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1、深井采矿方法和热害控制探讨 刘育明 中国恩菲工程技术有限公司 2015年 6月 12日 第一届大直径深孔采矿 技术与装备学术会议 内容 一 概述 二 深井开采采矿方法探讨 三、深井开采热害控制探讨 四、结束话 一、 概 述 经过过去几十年的开采，我国金属矿山深度在一千米以内的资源正在逐步消耗殆尽。在未来的十年中，我国一些金属矿山将逐步由千米以内向 1500m及以上深井发展，如冬瓜山铜矿、金川二矿区、凡口铅锌矿、程潮铁矿等矿山的开采深度已超过或接近 1000m。红透山矿自 1958年开采以来，至今已开采 21个中段，深部标高为 - 907 m，地表为 + 430 m，开拓深度达 1337m 。
2、地质找矿取得了重大成果。发现了多个深埋的大型或特大型深井矿床（包括铁矿、金矿、钼矿等），这些矿山已处于建设或准备建设阶段。 如： 思山岭铁矿 济宁铁矿 陈台沟铁矿 大台沟铁矿 岔路口钼多金属矿 山东一些金矿等 一、 概 述 未来十年，我国一些矿山开采深度将达到 1500m，甚至更深（如山东某些金矿），有一些超大规模（ 1000万 t/a）的地下矿将建成投产，如：思山岭铁矿、司家营的田兴矿、西鞍山铁矿、 大红山铁矿、普朗铜矿等，一些技术难题将进一步显现出来。 由于中国环保的要求，尾矿库的选址越来越困难，充填采矿法矿山所占的比重会越来越大。 国内矿山智能化自动化需求越来越高，是矿山发展的大势所趋。
3、 随着中国经济的发展，中国企业拥有的海外矿山会越来越多，国际化的趋势越来越大。 一、 概 述 未来十年里，国际上一些大型的地下矿山，尤其是自然崩落法矿山将建成投产， 如： 丘基卡马塔的露天转地下 12万 t/d，首采拉底水平距地表 1500m深； 印尼的 Grasberg露天转地下 16万 t/d ； 特尼恩特的新水平； 澳大利亚的 Cadia East 的全面建成 2600万 t/a； 美国的 Resolution矿 11万 t/d， 2000多 m深； 蒙古的 Oyu Togloi 铜矿 9万 t/d，生产水平位于地面以下 1300m； 加拿大的矿山将有几个在 3000m 深作业，如 Ki
4、dd Creek， LaRonde， Creighton等。 瑞典 Kiruna矿深部。 未来远程遥控和自动化开采将是一个显著的特征。 这些矿可以反映出国际的一个总体水平。新建的矿山其现代化水平将有一个巨大的提升。 加拿大部分矿山的提升和开采深度 一、概 述 深井开采有许多技术难题，包括： 采矿方法工艺及回采顺序（包括高应力底柱、间柱的回采）； 提升运输系统； 有效的通风和降温方式及系统； 充填工艺（如：超大规模充填料制备系统、如何减少管道磨损，钻孔的最佳深度，如何减压或泄压）； 岩爆的监测和预防； 高应力条件下井巷的支护和加固。 等等 二、深井采矿方法探讨 澳大利亚 Mount Isa矿 生
5、产规模 600万 t/a （某文章介绍） 矿体描述：铜矿体从南到北长近 3000m，东西最大长约 500m，矿体高度从 30m到最大超过 250m。 采矿方法：分段空场法（嗣后充填） 参数：水平 40m 40m，高为矿体高度，最大达 250m。 采矿顺序：从北向南进行，中间留下了垂直走向布置的矿柱（ 40m宽），但矿柱也回采了。 充填：膏体充填。充填接顶很重要。 1、几个国外主要矿山的设计参数 Mount Isa矿 Mount Isa矿 1100矿体矿柱和巷道布置图 矿柱 Mount Isa矿 Mount Isa矿 1100矿体平面图 矿柱 1500m Mount Isa矿采矿方法图 澳大利亚
6、 Olympic Dam矿 目前生产规模 1200万 t/a 矿体描述：最大应力是水平应力，大约是 2.5倍的垂直应力，地温30 45 。 采矿方法：分段空场法（嗣后充填）。 参数：沿走向 35m，垂直矿体长为 60m，分段高度 30 60m。 采用下向孔（ 102mm）凿岩和上向孔（ 89mm）凿岩。天井钻机拉槽（ 1.4m）。 充填：采用骨料胶结充填（ Cement aggregates）。 采用 Kiruna无人驾驶的有轨运输系统。 加拿大 Williams矿 年产量 240万 t，其中地下为 200万 t。矿体倾角 60 70 ，厚度 3 45m。地应力为各向同性。矿岩稳固。 采矿方法
7、：分段空场法（嗣后充填）。分一、二步骤回采。 参数：采场宽 20m，高 25m,长为矿体厚度。 采矿顺序：在垂直上形成一个三角形状，然后沿三角的坡向底部推进。 天井钻机拉槽 (1.1m)，一次打 105m深，上面作充填井。 充填：第一步骤为胶结块石充填，第二步骤为干式充填。地表破碎块石。 加拿大 LaRonde矿 产量 7200t/d，是以金为主的多金属矿。现已采到 2200 2450m。 采用垂直走向或沿走向的深孔空场法（嗣后充填）。 参数：采场宽 13.6 16.5m，长 30m，高 30m。 采矿顺序：金字塔式采矿顺序（第一和第二步骤）。 充填：膏体充填，胶结块石充填（第一步骤）；不加水
8、泥的块石充填（第二步骤）。 加拿大LaRonde矿 芬兰 Pyhasalmi矿 在 400m深时，主应力约 45MPa，在 1125m深时，为约 66MPa。矿岩稳固。 采矿方法：台阶空场和分段空场法（嗣后充填）。当矿体厚度大于20m时垂直走向布置采场 ; 当矿体厚度小于 20m时沿走向布置采场。 参数：在 1050mL以上，第一步骤采场高度为 40m。以下第一步骤采场高度为 50m，第二步骤为 25m 。 2、深井充填开采矿山的一些经验 1不同的矿山，矿体的赋存条件、矿岩条件、所处的应力条件、断层和结构面条件等不一样，差别是很大的，在确定采矿方法及参数时要充分考虑这些条件，同时还要考虑充填体
9、的质量。 2. 开采顺序主要受高地应力条件影响，总的顺序是从矿体的中央部位向边界推进。这逐步将诱导应力推向拱脚，也避免了在所留矿柱中的应力集中。 3工程尽量布置在矿体外只少 20m以外，以避免应力影响。对于保护竖井，应有较大的安全距离。 4. 大量的岩石力学数值模拟工作是必须的。 5加拿大的经验：空场嗣后充填采矿，从大规模多中段采场向小的、快速采完的单中段发展。更小的采场减少了岩体不稳固带来的风险。矿柱应尽早回采。 6采场平底结构，采用柴油遥控铲运机出矿。 三、深井热害控制探讨 1、井下的热源和空气自压缩热 井下热源来于： （ 1）空气压缩热 （ 2）设备产生的热 （ 3）从岩层中产生的地热
10、（ 4）裂隙水 （ 5）氧化 （ 6）爆破 （ 7）破碎的矿岩 （ 8）其它，如灯、人员自身、服务用的水。 深井矿山中空气自压缩热在井下热源中所站的比重很大，如 Mount Isa矿的 Enterprise矿，自压缩热占了总热源的 51%，岩体散发的热占24%，柴油设备的热占 7%，电气设备占 7%，破碎后的岩石占 8%，地下水占 3%。 （ 1）空气压缩热 （ 2）设备产生的热 （ 3）从岩层中产生的地热 （ 4）裂隙水 （ 5）氧化 （ 6）爆破 （ 7）破碎的矿岩 （ 8）其它，如灯、人员自身、服务用的水。 图 澳大利亚 Mount Isa 矿 EM矿热负荷的分布图 （注：不考虑地表气候
11、） 1、井下的热源和空气自压缩热 风流在纯自压缩状态下，当下降高度为 1000m时，按理论值其温升可达 9.76 。 考虑实际上并不存在绝热压缩过程，井巷里总存在一些水份（吸热形成水的蒸发）以及围岩吸热（夏天吸热，冬天放热，取决于空气温度和岩温），这样一般说来，如果年平均温升为 10 的话，则冬天可能是13 ，夏天可能是 7 。也就是说夏天最少温升梯度是 7 /km。 2、临界深度 在优化通风中，热是一个特殊的情况。这里有一个临界深度的作用。 临界深度 是地表以下地下作业面仅仅通过空气的自压缩而不需要任何其它热源的情况下，温度就超过最大的（设计）条件时的深度。 临界深度仅仅是地表温度和井深的函
12、数。因此在冬天，临界深度较深，而夏天较浅。 假如工作面是在临界深度以上，最便宜的控热措施通常是用空气“ Flood”（清洗）工作面。 假如工作面是处于临界深度以下，空气本身增加了热负荷，在这种情况下，应使初始风流控制在最小，通过制冷来控热。 2、临界深度 在 EM矿，在它的前 6年，平均深度是在 26A Sub 水平，即地表以下1350m，在地表温度为 25 WB（即湿球温度）时，临界深度是1150m或 23C Sub。 （澳大利亚是按照井下 28 WB来确定设制冷） 3、干球温度和湿球温度 湿球温度 （ WB wet bulb）始终小于 干球温度 （ DB dry bulb）。 湿度越大，湿
13、球温度越接近干球温度。 3、干球温度和湿球温度 我国的 金属非金属矿山安全规程 规定： 采掘作业地点气象条件规定 干球温度 相对湿度 风速 m/s 备注 28 不规定 0.5-1 上限 26 不规定 0.3-0.5 至适 18 不规定 0.3 增加工作服保暖量 4、安全规程规定 我国的 煤矿安全规程 规定： （干球） 采掘工作面空气温度不得超过 26 ， 机电硐室的空气温度不得超过 30 。 采掘工作面空气温度超过 30 ， 机电硐室的空气温度超过 34 ，必须停止作业 。 4、安全规程规定 国内仅按干球温度和风速来控制井下作业环境，缺少相对湿度指标。实际上按干球温度 28 ,我国南方很多矿山
14、的井下环境温度是达不到的。 在加拿大、美国、澳大利亚、南非等国家，一般按照井下湿球温度不超过 28 为限设计通风降温系统。 根据国外矿山的经验并结合我国矿山的实际，建议 （有待下次安全规程修改时修改） ： 1）对于连续工作，湿球温度应 27 。 当湿球温度为 25 27 时，应保证风速 0.5m/s； 当湿球温度 25 时，凡是有人工作和行走的地方，应保证风速 0.25m/s。 2）对于减轻的工作负荷，湿球温度应 28 ，风速 0.5 m/s； 3）当上述（ 1）至（ 2）项不能满足时，必须采取降温或其他防护措施。 5、深井通风降温措施 一、使热源远离通向工作面的进风道 1不要在进风侧地面安设风机（即压入式）。所有给这些风机的电能都证明是增加空气的温度； 2进风侧的线路中的风机最少； 3不要让卡车在新鲜的空气中“闲逛”，将存车点设到回风道中； 4不要让卡车和铲运机在通风线路上闲逛（这些线路都贯穿这冷空气）； 5控制柴油设备的数量； 二、尽可能使用电动设备。电动设备更节能，不产生有害气体 三、使变压器和其它热源不要在供给工作面的空气中 5、深井通风降温措施 四、使湿气远离进风道。应使进风道保持尽可能干燥，因为湿的和潮的井筒和巷道壁使岩层里的热加大进入空气中。因在应让水，特别在进风
