国际上对深部采矿没有给出明确、定量、科学的定义。有专家提出以岩爆发生频率明显增加来界定,当开采深度达到某一临界值时,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成为深部采矿,也有专家建议以岩石应力达到某一高度值来界定。国际上普遍采用的还是开采深度值来界定深部,中国将开采深度大于800米的采矿作业定为深部采矿,美国认为深部开采通常为5000英尺(1524米)以上,南非深部金矿开采是指平均作业深度为1600米以上的开采。
深部采矿
开采深度达到一定值以上的采矿作业。
- 英文名称
- deep mining
- 所属学科
- 矿业工程
中国在20世纪五六十年代建成的一批金属矿山,经过长期大规模开发,已探明的浅部矿产逐渐枯竭,一批地下矿山逐步向深部开采过渡,开采深度900~1500米,2011年“十二五”期间(2011~2015)开始建设深井矿山,开采深度均超过1500米。开采深度超千米的金属矿山数量最多的是南非,其大多数金矿的开采深度都超过1000米,其中姆波尼格金矿开采深度已达4350米,是21世纪初世界上最深的矿山;印度的科拉尔(Kolar)金矿区,已有三座金矿采深超2400米;俄罗斯的克里沃罗格铁矿区有8座矿山采准深度达910米,开拓深度到1570米;另外加拿大、瑞典、美国、澳大利亚等一批金属矿山采深亦超过1000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产资源的充分回收。深部采矿是特殊环境下的开采,相对于浅部采矿来说,深部采矿的特殊性主要表现在矿床处于“四高一扰动”的复杂环境下,“四高”是指高应力、高井温、高井深、高渗透压,“一扰动”主要是指强烈的开采扰动。高应力环境(60~80兆帕)可能导致采掘工作面出现岩爆、冒顶等灾害,危及工人安全;高井温环境(40~60℃)导致矿石自燃、炸药自爆,恶化工作面的作业条件,危及工人生理与心理的健康;高井深环境将使矿石提升和排水的技术难度增大,成本上升,增加管理困难;高渗透压使得矿井突水灾害更为严重。强烈开采扰动使巷道和采场围岩压力将数倍、甚至数十倍于原岩应力,从而造成在浅部表现为普通坚硬的岩石,在深部却可能表现出软岩大变形、大地压、难支护的特征。
深部采矿已成为世界矿业的重要研究领域。加拿大、美国、南非、中国等国开展了多种相关研究计划。20世纪80年代,加拿大安大略省(Ontario)的深部矿山岩爆频频发生,由联邦和省政府及采矿工业部门合作,开展了为期10年的两个深井研究计划;美国爱达荷地区(Idaho)三个矿井开采深度达1650米,岩爆频繁,为此,密歇根理工大学及西南研究院开展深井开采研究,并与美国国防部合作,就岩爆地震信号、自然地震信号、核爆信号的辨别进行了研究;南非在1908年成立了专门委员会,研究深井岩爆问题,1998年启动了“深部开采”(Deep Mine)研究计划,目的在于解决3000~5000米深度的金矿安全、经济开采的关键技术。在中国,许多单位针对金属矿山深井开采的关键技术问题开展了相关课题研究,从国家“九五”科技攻关开始,把“千米深井300万吨级矿山强化开采综合技术研究”“深部矿床开采关键技术研究”“特大型矿床深部开采综合技术研究”等列为攻关课题,此外,国家973项目“深部重大工程灾害孕育演化机制与动态调控理论”、863计划重点项目“千米深井地压和高温灾害监控技术与装备”、国家自然科学基金重大项目“深部岩体力学基础研究与应用”等对深部采矿进行了持续深入的研究。中国在“十三五”期间,启动了国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项,主要对“深部岩体力学与开采理论”“深部金属矿建井与提升关键技术”“深部矿产资源开采理论与技术”等进行重点研究。
扩展阅读
- 古德生,李夕兵,等.现代金属矿床开采科学技术.北京:冶金工业出版社,2006.
- 何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究.岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.