劉立順，楊小聰，萬串串，周玉成

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

隨著淺部資源的日趨枯竭和社會對礦產(chǎn)資源需求的不斷增加，采礦必然向深部發(fā)展[1]。據(jù)初步統(tǒng)計，國內(nèi)外已有上百座金屬礦山開采深度超過1 000 m，且正以每年8～12 m的速度向下延伸，南非深部采礦最為普遍，絕大多數(shù)金礦的開采深度都超過了1 000 m，其中West Driefovten金礦開采深度達到6 000 m。我國的紅透山銅礦、冬瓜山銅礦、夾皮溝金礦等礦山開采深度已達到1 000 m[2-3]。

深部巖石賦存環(huán)境與淺部截然不同，深部礦床開采面臨著以下問題：地壓與巖爆災(zāi)害顯著增加，巖層穩(wěn)定性控制難；原巖溫度高(有的深井礦山原巖溫度高達80℃)，礦井通風降溫難度大；深部高應(yīng)力環(huán)境下充填體的力學(xué)特性更加復(fù)雜；提升高程大、運輸距離遠，礦巖、涌水、物料等輸送困難[4-7]。為解決以上深井開采面臨的技術(shù)難題，部分學(xué)者提出利用深井的高應(yīng)力、高落差的特點，進行高應(yīng)力巖石誘導(dǎo)致裂，深井高壓水碎巖，將深井地壓災(zāi)害轉(zhuǎn)化為開采的有利因素，這類問題是目前國內(nèi)外研究的焦點[8-9]，但尚停留在探索階段。以上分析表明，深井開采技術(shù)與力學(xué)密切相關(guān)，涉及巖石力學(xué)、熱力學(xué)、充填體力學(xué)、流體力學(xué)及材料力學(xué)等力學(xué)基礎(chǔ)理論，本文就金屬礦山深井開采中的相關(guān)力學(xué)問題進行探討。

1 金屬礦山深部開采的相關(guān)力學(xué)問題

自20世紀80年代以來，隨著深部開采礦山數(shù)量的遞增及開采深度的不斷增加，深井礦山事故頻頻發(fā)生[8]。據(jù)統(tǒng)計資料表明，1984年至1993年南非有6 966名礦工死于采礦事故，而1994年至1998年間礦難事故人數(shù)竟達13 900人之多，究其原因是適用于淺部工程的傳統(tǒng)力學(xué)理論不能指導(dǎo)深部采礦，缺乏與深部環(huán)境相適應(yīng)的采礦工藝、支護技術(shù)和災(zāi)害防治體系[9]。

地壓控制與巖爆預(yù)防一直是深井開采的技術(shù)難題，高溫、高應(yīng)力下巖石的力學(xué)特性是需要進行深入研究的巖石力學(xué)課題。深部采礦大都采用充填采礦法，充填體力學(xué)作用機理、深部采場充填方式及充填體強度如何確定等，這些技術(shù)難題與充填體力學(xué)相關(guān)，是充填體力學(xué)的研究內(nèi)容。深井開采原巖溫度高，必須進行通風降溫，原巖高溫能否加以利用、通風降溫系統(tǒng)怎樣設(shè)計、熱交換過程如何調(diào)節(jié)與控制等，這些技術(shù)難題都與熱力學(xué)相關(guān)。深井復(fù)雜開采技術(shù)條件下，地下水大，水壓高，深井接力排水、注漿堵水、預(yù)防突水災(zāi)害等是流體力學(xué)的研究任務(wù)。深井高應(yīng)力條件下，采用何種材料既能實現(xiàn)隔熱防火，又能起到很好的支護效果，這是材料力學(xué)要解決的技術(shù)難題。

以上分析表明，深井開采技術(shù)與力學(xué)密切相關(guān)。綜合國內(nèi)金屬礦山深井開采經(jīng)驗，金屬礦山深井開采存在如下幾個方面的力學(xué)問題。

1.1 巖石力學(xué)問題

巖爆作為巖體的一種猛烈動力破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為應(yīng)力集中、裂紋失穩(wěn)擴展、脆性斷裂和能量突然釋放。研究表明巖爆發(fā)生頻度隨開采深度增加呈冪指數(shù)關(guān)系增長(如圖1所示)，而且在工程動力擾動下會成倍加劇。為了減少和預(yù)防巖爆，國內(nèi)外學(xué)者對巖爆發(fā)生機理、預(yù)測預(yù)報方法及防治技術(shù)進行了大量的研究和試驗[10-11]。但由于巖爆發(fā)生機理的極端復(fù)雜性，加之地質(zhì)條件的多樣性和工程條件的多變性，許多問題尚沒有統(tǒng)一定論。

圖1 巖爆次數(shù)與開采深度關(guān)系Fig.1 Relationship between rock burst times and mining depth

根據(jù)深井高地應(yīng)力環(huán)境特點，巷道與礦塊怎樣布置更為合理，巷道和采場頂板應(yīng)采用什么樣的支護方式和參數(shù)更為有效，采場用怎樣的回采順序能避免應(yīng)力集中、防止巖爆，這些都是深井開采中巖石力學(xué)必須研究和解答的問題。

1.2 充填體力學(xué)問題

為了應(yīng)對惡劣的地下深井開采環(huán)境，深井開采基本都采用充填采礦法。為了指導(dǎo)充填采礦，礦業(yè)科技工作者對充填理論進行了大量研究，逐漸形成了充填體力學(xué)體系。深部開采充填體力學(xué)主要研究以下方面：深部高溫高應(yīng)力環(huán)境下充填材料的選擇，深井充填料管道輸送，膠結(jié)充填體力學(xué)特性，膠結(jié)充填體配比優(yōu)化，深部采場充填料脫水及固化機理，充填體與深部巖體的耦合作用等。國內(nèi)外學(xué)者對充填體的力學(xué)作用進行了系列研究和探索，一致認為采場充填在控制采區(qū)地壓、預(yù)防深井巖爆災(zāi)害、提高礦石回收率、降低貧化率等方面具有顯著的作用，但在充填體力學(xué)作用機理方面尚無共識。在充填體結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計方面，目前經(jīng)驗類比法占據(jù)著主導(dǎo)地位[12]，由于深井開采的技術(shù)條件與淺部相差很大，采用經(jīng)驗的方法進行充填體結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計往往造成不必要的材料浪費或充填體強度達不到實際工程要求。

根據(jù)深井充填采礦工藝的特點，研究充填體力學(xué)作用機理，并根據(jù)作用機理和充填體受力工況，優(yōu)選經(jīng)濟有效的充填材料、設(shè)計合理的充填體結(jié)構(gòu)和強度，是深井采礦充填體力學(xué)的重要研究課題。

1.3 熱力學(xué)問題

隨著礦山開采深度不斷加深，深井熱害問題成為深井開采中的一大技術(shù)難題。礦山實踐表明，隨著開采深度增加，原巖溫度呈直線上升，井下溫度過高，將大大降低勞動者的生產(chǎn)效率。研究表明，當井下濕球溫度達到32 ℃時，工人生產(chǎn)效率降到95%；當井下溫度升至34 ℃，工人生產(chǎn)效率只有50%；井下溫度升高到36 ℃，工人幾乎沒有生產(chǎn)能力，可能產(chǎn)生熱痙攣、中暑及高溫猝死等現(xiàn)象。

目前國內(nèi)外針對深井熱害的研究主要集中在礦井溫度監(jiān)測預(yù)測與熱交換理論、通風降溫技術(shù)、熱源阻隔技術(shù)、制冷系統(tǒng)設(shè)計、個人防護等方面。礦井風溫預(yù)測、礦井風流熱交換理論在一定程度上為礦井熱害防治提供了指導(dǎo)，但由于深井條件復(fù)雜多變，根據(jù)預(yù)測公式計算得出的熱源和熱量大多準確性不高[13-14]。熱害控制主要集中在礦井通風、制冷系統(tǒng)、個人防護等方面，但效果并不明顯，一些采取多種控制措施的深井環(huán)境溫度依然很高，嚴重影響了工人的作業(yè)效率和安全。

根據(jù)深井開采的地熱特點，準確辨識熱源，測量散熱量，在此基礎(chǔ)上通過有效的通風、阻隔、制冷、防護等措施，準確控制和調(diào)節(jié)井下作業(yè)環(huán)境的溫度，是深井開采熱力學(xué)需要解決的技術(shù)難題。

1.4 流體力學(xué)問題

深井開采中水文地質(zhì)條件對開采的影響發(fā)生了重大變化，當開采深度達到1 000 m以深后，由水力梯度而產(chǎn)生的巖溶水壓可達10 MPa以上，掘進或工作面回采過程中，觸及各類地質(zhì)弱面都可能打破深部原有流場的平衡，產(chǎn)生突水事故，情況嚴重的將會造成礦井被淹，深井開采的地下水滲流和突水等問題需要流體力學(xué)理論來解決。

深井開采中生產(chǎn)系統(tǒng)中的供水、排水、充填管道較淺部開采承受著更大的壓力，掌握并控制輸送過程中的水或料漿的流動特性和壓力，對防止管道事故發(fā)生具有重要的意義，需要依據(jù)流體力學(xué)理論來解決。

目前，深井開采流體力學(xué)問題主要集中在地下水的滲流特性與水害防治、注漿加固與封堵、應(yīng)力場與滲流場耦合作用、流體管道輸送特性研究等方面。

1.5 材料力學(xué)問題

深井開采條件下，由于高地應(yīng)力、高地溫、巖體軟化，傳統(tǒng)的支護材料對深井圍巖的加固效果不再那么明顯，選擇什么樣的支護材料和支護方式能起到高效的加固作用，需要材料力學(xué)來解決[15-18]。

提升設(shè)備將礦石從幾千米的深井提至地表，提升鋼絲繩的強度、設(shè)備功率、耐磨性等都受到了前所未有的挑戰(zhàn)，提升鋼絲繩的抗磨損、抗腐蝕和抗疲勞性能應(yīng)有更高的要求。選擇與之匹配的材料用于深井提升需要材料力學(xué)來解決。

目前，深井開采材料力學(xué)問題主要集中在軟巖巷道支護材料和支護方式選擇、提升設(shè)備材料選擇和安全檢測等方面。

2 與力學(xué)相關(guān)的金屬礦山深井開采新理論、新技術(shù)

2.1 深井開采巖石力學(xué)研究新進展

1)動靜組合加載下巖石的力學(xué)特性與破壞模式

深部開采巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)可用圖2來描述，對其進行簡化，可得到圖3所示的兩種力學(xué)模式：同軸動靜組合加載模式(圖3A)和圍壓下動靜組合加載模式(圖3B)。

圖2 深部開采巖石受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of rock stress under deep mines

圖3 深井巖石的兩種典型受力模式Fig.3 Two typical stress models of rock under deep mines

動靜組合加載下巖石的力學(xué)特性與破壞機理是新的研究課題，為我們認識深部巖石特性提供了新的思維方式。初步研究結(jié)果表明：動靜組合加載下巖石表現(xiàn)出與純靜載或純動載作用下不同的力學(xué)特征，動靜組合加載下巖石的力學(xué)特性和破壞模式表現(xiàn)得更為復(fù)雜。

2)深井巖石力學(xué)多相多場耦合分析

深井開采的環(huán)境變得更為復(fù)雜，應(yīng)力、水流、溫度等因素都會對巖石的物理力學(xué)特性產(chǎn)生重大影響，單獨的應(yīng)力分析難以滿足深井開采巖石力學(xué)研究的要求?？紤]深井巖石多相多場的特殊賦存環(huán)境，進行應(yīng)力、溫度與滲流場的耦合分析和實驗研究，揭示深部工程巖體在復(fù)雜條件下的力學(xué)特性，為深井開采巖石力學(xué)提供了新的研究思路。

3)高應(yīng)力巖石誘導(dǎo)致裂與控制

深井開采中的巖爆現(xiàn)象使大家認識到深井巖石具有“好鑿好爆”的特征?；谶@一思路，國內(nèi)外學(xué)者提出將高應(yīng)力這一有害因素變?yōu)槠茙r的有利因素，即高應(yīng)力誘導(dǎo)破巖，其本質(zhì)是將高應(yīng)力進一步集中，使得礦巖內(nèi)聚集更大的能量，當聚集的能量高于巖體儲能極限時，巖體發(fā)生碎裂。高應(yīng)力條件下礦巖的誘導(dǎo)碎裂機理、誘導(dǎo)破巖的技術(shù)手段、誘導(dǎo)破巖的控制技術(shù)正在被系統(tǒng)地研究、開發(fā)。

4)深井卸荷開采技術(shù)

與高應(yīng)力誘導(dǎo)致裂思路相反的是深井卸荷開采，即通過采取相應(yīng)的工程技術(shù)措施，將開采揭露區(qū)域的高應(yīng)力進行轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)開采區(qū)域內(nèi)的卸荷，保證開采作業(yè)的安全[19]。根據(jù)卸荷區(qū)域的大小，可分為掘進面卸荷、采場卸荷、開采區(qū)域卸荷，相應(yīng)的卸荷方法分為鉆孔卸荷、切槽卸荷、調(diào)整順序卸荷等[20]。深井卸荷開采通過近些年的發(fā)展正在被越來越多的科研工作者所接受。

2.2 深井開采充填體力學(xué)研究新成果

1)充填體力學(xué)作用機理

深井開采中充填體的作用不再僅僅是處理采空區(qū)，還能控制區(qū)域地壓、防止大規(guī)模地壓災(zāi)害；改善局部應(yīng)力環(huán)境，減少巖爆發(fā)生；吸收礦柱釋放的能量，共同支撐圍巖；阻隔深井熱源，吸收礦巖熱量，改善地熱環(huán)境。相關(guān)的充填體作用機理正在被學(xué)者挖掘。

2)充填體強度設(shè)計

深井開采中充填體的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計正在從經(jīng)驗法向數(shù)值計算方向發(fā)展，隨著充填體力學(xué)機理研究的深入，數(shù)值計算方法也越來越多，如面向下向揭露充填體強度設(shè)計的彈性力學(xué)法——梁模型、彈性力學(xué)法——薄板模型、加拿大米切爾法，面向側(cè)面揭露充填體強度設(shè)計的重力法、簡化楔形模型、拉裂楔形模型、太沙基應(yīng)力模型、滑坡法、米切爾法等，見圖4、圖5。

圖4 下向揭露充填體的力學(xué)分析模型圖Fig.4 Mechanical analysis model diagram of filling roof exposed downward

圖5 側(cè)向揭露充填體的力學(xué)分析模型圖Fig.5 Mechanical analysis model diagram of laterally exposed filling body

3)充填體質(zhì)量檢測

由于深井復(fù)雜的環(huán)境，井下充填體的質(zhì)量與室內(nèi)實驗有較大偏差，井下采場內(nèi)充填體質(zhì)量如何，井下充填體質(zhì)量與室內(nèi)試驗充填體質(zhì)量有著怎樣的關(guān)系正在被越來越多的學(xué)者們關(guān)注。隨著設(shè)備和自動化的發(fā)展，井下充填體質(zhì)量檢測技術(shù)手段也在不斷進步，充填體原位取芯檢測、充填體原位透明監(jiān)測(圖6)正在推廣應(yīng)用。

圖6 充填體原位透明監(jiān)測裝置Fig.6 In situ transparent monitoring device for filling body

2.3 與熱力學(xué)相關(guān)的深井降溫與地熱利用新技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，深井降溫技術(shù)越來越多的被研發(fā)出來并應(yīng)用于深井開采中，代表性的新技術(shù)成果有：研發(fā)絕熱材料，將其覆蓋在巖體表面，既實現(xiàn)了隔熱作用，又對巖體進行了加固；通風自動調(diào)節(jié)與控制，采用分區(qū)通風、按需通風，既實現(xiàn)了精準通風，又降低了通風成本。通風降溫與熱能利用相結(jié)合，將降溫系統(tǒng)帶出的熱量用于礦區(qū)自主發(fā)電和熱水供應(yīng)，將地熱這一有害因素變?yōu)橛欣麠l件。

2.4 與流體力學(xué)相關(guān)的深井開采新研究

深井中的高水壓嚴重威脅著深井開采安全，但從另外一方面來看，深井高壓水有其獨特的優(yōu)勢，例如深部高壓水可為機械設(shè)備提供天然的動力源，代替通常的風壓與電動源。最新的研究表明：水力驅(qū)動開采設(shè)備比傳統(tǒng)的驅(qū)動方式具有較高的生產(chǎn)效率與安全性，同樣大小和質(zhì)量的水力鑿巖機的平均鑿巖速度是氣動鑿巖機的兩倍，穿鑿?fù)瑯訑?shù)量的炮孔，水力鑿巖機的動力消耗比風動鑿巖機減少75%。水介質(zhì)鑿巖設(shè)備還有噪聲低、抑塵等優(yōu)點，可減少呼吸性粉塵70%以上。此外，水介質(zhì)柔性沖擊鑿巖還可減輕擾動誘發(fā)型巖爆的發(fā)生。

2.5 與材料力學(xué)相關(guān)的深井開采新經(jīng)驗

深井巖體軟化，常規(guī)的錨桿和錨索抗變形量小，混凝土抗拉強度低、韌性差，用于深井巷道支護的效果不佳。大變形錨桿[21]、鋼纖維混凝土的研發(fā)已獲得成功，正在被越來越多的礦山應(yīng)用。隨著材料力學(xué)在深井開采中的運用，越來越多的支護材料將被研發(fā)出來。

三角股鋼繩在載荷情況下有很強的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，不適用于深井提升。最新的研究指出，采用兩根質(zhì)量相同的鋼繩取代原來的一根，提升深度可增加30%，或提升能力增加40%。此外，戈培式提升機、懷亭提升機、雙筒提升機及漸縮鋼絲繩的應(yīng)用，豐富和發(fā)展了深井提升技術(shù)。

3 結(jié)語

深部礦床特殊的開采技術(shù)條件對傳統(tǒng)力學(xué)理論提出了前所未有的挑戰(zhàn)，解決深井采礦技術(shù)難題離不開力學(xué)基礎(chǔ)理論，深井采礦技術(shù)必然要與巖石力學(xué)、充填體力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)深度融合。深井開采是采礦行業(yè)發(fā)展的必然選擇，我國在深井開采技術(shù)研究方面起步較晚，與國外相比有一定的差距，從深井采礦的力學(xué)基礎(chǔ)理論進行研究，是深井采礦技術(shù)發(fā)展的根本。