蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·421· 和高效的网.2000年以前，我国地下矿的开采深度 绝大多数在800m之内，很多位于500~600m.在 提升钢丝绳 这个深度范围，采用传统的摩擦轮多绳提升机，提升 效率、成本、可靠性、安全性都是有保证的.但是，进 提升机 入深部开采后，随着提升高度的增加，钢丝绳需要不 提升容器 断加长，这种提升技术就会在提升能力、安全性和运 行成本方面遇到许多困难.根据各国的统计资料， 摩擦轮提升机在井深超过1800m后将不能使用，主 要问题在于：超1800m深井中使用时，由于钢丝绳 加长，提升负荷增加，钢丝绳的重量可能超过提升容 器装载的重量，从而使提升能力大大降低：钢丝绳加 图2布雷尔多层缠绕式提升机示意图 长后，其惯量大大增加，给提升运行的稳定性控制造 Fig.2 Brel multilayer winding hoist 成困难；钢丝绳加长后，尾绳长度的变化越来越大 (见图1)，导致钢丝绳因张力变化过大，较早出现断 3 解决深部开采难题的关键工程科技发展 丝且不均匀，钢丝绳有效金属截面减小，抗拉强度降 战略 低，钢丝绳寿命急剧下降，成为制约摩擦轮提升机提 升安全与效率的主要因素 3.1深部开采动力灾害（岩爆）预测与防控 金属矿山深部开采动力灾害包括：岩爆、塌方、 摩擦轮 冒顶、突水等，以岩爆为重点.岩爆是在地应力的主 导下发生的采矿动力灾害，是采矿开挖形成的扰动 能量在围岩中聚集、演化和在围岩出现破裂等情况 钢丝绳 下突然释放的过程.地应力存在于地层中本处 于自然平衡状态，开挖扰动引发地应力释放，形成 “释放荷载”（见图3）导致围岩变形和应力集中.当 提升容器 岩体中聚集的变形势能达到一定程度，在一定条件 尾绳 下突然释放产生冲击破坏，就形成了岩爆. 岩爆研究历史已有大半个世纪，国内外学者提 出了各种岩爆的理论和学说，但大多仍停留在探讨 和经验阶段，至今没有形成对岩爆机理的准确认识 图1摩擦轮多绳提升机示意图 Fig.I Friction wheel multi-rope hoist 和具有实用性的岩爆预测与防控技术.为了满足金 属矿深部开采安全的要求，应在己有工作积累基础 为了克服摩擦轮提升机的不足，英国的布雷尔 上，将岩爆研究重点从判据研究转移到预测与防控 研发出多绳缠绕式提升机（见图2）.多绳缠绕式提 研究上来.岩爆发生必须具备两个必要条件：一是 升机解决了多绳摩擦提升机在深井提升中存在的尾 采矿岩体必须具有贮存高应变能的能力并且在发生 绳问题，不仅可用作双容器多水平提升，而且可用于 破坏时具有较强冲击性；二是采场围岩必须有形成 井筒掘进，少了尾绳，容器底部还能悬挂设备和材 高应力集中和高应变能聚集的应力环境0.因此， 料，目前该提升设备主要在南非应用网 岩爆预测研究应与开采计划结合，从刚度、强度、能 Mn 开挖 拟开挖 ,释放 荷载 图3开挖释放荷载示意图 Fig.3 Schematic of excavation release load蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 和高效的［27］． 2000 年以前，我国地下矿的开采深度 绝大多数在 800 m 之内，很多位于 500 ～ 600 m． 在 这个深度范围，采用传统的摩擦轮多绳提升机，提升 效率、成本、可靠性、安全性都是有保证的． 但是，进 入深部开采后，随着提升高度的增加，钢丝绳需要不 断加长，这种提升技术就会在提升能力、安全性和运 行成本方面遇到许多困难． 根据各国的统计资料， 摩擦轮提升机在井深超过 1800 m 后将不能使用，主 要问题在于: 超 1800 m 深井中使用时，由于钢丝绳 加长，提升负荷增加，钢丝绳的重量可能超过提升容 器装载的重量，从而使提升能力大大降低; 钢丝绳加 长后，其惯量大大增加，给提升运行的稳定性控制造 成困难; 钢丝绳加长后，尾绳长度的变化越来越大 ( 见图 1) ，导致钢丝绳因张力变化过大，较早出现断 丝且不均匀，钢丝绳有效金属截面减小，抗拉强度降 低，钢丝绳寿命急剧下降，成为制约摩擦轮提升机提 升安全与效率的主要因素． 图 3 开挖释放荷载示意图 Fig． 3 Schematic of excavation release load 图 1 摩擦轮多绳提升机示意图 Fig． 1 Friction wheel multi-rope hoist 为了克服摩擦轮提升机的不足，英国的布雷尔 研发出多绳缠绕式提升机( 见图 2) ． 多绳缠绕式提 升机解决了多绳摩擦提升机在深井提升中存在的尾 绳问题，不仅可用作双容器多水平提升，而且可用于 井筒掘进，少了尾绳，容器底部还能悬挂设备和材 料，目前该提升设备主要在南非应用［28］． 图 2 布雷尔多层缠绕式提升机示意图 Fig． 2 Brel multilayer winding hoist 3 解决深部开采难题的关键工程科技发展 战略 3. 1 深部开采动力灾害( 岩爆) 预测与防控 金属矿山深部开采动力灾害包括: 岩爆、塌方、 冒顶、突水等，以岩爆为重点． 岩爆是在地应力的主 导下发生的采矿动力灾害，是采矿开挖形成的扰动 能量在围岩中聚集、演化和在围岩出现破裂等情况 下突然释放的过程［29］． 地应力存在于地层中本处 于自然平衡状态，开挖扰动引发地应力释放，形成 “释放荷载”( 见图 3) 导致围岩变形和应力集中． 当 岩体中聚集的变形势能达到一定程度，在一定条件 下突然释放产生冲击破坏，就形成了岩爆． 岩爆研究历史已有大半个世纪，国内外学者提 出了各种岩爆的理论和学说，但大多仍停留在探讨 和经验阶段，至今没有形成对岩爆机理的准确认识 和具有实用性的岩爆预测与防控技术． 为了满足金 属矿深部开采安全的要求，应在已有工作积累基础 上，将岩爆研究重点从判据研究转移到预测与防控 研究上来． 岩爆发生必须具备两个必要条件: 一是 采矿岩体必须具有贮存高应变能的能力并且在发生 破坏时具有较强冲击性; 二是采场围岩必须有形成 高应力集中和高应变能聚集的应力环境［30］． 因此， 岩爆预测研究应与开采计划结合，从刚度、强度、能 · 124 ·