工程科学学报，第41卷，第4期：417-426,2019年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.4:417-426,April 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.001:http://journals.ustb.edu.cn 金属矿深部开采现状与发展战略 蔡美峰，薛鼎龙，任奋华⑧ 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:renfh_2001@163.com 摘要在调研国内外众多金属矿山和收集大量相关文献的基础上，综述了国内外金属矿山开采现状及研究进展，聚焦深部 开采主要工程技术难题，从开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深井提升、深井开采方法工艺变革、深部选矿新 技术、智能无人采矿这六个方面，提出了解决我国深部开采难题的战略建议.结果表明：(1)5000m开采深度将会是我国金属 矿深部开采中长期战略研究目标：(2)无绳垂直提升技术具有提升效率高、使用限制少的特点，建议我国重点针对此类技术装 备研发：(3)将深部矿产资源开采与深部能源开发相结合，可以有效降低深部降温成本，是解决深部采矿经济性的新途径：(4) 新一代采矿技术需对原有的采矿模式和开采工艺进行变革，机械连续切割破岩技术是未来超深矿井建设的重要发展方向： (⑤)充填法是保证深部开采安全最有效的方法之一，应对充填材料、充填工艺进行更深入的研究：(6)我国尚不具备全面推广 遥控智能化无人采矿的条件，可以通过产学研联合攻关等方式逐步提高矿山生产自动化和遥控智能作业水平. 关键词深部开采：动力灾害：高温热害：深井提升：战略建议 分类号TU45 Current status and development strategy of metal mines CAl Mei-feng,XUE Ding-long,REN Fen-hua School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:renfh_2001@163.com ABSTRACT Mineral resources provide an important material basis for a country's economic and social development.After decades of large-scale mining,the shallow-metal mineral resources of China have been reduced annually and the development of metal resources has reached the stage of comprehensive promotion of deep mining at present.Based on the investigation of a number of mines in China and abroad and an extensive review of the relevant literature,this study summarizes the present situation and research progress of metal mining by focusing on the main technical engineering problems of deep mining and proposing some strategic recommendations to solve the problems of deep mining from six aspects,including the prediction and prevention of dynamic mining disasters,the control of high- temperature thermal environments and treatment of hazards,deep-well hoisting,deep-well mining method and technology reform,new technology for deep mineral processing,and intelligent unmanned mining.The results include the following:(1)The medium and long-term strategic research target for the deep mining of metals in China will be the depth of 5000m.(2)High efficiency and less re- striction are characteristics of the cordless vertical lifting technology,which suggests that China should focus on the research and devel- opment of this technology and related equipment.(3)Combining the mining of deep mineral resources with that of deep energy re- sources can effectively reduce the cost of deep cooling and offers a new way to solve the economic challenges of deep mining.(4)New- generation mining technologies need to change the original mining models and technologies,and the continuous mechanical cutting and rock breaking technology represent an important development direction for the future construction of ultra-deep mines.(5)The filling method is one of the most effective methods for ensuring deep-production safety,and further research is needed on the filling material and filling process.(6)The conditions necessary for comprehensively promoting remote intelligent unmanned mining in China do not 收稿日期：2018-1108 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600703)
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期: 417--426，2019 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 4: 417--426，April 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 04． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 金属矿深部开采现状与发展战略 蔡美峰，薛鼎龙，任奋华 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: renfh_2001@ 163． com 摘 要 在调研国内外众多金属矿山和收集大量相关文献的基础上，综述了国内外金属矿山开采现状及研究进展，聚焦深部 开采主要工程技术难题，从开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深井提升、深井开采方法工艺变革、深部选矿新 技术、智能无人采矿这六个方面，提出了解决我国深部开采难题的战略建议． 结果表明: ( 1) 5000 m 开采深度将会是我国金属 矿深部开采中长期战略研究目标; ( 2) 无绳垂直提升技术具有提升效率高、使用限制少的特点，建议我国重点针对此类技术装 备研发; ( 3) 将深部矿产资源开采与深部能源开发相结合，可以有效降低深部降温成本，是解决深部采矿经济性的新途径; ( 4) 新一代采矿技术需对原有的采矿模式和开采工艺进行变革，机械连续切割破岩技术是未来超深矿井建设的重要发展方向; ( 5) 充填法是保证深部开采安全最有效的方法之一，应对充填材料、充填工艺进行更深入的研究; ( 6) 我国尚不具备全面推广 遥控智能化无人采矿的条件，可以通过产学研联合攻关等方式逐步提高矿山生产自动化和遥控智能作业水平． 关键词 深部开采; 动力灾害; 高温热害; 深井提升; 战略建议 分类号 TU45 收稿日期: 2018--11--08 基金项目: 国家重点研发计划资助项目( 2016YFC0600703) Current status and development strategy of metal mines CAI Mei-feng，XUE Ding-long，ＲEN Fen-hua School of Civil and Ｒesource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: renfh_2001@ 163． com ABSTＲACT Mineral resources provide an important material basis for a country’s economic and social development． After decades of large-scale mining，the shallow-metal mineral resources of China have been reduced annually and the development of metal resources has reached the stage of comprehensive promotion of deep mining at present． Based on the investigation of a number of mines in China and abroad and an extensive review of the relevant literature，this study summarizes the present situation and research progress of metal mining by focusing on the main technical engineering problems of deep mining and proposing some strategic recommendations to solve the problems of deep mining from six aspects，including the prediction and prevention of dynamic mining disasters，the control of hightemperature thermal environments and treatment of hazards，deep-well hoisting，deep-well mining method and technology reform，new technology for deep mineral processing，and intelligent unmanned mining． The results include the following: ( 1) The medium and long-term strategic research target for the deep mining of metals in China will be the depth of 5000 m． ( 2) High efficiency and less restriction are characteristics of the cordless vertical lifting technology，which suggests that China should focus on the research and development of this technology and related equipment． ( 3) Combining the mining of deep mineral resources with that of deep energy resources can effectively reduce the cost of deep cooling and offers a new way to solve the economic challenges of deep mining． ( 4) Newgeneration mining technologies need to change the original mining models and technologies，and the continuous mechanical cutting and rock breaking technology represent an important development direction for the future construction of ultra-deep mines． ( 5) The filling method is one of the most effective methods for ensuring deep-production safety，and further research is needed on the filling material and filling process． ( 6) The conditions necessary for comprehensively promoting remote intelligent unmanned mining in China do not
·418* 工程科学学报，第41卷，第4期 yet exist,and mining progress can be facilitated by university-industry collaboration. KEY WORDS deep mining:dynamic disaster:high temperature damage:deep-well hoisting:strategic recommendations 金属矿产资源是金属产品和金属材料的根本来 1985一1990)和加拿大岩爆研究计划(Canadian 源，对国民经济发展和社会进步起着重大的推动作 rockburst research program)（1990一l995)研究计 用.随着浅部资源的日益枯竭，国内外陆续开始深 划.通过对Creighton镍矿微震与岩爆的计算机 部资源的开采.据统计未来10年内，我国三分之一 建模研究，劳伦森大学提出了能量吸收锚杆的支护 的地下金属矿山开采深度将达到或超过1000m), 体系和岩爆危险评估方法回.1989年法国召开“深 其中最大的开采深度可达到2000~3000m.深部开 部岩石力学国际会议”，各国专家对深部岩石力学 采己成为我国业发展面临的重要问题，也是保证 问题进行了深入探讨.澳大利亚深部开采岩爆频 我国金属矿产品供给的最主要途径.为此国家高度 发，西澳大学的地质力学中心(Australian centre for 重视，2004年国务院通过了《全国危机矿山接替资 geomechanics)在岩石动力灾害、矿压监测与支护、微 源找矿规划纲要(2004一2010)》回，投入40亿元经 震预警系统研发等方面开展了大量研究@.深井 费，以矿山外围和深部找矿为主要原则，开展危机矿 最多最深的南非，为了解决3000~5000m深部金矿 山接替资源找矿工作.2009年中国科学院发布了 开采安全问题，于1998年7月启动了一项“Deep 《创新2050：科学技术与中国的未来》战略研究报 Mine”研究计划，耗资高达1380万美元，取得了一系 告，提出了“中国地下四千米透明计划”同，力争到 列研究成果) 2040年，使中国重要区域地下4000m内变得“透 据不完全统计，目前国外开采深度超过千米的 明”.2016年习近平总书记在全国科技创新大会指 地下金属矿山（深井矿山）有112座2-.在这112 出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问 座深井矿山中，开采深度1000~1500m的58座， 题”将地质科技创新提升到了关系国家科技发展 1500~2000m的25座，2000~2500m的13座，3000 大局的战略高度. m及以上的16座.其中，70%以上为金矿和铜矿， 进入深部开采后，在高地应力的环境下首先要 开采深度超过3000m的16座矿山有12座位于南 面临巷道变形、岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾 非，全部为金矿（见表1）. 害问题.其次，岩层温度随开采深度的增加逐步上1.2我国金属矿开采现状 升，严重影响工人作业和设备运转.此外，深部开采 我国进入深部开采的时间较晚，但发展迅速 面临的地质情况复杂，提升高度的增加将加大提升 1996年《冬瓜山千米深井300万吨级矿山强化开采 难度，影响生产安全，因此深部开采对深井提升技术 综合技术研究》被列为“九五”期间国家重点攻关项 也有更高要求.鉴于此，本文作者对国内外金属矿 目的.2001年召开了以“深部高应力下的资源开采 山深部开采现状进行归纳总结，针对深部高地应力 与地下工程”为主题的香山科学会议第175次学术 开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深 讨论会，从三维、系统、多元的研究思路出发，深 井提升等工程技术难题，从战略性的角度提出了解 入探讨深部开采中岩石的力学特性.2016年8月国 决深部开采难题的关键工程科技发展战略 务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》也提出 重点研究深地资源勘探理论和技术装备的目标.为 1 国内外金属矿深部开采现状 此，十三五期间国家启动了多个重点研发计划项目， 1.1国外金属矿深部开采现状 包括由四川大学牵头的《深部岩体力学与开采理 国外的深部开采和研究起步较早，最早观察并 论》项目、由北京科技大学牵头的《深部金属矿建井 记录岩爆现象的是1904年美国密歇根州的Atlanta 与提升关键技术》项目、由中南大学牵头的《深部金 铜矿，该矿于1906年因为岩爆的严重破坏而关 属矿集约化连续采矿理论与技术》项目等等 闭B6.20世纪60年代末，在美国1daho地区三座 2000年以前，我国只有两座地下金属矿开采深 矿井开采深度达到1650m,美国矿山局开始使用微 度达到或接近10O0m,即安微铜陵冬瓜山铜矿和辽 震技术监测岩爆的研究m.1983年前苏联岩石力 宁红透山铜矿.21世纪以来，随着我国矿山事业突 学专家开展了1600m深矿井专题研究.1985年，加 飞猛进的发展，按照目前的发展的速度，在较短时间 拿大政府和多个研究机构合作开展了（加拿大安大 内，我国深井矿山的数量将会达到世界第一m,而 略省工业计划(Canadian ontario industry project) 且会有好几个开采规模达到世界最高水平的超大型
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 yet exist，and mining progress can be facilitated by university-industry collaboration． KEY WOＲDS deep mining; dynamic disaster; high temperature damage; deep-well hoisting; strategic recommendations 金属矿产资源是金属产品和金属材料的根本来 源，对国民经济发展和社会进步起着重大的推动作 用． 随着浅部资源的日益枯竭，国内外陆续开始深 部资源的开采． 据统计未来 10 年内，我国三分之一 的地下金属矿山开采深度将达到或超过 1000 m［1］， 其中最大的开采深度可达到 2000 ～ 3000 m． 深部开 采已成为我国矿业发展面临的重要问题，也是保证 我国金属矿产品供给的最主要途径． 为此国家高度 重视，2004 年国务院通过了《全国危机矿山接替资 源找矿规划纲要( 2004—2010) 》［2］，投入 40 亿元经 费，以矿山外围和深部找矿为主要原则，开展危机矿 山接替资源找矿工作． 2009 年中国科学院发布了 《创新 2050: 科学技术与中国的未来》战略研究报 告，提出了“中国地下四千米透明计划”［3］，力争到 2040 年，使中国重要区域地下 4000 m 内变得 “透 明”． 2016 年习近平总书记在全国科技创新大会指 出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问 题”［4］将地质科技创新提升到了关系国家科技发展 大局的战略高度． 进入深部开采后，在高地应力的环境下首先要 面临巷道变形、岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾 害问题． 其次，岩层温度随开采深度的增加逐步上 升，严重影响工人作业和设备运转． 此外，深部开采 面临的地质情况复杂，提升高度的增加将加大提升 难度，影响生产安全，因此深部开采对深井提升技术 也有更高要求． 鉴于此，本文作者对国内外金属矿 山深部开采现状进行归纳总结，针对深部高地应力 开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深 井提升等工程技术难题，从战略性的角度提出了解 决深部开采难题的关键工程科技发展战略． 1 国内外金属矿深部开采现状 1. 1 国外金属矿深部开采现状 国外的深部开采和研究起步较早，最早观察并 记录岩爆现象的是 1904 年美国密歇根州的 Atlanta 铜矿，该 矿 于 1906 年因为岩爆的严重破坏而关 闭［5--6］． 20 世纪 60 年代末，在美国 Idaho 地区三座 矿井开采深度达到 1650 m，美国矿山局开始使用微 震技术监测岩爆的研究［7］． 1983 年前苏联岩石力 学专家开展了 1600 m 深矿井专题研究． 1985 年，加 拿大政府和多个研究机构合作开展了( 加拿大安大 略省 工 业 计 划 ( Canadian ontario industry project) 1985—1990) 和加拿大岩爆研究计划 ( Canadian rockburst research program) ( 1990—1995 ) 研 究 计 划［8］． 通过对 Creighton 镍矿微震与岩爆的计算机 建模研究，劳伦森大学提出了能量吸收锚杆的支护 体系和岩爆危险评估方法［9］． 1989 年法国召开“深 部岩石力学国际会议”，各国专家对深部岩石力学 问题进行了深入探讨． 澳大利亚深部开采岩爆频 发，西澳大学的地质力学中心( Australian centre for geomechanics) 在岩石动力灾害、矿压监测与支护、微 震预警系统研发等方面开展了大量研究［10］． 深井 最多最深的南非，为了解决 3000 ～ 5000 m 深部金矿 开采安全问题，于 1998 年 7 月启动了一项“Deep Mine”研究计划，耗资高达 1380 万美元，取得了一系 列研究成果［11］． 据不完全统计，目前国外开采深度超过千米的 地下金属矿山( 深井矿山) 有 112 座［12--14］． 在这 112 座深井矿山中，开采深度 1000 ～ 1500 m 的 58 座， 1500 ～ 2000 m 的 25 座，2000 ～ 2500 m 的 13 座，3000 m 及以上的 16 座． 其中，70% 以上为金矿和铜矿， 开采深度超过 3000 m 的 16 座矿山有 12 座位于南 非，全部为金矿( 见表 1) ． 1. 2 我国金属矿开采现状 我国进入深部开采的时间较晚，但发展迅速． 1996 年《冬瓜山千米深井 300 万吨级矿山强化开采 综合技术研究》被列为“九五”期间国家重点攻关项 目［15］． 2001 年召开了以“深部高应力下的资源开采 与地下工程”为主题的香山科学会议第 175 次学术 讨论会［16］，从三维、系统、多元的研究思路出发，深 入探讨深部开采中岩石的力学特性． 2016 年 8 月国 务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》也提出 重点研究深地资源勘探理论和技术装备的目标． 为 此，十三五期间国家启动了多个重点研发计划项目， 包括由四川大学牵头的《深部岩体力学与开采理 论》项目、由北京科技大学牵头的《深部金属矿建井 与提升关键技术》项目、由中南大学牵头的《深部金 属矿集约化连续采矿理论与技术》项目等等． 2000 年以前，我国只有两座地下金属矿开采深 度达到或接近 1000 m，即安徽铜陵冬瓜山铜矿和辽 宁红透山铜矿． 21 世纪以来，随着我国矿山事业突 飞猛进的发展，按照目前的发展的速度，在较短时间 内，我国深井矿山的数量将会达到世界第一［17］，而 且会有好几个开采规模达到世界最高水平的超大型 · 814 ·
蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·419· 表1全球开采深度3000m以上的地下金属矿山 Table 1 Underground metal mines with global mining depths greater than 3000m 开采 所在 序号 矿山名称 矿石类型和储量 深度/m 国家 Mponeng Gold Mine 1 4350 金（金属储量426t,金品位8gt1,年产黄金12.44） 南非 姆波尼格金矿 Savuka Gold Mine 2 4000 金（矿石储量5.26×106t,年产黄金1.52） 南非 萨武卡金矿 TauTona Anglo Gold 3900 金（控制资源量229.8t,年产黄金12.7t) 南非 陶托那盎格鲁金矿 Caritonville 3800 金，副产品铀、银和铱、银贵重金属（年产金47.89t,产氧化铀213t) 南非 卡里顿维尔金矿 East Rand Proprietary Mines 3585 金(2008年产金2.25t,品位1.14gt1) 南非 东兰德专有矿业 South DeepGold mine 3500 金（探明金属储量1216t,平均品位7.06gt1) 南非 南深部金矿 Kloof gold Mine 3500 金（累计矿石储量3.04×103t,品位9.1gt1) 南非 克卢夫金矿 Driefontein mine 3400 金（矿石储量9.460×10？1，金品位7.4g1-) 南非 德里霍特恩矿 Kusasalethu Mine Project,Far West Rand 3276 金（剩余金属储量305t,品位5.35gt1) 南非 远西兰德库萨萨力图矿 Champion Reef 10 3260 金（矿石产量105t"a1,矿石品位7.12g11) 印度 钱皮恩里夫 President Steyn Gold Mine 11 3200 金（矿石产量3.961×106t"al,金品位6.5gt1) 南非 斯坦总统金矿 Boksburg 3150 金（年处理矿石能力3.90×10°t) 南非 博客斯堡金矿 LaRonde-mine 13 3120 金（探矿石储量3.560×103t,金品位2.7gt1) 加拿大 拉罗德金矿 Andina Copper Mine 14 3070 铜（矿石储量1.9162×100t,铜品位1.2gt1) 智利 安迪纳铜矿 Moab Khotsong 15 3054 金矿（矿石储量1.688×10？t,品位9.69gt1) 南非 摩押金矿 Lucky Friday Mine 16 3000 银、铅(2016年产银93.3t) 美国 幸运星期五矿 地下金属矿山.目前，我国开采深度达到或超过 半，几条竖井开挖深度己超过1000m;首钢马成铁 1000m的金属矿山己达16座（见表2）.其中，河南 矿（位于河北滦南）矿石储量1.2×10°t,矿体埋深 灵宝盏鑫金矿达到1600m,云南会泽铅锌矿、六苴铜 180~1200m,设计开采规模2.2×107t·a-1,最深 矿和吉林夹皮沟金矿达到1500m.在这16座矿山 一条竖井己经完工(1200m):五矿集团矿业公司 中，几乎全部为有色金属矿山和金矿，只有一座铁矿 陈台沟铁矿（位于辽宁鞍山），矿石储量1.2×10 (鞍钢弓长岭铁矿). t,矿体埋深750~1800m,设计开采才规模2×10 但是，近几年铁矿进入深部开采的建设力度 t“a1,己经开始建设；：山钢集团莱芜矿业公司济宁 最大.目前在建或计划建设的大型地下金属矿山， 铁矿，矿石储量2×10°t,矿体埋深1100~2000m, 绝大多数是铁矿如：辽宁本溪大台沟铁矿，矿石 设计开采规模3×10？ta1,也已投入建设.此外， 储量5.3×10°t,矿体埋藏深度1057~1461m的深 2016年在山东莱州三山岛西岭金矿探明一个储量 度，设计开采规模3×10？t“a1,目前一条竖井已 550t的超大型金矿床，为我国在胶东半岛深部找 挖至700m深.同处本溪地区的思山岭铁矿，矿石 矿指明了方向.未来随着勘探技术和装备的发展， 储量2.5×10°t,矿体埋深404~1934m,矿山最终 我国在3000~5000m深部找到一大批金属矿床是 生产规模3×10？t·a1,目前主体基建工程完成大 完全可能的
蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 表 1 全球开采深度 3000 m 以上的地下金属矿山 Table 1 Underground metal mines with global mining depths greater than 3000 m 序号 矿山名称 开采 深度/m 矿石类型和储量 所在 国家 1 Mponeng Gold Mine 姆波尼格金矿 4350 金( 金属储量 426 t，金品位 8 g·t － 1，年产黄金 12. 44 t) 南非 2 Savuka Gold Mine 萨武卡金矿 4000 金( 矿石储量 5. 26 × 106 t，年产黄金 1. 52 t) 南非 3 TauTona Anglo Gold 陶托那盎格鲁金矿 3900 金( 控制资源量 229. 8 t，年产黄金 12. 7 t) 南非 4 Caritonville 卡里顿维尔金矿 3800 金，副产品铀、银和铱、锇贵重金属( 年产金 47. 89 t，产氧化铀 213 t) 南非 5 East Ｒand Proprietary Mines 东兰德专有矿业 3585 金( 2008 年产金 2. 25 t，品位 1. 14 g·t － 1 ) 南非 6 South DeepGold mine 南深部金矿 3500 金( 探明金属储量 1216 t，平均品位 7. 06 g·t － 1 ) 南非 7 Kloof gold Mine 克卢夫金矿 3500 金( 累计矿石储量 3. 04 × 108 t，品位 9. 1 g·t － 1 ) 南非 8 Driefontein mine 德里霍特恩矿 3400 金( 矿石储量 9. 460 × 107 t，金品位 7. 4 g·t － 1 ) 南非 9 Kusasalethu Mine Project，Far West Ｒand 远西兰德库萨萨力图矿 3276 金( 剩余金属储量 305 t，品位 5. 35 g·t － 1 ) 南非 10 Champion Ｒeef 钱皮恩里夫 3260 金( 矿石产量 105 t·a － 1，矿石品位 7. 12 g·t － 1 ) 印度 11 President Steyn Gold Mine 斯坦总统金矿 3200 金( 矿石产量 3. 961 × 106 t·a － 1，金品位 6. 5 g·t － 1 ) 南非 12 Boksburg 博客斯堡金矿 3150 金( 年处理矿石能力 3. 90 × 106 t) 南非 13 LaＲonde-mine 拉罗德金矿 3120 金( 探矿石储量 3. 560 × 107 t，金品位 2. 7 g·t － 1 ) 加拿大 14 Andina Copper Mine 安迪纳铜矿 3070 铜( 矿石储量 1. 9162 × 1010 t，铜品位 1. 2 g·t － 1 ) 智利 15 Moab Khotsong 摩押金矿 3054 金矿( 矿石储量 1. 688 × 107 t，品位 9. 69 g·t － 1 ) 南非 16 Lucky Friday Mine 幸运星期五矿 3000 银、铅( 2016 年产银 93. 3 t) 美国 地下金属矿山． 目前，我国开采深度达到或超过 1000 m 的金属矿山已达 16 座( 见表 2) ． 其中，河南 灵宝崟鑫金矿达到1600 m，云南会泽铅锌矿、六苴铜 矿和吉林夹皮沟金矿达到 1500 m． 在这 16 座矿山 中，几乎全部为有色金属矿山和金矿，只有一座铁矿 ( 鞍钢弓长岭铁矿) ． 但是，近几年铁矿进入深部开采的建设力度 最大． 目前在建或计划建设的大型地下金属矿山， 绝大多数是铁矿． 如: 辽宁本溪大台沟铁矿，矿石 储量 5. 3 × 109 t，矿体埋藏深度 1057 ～ 1461 m 的深 度，设计开采规模 3 × 107 t·a － 1，目前一条竖井已 挖至 700 m 深． 同处本溪地区的思山岭铁矿，矿石 储量 2. 5 × 109 t，矿体埋深 404 ～ 1934 m，矿山最终 生产规模 3 × 107 t·a － 1，目前主体基建工程完成大 半，几条竖井开挖深度已超过 1000 m; 首钢马成铁 矿( 位于河北滦南) 矿石储量 1. 2 × 109 t，矿体埋深 180 ～ 1200 m，设计开采规模 2. 2 × 107 t·a － 1，最深 一条竖井已经完工( 1200 m) ; 五矿集团矿业公司 陈台沟铁矿( 位于辽宁鞍山) ，矿石储量 1. 2 × 109 t，矿体埋深 750 ～ 1800 m，设计开采才规模 2 × 107 t·a － 1，已经开始建设; 山钢集团莱芜矿业公司济宁 铁矿，矿石储量 2 × 109 t，矿体埋深 1100 ～ 2000 m， 设计开采规模 3 × 107 t·a － 1，也已投入建设． 此外， 2016 年在山东莱州三山岛西岭金矿探明一个储量 550 t 的超大型金矿床，为我国在胶东半岛深部找 矿指明了方向． 未来随着勘探技术和装备的发展， 我国在 3000 ～ 5000 m 深部找到一大批金属矿床是 完全可能的． · 914 ·
·420 工程科学学报，第41卷，第4期 表2我国采深1000m以上地下金属矿山统计 表3我国部分金属矿山岩爆发生情况 Table 2 Mining depths greater than 1000 m of underground metal mines Table 3 Rock burst in some metal mines in China in China 矿山名称 目前采深/m 岩爆状况 开采 1300 序号 矿山名称 所在地区 红透山铜矿 发生较强岩爆 深度/m 会泽铅锌矿 1500 发生较强岩爆 1 崟鑫金矿 河南省灵宝市朱阳镇 1600 冬瓜山铜矿 1100 发生中等岩爆 2 会泽铅锌矿 云南省曲靖市会泽县 1500 灵宝盎鑫金矿 1600 发生中等岩爆 六苴铜矿 云南省大姚县六苴镇 1500 二道沟金矿（夹皮沟金矿） 1500 发生中等岩爆 夹皮沟金矿 吉林省桦甸市 1500 玲珑金矿 1150 发生中等岩爆 秦岭金矿 河南省灵宝市故县镇 1400 三山岛金矿 1050 发生轻微岩爆 6 红透山铜矿 辽宁省抚顺市红透山镇 1300 玲南金矿 800 发生轻微岩爆 7 文峪金矿 河南省灵宝市豫灵镇 1300 渣关中金 陕西省潼关县桐峪镇 1200 2.2深井开采中的高温环境与热害治理 9 玲珑金矿 山东省烟台招远市玲珑镇 1150 地下岩层温度随着矿井开采深度的增大而升 四 冬瓜山铜矿 安徽省铜陵市狮子山区 1100 高.据统计，常温带以下，深度每增加100m,岩 11 湘西金矿 湖南省怀化市沅陵县 1100 层温度一般将提高1.7~3.0℃左右.通常情况下， 12 阿舍勒铜矿 新疆维吾尔自治区阿勒泰地区1100 千米以上的深井，岩层温度将超过人体温度，如南非 13 三山岛金矿 山东省莱州市 1050 西部矿井，在深部3000m处，岩层温度最高可达 14 金川二矿区 甘肃金昌市 1000 80℃四.目前，我国开采深度超过1000m的地下 15山东金洲矿业集团 山东威海乳山市 1000 金属矿山己达16个，开采深度超过700m的地下金 16 弓长岭铁矿 辽宁省辽阳市弓长岭区 1000 属矿山有100多处.据各地统计资料，开采深度超 过700m的矿井的岩层温度大都超过35℃，有的接 2 深部开采主要技术难题 近40℃，最高的达到近50℃.如：安徽罗河铁矿，在 700m的深度，东部测得的岩温值为38℃，西部为 进入深部开采后，地应力增大、矿床地质构造和 42℃；广西河池高峰锡矿700m深度达到40℃；山 矿体赋存条件恶化、破碎岩体增多、涌水量加大、井 东三山岛金矿825m深度达到38.5℃；安徽庐江泥 温升高、开采技术条件和环境条件严重恶化，导致开 河铁矿870m深度达到40.9℃.这样的温度值远远 采难度加大、灾害、事故增多、劳动生产率下降、成本 超过我国《地下矿山安全规程》规定的“采掘工作面 急剧增加，给深部金属矿山大规模正常生产和安全、 空气温度不得超过28℃”的标准.高温导致工作面 高效开采带来一系列的工程技术问题8 条件严重恶化，给设备的安全运行、生产效率、工人 2.1高地应力引发的开采动力灾害 的健康、劳动生产率等带来严重影响.当地下作业 深部高地应力场引起岩爆、塌方、冒顶、突水等 环境温度过高时，地下作业人员的注意力、判断和协 开采动力灾害，严重威胁深部开采安全四.地应力 调反应能力会降低，影响工人的工作效率，严重的将 随深度的增加以线性的速率增加.岩爆是采矿开挖 导致事故的发生.据统计资料，矿内环境气温超标 起的扰动能量在岩体中聚集和突然释放的过程. 1℃，工人作业劳动生产率会下降7%~10%3- 地应力越大，开采扰动能量越大，岩爆发生概率和震 因此，必须采取有效的降温措施，井下工作面环境保 级越大.我国地下金属矿进入深部开采的时间较 持合理的温度和湿度，才能保证深部地下开采的正 晚，上世纪进入深部开采的矿山很少，因此观测到岩 常开展. 爆的矿山很少，时间较晚，规模也不大.红透山铜矿 2.3深井采矿的提升能力和提升安全问题 20世纪80年代开采到400m时，就发生过轻微岩 提升是采矿过程中与开挖同等重要的一个环 爆，开采深度达到700m后岩爆逐渐频繁发生，1999 节，随着开采深度增大，提升高度成倍增加，不但使 年发生了2次较强岩爆，破坏力相当于500~600kg 生产效率大幅度下降、生产成本大幅度增加，而且对 (TNT当量).冬瓜山铜矿1999年发生了较强岩爆， 生产安全构成严重威胁 造成大量锚杆钢筋网破坏.到目前为止，我国发生 我国矿山普遍采用摩擦轮多绳提升机，在深度 过显著岩爆的地下金属矿山有8个（见表3）. 小于1000m的范围内，采用这种提升技术是最经济
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 表 2 我国采深 1000 m 以上地下金属矿山统计 Table 2 Mining depths greater than 1000 m of underground metal mines in China 序号 矿山名称 所在地区 开采 深度/m 1 崟鑫金矿 河南省灵宝市朱阳镇 1600 2 会泽铅锌矿 云南省曲靖市会泽县 1500 3 六苴铜矿 云南省大姚县六苴镇 1500 4 夹皮沟金矿 吉林省桦甸市 1500 5 秦岭金矿 河南省灵宝市故县镇 1400 6 红透山铜矿 辽宁省抚顺市红透山镇 1300 7 文峪金矿 河南省灵宝市豫灵镇 1300 8 潼关中金 陕西省潼关县桐峪镇 1200 9 玲珑金矿 山东省烟台招远市玲珑镇 1150 10 冬瓜山铜矿 安徽省铜陵市狮子山区 1100 11 湘西金矿 湖南省怀化市沅陵县 1100 12 阿舍勒铜矿 新疆维吾尔自治区阿勒泰地区 1100 13 三山岛金矿 山东省莱州市 1050 14 金川二矿区 甘肃金昌市 1000 15 山东金洲矿业集团 山东威海乳山市 1000 16 弓长岭铁矿 辽宁省辽阳市弓长岭区 1000 2 深部开采主要技术难题 进入深部开采后，地应力增大、矿床地质构造和 矿体赋存条件恶化、破碎岩体增多、涌水量加大、井 温升高、开采技术条件和环境条件严重恶化，导致开 采难度加大、灾害、事故增多、劳动生产率下降、成本 急剧增加，给深部金属矿山大规模正常生产和安全、 高效开采带来一系列的工程技术问题［18--19］． 2. 1 高地应力引发的开采动力灾害 深部高地应力场引起岩爆、塌方、冒顶、突水等 开采动力灾害，严重威胁深部开采安全［20］． 地应力 随深度的增加以线性的速率增加． 岩爆是采矿开挖 引起的扰动能量在岩体中聚集和突然释放的过程． 地应力越大，开采扰动能量越大，岩爆发生概率和震 级越大． 我国地下金属矿进入深部开采的时间较 晚，上世纪进入深部开采的矿山很少，因此观测到岩 爆的矿山很少，时间较晚，规模也不大． 红透山铜矿 20 世纪 80 年代开采到 400 m 时，就发生过轻微岩 爆，开采深度达到 700 m 后岩爆逐渐频繁发生，1999 年发生了 2 次较强岩爆，破坏力相当于 500 ～ 600 kg ( TNT 当量) ． 冬瓜山铜矿 1999 年发生了较强岩爆， 造成大量锚杆钢筋网破坏． 到目前为止，我国发生 过显著岩爆的地下金属矿山有 8 个( 见表 3) ． 表 3 我国部分金属矿山岩爆发生情况 Table 3 Ｒock burst in some metal mines in China 矿山名称 目前采深/m 岩爆状况 红透山铜矿 1300 发生较强岩爆 会泽铅锌矿 1500 发生较强岩爆 冬瓜山铜矿 1100 发生中等岩爆 灵宝崟鑫金矿 1600 发生中等岩爆 二道沟金矿( 夹皮沟金矿) 1500 发生中等岩爆 玲珑金矿 1150 发生中等岩爆 三山岛金矿 1050 发生轻微岩爆 玲南金矿 800 发生轻微岩爆 2. 2 深井开采中的高温环境与热害治理 地下岩层温度随着矿井开采深度的增大而升 高［21］． 据统计，常温带以下，深度每增加 100 m，岩 层温度一般将提高 1. 7 ～ 3. 0 ℃ 左右． 通常情况下， 千米以上的深井，岩层温度将超过人体温度，如南非 西部矿井，在深部 3000 m 处，岩层温度最高可达 80 ℃［22］． 目前，我国开采深度超过 1000 m 的地下 金属矿山已达 16 个，开采深度超过 700 m 的地下金 属矿山有 100 多处． 据各地统计资料，开采深度超 过 700 m 的矿井的岩层温度大都超过 35 ℃，有的接 近40 ℃，最高的达到近 50 ℃ ． 如: 安徽罗河铁矿，在 700 m 的深度，东部测得的岩温值为 38 ℃，西部为 42 ℃ ; 广西河池高峰锡矿 700 m 深度达到 40 ℃ ; 山 东三山岛金矿 825 m 深度达到 38. 5 ℃ ; 安徽庐江泥 河铁矿 870 m 深度达到 40. 9 ℃ ． 这样的温度值远远 超过我国《地下矿山安全规程》规定的“采掘工作面 空气温度不得超过 28 ℃”的标准． 高温导致工作面 条件严重恶化，给设备的安全运行、生产效率、工人 的健康、劳动生产率等带来严重影响． 当地下作业 环境温度过高时，地下作业人员的注意力、判断和协 调反应能力会降低，影响工人的工作效率，严重的将 导致事故的发生． 据统计资料，矿内环境气温超标 1 ℃，工人作业劳动生产率会下降 7% ～ 10%［23--26］． 因此，必须采取有效的降温措施，井下工作面环境保 持合理的温度和湿度，才能保证深部地下开采的正 常开展． 2. 3 深井采矿的提升能力和提升安全问题 提升是采矿过程中与开挖同等重要的一个环 节，随着开采深度增大，提升高度成倍增加，不但使 生产效率大幅度下降、生产成本大幅度增加，而且对 生产安全构成严重威胁． 我国矿山普遍采用摩擦轮多绳提升机，在深度 小于 1000 m 的范围内，采用这种提升技术是最经济 · 024 ·
蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·421· 和高效的网.2000年以前，我国地下矿的开采深度 绝大多数在800m之内，很多位于500~600m.在 提升钢丝绳 这个深度范围，采用传统的摩擦轮多绳提升机，提升 效率、成本、可靠性、安全性都是有保证的.但是，进 提升机 入深部开采后，随着提升高度的增加，钢丝绳需要不 提升容器 断加长，这种提升技术就会在提升能力、安全性和运 行成本方面遇到许多困难.根据各国的统计资料， 摩擦轮提升机在井深超过1800m后将不能使用，主 要问题在于：超1800m深井中使用时，由于钢丝绳 加长，提升负荷增加，钢丝绳的重量可能超过提升容 器装载的重量，从而使提升能力大大降低：钢丝绳加 图2布雷尔多层缠绕式提升机示意图 长后，其惯量大大增加，给提升运行的稳定性控制造 Fig.2 Brel multilayer winding hoist 成困难；钢丝绳加长后，尾绳长度的变化越来越大 (见图1)，导致钢丝绳因张力变化过大，较早出现断 3 解决深部开采难题的关键工程科技发展 丝且不均匀，钢丝绳有效金属截面减小，抗拉强度降 战略 低，钢丝绳寿命急剧下降，成为制约摩擦轮提升机提 升安全与效率的主要因素 3.1深部开采动力灾害（岩爆）预测与防控 金属矿山深部开采动力灾害包括：岩爆、塌方、 摩擦轮 冒顶、突水等，以岩爆为重点.岩爆是在地应力的主 导下发生的采矿动力灾害，是采矿开挖形成的扰动 能量在围岩中聚集、演化和在围岩出现破裂等情况 钢丝绳 下突然释放的过程.地应力存在于地层中本处 于自然平衡状态，开挖扰动引发地应力释放，形成 “释放荷载”（见图3）导致围岩变形和应力集中.当 提升容器 岩体中聚集的变形势能达到一定程度，在一定条件 尾绳 下突然释放产生冲击破坏，就形成了岩爆. 岩爆研究历史已有大半个世纪，国内外学者提 出了各种岩爆的理论和学说，但大多仍停留在探讨 和经验阶段，至今没有形成对岩爆机理的准确认识 图1摩擦轮多绳提升机示意图 Fig.I Friction wheel multi-rope hoist 和具有实用性的岩爆预测与防控技术.为了满足金 属矿深部开采安全的要求，应在己有工作积累基础 为了克服摩擦轮提升机的不足，英国的布雷尔 上，将岩爆研究重点从判据研究转移到预测与防控 研发出多绳缠绕式提升机（见图2）.多绳缠绕式提 研究上来.岩爆发生必须具备两个必要条件：一是 升机解决了多绳摩擦提升机在深井提升中存在的尾 采矿岩体必须具有贮存高应变能的能力并且在发生 绳问题，不仅可用作双容器多水平提升，而且可用于 破坏时具有较强冲击性；二是采场围岩必须有形成 井筒掘进，少了尾绳，容器底部还能悬挂设备和材 高应力集中和高应变能聚集的应力环境0.因此， 料，目前该提升设备主要在南非应用网 岩爆预测研究应与开采计划结合，从刚度、强度、能 Mn 开挖 拟开挖 ,释放 荷载 图3开挖释放荷载示意图 Fig.3 Schematic of excavation release load
蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 和高效的［27］． 2000 年以前，我国地下矿的开采深度 绝大多数在 800 m 之内，很多位于 500 ～ 600 m． 在 这个深度范围，采用传统的摩擦轮多绳提升机，提升 效率、成本、可靠性、安全性都是有保证的． 但是，进 入深部开采后，随着提升高度的增加，钢丝绳需要不 断加长，这种提升技术就会在提升能力、安全性和运 行成本方面遇到许多困难． 根据各国的统计资料， 摩擦轮提升机在井深超过 1800 m 后将不能使用，主 要问题在于: 超 1800 m 深井中使用时，由于钢丝绳 加长，提升负荷增加，钢丝绳的重量可能超过提升容 器装载的重量，从而使提升能力大大降低; 钢丝绳加 长后，其惯量大大增加，给提升运行的稳定性控制造 成困难; 钢丝绳加长后，尾绳长度的变化越来越大 ( 见图 1) ，导致钢丝绳因张力变化过大，较早出现断 丝且不均匀，钢丝绳有效金属截面减小，抗拉强度降 低，钢丝绳寿命急剧下降，成为制约摩擦轮提升机提 升安全与效率的主要因素． 图 3 开挖释放荷载示意图 Fig． 3 Schematic of excavation release load 图 1 摩擦轮多绳提升机示意图 Fig． 1 Friction wheel multi-rope hoist 为了克服摩擦轮提升机的不足，英国的布雷尔 研发出多绳缠绕式提升机( 见图 2) ． 多绳缠绕式提 升机解决了多绳摩擦提升机在深井提升中存在的尾 绳问题，不仅可用作双容器多水平提升，而且可用于 井筒掘进，少了尾绳，容器底部还能悬挂设备和材 料，目前该提升设备主要在南非应用［28］． 图 2 布雷尔多层缠绕式提升机示意图 Fig． 2 Brel multilayer winding hoist 3 解决深部开采难题的关键工程科技发展 战略 3. 1 深部开采动力灾害( 岩爆) 预测与防控 金属矿山深部开采动力灾害包括: 岩爆、塌方、 冒顶、突水等，以岩爆为重点． 岩爆是在地应力的主 导下发生的采矿动力灾害，是采矿开挖形成的扰动 能量在围岩中聚集、演化和在围岩出现破裂等情况 下突然释放的过程［29］． 地应力存在于地层中本处 于自然平衡状态，开挖扰动引发地应力释放，形成 “释放荷载”( 见图 3) 导致围岩变形和应力集中． 当 岩体中聚集的变形势能达到一定程度，在一定条件 下突然释放产生冲击破坏，就形成了岩爆． 岩爆研究历史已有大半个世纪，国内外学者提 出了各种岩爆的理论和学说，但大多仍停留在探讨 和经验阶段，至今没有形成对岩爆机理的准确认识 和具有实用性的岩爆预测与防控技术． 为了满足金 属矿深部开采安全的要求，应在已有工作积累基础 上，将岩爆研究重点从判据研究转移到预测与防控 研究上来． 岩爆发生必须具备两个必要条件: 一是 采矿岩体必须具有贮存高应变能的能力并且在发生 破坏时具有较强冲击性; 二是采场围岩必须有形成 高应力集中和高应变能聚集的应力环境［30］． 因此， 岩爆预测研究应与开采计划结合，从刚度、强度、能 · 124 ·