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1、金属矿山深部开采的若干关键问题及其对策研究北京科技大学教授蔡美峰摘要阐述了金属地下矿山深部开采中的深部巷道变形与支护、深部地压显现与开采动力灾害、地温升高引起作业环境恶化和露天矿山高陡边坡稳定性及合理的边坡角确定、改变传统运输方式、降低运输和生产成本等关键问题及其对策思路；介绍了以地应力为切入点的金属矿采矿优化理论、以能量聚集和演化为主线的岩爆预测及防治和深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化的主要技术内容。关键词金属矿山,深部开采,关键问题,对策1影响金属矿山深部安全高效开采的主要问题1.l地下矿山我国有很多重要的金属矿产资源都是通
2、过地下开采的方式所获得,如大多数的有色金属矿山和黄金矿山均为地下矿山。随着浅部资源的逐渐减少和消失,地下开采的比例将越来越大,包括现有的部分露天矿山也将转入地下开采。经过几十年的开采,目前很多地下矿山均己进入深部开采或即将进入深部开采。如铜陵狮子山铜矿的开采深度己到1100米,山东玲珑金矿和吉林夹皮沟金矿己到1000米,辽宁红透山铜矿己达1300米。随着开采深度的不断增加,地质条件恶化,破碎岩体增多,地应力增大,涌水量加大,地温升高,带来了深部地压、提升能力、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加等一系列问题,抑制了生产能力提高和矿
3、产资源的充分回收。1.1.1深部巷道变形与支护随着开采深度的增加,地应力随之增大。因此,深部巷道与采场的维护原理与浅部有十分明显的区别,这种区别的根源在于岩石所处的应力环境的区别以及由此导致的岩体力学性质的区别。在浅部十分普通的硬岩,在深部可能表现出软岩的特征,从而引起巷道和围岩的大变形；浅部的原岩大多处于弹性状态,而深部的原岩处于“潜塑性”状态,由各向不等压的原岩应力场引起的压、剪应力超过岩石强度,造成岩石的潜在破坏状态。深部高应力环境下的巷道支护,除了必须考虑岩石强度性质和岩体结构外,还应重视巷道所处的应力环境。浅部中、低应力条件
4、下的巷道支护主要考虑业己存在的地质构造等不连续面的影响,而深部高应力岩体中巷道支护必须考虑巷道围岩因掘进造成的断裂破坏带,即新生断裂结构的影响。所以,深部高应力环境下的巷道支护应强调峰后破坏岩体残余强度的利用。应合理控制岩体的峰后变形,并尽量使巷道围岩处于三向应力状态,为此,需采用先柔后刚的能保持和提高岩体强度的加固措施；深部巷道支护设计应更多地建立在能量分析的基础上,而不是简单地以应力和强度作为设计准则。11.2深部地压显现与开采动力灾害从根本上讲,地应力是所有地下工程,包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。在没有开采工程扰动的情况
5、下,岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖,打破地层原始平衡状态,导致地应力的释放,从而引起岩体的变形和向自由面的位移,引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。这就是地压发生的过程和机理。它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。深部地压主要有两种表现形式,即：变形地压和冲击地压。变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起的压力,这是地压的最基本形式。在岩体条件较好的情况下,围岩的位移和变形发展到一定程度就停止了,可能不需要支护,围岩自身就能维持稳定
6、。深部高应力条件下,围岩具有产生大变形的内外部条件,围岩的过量变形将产生微观或宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等等。围岩必须通过支护才能防止过量的变形而引起的破坏。此时,变形地压的显现特征与支护方法和支护结构密切相关。在围岩与支护结合在一体的条件下,围岩与支护构成共同承载体,它们相互依存、相互制约、共同变形。只有及时采取支护措施,并且支护方法得当,才能有效改善围岩应力分布状态,抑制围岩变形,阻止围岩的失稳和破坏。冲击地压是一种岩石动力学现象,它是围岩内聚集的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现
7、出的一种形式。在金属矿山,冲击地压叫岩爆。产生冲击地压和岩爆主要与两方面因素有关。一是岩石的岩体的结构性质,具有在围岩内贮存高应变能的内在条件。一般来讲,坚硬完整岩体容易贮存高应变能。二是有产生高应变能的外部环境,如地应力大、围岩应力集中的地方。随着开采深度的增大,地应力不断增大,因而深部容易出现岩爆和冲击地压。随着越来越多的矿山进入深部开采,加强对岩爆的研究己刻不容缓,研究重点在以下三个方面：①从地应力、岩体结构、矿岩物理力学性质、采矿方法、开采过程、开采顺序、围岩能量聚集和释放规律等方面综合分析和研究岩爆机理；②建立有效可靠的监测
8、系统和手段,对岩爆发生的可能性、发生的地点和大小进行预测预报；③从防止和解除围岩高能量聚集,避免引起高能量迅速释放的外部条件出现两方面采取防治岩爆的有效措施。11.3地温升高引起作业环境恶化地下岩层温度随着深度的增加而增
