(huán)境下作業(yè)，工作人員的身體健康、工作能力以及工作效率都會(huì)受到很大程度損傷，使勞動(dòng)生產(chǎn)率大打折扣，影響金屬礦深部開(kāi)采工作的正常運(yùn)行。根據(jù)《地下礦山安全規(guī)程》要求，兼顧工程開(kāi)采成本，保證人員及設(shè)備處在適宜溫度和濕度環(huán)境下進(jìn)行正常開(kāi)采工作，解決深井通風(fēng)、降溫問(wèn)題極為關(guān)鍵。

2.3 金屬礦深部開(kāi)采中的提升安全問(wèn)題

提升與開(kāi)挖都是深部采礦過(guò)程中極其重要的工作環(huán)節(jié)。我國(guó)金屬礦深部開(kāi)采普遍采用摩擦輪多繩提升機(jī)，但隨著深部開(kāi)采深度的加大，提升高度也在不斷增加，不僅使安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅，還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅度增加，生產(chǎn)效率大幅度下降等現(xiàn)象。金屬礦山深部開(kāi)采深度在1000m以內(nèi)，此范圍，摩擦輪多繩提升機(jī)的提升效率、提升成本、安全性和可靠性都是有所保障的，此時(shí)，采用摩擦輪多繩提升技術(shù)是最高效且經(jīng)濟(jì)的提升方法。但隨著深部開(kāi)采進(jìn)程，提升高度逐漸增加，所需鋼絲繩也要不斷加長(zhǎng)，提升負(fù)荷隨之加大，這將會(huì)對(duì)提升能力、運(yùn)行成本、工程安全性等方面造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，深部開(kāi)采深度超過(guò)1800m后，提升穩(wěn)定性將無(wú)法控制且鋼絲繩慣量的增加會(huì)使得尾繩長(zhǎng)度、鋼絲繩張力變化過(guò)大，引發(fā)因鋼絲繩有效金屬截面減小、抗拉強(qiáng)度降低，導(dǎo)致斷絲等現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)合多種制約因素，摩擦輪多繩提升機(jī)在大于1800m范圍將不再適用。

3 解決金屬礦深部開(kāi)采難題的關(guān)鍵發(fā)展戰(zhàn)略

3.1 加強(qiáng)金屬礦深部開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害（巖爆）的預(yù)防與防控

金屬礦深部開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害主要存在塌方、巖爆、突水和冒頂幾項(xiàng)，其中以巖爆危害最為突出。巖爆現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)椴傻V開(kāi)挖所產(chǎn)生的擾動(dòng)能量在圍巖中聚集、演化，通過(guò)一定的誘因如圍巖破裂情況下突然爆發(fā)的過(guò)程[4]。巖爆主要是在地應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的動(dòng)力災(zāi)害，深部采礦會(huì)打破地層原有的自然平衡規(guī)律，使圍巖變形、應(yīng)力集中，在達(dá)到一定程度的上限后就會(huì)突破圍巖產(chǎn)生沖擊破壞。對(duì)于巖爆現(xiàn)象的研究已持續(xù)了大半個(gè)世紀(jì)之久，但大多數(shù)國(guó)內(nèi)外理論都只停留在經(jīng)驗(yàn)和探討階段，仍沒(méi)有形成準(zhǔn)確、實(shí)用的巖爆預(yù)測(cè)與防控技術(shù)。但為了滿足金屬礦深部開(kāi)采需求，研究人員基于巖爆發(fā)生的兩個(gè)必要條件即采礦巖體在受到破壞時(shí)具有的較強(qiáng)沖擊性能和圍巖產(chǎn)生高應(yīng)變能的應(yīng)力環(huán)境，從強(qiáng)度、剛度、巖體損傷、能量等方面，結(jié)合開(kāi)采計(jì)劃，采用位移、應(yīng)力及三位數(shù)字圖像掃描技術(shù)對(duì)巖爆進(jìn)行定量分析和預(yù)測(cè)。與此同時(shí)，著力優(yōu)化開(kāi)采布置，改善開(kāi)采方法，減少擾動(dòng)能量聚集和應(yīng)力過(guò)度集中，通過(guò)防治結(jié)合手段盡量減少巖爆現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 深井降溫與熱害治理

近年來(lái)，許多金屬礦山深部開(kāi)采用礦井降溫技術(shù)，最常見(jiàn)的兩類為人工制冷降溫技術(shù)和非人工制冷降溫技術(shù)。

人工制冷降溫技術(shù)包括冰冷卻系統(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)。冰冷卻系統(tǒng)是通過(guò)風(fēng)力或水力將地面冰廠制取的粒狀冰或泥狀冰運(yùn)送到井下融冰裝置以完成降溫任務(wù)。水冷卻系統(tǒng)包括回風(fēng)排熱、地面排熱井下集中式以及地面集中式等機(jī)組布置方式，兩者應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況擇優(yōu)選擇。

非人工制冷降溫技術(shù)主要是通過(guò)提高通風(fēng)能力、改進(jìn)通風(fēng)方式，應(yīng)用礦井通風(fēng)系統(tǒng)而達(dá)到深井降溫效果，包含預(yù)冷巖層、填充采空區(qū)、熱源隔離等方法[5]。但是，將風(fēng)流預(yù)冷后送入井下，降溫能力不足，降溫成本高，且遇礦井熱害嚴(yán)重，根本無(wú)法滿足降溫需求。

以上兩種降溫技術(shù)均屬于被動(dòng)降溫技術(shù)。為提高深井的降溫效率，應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)展主動(dòng)降溫技術(shù)。當(dāng)前，金屬礦深部開(kāi)采所采用的主動(dòng)降溫技術(shù)包括深井高溫巖層隔熱技術(shù)和深井地?zé)衢_(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)新工藝、新技術(shù)同時(shí)輔以人工制冷降溫技術(shù)，為深部采礦降溫找到一條經(jīng)濟(jì)有效的雙贏技術(shù)途徑。

3.3 金屬礦深部開(kāi)采提升技術(shù)

有繩提升技術(shù)在提升高度超過(guò)3000m或4000m時(shí)，會(huì)因鋼絲繩所產(chǎn)生的大慣量、大負(fù)荷和大扭矩等問(wèn)題產(chǎn)生無(wú)法解決的障礙。因此，必須著力研究無(wú)繩提升技術(shù)，例如磁懸浮驅(qū)動(dòng)提升技術(shù)和無(wú)線直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升技術(shù)等[6]。傳統(tǒng)的提升方式如，箕斗、罐籠等都屬于機(jī)械提升方式，而無(wú)線直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)屬無(wú)繩垂直提升技術(shù)，無(wú)需開(kāi)挖豎井就可進(jìn)入超深開(kāi)采，這樣不僅減少了井巷投資與維護(hù)費(fèi)用，還大大提高了深部采礦工程的安全性。無(wú)線直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直提升技術(shù)具有高效率、設(shè)備尺寸小、無(wú)提升高度限制的特點(diǎn)，適用于超深井提升。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)目前處在工業(yè)化高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)資源特別是金屬礦產(chǎn)資源需求量日益增加。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的金屬礦山淺部資源已采空，轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，深部開(kāi)采已成為將來(lái)礦山開(kāi)采的必然趨勢(shì)。為了適應(yīng)礦山開(kāi)采的發(fā)展，特別是實(shí)現(xiàn)深部無(wú)人開(kāi)采技術(shù)，非常有必要對(duì)傳統(tǒng)采礦方法、方式與工藝進(jìn)行變革。新的采礦概念和采礦系統(tǒng)模式必將取代安全系數(shù)和效率較低的傳統(tǒng)的采礦形式，未來(lái)采礦科技必將憑借新技術(shù)的潛在力量提高采礦效率、保證采礦工程的安全與穩(wěn)定，不斷推進(jìn)我國(guó)金屬礦深部開(kāi)采技術(shù)向更高更遠(yuǎn)長(zhǎng)久發(fā)展。