第17卷第2期2002年4月地球科学进展ADVANCE I N E ARTH SCIE NCESV ol.17　N o.2Apr.,2002文章编号:100128166(2002)022*******深部高应力下的资源开采与地下工程①———香山会议第175次综述关　键　词:深部开采;地下资源;理论与技术中图分类号:X75 文献标识码:B 随着社会与经济发展需求的日益增长和矿山工程技术体系的进步和完善,资源开采不断地在向深部发展。

然而用浅部开采条件下的地质作用特征和矿压显现规律来推断深部开采地质状况,无疑远远不够且蕴含着极大的风险。

因此,对深部高应力条件下的资源开采与地下工程进行统一的、三维的、系统的多元研究,以揭示其中的一系列基本科学问题,构筑我国在深部高应力条件下资源开采的相关的基础理论和地下工程技术体系,显得尤为重要。

香山科学会议于2001年11月5日至7日在北京香山召开了以“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。

谢和平教授(中国矿业大学)、钱鸣高院士(中国矿业大学)、古德生院士(中南大学)被聘为本次会议执行主席。

1　矿山采掘业现状与深部资源开采的发展趋势深部开采和地下工程是未来发展必然趋势。

据不完全统计,国外开采超千米深的金属矿山有80多座,其中南非最多。

南非绝大多数金矿的开采水平都在1000m以下。

其中,Anglog old有限公司的西部深水平金矿,采矿深度达3700m;West Driefovten 金矿,矿体赋存地下600m,并一直延伸至6000m 以下。

印度的科拉尔(K olar)金矿区,已有3座金矿采深超2400m,其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段,总深3260m。

俄罗斯的克里沃罗格铁矿区,已有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际等8座矿山采准深度达910m,开拓深度到1570m,将来要达到2000～2500m。

另外,加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过1000m。

我国已探明的煤炭资源量占世界总量的11.1%,今后相当长的历史时期内仍需保证煤炭的高产稳产。

我国煤炭资源埋深在1000m以下的为29500万亿吨,占煤炭资源总量的53%。

目前煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加,东部矿井正以每10年100～250m的速度发展,预计在未来20年很多煤矿将进入到1000m到1500m的深度。

在我国,一批金属矿山近年也已进入深部开采,例如红透山铜矿目前开采已进入900～1100m深度;冬瓜山铜矿现已建成2条超1000m竖井来进行深部开采;弓长岭铁矿设计开拓深度750m,距地表达1000m;夹皮沟金矿二道沟坑口矿体延深至1050 m;湘西金矿开拓38个中段,垂深超过850m。

此外,还有寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山都将进行深部开采。

深井开采势在必行,已是国际矿业的重要研究领域。

国外深井开采研究起步较早,最早观察到岩爆是在1900年的印度科拉尔金矿。

美国大西洋(Atlantic)矿,1906年5月26日发生了一次较大的岩爆,当时估计的地震强度达到了里氏3.6级。

美国密西根工业大学存有一份Lake Superior铜矿发生岩爆的报告(1939年出版)。

南非金矿赋存较深,早在1908年就成立了专门委员会研究深井岩爆问题。

加拿大于1928年在安大略(Ontario)矿首次出现岩爆,M orris on于1942年完成了一份研究报告,至今仍被视为这方面的经典岩爆研讨报告。

20世纪80年代以来,深井开采的事故越来越严重。

以南非为例,在南非深部金矿的开采中,由于地震等事件诱发的岩爆、岩石冒落,使南非的采矿工业成为最危险的工业之一。

一些有深井开采矿山的①　收稿日期:20022012181国家,如美国、加拿大、澳大利亚、南非、波兰等,政府、工业部门和研究机构密切配合,集中人力和财力紧密结合深部开采相关技术开展基础问题的研究。

南非政府、大学与工业部门密切配合,从1998年7月开始启动了一个“Deep Mine”的研究计划,耗资约合1380万美元,旨在解决3000～5000m深度的金矿安全、经济开采所需解决的一些关键问题,已在南非金矿深井开采技术上取得了系列创新性成果。

加拿大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。

在微震与岩爆的统计预测方面的计算机模型研究,以及针对岩爆潜在区的支护体系和岩爆危险评估等进行了卓有成效的探讨。

美国爱大荷(Idaho)大学、密西根工业大学及西南研究院就此展开了深井开采研究,并与美国国防部合作,就岩爆引发的地震信号和天然地震或化爆与核爆信号的差异与辩别进行了研究。

西澳大利亚大学在深井开采方面也进行了大量工作。

我国抚顺胜利矿于1933年最早发现岩爆,到目前为止已有20多个矿井有过发生岩爆的记录。

我国的相关研究开展较晚,尚面临诸多问题。

2　深部资源开采与地下工程面临的机遇与挑战会议执行主席谢和平教授作了题为“深部高应力下的资源开采与地下工程———机遇与挑战”的主题综述报告,以大量实例介绍了当前国内外深部资源开采与地下工程的现状和面临的科学问题。

深部资源开采面临哪些严重的挑战?谢和平介绍说,首先表现在深部开采必然诱发出一系列工程灾害:①巷道变形速度快、巷道围岩变形范围大;巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征;②采场矿压显现剧烈,采场失稳,易发生破坏性的冲击地压;③金属矿和煤矿相关的统计资料表明,随着开采深度的增加,岩爆的发生次数及强度会随之上升,巷道中岩爆危险性增加;④瓦斯高度聚积、诱发严重的安全事故;⑤深部开采条件下,岩层温度将达到摄氏几十度的高温,作业环境恶化,如俄罗斯千米平均地温为30～40℃,个别达52℃,印度某金矿3000m时地温达70℃;⑥矿山深部开采诱发突水的几率增大,突水事故趋于严重;⑦井筒破裂加剧;⑧煤自燃发火、矿井火灾及瓦斯爆炸加剧。

此外,深部开采对地表环境也往往造成严重损害。

在分析和探讨目前和今后必然面临的许多科学技术的重大问题时,他指出深部岩石所处的环境可概括为“三高”,即高围压、高温度和高孔隙压力,并具有极强的时间效应,这样的环境下,岩石的力学性质与浅部岩石的力学性质有很大的不同。

强调深部开采中主要在3个方面面临科学问题:①岩石力学基础科学问题;②重大灾害机理、预测和控制的科学问题;③深部开采的理论与关键技术。

中国科学院地质与地球物理研究所王思敬院士做了“高地应力与深部矿山开采的工程地质力学问题探讨”的评述报告。

他从地应力的时效性、地应力的深部变化和预测、深采工程灾害和安全对策探讨、重大地质工程安全的方法论等方面深入讨论了工程地质力学发展中的最新进展和新的科学理念。

测量得到的应力是否是全应力?现在测得的应力将来会有何种变化?他认为,这两个问题仍需认真对待,强调要关注并最终解决“地应力时间预测模式”和“地应力释放的时间预测模式”两大难题。

3　高应力下深部资源开采与地下工程的关键科学技术问题本次会议旨在以“高应力下深部资源开采与地下工程”为核心目标,从三维、系统、多元的研究思路出发,紧紧围绕会议的4个中心议题,深入探讨深部开采中岩石的力学特性与行为,深部岩层复杂构造和诱发工程灾害源点的精细探测理论与技术,深部矿山开采中的支护理论和灾害预防技术,高应力下岩层固、液、气相耦合作用及动力灾害发生机理、过程及防治措施等问题,以把握我国深部资源开采和地下工程的科学技术的发展趋势,抓住可能的发展机会。

会议针对以下4个关键科学技术领域进行了学术交流:①深部岩层强度、结构及深部开发过程中上覆岩层运动破坏规律;②深部开采与工程中复杂构成及应力应变探测原理和方法;③采场和地下工程稳定性的动力学特征和动态信息设计理念;④岩层固、液、气相耦合及动力灾害发生机理、过程和防治措施。

中国矿业大学钱鸣高院士做了题为“深部采动岩体中的关键层错动对冲击地压和突水等灾害的影响”的评述报告。

在探讨关键层的定义与判别时,他着重指出:深部高应力来自两个方面:①原岩应力绝对升高;②开挖应力与原岩应力叠加,更易集中,称其为采动应力集中。

他指出,采动岩体中的关键层理论是解开岩体运动全过程的一种科学方法和途径,必须深入研究“采动岩体中的关键层运动对深部692 地球科学进展 第17卷资源开采的影响。

中国煤田地质总局研究院勾精为教授做了“深部复杂构造地震成像及应力探测原理”的评述报告。

他通过几个较为成功的实例探讨了精确确定深部小断层的三维地震偏移方法,介绍了地震成像技术的应用进展和发展前景,指出该方法可为探测深部复杂构造提供较为可靠的技术手段。

中国地质大学(北京)何满潮教授在题为“深部巷道围岩动力学特征及其动态设计原则”的评述报告中指出,岩爆是世界范围内煤矿及岩石工程遇到的最严重的自然灾害之一,是目前国际深部采矿工程和岩石工程中迫切需要解决的难题,认为目前最适合用于深部围岩稳定支护的是关键部位耦合支护理论。

古德生院士在题为“金属矿床深部开采中的科学问题”的评述报告中,强调应当关注金属矿床深部开采中可能面临的以下科学问题:①深井高应力矿岩的岩爆控制;②深井高应力矿岩的碎裂诱变;③深井开采中的高温环境与控制。

④深井采矿模式与采矿系统优化;⑤深井低品位矿床无废开采技术。

古德生强调深井开采是一项涉及多学科的复杂工程,也是关系到未来10～30年矿业能否可持续发展的社会工程,希望引起国家的重视。

煤炭科学研究总院张玉卓研究员、北京科技大学蔡美峰教授、中国矿业大学(北京)张瑞新教授、中国科学院武汉岩土力学研究所冯夏庭研究员、东北大学唐春安教授、中南大学李夕兵教授等还分别做了题为“深部资源开发造成的上部岩层移动与破坏规律”、“原位地应力测量的原理和方法”、“深部资源开发的虚拟现实技术”、“地下工程中的几个关键岩石力学问题”、“深部开采中的岩爆问题”以及“深井坚硬矿岩开采中高应力的灾害控制与碎裂诱变”的专题报告。

4　未雨绸缪及早动手加强基础科学问题研究在评述报告和专题发言的框架基础上,会议执行主席主持并组织与会专家学者对深部资源开采和地下工程的发展趋势以及面临的重大基础性、前瞻性和战略性科学问题进行了广泛的交流与探讨,取得重要共识。

411　从国情及未来发展出发,我国必须审时度势,未雨绸缪我国是发展中国家,正处于国民经济高速持续发展时期,依靠国外的能源保障和矿产资源的持续供应是不可想象的。

因此,深部资源的开发和利用不仅是必然的世界性的发展趋势,而且将成为21世纪我国最经济、最有效的能源和矿产资源保障措施。

要改变原有以向自然索取为唯一目标陈旧思维定势,建立索取资源、保护环境、防治灾害、以人为本的全新理念,创新性地加强并及早开展基础科学问题、技术方法应用的多方位研究。

412　几个关键词的初步界定,若干问题取得共识关于深部的定义:有专家提出以岩爆发生频率明显增加来界定,也有专家认为应以围岩达到岩石的强度来界定。