采矿工程中深部开采技术难题及应对措施

一、引言

随着浅部矿产资源的逐渐枯竭，深部开采已成为采矿工程发展的必然趋势。然而，深部开采面临着更为复杂的地质条件和工程环境，一系列技术难题严重制约了深部开采的安全与效率。深入研究深部开采技术难题及应对措施，对于保障矿产资源的可持续供应、促进采矿行业的健康发展具有重要意义。

二、深部开采面临的技术难题

2.1 地应力增大

随着开采深度的增加，地应力呈非线性增长。深部岩体处于三向高应力状态，其力学性质与浅部岩体有显著差异。高应力使得岩体的变形和破坏特征更加复杂，巷道围岩容易出现大变形、片帮、冒顶等现象，支护难度增大。例如，在一些深部金属矿山，巷道掘进后不久就出现严重的收敛变形，导致巷道断面缩小，影响通风、运输和人员通行。

2.2 岩爆频发

岩爆是深部开采中常见的一种动力灾害现象。在高地应力作用下，岩体中积聚了大量的弹性应变能。当开采活动破坏了岩体的平衡状态时，积聚的能量会突然释放，导致岩体破裂、弹射，对人员和设备造成严重威胁。岩爆的发生具有突发性和随机性，难以准确预测和防范。一些深部煤矿和金属矿山在开采过程中频繁发生岩爆事故，给安全生产带来了巨大挑战。

2.3 高地温

深部地温随着开采深度的增加而升高。高地温不仅会影响作业人员的身体健康和工作效率，还会导致设备性能下降、故障率增加。同时，高温环境会加速岩体的风化和破坏，降低岩体的强度和稳定性。在一些深部金属矿山，井下温度高达 40^∘C 以上，作业人员难以长时间正常工作，需要采取有效的降温措施。

2.4 高渗透压

深部岩体中存在着丰富的地下水，随着开采深度的增加，地下水的水头压力增大，形成高渗透压。高渗透压会导致矿井突水事故的发生，威胁矿井的安全。此外，地下水还会软化岩体，降低岩体的强度和稳定性，增加巷道支护的难度。例如，一些深部煤矿在开采过程中遭遇突水事故，不仅造成了人员伤亡和财产损失，还导致矿井停产整顿。

2.5 通风困难

深部开采的巷道长度增加，通风阻力增大，通风难度加大。同时，深部开采产生的粉尘、有害气体等污染物增多，对通风系统的要求更高。如果通风不畅，会导致井下空气质量恶化，影响作业人员的身体健康和安全生产。在一些深部金属矿山，由于通风系统不完善，井下粉尘浓度超标，作业人员容易患上尘肺病等职业病。

三、深部开采技术难题的应对措施

3.1 地应力增大应对措施

加强地应力监测：采用先进的地应力监测技术，如水压致裂法、应力解除法等，对深部岩体的地应力进行实时监测。通过监测数据，了解地应力的分布规律和变化趋势，为巷道支护设计和开采方案优化提供依据。

优化巷道布置：根据地应力监测结果，合理选择巷道的布置方向和位置，尽量使巷道轴线与最大主应力方向平行，减少巷道围岩的应力集中。同时，采用圆弧形巷道断面等优化设计，提高巷道的稳定性。

强化支护技术：采用高强度、高预应力的支护材料和支护结构，如锚杆、锚索、钢架等，对巷道围岩进行主动支护。通过增加支护强度和刚度，提高巷道围岩的承载能力，控制围岩变形。

3.2 岩爆防治措施

岩爆预测预报：综合运用地质分析法、地球物理探测法、微震监测法等多种手段，对岩爆的发生进行预测预报。通过分析岩体的地质条件、应力状态、能量积聚情况等因素，判断岩爆发生的可能性和危险程度，及时采取防范措施。

卸压解危技术：采用爆破卸压、水力压裂等方法，对岩体进行卸压处理，释放岩体中积聚的弹性应变能，降低岩爆发生的危险性。例如，在岩爆危险区域进行浅孔爆破卸压，使岩体产生裂隙，释放能量。

加强支护与防护：在岩爆易发区域，采用高强度、高韧性的支护材料和支护结构，如可伸缩性锚杆、钢筋网片等，对巷道围岩进行加强支护。同时，为作业人员配备防护用品，如安全帽、防弹背心等，减少岩爆对人员的伤害。

3.3 高地温应对措施

机械制冷降温：在井下建立机械制冷系统，通过制冷机组将冷水冷却后输送到工作面，对井下空气进行降温。机械制冷降温效果显著，但设备投资和运行成本较高。

个体防护：为作业人员配备降温服、冷风机等个体防护用品，降低作业人员的体感温度。个体防护措施简单易行，但只能在一定程度上缓解高温对作业人员的影响。

优化通风系统：合理设计通风系统，增加通风量，提高通风效率。采用分区通风、独立通风等方式，减少风流串联，降低井下温度。同时，加强通风管理，确保通风系统的稳定运行。

3.4 高渗透压应对措施

加强水文地质勘探：在开采前进行详细的水文地质勘探，查明地下水的分布、补给、径流和排泄条件，以及含水层的富水性和水头压力。根据勘探结果，制定合理的防水治水方案。

注浆堵水：对含水层进行注浆堵水，通过注浆材料填充岩体的裂隙和孔隙，形成隔水帷幕，阻止地下水的涌入。注浆堵水是一种有效的防水治水措施，但需要掌握准确的注浆工艺和参数。

疏水降压：采用疏水钻孔、疏水巷道等方式，将地下水疏干或降低水头压力，减少矿井突水的危险性。疏水降压需要在保证安全的前提下进行，避免因疏水不当引发其他地质灾害。

3.5 通风困难应对措施

优化通风网络：对矿井通风网络进行优化设计，减少通风阻力。采用并联通风、缩短通风线路等方法，提高通风效率。同时，合理设置通风构筑物，如风门、风桥等，调节风流方向和风量。

采用大功率通风设备：选用大功率、高效能的通风机，提高通风能力。根据矿井的实际需求，合理配置通风机的型号和数量，确保通风系统的正常运行。

加强通风管理：建立健全通风管理制度，加强对通风设备的维护和保养，定期对通风系统进行检测和调整。同时，加强对作业人员的通风安全教育，提高作业人员的通风安全意识。

结语

深部开采面临着地应力增大、岩爆频发、高地温、高渗透压、通风困难等一系列技术难题。通过加强地应力监测与预警、采用岩爆防治技术、实施降温措施、强化防水治水以及优化通风系统等应对措施，可以有效解决这些难题。然而，在应对措施实施过程中还面临着技术、经济和管理等方面的挑战，需要采取相应的对策加以解决。未来，深部开采技术将朝着智能化开采、绿色开采和深部资源协同开采等方向发展。通过不断的技术创新和管理优化，提高深部开采的安全性和效率，实现矿产资源的可持续开发利用。

参考文献

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