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11金属矿业的前沿领域——深部采矿中南大学古德生2010年10月12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;现代采矿科学技术与上世纪90年代相比，已经不可同日而语，它突破了传统学科的范畴，大大拓展了采矿科学技术的发展空间----传统矿业正走向现代化。213下面,围绕深部开采讨论七个问题：一、加强我国金属矿产资源的勘查二、金属矿业正在向深部开采过渡三、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、实施矿区深部资源的绿色开发六、推进深部开采科学技术的发展七、构建深井矿山的未来采矿模式314一、加强我国金属矿产资源的勘查1、我国金属矿资源短缺形势严峻我国矿产资源相对丰富,探明储量的金属矿产有54种,占世界总量的12%,但我国占世界人口1/4，人均资源只有世界人均水平的1/3；特别是大宗矿产与世界人均水平相比差距很大：铁为42.4%、铜23.3%、铝7.3%我国许多大宗消费矿种Fe、Cu、Al、Ni、K、P等都是紧缺资源，对外依存度均在50%以上，有的甚至高达70-80%我国金属矿产资源的保证度低,见下预测表:415编号矿产名称可供储量保证度%2010年2020年1铁（矿石）59382锰（矿石）83223铬（矿石）524铜（金属）1995铅（金属）35226锌（金属）33177铝（金属）83378镍（金属）113499钨（WO3）1498910锡（金属）593511钼（金属）2158516当前，我国的矿产消费量相对较低。美国的Cu、Pb、Zn、Al、Ni、M0六种金属的消费量是我国的5.9—32.4倍。国家工业化过程中，随着人均GDP的增长，人均金属消耗量将呈“S”形曲线变化。如下图所示。mn17金属单位20092015202020252030高峰期粗钢亿吨6.56-76.65.62015铝万吨1439200016002020铜万吨75380090090020252、我国正接近金属消耗高峰期当前,我国正处于工业化中期阶段,是人均金属资源消耗强度增长最快，并逐步接近高峰的时期。从下表可见，我国主要金属粗钢、铝、铜的金属消耗的高峰期分别为2015、2020、2025年。183、加强矿产勘查、保障国家资源安全①加强矿区边、深部资源勘查——经过长期大规模开发，浅部优质资源越来越少，但实际情况表明，我国大部分的大中型矿山，深、边部的资源远景还很大。通过加强矿区勘查，矿集区又获得新的资源。②大力加强西部资源的勘查——西部地区是我国的后备资源基地，除石油、天然气外，还有煤占全国的40%，铁47%，钾97%，铜、镍、金等也非常丰富；③切实加大矿产勘查的投入——2010-2012年内,国家每年投入130亿实施“地质矿产保障工程”,其中地质矿产调查、勘查50亿，矿山环境治理40亿，矿产综合利用30亿，支持境外勘查10亿。8194、实施全球的矿产资源战略①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。②全球资源争夺的态势矿产资源不可再生。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；加上资源的地理分布不均，这是全球争夺资源和国际关系紧张的动因。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%）。9110③实施全球矿产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，实施全球矿产资源战略是发达国家的成功经验,我国也不能例外。境外开发矿产，是我国资源安全的唯一选择。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：“积极开展资源外交”，“互利共赢，共同发展”。我国在国外从事矿产勘查开发的公司已有上千个。投资方式:参股包销.购买产权.并购重组.风险勘探。据商务部统计:2010年上半年企业海外投资主要集中在采矿业,总计130亿美元,是2005年的100倍。10111二、金属矿业正在向深部开采过渡1、深部开采是矿业发展的必然2、我国许多矿山转入深部开采3、国外有大批深部开采的矿山•111121、深部开采是矿业发展的必然我国金属矿床开采正逐步扩大到五类矿床——贫矿床、软破矿床、水体下矿床、高寒地区矿床和深部矿床。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，主要地下矿山已有一半逐步向深部矿床开采过渡。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，与世界矿业一样，矿床开采深度越来越大。对已开采的矿山来说，深部开采是最经济、有效的发展途径。深部矿床将成为未来的主要开采目标。国内开采深度已达l600米，国外开采深度达到4100多米。121132、我国许多矿山已转入深部开采①何谓深部开采？学术表达——地应力随开采的延深而逐步增大，当增大到某一值时，岩爆的发生频率明显增加，超过这一临界深度时的矿床开采，定义为“深部开采”。一般约定——矿岩结构复杂，同一深度的地应力不一定相同，因此，学术表达有很大的不确定性。一般把深度大于800–1000米的矿床开采,视为“深部开采”。②我国进入深部开采的金属矿山夹皮沟金矿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。131143、国外有大批深部开采的矿山据不完全统计，在国外非煤矿山中.开采深度超过1000m的矿山有80多座。①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；②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7座.铅锌6座.银矿5座.铀矿4座、铁矿3座;③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。14115三、深部开采特殊环境的灾害控制1、深部开采的“三高”特殊环境2、关于深井的高应力灾害问题3、关于深井的高井温热害问题4、关于高深井的提升技术问题151161、深部开采的“三高”特殊环境当开采深度达到800-1000米时，矿山转入深井开采。它是个特殊的开采环境——高应力、高井温、高井深。“三高”是深井的主要致灾因素高应力(40-80Mpa)——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(1000-5000m)——导致提升.通风.排水.充填等的困难增大，效率降低，费用增大等。161172、关于深井高应力灾害问题（1）国外深井高应力灾害在深井采掘进过程中，由于工程扰动，将增大矿岩应力，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，印度于1900年在Kolar金矿最早观察到岩爆；美国于1906年，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，1994～1998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。17118（2）国外深井高应力有关科研1977年国际岩石力学学会成立了岩爆专门委员会。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、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3000～5000米深部开采的技术问题，1998年开始启动了一个深井研究计划，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。18119（3）国内深井高应力灾害研究1933年我国抚顺胜利矿最早出现岩爆问题，目前，红透山铜矿等20多个矿井都有过发生岩爆的记录。国家对深部开采问题给以高度重视。开展了《千米深井矿山300万吨级强化开采综合技术》“九五”国家攻关，《大型紧缺金属矿资源勘查与高效开采技术研究》“十五”国家攻关；举办了2001年《深部岩体力学基础研究问题》香山学术会议；启动了国家自然科学基金《深部岩体力学基础与应用研究》重大项目（2003年），以后又开展了一系列基础研究基金项目。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。191203、关于深井的高温热害问题（1）深井的热害问题根据欧洲对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43℃。根据我国《煤矿安全规程》规定：井下工作面20121气温不得超过26℃，超过30℃就必须停止作业，采取降温措施。南非设计矿山降温系统时，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℃），劳动生产率明显降低，并开始出现中暑死亡事故。见下表：（2）深井矿山降温方式①通风降温——增大风量、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。21作业地点气温，℃27293132工伤，频次/千人0150300450122②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;③供水制冷降温——有三种方式:▲井下分散制冷——空调地点增多，制冷机散发大量热量，既不经济也难以满足降温要求。▲井上、井下联合制冷——目的在于改善井下冷凝温度过高的问题,采用两级循环输送冷水，即井筒中用高压管路，井下用低压管路，用高、低压换热器在井底车场附近连接。▲井上集中制冷——因为是地表比井下的冷凝温度低，井上预冷塔制冷效率高，并且安装、维修容易，成本也相对低。地表制冷厂出来的水一般为2-4℃。22123④地表制冰降温——冰块破碎后通过管道输送到井下冷库内，然后通过热交换系统、对空气和水进行冷却，这可以提高冷量输送效率，减少井下的泵水量，降低泵水成本。南非的试验收到很好的效果。这是新的发展方向。（3）深井降温的实例南非——斯坦总统金矿，矿井深3200m处，原岩温度高达63℃，就在地表建立7000千瓦的制冷站，制造100升/秒的冷却水，为井下空气降温。澳大利亚——布罗肯希尔铅锌矿，在井下生产中段建立制冷站，为工作面空气降温服务。在我国，新汶矿务局孙村矿建立了我国第一个井下集中制冷站；平顶山八矿建立了我国第二个井下制冷系统，都取得较好效果。231244、关于高井深的提升问题（1）开采深度的极限南非德兰士瓦公司设计的矿井最大深度为4000m,以此作为开采深度的极限。因为：①4000m深的地压很大,进行采矿爆破后,易集中引发岩爆,从而可能出现一次能量大释放的地震事故；②4000m深处的原岩温度通常达到45-50℃，矿井降温问题非常突出;③矿山排水和通风也出现许许多多困