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冶金科技�(jiǎng)一等獎(jiǎng) | 深部金屬礦采�(dòng)地壓防控及其工程�(yīng)�

2022-08-19 11:44    來源:中國鋼鐵新聞網(wǎng)
  完成�
  趙興東、代碧波、李元輝、胡軍生、汪為平、李振華、姜洪波、周 鑫、白 �、于文龍、孫曉剛、趙一凡、鄧 �、曾 �、朱乾坤
  完成單位
  東北大學(xué)、中鋼集�(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公�、鞍山五礦陳�(tái)溝礦�(yè)有限公司、河南理工大�(xué)、中國有色集�(tuán)撫順紅透山礦業(yè)集團(tuán)有限公司、中冶沈勘秦皇島工程�(shè)�(jì)研究總院有限公司
  �(xiàng)目簡�
  根據(jù)我國自然資源部發(fā)布的《中國礦�(chǎn)資源�(bào)告(2020)》披�,截止至2020年,我國已探明的鐵礦資源�(chǔ)�864.08億t,黃金資源儲(chǔ)�14131.06t,鉛鋅資源儲(chǔ)�9572.2萬t,銅資源�(chǔ)�10971.55萬t,上述金屬礦�(chǎn)資源�1000m以深資源占比25%以上。深部開采已�(jīng)成為我國金屬礦床開采的重要組成部�,諸如:陳臺(tái)溝鐵�、思山嶺鐵�、遼寧紅透山銅礦�。深部開采是處于高井�、高原巖�(yīng)�、高承水壓力等特殊復(fù)雜采礦環(huán)境,深部地壓問題�(yán)重威脅礦山的開采效率和安全生�(chǎn),強(qiáng)采動(dòng)�(yīng)力誘�(fā)節(jié)理裂隙發(fā)育的采場(chǎng)礦巖體極易誘�(fā)采場(chǎng)圍巖體產(chǎn)生片�、巖爆等�(zāi)害,甚至造成采場(chǎng)圍巖體產(chǎn)生大范圍垮冒,造成采場(chǎng)二次貧化、阻斷礦石采�,極易造成采場(chǎng)失穩(wěn)、損失貧化加劇、甚至無法開��
  取得的主�?jiǎng)?chuàng)新成�
  �(chuàng)新成果一:構(gòu)建礦山三維工程災(zāi)害地�(zhì)模型
  地質(zhì)巖芯富含豐富的巖體質(zhì)量與巖體力學(xué)信息、地�(zhì)�(shù)�(jù)、剖面數(shù)�(jù)等,通過巖石力學(xué)�(shí)�(yàn)、巖體質(zhì)量分�(jí)、巖體力�(xué)參數(shù)估算方法�,研究地�(zhì)勘探鉆孔巖芯隨鉆孔深度變化地�(zhì)�(zāi)害的工程屬�,建立礦區(qū)的地�(zhì)力學(xué)信息,巖體質(zhì)量等�(shù)�(jù),通過地質(zhì)�(tǒng)�(jì)�(xué),對(duì)礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)的空間結(jié)�(gòu)性規(guī)�,相�(guān)性等�(jìn)行分析,并通過克里金估�(jì),距離反比法,序貫高斯模擬三種算�,構(gòu)建礦區(qū)尺度的地�(zhì)力學(xué)信息模型(圖1�,用以評(píng)判礦區(qū)�(zāi)害風(fēng)�(xiǎn)與采礦工程布置設(shè)�(jì),基于改�(jìn)的克里金插值算法對(duì)呈規(guī)律性“離散”勘探鉆孔�(jìn)行同源異�(gòu)、歸一化處理,通過三維可視化建模平�(tái),實(shí)�(xiàn)深部礦巖體地�(zhì)�(zāi)害建模與�(shù)�(jù)存儲(chǔ),得到了含地�(zhì)�(zāi)害風(fēng)�(xiǎn)等級(jí)的三維地�(zhì)模型,揭示深部未采動(dòng)礦巖體地�(zhì)�(zāi)害風(fēng)�(xiǎn)。礦床的安全高效開采,以及后�(xù)的地壓防控。研究成果為后續(xù)采礦工程涉及的定量計(jì)�、數(shù)值分�,巷道巖體穩(wěn)定性分�(jí)法提供參�(shù)與科�(xué)依據(jù)。構(gòu)建的三維模型是礦區(qū)�(zāi)害的有機(jī)部分,通過�(duì)劣質(zhì)巖體空間位置揭露,更好的�(shí)行超前預(yù)防與防治,保證礦山安全、高效的生產(chǎn)�
�1 礦山三維工程�(zāi)害模�
  �(chuàng)新成果二:深部差異化采動(dòng)巖體損傷本構(gòu)
  針對(duì)�(yuǎn)�(chǎng)與開挖邊界均為軸�(duì)稱應(yīng)力的圓形開挖體軸�(duì)稱平面應(yīng)變解析模型,通過自相似轉(zhuǎn)換將模型塑性區(qū)�(zhuǎn)化為單位平面圓環(huán),并建立圓環(huán)�(nèi)圍巖�(yīng)力變形自相似形式控制方程以及相應(yīng)離散方程,以塑性區(qū)邊界以及開挖邊界�(yīng)力變形分布為邊界條件,運(yùn)用龍格庫塔法�(jìn)行單位平面圓�(huán)或圍巖塑性區(qū)�(yīng)力、變形與破壞�(shù)值計(jì)�。以廣義�(yīng)變軟化本�(gòu)模型(包含彈脆性本�(gòu)與理想彈塑性本�(gòu))為基礎(chǔ),將Hoek-Brown屈服�(zhǔn)則(a=0.5)拓展至廣義Hoek-Brown屈服�(zhǔn)�(a�0.5)情況,由此形成包含Hoek-Brown常數(shù)軟化參數(shù),用于差異化采動(dòng)巖體的廣義應(yīng)變軟化本�(gòu)模型。采用廣義Hoek-Brown屈服�(zhǔn)則與與非�(guān)�(lián)流動(dòng)法則�(gòu)建圓形開挖體圍巖�(yīng)�、變形與破壞自相似形式控制方�,以塑性區(qū)邊界與開挖邊界應(yīng)力變形分布為邊界條件,結(jié)合龍格庫塔算法形成差異化采動(dòng)下圓形開挖體圍巖�(yīng)�、變形與破壞�(shù)值計(jì)算方�,提出一種應(yīng)變軟化巖體采用廣義Hoek-Brown屈服�(zhǔn)則的圓形開挖體圍巖應(yīng)�、變形與破壞自相似數(shù)值算�,豐富了深部采動(dòng)巖體損傷�(jī)制基本本�(gòu)模型�(shù)�(jù)�,研究成果為深部差異化采�(dòng)巖體�(wěn)定性分析提供理論依�(jù)�
  �(chuàng)新成果三:基于采�(dòng)巖石失穩(wěn)響應(yīng)的深部采�(chǎng)�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)方法
  深部采場(chǎng)處于“高�(yīng)�、高巖溫、高承水壓力、強(qiáng)開采擾動(dòng)”開采技�(shù)條件,仍然采用淺部“經(jīng)�(yàn)法”、“工程類比法”和依據(jù)“查手冊(cè)”為主的采場(chǎng)�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)方法已不能滿足安全生�(chǎn)的需�。針�(duì)�(wěn)定性圖表目前存在的問題,搜集大量國�(nèi)外礦山數(shù)�(jù)�(duì)其改�(jìn)�(yōu)�,使其更適用于深部采�(chǎng)�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)。從地質(zhì)�(gòu)�、礦體產(chǎn)狀、巖石力�(xué)等基�(chǔ)條件出發(fā),充分考慮深部開采誘發(fā)的采�(dòng)�(yīng)力與采場(chǎng)圍巖體相互作用響�(yīng)特征,以采場(chǎng)形狀、采�(dòng)地壓為主要變量,引入系統(tǒng)科學(xué)、數(shù)�(xué)等理�,研�(fā)采場(chǎng)�(jié)�(gòu)量化�(shè)�(jì)方法(圖2�。根�(jù)�(duì)巖石�(kuò)容特性的分析,提出了利用巖石�(kuò)容應(yīng)力對(duì)�(yīng)的橫向應(yīng)變作為采�(dòng)巖體失穩(wěn)的判�(jù),并基于巖體�(zhì)量分�(jí)與巖體力�(xué)參數(shù)估算,建立了采動(dòng)巖體失穩(wěn)的臨界應(yīng)變表�(dá)�。通過�(diào)查統(tǒng)�(jì)分析國內(nèi)外大量的硬巖單軸壓縮試驗(yàn)�(shù)�(jù),探討了完整硬巖臨界�(yīng)變與彈性模量、擴(kuò)容應(yīng)力的�(guān)系、巖體臨界應(yīng)變與變形模量、巖體擴(kuò)容應(yīng)力的�(guān)系;提出用采�(dòng)巖體失穩(wěn)安全系數(shù)(FS)表征采�(dòng)巖體失穩(wěn)的形�(tài),并通過�(xiàn)�(chǎng)觀�(cè)和數(shù)值模擬完成驗(yàn)證�
�2 深部采場(chǎng)�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)方法
  �(chuàng)新成果四:研�(fā)深部采場(chǎng)�(yù)控頂與下向深孔梯段式爆破落礦方法
  隨著開采深度增加地質(zhì)�(huán)境嚴(yán)重劣�,采�(dòng)�(zāi)害加劇,仍采用傳�(tǒng)采礦方法及落礦方�,極易造成深部采場(chǎng)垮冒,嚴(yán)重威脅井下作�(yè)人員及裝備的安全。針�(duì)上向中深孔落礦極易造成采場(chǎng)頂板垮冒這一問題,開�(fā)了深部采�(chǎng)�(yù)控頂下向中深孔落礦方法(�3),采場(chǎng)頂板受采�(dòng)影響�,地壓防控簡便,鑿巖和出礦工序可同時(shí)�(jìn)�,彌�(bǔ)了在回采效率上的差距。與傳統(tǒng)上向孔落礦相比地壓調(diào)控效果更好,采場(chǎng)頂板受采�(dòng)過程影響�,更適用于金屬礦在回采深部礦體時(shí)使用。通過在深部采�(chǎng)采用下向梯段式深孔爆破落礦技�(shù),落礦效率提�35%,安全性好。研究成果為深部采場(chǎng)落礦提供了新技�(shù)�
�3 深部采場(chǎng)�(yù)控頂與下向深孔梯段式爆破落礦方法
  �(chuàng)新成果五:研制新型抗巖爆釋能支護(hù)系統(tǒng)
  針對(duì)國際上現(xiàn)有釋能錨桿存在的問題,研�(fā)了一種既具有Cone錨桿的整體滑移能�,又具有D錨桿多點(diǎn)錨固作用的新型J釋能錨桿(圖4)。新型J釋能錨桿由攪拌模�、錨固模�、變形模塊螺紋段和附屬部件組�,其中攪拌模塊能夠快速均勻地?cái)嚢铇渲蛩嗟儒^固劑。其在高�(yīng)力作用下,變形模塊可以產(chǎn)生一定的彈塑性變�,并�(duì)圍巖起到一定的讓壓作用;錨固模塊保證多�(diǎn)錨固提高整體錨固�,同�(shí)在巖爆等�(dòng)力沖擊條件下能夠使得錨桿在錨固劑中產(chǎn)生一定的滑移,有效釋放集聚在巖體�(nèi)的動(dòng)�。新型釋能錨桿建立本�(gòu)模型,該力學(xué)模型由黏彈性體和黏塑性體并聯(lián)而成,其中黏彈性體模擬錨桿變形模塊受靜荷載作用�(jìn)而變形的過程,黏塑性體模擬錨桿錨固模塊受沖擊荷載�(jìn)而滑移釋放能量的過程�
�4 J釋能錨桿
  在加拿大Canmet國家�(shí)�(yàn)室�(jìn)行新型釋能錨桿的靜力拉拔�(shí)�(yàn)和動(dòng)力沖擊實(shí)�(yàn)。靜止拉拔實(shí)�(yàn)�(jié)果表明:釋能錨桿的靜止拉拔力� 170KN以上,最大拉拔力�194.75KN。釋能錨桿動(dòng)力沖擊實(shí)�(yàn)(圖XX)結(jié)果表明:新型釋能錨桿的總釋能能力�58.5kJ,每輸入19kJ能量,釋能錨桿產(chǎn)�60~270mm位移�(shí),動(dòng)載屈服能力為�80~100t。該釋能錨桿能抵抗多次往�(fù)�(dòng)力沖擊,具有高剪切剛度和�(qiáng)�。與國外同類型錨桿相比,新型釋能錨桿的靜止拔抗力提升�15%,多次動(dòng)力沖擊條件下釋能能力提升�10%�
  �(shí)施效�
  1.�(gòu)建的礦山三維可視化工程災(zāi)害模�,在陳臺(tái)溝鐵�、中金紗嶺金礦、三山島金礦、大柴旦礦業(yè)有限公司�(yīng)用,建立的礦山三維可視化工程地質(zhì)�(zāi)害風(fēng)�(xiǎn)與采掘工程融合模�,真�(shí)表達(dá)巖體力學(xué)、巖體質(zhì)量等�(jí)、地�(zhì)�(zāi)害風(fēng)�(xiǎn)等與�(shù)值模�、采掘工程設(shè)�(jì)的空間映射關(guān)�,特別直觀展現(xiàn)采掘工程�(shè)�(jì)與復(fù)雜地�(zhì)�(jié)�(gòu)、地�(zhì)�(zāi)害風(fēng)�(xiǎn)間三維空間映射關(guān)��
  2.研發(fā)了基于采�(dòng)巖體失穩(wěn)響應(yīng)的深部采�(chǎng)�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)方法,在陳臺(tái)溝鐵礦可行性研究中采場(chǎng)尺寸�(jì)�、思山嶺鐵�-1020m中段首采礦房�(jié)�(gòu)尺寸�(shè)�(jì)、魯中礦�(yè)公司小官莊鐵礦北區(qū)充填采場(chǎng)�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)、三山島金礦深部采場(chǎng)�(jié)�(gòu)尺寸�(shè)�(jì)等深部礦山設(shè)�(jì)中應(yīng)�;在三山島礦深部采場(chǎng)采用�(yù)控頂支護(hù)及與采場(chǎng)礦壓相適�(yīng)的下向梯段式深孔落礦方法,并在陳�(tái)溝鐵�、思山嶺鐵礦深部首采采�(chǎng)落礦�(shè)�(jì)中應(yīng)�,與傳統(tǒng)的側(cè)向崩落礦石相�,落礦效率顯著提�30%�
  3.研發(fā)的新型抗大變形及巖爆釋能錨桿,在思山嶺鐵礦深部井巷、陳�(tái)溝鐵礦深部井�、通鋼板石礦業(yè)有限公司上青礦,魯中礦業(yè)公司小官莊鐵�、紅透山銅礦深部巷道等�(jìn)行巷道支�(hù),測(cè)試結(jié)果表�,新型釋能支�(hù)系統(tǒng),能抵抗多次往�(fù)沖擊,與類似錨桿�,釋能能力提�10%以上,所支護(hù)的巷道返修率�0�
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