·418* 工程科学学报，第41卷，第4期 yet exist,and mining progress can be facilitated by university-industry collaboration. KEY WORDS deep mining:dynamic disaster:high temperature damage:deep-well hoisting:strategic recommendations 金属矿产资源是金属产品和金属材料的根本来 1985一1990)和加拿大岩爆研究计划(Canadian 源，对国民经济发展和社会进步起着重大的推动作 rockburst research program)（1990一l995)研究计 用.随着浅部资源的日益枯竭，国内外陆续开始深 划.通过对Creighton镍矿微震与岩爆的计算机 部资源的开采.据统计未来10年内，我国三分之一 建模研究，劳伦森大学提出了能量吸收锚杆的支护 的地下金属矿山开采深度将达到或超过1000m), 体系和岩爆危险评估方法回.1989年法国召开“深 其中最大的开采深度可达到2000~3000m.深部开 部岩石力学国际会议”，各国专家对深部岩石力学 采己成为我国业发展面临的重要问题，也是保证 问题进行了深入探讨.澳大利亚深部开采岩爆频 我国金属矿产品供给的最主要途径.为此国家高度 发，西澳大学的地质力学中心(Australian centre for 重视，2004年国务院通过了《全国危机矿山接替资 geomechanics)在岩石动力灾害、矿压监测与支护、微 源找矿规划纲要(2004一2010)》回，投入40亿元经 震预警系统研发等方面开展了大量研究@.深井 费，以矿山外围和深部找矿为主要原则，开展危机矿 最多最深的南非，为了解决3000~5000m深部金矿 山接替资源找矿工作.2009年中国科学院发布了 开采安全问题，于1998年7月启动了一项“Deep 《创新2050：科学技术与中国的未来》战略研究报 Mine”研究计划，耗资高达1380万美元，取得了一系 告，提出了“中国地下四千米透明计划”同，力争到 列研究成果) 2040年，使中国重要区域地下4000m内变得“透 据不完全统计，目前国外开采深度超过千米的 明”.2016年习近平总书记在全国科技创新大会指 地下金属矿山（深井矿山）有112座2-.在这112 出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问 座深井矿山中，开采深度1000~1500m的58座， 题”将地质科技创新提升到了关系国家科技发展 1500~2000m的25座，2000~2500m的13座，3000 大局的战略高度. m及以上的16座.其中，70%以上为金矿和铜矿， 进入深部开采后，在高地应力的环境下首先要 开采深度超过3000m的16座矿山有12座位于南 面临巷道变形、岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾 非，全部为金矿（见表1）. 害问题.其次，岩层温度随开采深度的增加逐步上1.2我国金属矿开采现状 升，严重影响工人作业和设备运转.此外，深部开采 我国进入深部开采的时间较晚，但发展迅速 面临的地质情况复杂，提升高度的增加将加大提升 1996年《冬瓜山千米深井300万吨级矿山强化开采 难度，影响生产安全，因此深部开采对深井提升技术 综合技术研究》被列为“九五”期间国家重点攻关项 也有更高要求.鉴于此，本文作者对国内外金属矿 目的.2001年召开了以“深部高应力下的资源开采 山深部开采现状进行归纳总结，针对深部高地应力 与地下工程”为主题的香山科学会议第175次学术 开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深 讨论会，从三维、系统、多元的研究思路出发，深 井提升等工程技术难题，从战略性的角度提出了解 入探讨深部开采中岩石的力学特性.2016年8月国 决深部开采难题的关键工程科技发展战略 务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》也提出 重点研究深地资源勘探理论和技术装备的目标.为 1 国内外金属矿深部开采现状 此，十三五期间国家启动了多个重点研发计划项目， 1.1国外金属矿深部开采现状 包括由四川大学牵头的《深部岩体力学与开采理 国外的深部开采和研究起步较早，最早观察并 论》项目、由北京科技大学牵头的《深部金属矿建井 记录岩爆现象的是1904年美国密歇根州的Atlanta 与提升关键技术》项目、由中南大学牵头的《深部金 铜矿，该矿于1906年因为岩爆的严重破坏而关 属矿集约化连续采矿理论与技术》项目等等 闭B6.20世纪60年代末，在美国1daho地区三座 2000年以前，我国只有两座地下金属矿开采深 矿井开采深度达到1650m,美国矿山局开始使用微 度达到或接近10O0m,即安微铜陵冬瓜山铜矿和辽 震技术监测岩爆的研究m.1983年前苏联岩石力 宁红透山铜矿.21世纪以来，随着我国矿山事业突 学专家开展了1600m深矿井专题研究.1985年，加 飞猛进的发展，按照目前的发展的速度，在较短时间 拿大政府和多个研究机构合作开展了（加拿大安大 内，我国深井矿山的数量将会达到世界第一m,而 略省工业计划(Canadian ontario industry project) 且会有好几个开采规模达到世界最高水平的超大型工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 yet exist，and mining progress can be facilitated by university-industry collaboration． KEY WOＲDS deep mining; dynamic disaster; high temperature damage; deep-well hoisting; strategic recommendations 金属矿产资源是金属产品和金属材料的根本来 源，对国民经济发展和社会进步起着重大的推动作 用． 随着浅部资源的日益枯竭，国内外陆续开始深 部资源的开采． 据统计未来 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 1000 m［1］， 其中最大的开采深度可达到 2000 ～ 3000 m． 深部开 采已成为我国矿业发展面临的重要问题，也是保证 我国金属矿产品供给的最主要途径． 为此国家高度 重视，2004 年国务院通过了《全国危机矿山接替资 源找矿规划纲要( 2004—2010) 》［2］，投入 40 亿元经 费，以矿山外围和深部找矿为主要原则，开展危机矿 山接替资源找矿工作． 2009 年中国科学院发布了 《创新 2050: 科学技术与中国的未来》战略研究报 告，提出了“中国地下四千米透明计划”［3］，力争到 2040 年，使中国重要区域地下 4000 m 内变得 “透 明”． 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”［4］将地质科技创新提升到了关系国家科技发展 大局的战略高度． 进入深部开采后，在高地应力的环境下首先要 面临巷道变形、岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾 害问题． 其次，岩层温度随开采深度的增加逐步上 升，严重影响工人作业和设备运转． 此外，深部开采 面临的地质情况复杂，提升高度的增加将加大提升 难度，影响生产安全，因此深部开采对深井提升技术 也有更高要求． 鉴于此，本文作者对国内外金属矿 山深部开采现状进行归纳总结，针对深部高地应力 开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深 井提升等工程技术难题，从战略性的角度提出了解 决深部开采难题的关键工程科技发展战略． 1 国内外金属矿深部开采现状 1. 1 国外金属矿深部开采现状 国外的深部开采和研究起步较早，最早观察并 记录岩爆现象的是 1904 年美国密歇根州的 Atlanta 铜矿，该 矿 于 1906 年因为岩爆的严重破坏而关 闭［5--6］． 20 世纪 60 年代末，在美国 Idaho 地区三座 矿井开采深度达到 1650 m，美国矿山局开始使用微 震技术监测岩爆的研究［7］． 1983 年前苏联岩石力 学专家开展了 1600 m 深矿井专题研究． 1985 年，加 拿大政府和多个研究机构合作开展了( 加拿大安大 略省 工 业 计 划 ( Canadian ontario industry project) 1985—1990) 和加拿大岩爆研究计划 ( Canadian rockburst research program) ( 1990—1995 ) 研 究 计 划［8］． 通过对 Creighton 镍矿微震与岩爆的计算机 建模研究，劳伦森大学提出了能量吸收锚杆的支护 体系和岩爆危险评估方法［9］． 1989 年法国召开“深 部岩石力学国际会议”，各国专家对深部岩石力学 问题进行了深入探讨． 澳大利亚深部开采岩爆频 发，西澳大学的地质力学中心( Australian centre for geomechanics) 在岩石动力灾害、矿压监测与支护、微 震预警系统研发等方面开展了大量研究［10］． 深井 最多最深的南非，为了解决 3000 ～ 5000 m 深部金矿 开采安全问题，于 1998 年 7 月启动了一项“Deep Mine”研究计划，耗资高达 1380 万美元，取得了一系 列研究成果［11］． 据不完全统计，目前国外开采深度超过千米的 地下金属矿山( 深井矿山) 有 112 座［12--14］． 在这 112 座深井矿山中，开采深度 1000 ～ 1500 m 的 58 座， 1500 ～ 2000 m 的 25 座，2000 ～ 2500 m 的 13 座，3000 m 及以上的 16 座． 其中，70% 以上为金矿和铜矿， 开采深度超过 3000 m 的 16 座矿山有 12 座位于南 非，全部为金矿( 见表 1) ． 1. 2 我国金属矿开采现状 我国进入深部开采的时间较晚，但发展迅速． 1996 年《冬瓜山千米深井 300 万吨级矿山强化开采 综合技术研究》被列为“九五”期间国家重点攻关项 目［15］． 2001 年召开了以“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［16］，从三维、系统、多元的研究思路出发，深 入探讨深部开采中岩石的力学特性． 2016 年 8 月国 务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》也提出 重点研究深地资源勘探理论和技术装备的目标． 为 此，十三五期间国家启动了多个重点研发计划项目， 包括由四川大学牵头的《深部岩体力学与开采理 论》项目、由北京科技大学牵头的《深部金属矿建井 与提升关键技术》项目、由中南大学牵头的《深部金 属矿集约化连续采矿理论与技术》项目等等． 2000 年以前，我国只有两座地下金属矿开采深 度达到或接近 1000 m，即安徽铜陵冬瓜山铜矿和辽 宁红透山铜矿． 21 世纪以来，随着我国矿山事业突 飞猛进的发展，按照目前的发展的速度，在较短时间 内，我国深井矿山的数量将会达到世界第一［17］，而 且会有好几个开采规模达到世界最高水平的超大型 · 814 ·