深部金属矿开采关键理论技术进展与展望_王勇.pdf
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1、深部金属矿开采关键理论技术进展与展望王勇1,2),吴爱祥1),杨军2),杨钢锋1),王珍岐1),李健1)1)北京科技大学土木与资源工程学院,北京1000832)中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083通信作者,E-mail:摘要深部岩体相比浅部岩体具有强流变性、强湿热环境和强动力灾害等差异,相关岩体力学理论和开采技术不再适用于深部金属矿开采.因此本文对深部岩体力学、深部建井提升、绿色开采、智能开采这 4 个金属矿深部开采的关键理论技术的研究现状进行综述,并针对性提出未来的研究重点.最后,基于现阶段深部金属矿开采的关键技术和理论的研究现状以及存在的问题,提出了发
2、展和完善极深部岩体力学理论、进行原位流态化开采技术研究和应用以及建设超大型深部智慧化无人矿山这 3 个方面的展望.随着金属矿开采深度不断下降,亟需研究金属矿深部开采相关理论技术,确保深部金属矿产资源安全、高效、经济、环保地进行开采.关键词深部金属矿;岩体力学;建井提升;绿色开采;智能开采分类号TD853ProgressandprospectiveoftheminingkeytechnologyfordeepmetalminesWANG Yong1,2),WU Ai-xiang1),YANG Jun2),YANG Gang-feng1),WANG Zhen-qi1),LI Jian1)1)Sch
3、oolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)StateKeyLaboratoryforGeoMechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTMineralresourcesareessentialtohumanlifeandsoc
4、ialdevelopmentandplayanimportantroleinnationalsecurityandeconomicdevelopment.Chinahashugereservesofmetalmineralresources,butthepercapitapossessionislow.Especially,itisdifficultforiron,copper,aluminum,andothermetalmineralresourcestobeself-sufficientandheavilydependentonforeigncountries.Becauseofthema
5、ssiveexploitationofmetalmineralresources,shallowresourcesarebecomingexhausted,anddeepminingwillbecomethemainforceforthesupplyofmetalmineralresourcesinthefuture.“Goingdeepintotheearth”correspondstothecurrentstateofnationalresourcestrategydevelopment.ItisfoundthatthereisstillacertaingapbetweenChinasde
6、epmetalminingtechnologyandminingdepthcomparedwithinternationallydevelopedminingcountries.Theminingdepthofforeignminingcountriesismostlyover3000m,withthreeSouthAfricanmineshavingaminingdepthofover4000m,whereastheminingdepthofChineseminesismostlybelow2000m,andmostofthemetalmineshavenotyetbrokenthrough
7、thekilometerdepth.Furthermore,thelevelofminingtechnologyinestablishedminingcountriesabroadishigh,andthedegreeofmechanizationandintelligenceishigh.DeepminingtechnologyinChinaisinsufficienttomeettheneedfordeepmining.Chinastillhasalargegapcomparedwithinternationallydevelopedcountries;therefore,therelat
8、edrockmassmechanicstheoryandminingtechnologyarenolongersuitablefordeepmetalmining.Inthispaper,wesummarizetheresearchstatusoffourmajortheoriesandtechnologiesfordeepminingofmetalmines,namely,deeprockmechanics,deepwellbuildingandlifting,greenmining,andintelligentmining,andproposesfutureresearchemphases
9、.Finally,based收稿日期:20221112基金项目:国家自然科学基金资助项目(52130404);中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金课题资助项目(SKLGDUEK2127);中央高校基本科研业务费资助项目(QNXM20220002,FRF-TP-19-002C2Z,FRF-IDRY-GD22-004)工程科学学报,第45卷,第8期:12811292,2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:12811292,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-93
10、89.2022.11.12.004;http:/ontheresearchstatusandexistingproblemsofthekeytechnologiesandtheoriesofdeepmetalminingatpresent,thepaperputsforwardthreestrategicideas:deep-partconstructionofasuper-largeintelligentautonomousmine,in-situfluidizedmining,androckmechanics.Withthecontinuousincreaseofminingdepth,i
11、tisurgenttostudytherelatedtheoryandtechnologyofdeepminingofmetalminessoastoensurethesafe,efficient,economical,andenvironmentallyfriendlyminingofdeepmetalmineralresourcesandensuretheresourcesecurityofourcountry.KEYWORDSdeepmetalmines;rockmechanics;shaftconstructionandhoisting;greenmining;intelligentm
12、ining矿产资源是人类生存和社会发展必不可少的物质基础和保障,矿产资源的开发利用水平一定程度上决定了人类社会的发展水平1.据统计,目前社会生产所需的 80%左右的原材料、90%以上的能源、70%左右的农业生产资料,均来自矿产资源,其中金属矿产占据主导地位2.金属矿产资源是指经过加工冶炼可以从中提取金属元素的矿产资源,是社会发展的必需品,是构成现代社会三大支柱的重要组成部分3.金属矿产资源是关系国家经济命脉和国家安全的重要战略物资,是中国全面建成小康社会、实现第三步战略目标宏伟任务和经济社会可持续发展的重要物质基础,在中国现代化建设中具有举足轻重的地位4.我国金属矿产储量高,但人均占有量低,呈
13、现“大而不强”的特点.特别是进入 21 世纪以来,工业化发展迅速,国内的金属矿产资源已不能满足需求,严重依赖国外进口.根据智研咨询、中国产业信息网等相关数据,近年来我国铁、铜、铝对外依存度均在 50%以上,尤其是 2019 年铁矿对外依存度高达 77.1%.金属矿产资源的保障程度直接关系到国民经济发展和国家安全.因此,因而金属矿产资源紧缺成为制约我国经济社会快速发展的瓶颈.金属矿产资源是不可再生资源,几十年的大规模开采使我国浅部金属矿产资源日渐枯竭.但随着金属矿产资源的需求不断增大,为保障供应,金属矿山开采的深度随之增大,未来我国金属矿产资源的开采将进入第二深度空间(10002000m)5.据
14、相关数据统计与预测,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 1000m,最高可达到 20003000m6.而纵观世界金属矿产资源的开发,国外金属矿山开采深度超千米有100 余座,分布在南非、加拿大、美国、印度、俄罗斯和欧盟等国家和地区,且其绝大多数的开采深度超过 2000m7.2011 年,国务院找矿突破战略行动纲要(20112020 年)提出,加快推进重点成矿区带的基础地质调查、矿产远景调查和综合研究工作,促进深部找矿突破8.2016 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”,将地质科技创新提升到了关系国家科技发展大局的战略
15、高度9.2021 年,按照国务院的要求,自然资源部将联合发展改革委、科技部、财政部等部门,充分调动社会各界的积极性,共同组织实施战略性矿产找矿行动(20212035)10.进入深部开采已经成为金属矿产资源开采的必然趋势.为此,本文归纳总结了国内外金属矿深部开采关键理论与技术的发展现状及研究趋势,并以此为基础提出了极深部岩体力学、深部金属矿原位流态化开采和超大型深部智慧化无人矿山建设 3 个方面的展望,以期在金属矿深部开采方面,不断开拓创新、持续科技攻关、突破技术瓶颈,安全、经济、高效、环保、智能地开采深部金属矿产资源,保障我国金属矿产资源安全.1金属矿深部开采国内外现状金属矿深部开采已经在国内
16、外取得了较快的发展,深部开采矿山数量及开采深度迅速增长.与此同时,为了确保深部金属矿安全、高效、环保地进行开采,包括中国在内的世界各采矿大国联合工业部门与研究机构,对金属矿深部开采的相关技术开展了深入的研究.1.1国外金属矿深部开采现状1.1.1开采现状国外的金属矿深部开采和研究起步早.1989 年在印度 Kolar 金矿采用空场法开采深度达到 320m时记录到有岩爆现象的发生11,1900 年在印度科拉尔金矿观察到岩爆现象12.1904 年在美国大西洋 Atlanta 铜矿观察到了明显的岩爆现象,且该矿由于在 1906 年发生了一次较大的岩爆(地震强度估计达到里氏 3.6 级)后关闭13.随
17、后,在美国、前苏联、加拿大、澳大利亚等国家相继进行了深部金属矿的开采和研究工作.据不完全统计,国外采深超千米的地下金属矿山有 110 余座,主要分布在南非、加拿大、美国、印度、澳大利亚、欧盟等国家和地区5.其中,1282工程科学学报,第45卷,第8期南非绝大多数金矿、铀矿的开采深度都在 1000m以上,Westerndeeplevel 金矿开采深度达到 4800m,是目前世界上采深最深的地下金属矿山;Mponeng金矿开采深度达到了 4350m,矿体埋深更是超过7500m;Savuka 金矿开采深度也达到了 4000m,这3 座矿山是现有的采深超过 4000m 的深部金属矿山,南非成为世界上金
18、属矿深部开采数量最多、矿井最深的国家12,14.在这 110 余座国外深井金属矿山中,70%以上为金矿和铜矿,3000m 及以上采深的矿山有 18 座(有 13 座位于南非,均为金矿).表 1为国外典型深部金属矿山情况1415.表中南非和加拿大共有 20 座深部金属矿.此外,多个国家和地区的金属矿开采均进入了深部开采.国外深部金属矿开采起步早、发展迅速,并且当前仍然以较快的速度进行发展.1.1.2研究现状与传统浅部开采不同,进入深部后将面临“三高一扰动”的问题,为确保深部开采能够安全、高效、环保地进行开采,并获得最大的效益,国外各采矿大国联合工业部门、研究机构等对金属矿深部开采的基础性问题和相
19、关技术开展了深入的研究.国外各矿业大国的研究历程如表 2 所示.南非早在 1908 年就已经成立了专门的委员会进行深井岩爆问题的研究12,并于 20 世纪 60、70 年代开展了一系列深部开采的探索及实践工作,首次发现了分区破裂现象并建立了微震监测系统16.Morrison 于 1942 年针对加拿大 Ontario 矿出现的岩爆现象完成研讨报告,至今仍被视为经典12.20 世纪 60 年代末,美国矿山局联合高校、研究院等单位开展了使用微震技术监测岩爆的研究,并于美国 Idaho 地区的矿山进行了应用17.1977 年,国际岩石力学学会组织成立了岩爆专门委员会,对岩爆问题进行专题研究18.19
20、83 年,针对 1600m 深部开采的技术难题,前苏联岩石力学专家开展了专题研究15.1984 年,加拿大Falconbridge矿发生的岩爆灾害,于 1985 年开启了为期 10 年的Canadian Ontario Industry Project(19851990 年)和 Canadian Rockburst Research Program(19901995 年)两个研究计划,取得了显著的研究成果11.20 世纪 90 年代,美国对岩爆、天然地震引发、核爆等信号的差异进行了研究19.为解决 30005000m 深部安全、经济开采面临的一些关键问题,南非于 1998 年启动了“DeepM
21、ine”研究计划,其研究内容包括安全技术研究、岩爆控制、地质构造、采场布置与采矿方法、降温与通风、采场支护、超深竖井掘进、深井提升技术等深部开采 8 个方面的关键问题,如图 1 所示6,11,16,20.DeepMine 计划为期 4 年,耗资 1380 万美元,取得了一系列创新性研究成果14.1999 年澳大利亚成立地质力学中心,针对矿压支护、微震及岩爆风险管理、挤压大变形、矿山充填以及吸能锚网的研发应用等开展了大量研究21.2011 年,南非与日本进行合作对南非深层地下矿山(10003000m)地震进行了研究,提高了对地震事件预测及分析的可靠性22.由加拿大矿业创新卓越中心提出倡议,建立了
22、加拿大的超深采表表1国外典型深部金属矿山1415Table1Foreigntypicaldeepmetalmines1415NameMiningdepth/mCountryWesterndeeplevelgoldmine4800SouthAfricaMponenggoldmine4350SouthAfricaSavukagoldmine4000SouthAfricaTauTonaAnglogoldmine3900SouthAfricaCaritonvillegoldmine3800SouthAfricaEastRandProprietarymines3585SouthAfricaSouthde
23、epgoldmine3500SouthAfricaKloofgoldmine3500SouthAfricaDriefonteingoldmine3400SouthAfricaKusasalethugoldmine3276SouthAfricaChampionReefgoldmine3260IndiaKolargoldmine(closed)3200IndiaPresidentSteyngoldmine3200SouthAfricaBoksburggoldmine3150SouthAfricaLaRondegoldsilvercopperzinemine3120CanadaAndinacoppe
24、rmine3070ChileMoabKhotsonggoldmine3054SouthAfricaLuckyFridaysilverleadzincmine3000USAKiddCreekcopperzinemine2927CanadaGreatNoligwagoldmine2600SouthAfricaCreightonnickelmine2500CanadaMerenskyReefplatinum-palladiummine2200SouthAfricaSudburycoppernickelmine2000CanadaMountIsacoppermine1900AustraliaPribr
25、amUraniummine1836CzechRepublicSDAGWismutUraniummine(closed)1800GermanyCheremukhovskayaGlubokayacoppermine1550FormerSovietUnionBoulbyPotashmine1300UKNorandamine1280Canada王勇等:深部金属矿开采关键理论技术进展与展望1283矿联盟,该项目自 20152019 年,斥资 4600 万美元,研究的主题包括 2500m 采深的应力灾害问题、能耗问题、运输与生产能力问题和工人安全问题6.此外,近年来欧盟提出了 3 个具有代表性和前瞻性的问
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