研究的背景與問題
21世紀(jì)的中國已進(jìn)入快速工業(yè)化的重要發(fā)展階段，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對黑色金屬、有色金屬及黃金等金屬原材料的需求快速增長，今后20～30年，資源消耗強(qiáng)度將進(jìn)入高峰期，資源供需矛盾將更加突出，進(jìn)口量和對外依存度不斷上升。礦產(chǎn)資源已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、國防工業(yè)和高科技產(chǎn)業(yè)，鋼鐵和有色金屬的產(chǎn)量是國家綜合國力的體現(xiàn)。人類在向大自然索取資源的過程中進(jìn)行了大量的采礦活動，各種自然資源需求的快速增長促進(jìn)了采礦工業(yè)的迅猛發(fā)展，同時產(chǎn)生了與采礦工業(yè)有關(guān)的環(huán)境和安全問題。隨著金屬非金屬礦山開采技術(shù)和裝備的不斷進(jìn)步，開采規(guī)模大，開采強(qiáng)度高，礦山開采過程中應(yīng)力不斷發(fā)生變化，由己采采場向周邊轉(zhuǎn)移，因而未采采場和預(yù)留礦柱有可能在高集中應(yīng)力下破壞，直接影響開采的安全。對上部存在富含水層的礦山，一旦下部的巖體受到破壞，裂隙貫通到富含水層，則大量的水將涌入井下，造成淹井的可能。同樣，大面積、多采區(qū)、多盤區(qū)、多采場集中開采的通風(fēng)，容易造成通風(fēng)短路，有毒有害氣體無法有序排出，直接給生產(chǎn)安全帶來威脅。
綜上所述，深部開采中所面臨的地壓災(zāi)害、采礦技術(shù)、生產(chǎn)成本、通風(fēng)熱溫以及工人健康等諸多問題，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題。需要把這些致災(zāi)因素同深井采礦方法與系統(tǒng)的根本性變革結(jié)合起來，研發(fā)深部開采過程地壓動態(tài)“主動”調(diào)控技術(shù)，形成深部重大工程災(zāi)害防治與礦產(chǎn)資源高效開采相結(jié)合的深部金屬礦安全開采新模式和理論體系，是解決深井開采所面臨的重大技術(shù)難題和實(shí)現(xiàn)深部金屬礦床安全高效開采與災(zāi)害防控的重要途徑。
解決問題的思路與技術(shù)方案
本項(xiàng)目的提出就是以國內(nèi)典型礦山為依托，聯(lián)合中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、清華大學(xué)、東北大學(xué)等國內(nèi)知名科研院所，考慮深井開采中的“高應(yīng)力、高井溫、高井深”等制約、影響安全開采的因素，重點(diǎn)研究深部高應(yīng)力場的分布規(guī)律及其深部開采的擾動規(guī)律，揭示深部開采地壓隨采動影響的規(guī)律，形成新的深部金屬礦床安全高效開采模式，研究成果對提升我國深部金屬礦床的安全高效開采水平，具有較強(qiáng)的推廣性和示范性。
項(xiàng)目主要內(nèi)容包括四方面：1)復(fù)雜條件與超大規(guī)模深井礦山開采擾動分布規(guī)律及冒落塌陷過程預(yù)測;2)大規(guī)模開采鐵礦山充填系統(tǒng)料漿制備與深井自流輸送關(guān)鍵技術(shù)研究;3)金屬礦山深井地溫分布規(guī)律及通風(fēng)降溫控制技術(shù)研究;4)深部金屬礦山開采擾動下的圍巖穩(wěn)定性評價及災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究。
本技術(shù)的提出是以國內(nèi)典型礦山為依托，考慮深井開采中的“高應(yīng)力、高井溫、高井深”等制約、影響安全開采的因素，重點(diǎn)研究深部高應(yīng)力場的分布規(guī)律及其深部開采的擾動規(guī)律，揭示深部開采地壓隨采動影響的規(guī)律，形成新的深部金屬礦床安全高效開采模式。
主要創(chuàng)新性成果
項(xiàng)目研究圍繞深部金屬礦床安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)開展。項(xiàng)目在研究、應(yīng)用過程中形成的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：
1、新開發(fā)的崩落法模擬模塊能夠?qū)崿F(xiàn)圍巖的冒落、運(yùn)移和充填采場模擬，有效地反映了崩落法開采的核心問題。
圖1. 圍巖冒落過程計(jì)算
2、研發(fā)了制備能力大、可自動控制的大規(guī)模開采鐵礦山全尾砂膠結(jié)充填連續(xù)制備系統(tǒng);設(shè)計(jì)了大流量、大垂深管道自流輸送減阻與減振裝置。
圖2. “一鍵充填”智能管控系統(tǒng)
3、建立了深部金屬礦山復(fù)雜井下環(huán)境的三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，提出了針對不同季節(jié)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的通風(fēng)降溫控制方案，將工作面溫度降低2～3℃。
圖3. 三維通風(fēng)解算
4、建立了微震和聲發(fā)射技術(shù)相結(jié)合的開采擾動下圍巖局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性評價方法，建立了基于微震多參數(shù)的地壓巖爆預(yù)警技術(shù)，改善了由單一判據(jù)進(jìn)行地壓巖爆預(yù)警的局限性。
圖4. 微震事件分布規(guī)律
應(yīng)用情況與效果
項(xiàng)目成果具有良好的推廣應(yīng)用前景，通過在海南鐵礦、張莊鐵礦應(yīng)用，取得了如下效果：
1)研究成果應(yīng)用于海南礦業(yè)股份有限公司昌江石碌鐵礦，重新確定了由于開采引起的地表移動范圍，優(yōu)化了塌陷區(qū)降雨逕流滲入量，節(jié)省企業(yè)投資540余萬元，新增利潤4000余萬元。
圖5. 降雨逕流滲入量估算分區(qū)
2)研究成果應(yīng)用于安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司張莊鐵礦，提出了采用深錐濃密工藝的全尾砂膠結(jié)充填連續(xù)制備系統(tǒng)方案，項(xiàng)目基建投資減少約2400萬元，噸礦充填成本節(jié)省11.12元，節(jié)約占地面積約1600m2。
圖6. 連續(xù)充填制備系統(tǒng)
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