金属矿业的前沿领域_深部采矿课件

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1、1,1,金属矿业的前沿领域 深部采矿,中南大学 古德生 2009年10月,1,2,前言 在人类发展的长河中，矿业始终贯穿于整个历史过程现代文明源于矿业; 没有矿业的发展，就没有国家的工业化和国防现代化矿业立于基础地位; 矿物资源紧缺的形势严峻，矿床开发正逐步转向深部矿业步入前沿领域; 引领采矿科技的发展方向,把握金属矿业发展的未来-矿业工作者的责任。,2,1,3,下面,就深部开采讨论六个问题： 一、矿业支撑着国家的可持续发展 二、金属矿业正逐步转向深部开采 三、深部开采特殊环境的灾害控制 四、经济、安全的深井规模化开采 五、推进深部开采科学技术的发展 六、构建金属矿山未来的采矿模式 3,1,4

2、,一、矿业支撑着国家的可持续发展 1.金属矿业支撑着国家的可持续发展 2.未来20-30年是资源消耗的高峰期 3.积极应对矿资源的短缺形势 4,1,5,1金属矿业支撑着国家的可持续发展,矿业是国家经济安全和国防安全的基础产业。金属矿业支撑着国民经济的快速发展。见下表：,1990-2008年，国民经济增长15.3倍,同期钢增长7.3倍,十种有色金属增长9.5倍。没有金属产量的同步增长，就没有国民经济的可持续发展。,5,1,6,我国经济的快速发展，但是，在很大程度上是 以消耗资源和牺牲环境为代价。 消耗资源 2006年.我国GDP 占世界总量5.5% ，而资源消耗： 能源消耗占世界15 %（24.

3、6亿吨标准煤)、 钢材消耗占世界30%（3.88亿吨）、 水泥消耗占世界54%（12.4亿吨）。 牺牲环境 矿业是破坏环境最严重的行业。据统计： 我国黑色和有色矿山每年新增排放的废石、尾 砂、废渣以10亿吨的速度增长; 共伴生资源的综合利用率很低-冶金企业为 20 % ,有色企业为30-35%(发达国家达70%), 我国这种粗放的增长方式,已经难以维继。 6,1,7,2未来20-30年是我国资源消耗高峰期 我国正处于工业化中期阶段，就是资源消耗强度最大的时期，今后20-30年是我国资源消耗的高峰期。 随着人均GDP的增长，人均金属矿产消耗量呈“S”形曲线变化。如下图所示。,7,a,b,c,1,

4、8,据预测 ：我国的钢、铜、铝、锌四种金属,达到 “S” 形曲线峰值的时间，及其金属消费量，见下表。 峰值消费量相当大。,中国主要金属消费需求预测表,8,1,9,3、积极应对矿资源短缺的形势 （1）我国矿资源短缺的形势严峻 我国是矿业大国，矿产资源相对丰富,占世界总量的12%，居世界第53位; 我国占世界人口1/4 ，人均资源只有世界平均水平的1/3（其中铁42.4%,铜23.3%、铝7.3%）,关系到国计民生的大宗矿产,如富铁、铜、铝资源短缺已成定局。 矿产是不可再生资源，经过长期大规模开发，浅部矿产资源已逐渐枯竭.我国陆地的矿产开发主要向两个方向发展：加速开发西部（高寒）地区矿床；大规模开

5、发深部矿床。 从长远考虑，国家对海底、极地资源开发也很重视，为维护我国海洋权益,国家投入也很大的。但是，要真正进入工业开采、还是深不可及。 9,1,10,我国资源形势严峻，金属矿产的保证度低，见下表:,1,11,（2）矿业正逐步向深部矿床开采过渡 21世纪，我国金属矿床开采正逐步转向五类矿床贫矿床、软破矿床、水体下矿床、深部矿床和高寒地区矿床。其中，重点要发展的、也是最经济、有效的是开发“深部矿床”。 深部开采是矿业发展的必然实际情况表明， 我国大部分矿集区的大中型矿山，深、边部的资源远景还很大，这些矿山终将转向深部开采。与世界矿业一样，矿床开采深度越来越大。国内开采深度已经到l400多米，而

6、国外达到4000多米。 深部矿床开采处于一个特殊的作业环境，有许多科学技术问题需要我们去解决,矿业科技工作者面临许多挑战，我们的科研工作要逐步向深部开采转移，走在矿业发展的前面。 11,1,12,（3）实施全球的矿产资源战略 全球资源配置的格局 目前，占世界人口不到1/4 的发达国家，消耗着全球3/4的矿产资源，而广大发展中国家，只占1/4。这就是全球矿产资源配置的格局。 美国是世界上消费矿产最大的国家:Cu、Pb、Zn、Al、Ni、M0六种金属的消费量是中国的5.932.4倍。 全球资源争夺的态势 矿产资源是不可再生的。资源的有限性与世界经济发展对资源需求的无限性，是一对矛盾；再加上矿产资源

7、的地理分布不均，这是全球争夺资源和国际关系紧张的动因。美国前国务卿黑格就说过：“冷战实质上是一场资源战”。 12,1,13,争夺态势目前,世界有4300多家矿业公司（不包括煤和石油）在100 多个国家开展勘查、开发。其中美、加、澳三国的矿业公司几乎占全球的2/3 （加拿大公司占全球37%，美国公司占17%，澳大利亚公司占9.5%） 。 实施全球资源战略 世界上没有一个国家的矿产资源能够自给自足的，实施全球资源战略是发达国家的成功经验,我国也不能例外。我国已经有上千个地矿公司在国外从事资源矿产的勘探与开发。 全球矿产资源战略、已经成为我们国家全球战略的一个重要组成部分。我们国家的方针是：“积极开

8、展资源外交”，“互利共赢，共同发展”。 13,1,14,二、金属矿业正逐步转向深部开采 1.深部开采的 “ 深部”界定 2.我国大批金属矿山向深部开采过渡 3.国外大批金属矿山转向深部开采 4.深部开采处于“三高”的特殊环境 14,1,15,1、深部开采的 “ 深部”界定 何谓深部开采？ 学术表达 随着开采深度的增加，岩石地应力不断增大，当增大到某一值时，岩爆发生频率出现明显增加的现象，超过这一临界深度的矿床开采，就定义为“深部开采”。 一般约定 由于矿岩的复杂性，同样的开采深度，地应力不一定相同，因此，上述 “深部开采”的定义有很大的不确定性。因此，一般约定把大于8001000米深度的矿床开

9、采,视为“深部开采”。 15,1,16,2、我国大批金属矿山向深部开采过渡 上世纪五、六十年代建的一批金属矿山，经过长期开采，资源已逐步枯竭，大型露天矿所剩无几，地下矿山也有3/5接近尾声或已濒临关闭,其余2/5正逐步向深部矿床开采过渡。 超过千米的矿山有: 夹皮沟金矿1600m, 会泽铅锌矿1360m, 红透山铜矿1300m, 冬瓜山铜矿1100m, 寿王坟铜矿1000m, 弓长岭铁矿1000mm; 此外,凡口铅锌矿，金川镍矿，高峰锡矿，湘西金矿等重点矿山，都已进入深部开采。 16,1,17,3、国外有大批金属矿山转向深部开采 在国外.据不完全统计，在非煤矿山中.开采深 度超过 1000m的

10、矿山有80多座。 按国家来划分： 加拿大30座.南非15座.美国11座，印度4座.澳 大利亚4座,俄罗斯.波兰.和赞比亚分别为2座； 按开采矿种分: 在80多座深井矿山中,金矿26座、铜矿18座、镍 矿9座、钾盐矿7座、铅锌矿6座、银矿5座、铀矿4 座、铁矿3座； 按开采深度划分： 深度1000-2000m 的60座，2000-3000m的12座， 3000m以上的有3座，其中最深的是南非卡里顿维尔 金矿,竖井深4164m，开采深度已达3800m 。 17,1,18,4、深部开采处于“三高”的特殊环境 当开采深度达到800-1000米时，一般界定为矿山 转入深井开采。它是个特殊的开采环境高应力

11、、 高井温、高井深。 “三因素”是深井的主要致灾因素 高应力(40-80 Mpa)诱发岩爆、导致冒顶，使支 护困难，危及作业安全，采矿方法与支护技术 不相适应等； 高井温(30-60)导致矿石自燃、炸药自爆，工 作环境恶化,在高温环境下，人的生理承受到 限制； 高井深(1000-5000 m)导致提升.通风.排水.充填 的困难增大，效率降低，费用增大，等。 18,1,19,三、深部开采特殊环境的灾害控制 1、关于深井高应力灾害问题 2、关于深井高温的热害问题 3、关于高深井的技术难题 19,1,20,1、关于深井高应力灾害问题 （1）国外概况 状况 在深井采掘进过程中，由于工程扰动，将增大矿岩

12、应力，可使软岩冒落，诱发硬岩岩爆。岩爆发生往往没有预兆，其猛烈程度足以伤人。 在国外，于1900年在印度Kolar金矿最早观察到岩爆；1906年，美国Atlantic矿也发生了一次岩爆，地震强度达到了里氏3.6级，导致铁轨弯曲,矿山停工;岩爆还诱发空气爆炸，导致火灾。 在南非，金矿的赋存较深，据南非采矿工程师协会统计，19941998年受重伤矿工有13.9万人，死亡2264人;伤亡的主要原因是在深井高应力环境下作业、没有相适应的采矿工艺技术。 20,1,21, 科研 1977年、国际岩石力学学会成立了岩爆问题的专门委员会。 20世80年代加拿大开展了为期10年的两个深井研究计划：包括微震监测、

13、岩爆预报、计算机模拟、岩爆潜在区的支护体系、岩爆危险评估等。 在美国，密西根工业大学及西南研究院与国防部合作，就岩爆和天然地震引发的地震信号与核爆信号的差异的辩别，进行过研究。 在南非，为了解决30005000 m深的金矿安全、经济开采的关键问题，从1998年开始启动了一个深井研究计划，耗资1380万美元，取得了包括水压支柱、水力钻机、深井制冷降温、快速连续采矿法、采场括板运输机、井下粗磨浮选，将富集细粒精矿泵送地表等系列创新性成果。 21,1,22,（2）国内概况 我国于1933年在抚顺胜利矿最早出现岩爆问题，到目前为止，已有红透山铜矿、冬瓜山铜矿等20多个矿井有过发生岩爆的记录。 针对金属

14、矿深井开采的重大问题，我国“九五”开展了千米深井矿山300万吨级强化开采综合技术国家攻关；“十五”开展了大型紧缺金属矿资源基地勘查与高效开采技术研究国家攻关；2001年就深部岩体力学基础研究问题举办了香山学术会议；2003年启动了国家自然科学基金重大项目深部岩体力学基础与应用研究；2009年，国家自然科学基金重点项目高应力硬岩矿床非爆连续开采理论与技术基础研究又获得立项。国家对深部开采问题给以高度重视。 近年，我国在岩爆发生机制、预测、监控等方面，做了大量研究工作；一些控制岩爆的深井开采工艺技术，在冬瓜山矿床开采设计之中得到了应用。 22,1,23,2、关于深井高温的热害问题 （1）深井的热害

15、 根据欧洲对2000m的钻孔观测，地温梯度大体为3/100m。 影响井下温度的主要热源有:围岩散热、坑内热水放热、矿岩氧化放热、机电设备放热，空气压缩放热和人体放热等。 南非的西部矿,井深3300m，井下气温达到50；日本丰羽铅锌矿，采深500m，但受裂隙热水影响，井下气温达到80。 在我国，上世纪90年代已有热害矿井70个（含台湾省20个），其中40个煤矿的采掘工作面超过30，最高达40；金属矿山有的达45。 根据我国煤矿安全规程规定：井下工作面气温 23,1,24,不得超过26；超过30时，必须停止作业，采取降 温措施。南非设计矿山降温系统时，一般将矿井温度控制在28以内（指气流通过采场后的湿球温度）。 据南非多年调查统计，当井下作业地点的空气湿球温度达到28.9时（相当于干球温度30），劳动生产力明显降低，并开始出现中暑死亡事故。下表为南非金矿井下温度与事故率的关系表。 （2）深井矿山降温方式-有四种： 通风降温。通过增大风量和风速来“稀释”井下热量，改善人体散热条件。这是大断面巷道中常用的方法。但在深井矿山仅靠通风难以达到降温要求。 24,1,25, 压缩空气降温是一种工作面降温的辅助方法。虽然有效，但成本太高; 供水制冷降温有三种方式: