金属非金属矿床完整性安全高效开采理论模型_任凤玉.pdf

收稿日期2019-12-09 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801601） 。 作者简介任凤玉 （1956） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。通讯作者丁航行 （1984） ， 男， 讲师， 博士。 总第 523 期 2020 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE 编者按 金属非金属矿山重大灾害致灾机理及防控技术研究 （编号 2016YFC0801600） 为国家重 点研发计划 “公共安全风险防控与应急技术装备” 重点专项之一。该项目负责单位为鞍钢集团矿 业有限公司， 项目负责人为东北大学任凤玉教授。该项目自2016年7月立项以来， 已取得了大量 的研究成果。为了及时报道该类成果，金属矿山 杂志社与项目组合作， 出版了一期 “金属非金属 矿山重大灾害致灾机理及防控技术研究” 专辑。专辑在特约主编东北大学朱万成教授的精心策划 下， 系统报道了金属矿山完整性安全开采理论与技术、 金属矿采空区致灾机理与安全高效处理技 术、 超深及超大规模地下矿山灾害预控技术、 露天矿超高边坡滑坡灾变机理与防控技术、 矿山灾害 风险监测预警与应急救援技术等5个方向共25篇论文， 由于版面有限， 其余已经录用的论文将在 我刊后续刊期择期发表。专辑作者来自于东北大学、 鞍钢集团矿业有限公司、 山东大学、 中国矿业 大学 （北京） 、长沙有色冶金设计研究院有限公司、 辽宁科技大学、 山东黄金集团、 安徽马钢张庄矿 业有限责任公司、 中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司、 紫金矿业集团股份有限公司等单位， 在 此对所有撰稿作者表示衷心感谢特别感谢朱万成教授在专辑策划、 稿件评审等环节给予的指导 和支持， 东北大学牛雷雷博士在此过程中也付出了辛勤劳动， 在此一并表示感谢 金属非金属矿床完整性安全高效开采理论模型 任凤玉丁航行张世玉陈宝智 1 （东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819） 摘要金属非金属矿床开采具有地质条件复杂、 采矿方法影响因素多、 灾害孕育时间长、 危险源易被忽略等 特点， 为消除采动地质灾害和实现矿产资源的安全高效开采， 需研究完整性安全高效开采模型。分析了近些年金 属非金属矿床开采安全现状， 归纳了相对本质安全技术， 基于矿床采动三律与危害源控制利用方法的研究， 提出了 安全高效采矿方法的构建与优选方法。针对金属非金属矿床开采全过程， 即地质勘探、 采矿设计、 基建、 生产与闭 坑5个阶段， 分析了各阶段危险源识别与防控措施。在上述分析的基础上， 立足于全矿床完整性开采、 并使采矿工 艺技术适应矿床三律与可控危险源转化， 分析构建了完整性安全高效开采理论模型。该模型不仅有助于遏制矿山 重大灾害的发生， 而且有利于实现矿床开采效益的最大化。 关键词本质安全采动三律危险源控制采矿方法完整性开采 中图分类号TD85文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -01-1001-06 DOI10.19614/ki.jsks.202001001 Theoretical Model for Integrity， Safety and Efficiency Mining of Metallic-and-Nonmetallic Deposits Ren FengyuDing HangxingZhang ShiyuChen Baozhi2 （School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China） AbstractMining of metallic-and-nonmetallic deposits has the characteristics of complex geological conditions， multi- factor influence， long time of disaster breeding and ignorance of hazards.In order to eliminate mining geological hazards and realize the safe and efficient mining of mineral resources， it is necessary to study the complete safe and efficient mining mod- el.In this paper， the mining safety status of metallic-and-nonmetallic deposits in recent years is analyzed firstly， and the rela- Series No. 523 January2020 专题综述 1 ChaoXing 金属矿山总第523期 近年来， 随着矿产资源的大规模开发， 我国金属 非金属矿山安全生产形势严峻， 尽管采取了强有力 的安全监管措施， 各类矿山事故， 特别是重、 特大矿 山事故仍然时有发生 ［1-5］。分析其原因， 主要是金属 非金属矿床的成因类型多， 地质条件比较复杂， 矿床 开采引起地质体内的应力与气液重新分布后， 容易 造成部分区域能量集聚， 这些被集聚的能量在采动 影响下意外释放， 容易造成重大灾害事故。近年来 的复杂难采矿体开采理论研究与生产实践表明， 为 控制有害能量的集聚和意外释放条件， 需要面对矿 床的整个地质体， 研究采动规律与危险源控制利用 方法， 在此基础上， 进行矿体完整性开采的本质安全 设计， 将矿床地质体内的危险源尽可能多地消除于 开采方案中， 使生产过程主要防控残余危险源 ［6-8］。 本研究结合国内金属非金属矿床开采安全现状， 分 析重大危险源的致灾过程， 总结矿床采动规律的研 究成果， 研究重大灾害的防控方案与生产效率的提 高技术， 由此构建完整性安全高效开采理论模型。 1近年来发生典型事故的原因分析 近年来我国部分矿山发生的典型灾害事故见表 1。分析这些事故不难发现， 几乎每起事故的发生都 存在生产条件方面的问题， 其中有些事故的原因中 甚至根本没有操作者的过错， 完全是由于生产条件 或技术方面原因造成的。 进一步分析可知 主要危险源在于地压， 即岩体 中存在的力， 使得采矿工程与采空区的围岩不断积 蓄变形能量， 当积累到一定值时， 导致围岩发生失稳 破坏， 引起滑坡、 岩爆、 矿柱垮塌、 顶板大规模冒落等 重大灾害。其次， 采空区大量积水时， 一旦与工作面 联通， 积水的相对势能转化为动能， 冲击淹没井下人 员与设备， 也容易造成重大灾害。此外， 采矿工程顶 板掉块、 采空区地表突然塌陷等， 都可能造成人员与 设备的严重伤害。地压活动与采空区的形成都是由 采矿工程引起， 其积蓄能量的意外释放， 又可直接引 发矿山重大事故。因此， 提高采矿工程的本质安全 程度， 是防控矿山重大事故的根本。 2本质安全设计理念 本质安全的英文翻译 “Inherent Safety” 中的 “In- herent” 有 “本质的” 、“固有的” 、“内在的” 等含义， 因 此本质安全也可以称为固有的安全、 内在的安全 ［5， 9］。 本质安全作为一种安全理念， 是指相对于传统的、 依 靠对人的管理和教育实现的安全而言， 采矿工艺过 程中生产条件的安全才是本质上的安全。因此， 通 过选择与创建安全开采工艺， 进行本质安全设计， 创 造使人不易失误或者即使失误也无害的工作环境， 才能从根本上保障生产安全。 然而， 面对复杂的地质条件， 采矿工程安全是相 对的， 危险是绝对的。经过本质安全设计后， 虽然开 tive intrinsic safety techniques are summarized.Then， based on mining tri-law and hazard source control utilization technolo- gy， the construction and optimization of integrated safe and efficient mining s are proposed.According to the whole mining process of metallic-and-nonmetallic deposits，including geological exploration，mining design， infrastructure con- struction，production and pit closure， the paper analyzes the disaster-causing process in each stage and determines the pre- vention and control measures. Finally， on account of the adaption between mining technology and mining tri-law and hazards source transation， the theoretical model for integrity，safety and efficiency mining is constructed.The model not only help for restraining the occurrence of major mining disasters， but also maximizing the mining benefits of the deposits. KeywordsIntrinsic safety， Mining tri-law， Hazard control， Mining ， Integrity mining 2020年第1期 2 ChaoXing 2020年第1期任凤玉等 金属非金属矿床完整性安全高效开采理论模型 采工艺中的危险源被消除、 控制， 使得危险性降低 了， 但仍然会有 “残余危险” ， 而这种危险经过人为放 大后， 仍然可以引发灾害事故。因此， 在采矿设计 中， 没有绝对的本质安全技术， 只有针对某一危险源 的相对安全技术可供采用。目前可用的相对本质安 全技术可以归纳如下 （1） 用塌陷坑控制边坡滑移危害技术。超高边 坡露天开采不再具有经济优势， 并且环保压力大， 因 此深凹露天开采应适时转入露天地下协同开采， 用 地下开采创造的符合要求的边坡塌陷坑完整接收滑 移体， 使露天采场不受滑坡威胁 ［10-11］。这一技术经小 汪沟铁矿与海南铁矿的生产实践证实， 可从根本上 消除边坡滑移危害。 （2） 中深孔与深孔落矿技术。中厚以上的矿体 开采中， 采用巷道内凿岩、 中深孔或深孔落矿， 人员 不在空场下作业， 由此可不受顶板塌冒或掉块威胁。 （3） 不留矿柱支撑的连续开采工艺技术。厚大 矿体崩落法首采分段或倾斜矿体空场法开采等， 不 留矿柱或及时处理矿柱， 不使其积蓄顶板冒落能量， 促使顶板围岩按零星冒落形式完成初始冒落过程， 再辅以适当的出矿口散体隔离技术， 便可完全消除 空区冒落气流的冲击危害 ［12-13］。 （4） 巷道掘进支护。巷道100的支护属于重要 的本质安全技术范畴 ［14］。对于不稳围岩， 紧跟工作 （面） 支护是维护稳定性的常用方法； 对于稳定围岩， 也应采取支护措施。这是因为， 巷道掘进过程中的 爆破震动， 在巷道周边形成厚度不等的横向裂隙带， 与岩体结构面组合， 容易造成块体掉落。国外一些 矿业公司规定， 不仅对1.5 m以上墙体与顶拱围岩进 行锚网支护， 同时对端部1.5 m以上的掌子 （面） 进行 锚杆压金属网片支护， 用网兜住或控制住浮石， 严防 掉块伤人。 （5） 支护材料的可靠性与耐久性。对于有岩爆 矿山， 可采用动力锚杆或树脂锚杆特殊安装结构， 借 助杆体的较大变形量适应动力冲击。对于常规的便 于机械化施工的管缝式锚杆， 对杆体内进行注浆， 增 大锚杆的摩擦力， 防止杆体腐蚀， 维持巷道服务期内 的良好锚固力。 （6） 遥控铲运机出矿。对于空场法采场内的崩 落矿石， 利用遥控铲运机出矿， 避免空场顶板或四壁 掉块伤人。 （7） 天井与溜井机械化施工技术。倾角 50以 上的采场天井或溜井， 采用吊罐或爬罐施工， 避免 普通法施工人员受到掉块威胁， 并可消除施工人员 从工作台跌落的可能性。特别对于高度较大的阶 段溜井， 应全部推广溜井钻机施工， 对于大结构参 数分段落矿的切割井， 应积极采用钻孔爆破一次成 井方法施工， 以提高危险性较大工程施工的本质安 全程度。 总之， 结合生产工艺与危险源控制需要， 针对矿 床具体条件研究或选用适宜的本质安全技术， 用于 矿床开采设计， 同时改进安全施工技术， 创造使人不 易失误或者即使失误也无害的工作条件， 才能杜绝 矿山灾害事故的发生。 3采矿方法构建与优选 为控制矿山重大灾害的发生， 必须优选或研发 适宜的采矿方法， 严格控制采矿工程积蓄有害能量 或其意外释放的条件。同时， 采矿方法往往也对开 采效率影响重大。理论分析与生产实践表明， 为实 现安全高效的开采目标， 采矿方法的选择除了应适 应矿体产状与矿岩稳定性等静态条件之外， 还需要 适应矿床采动三律 ［15-19］， 即采动地压活动规律、 岩体 在地压活动下的破坏规律以及散体的移动或支撑规 律。对于不同的采矿方法， 三律的表现形式不同。 对于露天开采， 三律主要表现为边坡变形规律、 断裂 规律与滑移规律； 对于地下崩落法与空场法， 三律主 要表现为岩体冒落规律、 地压活动规律与散体移动 规律； 对于充填法， 三律表现为岩体冒落规律、 地压 活动规律与散体对采场边壁的支撑规律。矿床的三 律特点也可在一定程度上反映地压与空区等危险源 的致灾过程。从适应矿体几何条件、 顺应矿床三律 和转化危险源做功方向三方面入手， 研发安全高效 采矿方法及其采场结构参数， 是实现矿床安全高效 开采的基础。 在矿床三律与危害源控制利用方法研究的基础 上， 可按图1所示的方法进行采矿方法优选与构建。 4完整性安全高效开采模型构建 金属非金属矿床开采过程包括地质勘探、 采矿 设计、 基建、 生产与闭坑5个阶段， 每一阶段都须识别 重大灾害危险源， 分析致灾过程与制定防控措施， 以 适应该类矿床地质条件复杂、 地质灾害孕育时间长、 3 ChaoXing 金属矿山2020年第1期总第523期 危险源易被忽略的特点。尤其在采矿设计阶段， 须 重点研究矿床三律特性与危险源利用方法， 最大限 度地研发与采用本质安全技术； 在基建与生产阶段， 则需要研究与落实危险源或残余危险源的监管防控 技术； 在闭坑阶段， 识别与消除遗留危险源。这5个 阶段的研究是相互联系贯穿一体的， 前一阶段为后 一阶段提供安全基础。 4. 1地质勘探模型构建 对于金属非金属矿床， 导致重大地质灾害的危 险源都是在地质勘探中可被充分探测的。借鉴国外 经验， 重大危险源的识别与控制须从地质勘探的源 头做起。在勘探部门撰写地质报告时， 须清楚阐述 所提交储量被利用时的重大危险源， 分析致灾条件 与防控要点。此外， 还须充分利用钻孔数据与其它 勘探资料， 借助三维软件建立矿床地质模型、 地质结 构模型、 工程地质模型与水文地质模型等， 为矿床安 全高效开采设计提供充分依据。 4. 2设计研究与优化 设计阶段主要包括开发利用方案设计、 开采设 计与施工图设计。 （1） 开发利用方案设计。首先要调查矿区采矿 历史、 危害事件、 自然和人为的地下空区、 冻土层、 气 候、 工人技能、 供应、 运输、 社会因素等， 获取足够的 地方和区域信息， 同时调查市场条件和开采参数信 息； 其次， 依据地质报告， 分析建立岩土工程模型与 采矿成本模型， 并依据国家相关政策， 综合研究确定 采用地下开采还是露天开采方式， 初选采矿方法， 设 计经济而安全的开发利用方案。 （2） 开采设计。依据地质报告及其相关模型， 针 对初选的采矿方法， 研究矿床三律与危险源控制利 用方法， 按三律适应性原理与危险源控制利用方法， 构建、 优选或改进初选采矿方法， 形成设计的采矿方 法及其采场结构参数， 同时构建或改进开拓系统， 使 之与设计的采矿方法相适应。在开采设计中， 对地 压危险源的控制利用已形成了多种方法， 可供一些大 型或难采矿床开发选用， 如利用地压破碎矿石的自然 崩落或诱导冒落技术， 既可改善采准工程的安全条 件， 又可提高开采效率 ［15］。此外， 让压开拓与卸压开 采 ［20］， 可用最小的代价避免与克服地压破坏等。目 前， 对于水灾、 高陡边坡、 岩爆、 盲空区、 大规模采动岩 移等危险源的控制利用成果较少， 尚需分门别类地研 究致灾机理与防控方法， 须采用探测、 监测预警等方 法， 防止灾害事故发生。开采设计对矿床完整性安全 高效开采至关重要， 须大力开发与充分利用本质安全 技术， 设计出矿床完整性安全高效开采方案。 （3） 施工图设计。包括初始施工图设计与生产 优化设计。首先基于开采设计， 引入或执行行业最 佳做法和标准， 完成初始施工图设计； 其次， 利用开 拓、 采准与回采工程实施中的监测成果 （如空区激光 扫描、 岩壁损伤评估、 井巷变形与荷载监测、 采场或 边坡稳定性与岩土模型对比分析数据） ， 进一步研究 矿床开采条件与三律特性， 据此优化后续工程的施 工图设计， 同时优化危险源监测防控方案与安全预 案， 确保矿山施工安全。 4. 3基建防控 根据重大灾害危险源致灾过程的防控要求， 合 理安排施工顺序， 及时采取并实施防控措施， 并建立 探测、 监测与预警系统。通常在基建期采取综合措 施， 严防重大灾害事故发生。例如对于大水矿山， 为 防治突水灾害， 一方面， 基于水文地质模型， 研究预 测开拓与采准工程施工中可能出现的突水地点， 进 行超前探测与治理， 防止突水事故发生 ［21］； 另一方 面， 在排水副井施工到位后， 优先施工水仓与安装排 水系统， 防止突水淹井。对于破碎围岩地压危害， 则 需要利用矿床地质模型与工程地质模型， 细部优选 开拓工程的位置与采准工程的布置形式， 并对主要 开拓工程的工程地质条件进行钻孔探测验证， 尽可 能避开破碎围岩， 或采取可靠的支护措施， 确保基建 工程顺利施工。 4. 4生产寻优 由于地质条件的复杂性， 金属非金属矿床往往 经过生产过程的实际揭露， 才能获得矿岩相对精准 的信息。因此， 在生产过程中， 需要利用开拓、 采准 与回采工程揭露的信息， 随时修正地质、 水文地质与 工程地质等模型， 并结合监测数据不断深入研究矿 山三律特性与残余危险源致灾机理， 顺应三律改进 开采方案， 优化采场结构参数， 严格控制危险源及其 致灾过程， 不断改进采矿方法与工艺技术， 提高开采 效率与本质安全程度。对于地下水、 高陡边坡、 岩 爆、 盲空区等危险源， 有必要建立建全必要的监测预 警系统， 制定安全预案， 严防灾害事故发生。 4. 5闭坑治理 在矿床开采结束后， 全面处理威胁地表安全的 露天采坑、 地下采空区、 硐室与井巷工程等， 对地表 进行整形、 复垦或绿化， 由此完成矿床开采全过程。 贯穿生产全过程的矿床重大危险源控制方法如图2 所示。 4. 6模型构建 在矿床开采全过程中， 按上述方法不断优化与 改进采矿方法与工艺技术， 使之适应矿床三律与可 4 ChaoXing 控危险源转化机制。对于目前技术上不可控的危险 源， 应进行监测预警并制定安全预案。由此构建的 完整性安全高效开采理论模型如图3所示。 总之， 面对矿床整个地质体， 构建或优选采矿方 法， 并在生产中根据探测监测信息不断优化， 使之适 应矿体产状与矿岩稳定性， 顺应矿床采动三律与危 险源转化机制， 将矿床地质体内的危险源尽可能多 地消除于开采方案中， 使得生产全过程主要防控残 余危险源。此外， 采矿工艺尽可能多地采用本质安 全技术， 创造使人不易失误或者即使失误也无害的 工作环境， 这是杜绝或控制金属非金属矿山重大灾 害事故发生的根本保证。 5完整性开采模型的主要作用 根据初步分析， 本研究构建的完整性安全高效 开采理论模型， 具有如下三方面作用 （1） 面对矿床整个地质体， 按采动三律适应性、 危险源转化机制与本质安全观念研究采矿方法与整 体开采方案， 消除与控制矿床地质体内的危险源， 可 有效提高矿床开采的本质安全程度， 保障矿山全周 期的生产安全。 （2） 在分期或分区开采中， 基于整体开采方案设 计分期或分区开采方案， 同时对矿床内各类矿柱与 采场同时设计回采方案， 可有效提高矿石回采率与 采矿工程利用率， 有利于实现矿床开采效益的最大 化。 （3） 基于危险源致灾过程设置监测预警系统， 研 究与不断积累前兆信息， 可有效提高监测系统的针 对性与预警的可靠性， 保障复杂条件下矿山基建与 生产全过程的顺利进行。 6结论 （1） 金属非金属矿床开采具有地质条件复杂、 采 矿方法影响因素多、 灾害孕育时间长、 危险源易被忽 略等特点， 为消除采动地质灾害和实现矿产资源的 安全高效开采， 需要研究构建基于矿床采动三律与 危险源控制利用的完整性安全高效开采模型。 （2） 地质勘探是矿床危险源测定与评估的基础， 地质报告应包括矿床地质模型、 地质结构模型， 工程 地质模型与水文地质模型等， 并提出利用地质储量 时对重大危险源的控制要求， 作为采矿设计的依据。 （3） 采矿设计的本质安全是矿山安全的根本， 在 研究矿床采动三律与危险源利用与控制方法的基础 上， 需按采动三律适应性与本质安全观念， 构建或优 选采矿方法， 设计矿体完整性安全高效开采方案， 将 矿床地质体内的危险源尽可能多地消除于开采方案 中， 使生产过程主要防控残余危险源。 （4） 采矿工程积蓄能量的失控往往是导致灾害 事故发生的直接原因。在矿山基建与生产中， 需及 时识别采矿工程增大的危险源， 充分利用监测数据 优化施工图设计， 消除与控制危险源的致灾过程， 建 立建全必要的监测预警系统与安全预案， 确保基建 与生产安全。 （5） 本研究所构建的完整性安全高效开采模型， 不仅有助于遏制矿山重大灾害的发生， 而且有利于 提高开采效率， 实现矿床开采效益的最大化。 参 考 文 献 李珊珊.山东平邑石膏矿垮塌19人被困， 振动相当于4级地震 ［EB/OL］ . ［2015-12-26］ . 12/26/389554.html. ［1］ 任凤玉等 金属非金属矿床完整性安全高效开采理论模型2020年第1期 5 ChaoXing ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ Li Shanshan.19 people were trapped in the collapse of the Pingyi gypsum mine in Shandong， and the vibration was equivalent to a magnitude 4 earthquake ［EB/OL］ . ［2015-12-25］ .http//www.bjnews. 轶名.812山阳县山体滑坡事件 ［EB/OL］ .［2015-08-12］ .https // Anonymous.812 Landslide in Shanyang County ［EB/OL］ . ［2015- 08-12］ . 轶名 . 827 贵州福泉山体滑坡事件 ［EB/OL］ . ［2014-08-27］ . 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