特大型镍矿充填法开采技术著作丛书：特大型镍矿充填法开采理论与关键技术

第1章绪论〖1〗
11引言

金川镍矿是世界著名的多金属共生的大型硫化铜镍矿床之一，发现于1958年。矿床集中分布在龙首山下长65km、宽不足1km的范围内，已探明矿石储量约为52亿t，镍金属储量约为 550万t，列世界同类矿床第三位；铜金属量约为343万t，居全国第二位；伴生钴、铂族等17种元素，现可回收利用的有14种。
金川集团有限公司（简称金川公司）是我国最大的有色金属采、选、冶联合企业，是国内最大的镍钴生产和铂族金属提炼中心，生产镍、铜、钴、稀有贵金属、硫酸等化工产品和相应系列深加工及盐类产品，主要金属产量在全国的占比为：镍90%以上，钴70%以上，铂族金属90%以上。1983年公司镍产量首次突破万吨大关，1984年突破15万t，1985年达到2万t，实现了金川公司的第一次腾飞。1995年，金川公司达到了4万t镍、2万t铜以及相应的钴、贵金属和40万t硫酸的产能，实现了第二次腾飞。进入21世纪以来，金川公司放眼全球，大胆改革，锐意进取，按照走新型工业化道路的要求，依靠科技进步，立足全球发展，实施国际化经营，经济总量迅速壮大，经济增长的同时质量也显著提高，成为一业为主，相关产业共同发展的大型企业集团，步入了快速发展的新阶段。2009年营业收入突破700亿元大关。2010年有色金属产品总量突破50万t，营业收入突破900亿元大关。
50年来，金川公司累计产镍1374万t，铜1901万t，钴42万t，铂族贵金属263t，累计实现营业收入2745亿元、利税总额477亿元，是国家投资的11倍。目前，公司已具有年产镍15万t、铜40万t、钴1万t、无机化工产品250万t的综合生产能力。镍产量居世界第四位，钴产量居世界第二位，国际地位和竞争力显著提升，已经成为世界同类企业中生产规模大、产品种类多、产品质量优良的知名企业。
二矿区是金川公司的主要生产矿山之一，目前主要开采1#矿体，年产矿石量稳定在400万t以上，是我国目前机械化程度最高的下向进路充填采矿法矿山。目前的主要生产中段是1150m、1000m和850m中段，开采深度达千米，开拓深度已达11655m，属世界公认的深部开采矿山。随着开采深度加深，呈现高应力条件下矿岩碎胀蠕变明显、渗水压力大等现象，采矿作业环境更加复杂恶劣，面临着地热、岩爆、通风、充填等一系列问题，制约了企业的长期稳定发展。目前，我国很多大型矿山已逐渐进入深部开采，将面临同样的开采难题，为此，金川矿山与长沙矿山研究院和北京科技大学联合开展了特大型矿床深部开采综合技术研究。研究内容包括通深井高应力卸荷开采技术、深部多中段衔接及水平矿柱开采技术、深部开采大范围充填体强度特性、深部高浓度尾砂充填工艺与技术、高压头低倍线充填管道输送技术，以及大面积开采采场地压及灾变控制技术等6个专题。通过该研究形成了金川矿床深部复杂条件下高效大规模成套开采技术，不仅解决金川矿山大型矿床的安全高效充填法开采的技术难题，同时也为我国类似深部矿床开采提供借鉴与参考。
12矿床地质与开采技术条件〖1〗
121地质概况
金川公司镍矿区位于甘肃省河西走廊中部金昌市区，矿区坐落在市区以南的龙首山中东端北麓、阿拉善台地南缘，与市区连成一片。矿区铁路专线与兰—新铁路金昌站接轨，距省城兰州372km。永昌—（河西堡）—雅布赖公路从矿区通过，向南48km于永昌县城与312国道相接。同周边市县形成公路网，四通八达，交通十分方便。
矿区中心地理坐标：东经102°13′，北纬38°30′。矿区北面为戈壁滩，地势西南高，东北低。市区平均海拔1563m，矿山海拔1700～1830m。矿区干旱，属大陆性气候，春季多风，一般5～6级，夏季酷热短促，仅一两个月，冬季寒冷漫长，达5个月，终年雨雪较少，蒸发量大于降水量，全年降水量120～160mm，多集中在6～8月。据金昌市新近的气象资料统计，年平均最高气温154℃，年平均最低气温39℃，极端最高气温395℃，极端最低气温－233℃。年平均降水量1398mm，一日最大降水量1295mm，年最大降水量28216mm，年平均蒸发量28374mm。
矿区处于阿拉善台块的南部边缘隆起区，北部为阿拉善台块内部区，南部为北祁连山加里东地槽边缘过渡拗陷带。矿区总体上属于阿拉善台块的边缘部分，具有地台区的主要地质特征。但北祁连山褶皱区强大的构造对矿区产生了巨大影响，其突出的表现是深断裂的存在和火成岩的多次侵入活动等。这些复合的地质构造作用促使本区成为内生成矿作用的有利地区。
金川镍矿床赋存于中朝地台阿拉善地块西南边缘龙首山隆起的超镁铁岩侵入岩石中。南邻早古生代北祁连褶皱带，以龙首山南侧深断裂与祁连山地槽的走廊过渡带毗邻；北依晚古生代准噶尔褶皱带，以龙首山北侧深断裂F1与阿拉善隆起区内部的潮水断陷相接。
金川矿区位于龙首山东段北东侧，主要出露地层为下元古界白家嘴子组的蛇纹石化白云质大理岩、黑云母片麻岩及云母石英片岩和条痕混合岩等深变质岩，这些露出地层构成了金川镍矿床的基底，地层总走向N35°W，倾向SW，倾角40°～70°。矿区与整个龙首山一样经历了自吕梁运动以来的历次地质构造运动，留下了以断裂为主的构造形迹，大小断裂纵横交错，十分发育，主要由NWWNW和EW向构造交织而成。矿区东北侧的大断裂F1与地层走向大体一致，倾向南西，倾角40°～50°，长200多千米，断裂带宽十几米至几十米，是潮水盆地与龙首山区的分界。矿区内与其平行的断层较多，如F16、F5、F3等；与Fl斜交的断层有F8、F161等断层，与Fl正交且规模较大的断层有F17。矿区小断层和层间挤压带及节理也十分发育，矿区地质构造概况如图11所示。


图11金川硫化铜镍矿床地质略图

20世纪70年代，中国科学院地质研究所对矿区进行了详细的工程地质研究。根据地质构造、岩体结构、水文地质等对矿区岩体进行了岩组分类，划分为6个岩带，11个工程地质岩组（表11）。其中，二矿区含矿超基性岩体的下盘存在多种频繁穿插的中薄层大理岩破碎岩组，该岩组稳定性极差。矿体上盘为超基性岩和混合岩，并在其间有较发育的大理岩组。
表11金川矿区工程地质岩带及岩组

岩带代号岩组

混合岩带

Ⅰ1
F1断层破碎岩组

Ⅰ2
层间挤压混合岩组
Ⅰ3
较完整的混合岩组

片岩片麻岩带

Ⅱ1
粗粒片麻岩组

Ⅱ2
F16断层破碎岩组

大理岩带

Ⅲ1
多种岩浆岩侵入的中薄层大理岩

Ⅲ2
厚层块状大理岩组

Ⅲ3
多种岩浆岩频繁穿插的中薄层大理破碎岩组

混合岩带
Ⅳ
均质条带状混合岩组

花岗岩带
Ⅴ
肉红色细粒花岗岩组

含矿超基性岩带
Ⅵ
含铜镍矿超基性岩组
金川矿区岩浆活动频繁，有多种不同时期和规模的岩浆岩侵入，从超基性岩至酸性岩，从深成岩至派生脉岩均有产出。矿床赋存于超基性岩体中，金川含矿超基性岩体侵入Fl断层斜交的次级断裂构造中，属铁质超基性岩。含矿超基性岩体的岩相有纯橄榄岩、含二辉橄榄岩、橄榄二辉岩、二辉岩、斜长含二辉橄榄岩和斜长二辉橄榄岩。
金川含矿超基性岩体以10°交角侵入于白家嘴子组地层中，直接与大理岩、片麻岩和条痕混合岩接触。岩体长约65km，宽20～527m，延伸数百米至千余米，最大延伸超过1100余米，为一不规则岩墙。岩体东西两端被第四系覆盖，中部出露地表，上部已遭剥蚀。岩体走向N50°W、倾向SW，倾角50°～80°，沿倾向呈板状或楔体。岩体受后期NEE向压扭性断裂（F8、F161、F17、F23）错断影响，由西向东分为四段，即依次称为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ矿区（图11）。各个矿区含矿超基性岩体的规模、形态、产状、岩相、含矿性等均有差别。

矿区东端以F161断层与二矿区相连，但深部与二矿区岩体相连，到矿区西北部至F8断层与F1深断裂的交界处为止。岩体长约1500m，走向北西50°～60°，沿走向自东向西共布置34条勘探线。8行以西岩体出露地表，长约1200m；8行以东岩体隐伏于地下，并且较窄，仅宽15～30m。岩体自东向西逐渐变宽，最宽可达320m。岩体由东南向西北侧伏，岩体倾向西南，倾角较陡，一般在75°～80°，钻探至700～800m深度，含矿岩体尚未完全尖灭。16行以东主要以中粗粒二辉橄榄岩为主，次为中粗粒含二辉橄榄岩、橄榄二辉岩。24～34行则以中细粒诸岩相为主。两种不同岩相之间呈突变接触，分界明显，各岩相均呈似层状与岩体平行延伸。富含金属硫化物的岩相，东部主要为硫化物纯橄榄岩，西部主要为硫化物二辉橄榄岩，呈大透镜状不连续分布于岩体中下部及底部围岩中。矿石中金属硫化物粒度因所属岩相矿物粒度不同而异，中细粒岩相中的金属硫化物集合体与造岩矿物一般为05～5mm，中粗粒岩相中的金属硫化物集合体一般为2～6mm。贫矿体主要赋存于二辉橄榄岩中，分布于14～32行岩体的中下盘，延伸至1100m水平尚未尖灭；富矿体主要分布于8～16行以及22～24行（后者埋藏较深，延伸也深），呈透镜体接于岩体底盘或贯入底盘片麻岩、大理岩以及它们与花岗岩的接触带中。接触交代形成的矿体主要发育于较深部岩体外接触带的大理岩中，埋藏较深，宽20～25m，上下盘又延伸不过百米，矿石呈稀疏浸染状和稠密浸染状，矿化极不均匀。
122矿区地质
矿区经历了自吕梁运动以来多期构造运动作用、变质作用和多期岩浆侵入作用，形成了复杂的岩石组合，造成矿区断裂、节理纵横交错、层间挤压发育。矿区内较大的一些断裂如F1、F16等走向压扭性断裂，F161等北东东向断裂都受到不同程度的挤压，破碎带较宽，破碎的岩石多未胶结，局部地段储水，断层泥含量高。加之成矿后受以F17为代表的断层切割作用（F1、F16、F161见表12）。这些因素致使工程地质条件极为复杂。

表12金川矿区主要断裂构造一览表

断层编号位置产状、规模特征性质影响备注

F1位于矿区北部山麓边缘，距含矿岩体600～1100m
倾向S25°W，倾角60°左右，下部可能变陡，长数百千米
前震旦系地层逆冲于第四系砾石层之上。老地层普遍见04～07m宽断层泥，3～40m断层破碎带，10～25m断层影响带，有复活现象压性仰冲断裂对含矿岩体具控制作用成岩（超基性岩）前断层


续表


断层编号位置产状、规模特征性质影响备注

控制含矿岩体的断层含矿超基性岩体侵入部位据岩体产状推测倾向S50°W，倾角60～70°，长数千米
岩体两侧围岩产状相交。Ⅰ矿区14行CK7孔在岩体下盘见侵入前断层角砾岩据区域构造推测应属F1次一级张扭性断裂
对岩、矿体下盘围岩稳固性有影响同上

F16位于矿区北北西部的黑云余长片麻岩与蛇纹大理岩接触线上，在Ⅰ矿区3行附近与F161平堆断层相交倾向S15°W，倾角75°左右，长4km以上断层两侧岩层产状相交，上盘大理岩常形成褶曲，下盘断层面见仰冲阶梯，呈挤压性特征。断层带宽6～30m压扭性仰冲断层对岩体下盘围岩有破坏作用—

F161位于Ⅰ矿区3行以西倾向S15°E，倾角75°～85°，长700m
断层两侧在水平方向有较大距离的相对位移，断层破碎带宽2～3m，由大理岩、混合岩的破碎物、角砾及断层泥组成压抑性左推仰冲断层
系成岩前断层，成岩后又有复活，对岩矿体有破坏作用，可能使矿体上部4行有短距离的垂向位移—

F17位于38行附近倾向S40°E，倾角73°左右，长1800m横切岩体及围岩地层。断层带宽2～6m，物质组分因地而异，由所处附近的岩石破碎物、断层泥及角砾组成。受断层影响，上下盘节理发育，岩石破碎，裂隙显著
张扭性右推俯冲断层使2#号矿体在40行左右断开，水平断距130～260m，垂直断距90～150m，破坏了矿体的完整
性—

F19位于40行以东岩体南80～140m
倾向S15°W，倾角80°～85°左右，长400m以上
断层带宽08～4m。由两侧岩石破碎物及角砾组

《特大型煤矿充填法开采理论与关键技术》是《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书》的第十一册，全面介绍金川特大型镍矿深部矿床多中段安全高效开采理论与关键技术《特大型煤矿充填法开采理论与关键技术》以金川大型复杂难采矿床开采为工程实例，介绍了高应力条件下分层卸荷开采理论与采矿工艺技术、水平矿柱开采技术与回采工艺、高压头低倍线高浓度料浆管道输送阶梯增阻降压技术以及光纤光栅三维变形监测和灾变风险预测技术。

目录


《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书》序一

《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书》序二

《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书》序三

《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书》编者的话

前言


第1章绪论1

11引言1

12矿床地质与开采技术条件2

121地质概况2

122矿区地质4

123矿体地质特征9

124矿石结构构造10

125矿区原岩应力11

126开采技术条件12

127矿区水文地质13

13本章小结14

第2章深井高应力卸荷开采理论15

21高应力条件下开采方法选择15

211开采技术现状调查分析15

212开采现状及发展趋势16

213卸荷开采方案选择18

22卸荷开采过程的数值模拟25

221计算模型和计算方案25

222矿区初始地应力条件32

223力学模型33

224计算结果与分析34

23本章小结54

第3章高应力采场卸荷充填回采工艺试验55

31进路高效回采爆破工艺试验55

311国内外掏槽爆破技术现状55

312进路开采掏槽爆破方案57

313进路开采掏槽爆破工艺试验59

32分层卸荷盘区进路充填采矿工业试验63

321分层卸荷开采工程布置64

322分层卸荷进路充填采矿回采工艺64

323多期进路回采凿岩爆破参数65

324二、三期进路开采控制爆破技术67

325分层卸荷开采顺序69

326分层卸荷开采盘区采场通风方式70

327分层卸荷开采主要设备配置优化72

328卸荷开采巷道及回采进路支护74

329分层卸荷开采充填工艺75

3210主要技术经济指标和经济效益77

33本章小结79

第4章高应力卸荷开采地压与爆破震动监测80

41引言80

42分层卸荷开采应力监测81

421钻孔应力计工作原理及结构特点81

422钻孔应力计安装及使用82

423应力监测数据分析83

43巷道变形收敛监测94

431收敛监测仪构造94

432观测点布置及收敛观测95

433监测数据分析96

434回采矿柱的巷道收敛观测101

44分层卸荷开采声发射监测102

441声发射监测仪器特点及使用方法103

442应用方法及步骤105

443声发射监测数据105

444声发射监测数据分析107

45分层卸荷进路回采爆破地震监测108

451测震方案确定108

452测试方法108

453现场实测数据109

454测震结果分析116

455爆破减震方法117

46本章小结117

第5章深部多中段衔接及水平矿柱开采技术119

51深部多中段矿柱现状调查119

511水平矿柱工程地质调查119

512垂直矿柱的工程地质调查123

513多中段开采水平矿柱现状124

514小结125

52水平矿柱开采方案及数值模拟125

521深部多中段水平矿柱开采方案125

522水平矿柱开采稳定性分析126

523实际计算模型和计算方案127

524数值计算结果及分析128

525多中段作业矿柱开采采场围压变化分析138

53水平矿柱回采工艺方案154

531水平矿柱回采工艺154

532超前回采2/5水平矿柱156

533盘区卸压双穿脉分层道回采水平矿柱156

54本章小结158



第6章深部开采大范围充填体强度特性研究160

61引言160

62采场上覆充填体特性160

63深部充填体强度影响因素163

64深部充填体强度合理确定166

65下向进路胶结充填体强度确定170

66充填体稳定性数值模拟174

67本章小结183

第7章深部高浓度尾砂充填工艺技术试验研究185

71引言185

711主要研究内容185

712主要研究成果186

713主要技术指标187

72充填材料试验研究187

721充填物料基本物化参数测定187

722尾砂沉降性能测定190

723充填料浆坍落度测定192

724充填配比强度试验197

725小结200

73充填料浆输送性能研究202

731充填料浆流变参数测定202

732充填料浆输送阻力分析206

733充填倍线分析计算216

734小结222

74充填料浆制备及充填系统研究223

741高浓度自流输送系统223

742膏体泵送充填系统工艺及优化225

75充填工业试验228

751高浓度自流输送系统工业试验228

752膏体泵送充填系统工业试验231

76本章小结232

第8章高压头低倍线充填管道输送技术234

81引言234

811试验研究内容234

812试验研究成果235

82充填管道调压原理236

821充填管道压力计算236

822影响充填管道压力因素分析236

823充填管道调压方法237

83高压头充填管道压力分析计算239

831二矿区现有充填管网布置239

832充填料浆流变参数245

833不同布置形式管道压力分布246

84高压头充填管道调压装置研究256

841增阻圈的作用原理分析256

842增阻圈结构及布置形式257

843加设增阻圈后管道压力分布257

844增阻圈布置原则258

85充填管道布置优化研究260

851充填钻孔布置优化260

852水平管道布置优化262

853柔性接头及导水阀的应用263

86高压头充填管道调压输送工业试验265

87本章小结267

第9章二矿区大面积开采地压及灾变控制技术269

91引言269

911研究内容与技术路线269

912大面积开采灾变控制关键技术270

92二矿区14行风井围岩变形监测272

921现场安装光纤钻孔与数量273

922光纤与锚固钢丝绳头的固定274

923锚固钢丝绳下放过程274

924光纤随锚索下放过程275

925孔口光纤的保护275

926孔灌浆情况276

927钻孔光纤和光缆的熔接276

928二矿区14行风井钻孔光纤组网278

929光纤传感器在风机控制室线头的保护278

9210监测钻孔测试与结果279

93二矿区采场围岩与充填体变形监测280

931连接风井水平巷道围岩变形监测设计281

932光纤埋设的实施过程286

94本章小结289

参考文献291




结束语250

参考文献252