冶金科技奖一等奖 | 深部金属矿采动地压防控及其工程应用
完成人
赵兴东、代碧波、李元辉、胡军生、汪为平、李振华、姜洪波、周 鑫、白 夜、于文龙、孙晓刚、赵一凡、邓 磊、曾 楠、朱乾坤
完成单位
东北大学、中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司、鞍山五矿陈台沟矿业有限公司、河南理工大学、中国有色集团抚顺红透山矿业集团有限公司、中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司
项目简介
根据我国自然资源部发布的《中国矿产资源报告（2020）》披露，截止至2020年，我国已探明的铁矿资源储量864.08亿t，黄金资源储量14131.06t，铅锌资源储量9572.2万t，铜资源储量10971.55万t，上述金属矿产资源中1000m以深资源占比25%以上。深部开采已经成为我国金属矿床开采的重要组成部分，诸如：陈台沟铁矿、思山岭铁矿、辽宁红透山铜矿等。深部开采是处于高井深、高原岩应力、高承水压力等特殊复杂采矿环境，深部地压问题严重威胁矿山的开采效率和安全生产，强采动应力诱发节理裂隙发育的采场矿岩体极易诱发采场围岩体产生片落、岩爆等灾害，甚至造成采场围岩体产生大范围垮冒，造成采场二次贫化、阻断矿石采出，极易造成采场失稳、损失贫化加剧、甚至无法开采。
取得的主要创新成果
创新成果一：构建矿山三维工程灾害地质模型
地质岩芯富含丰富的岩体质量与岩体力学信息、地质数据、剖面数据等，通过岩石力学实验、岩体质量分级、岩体力学参数估算方法等，研究地质勘探钻孔岩芯随钻孔深度变化地质灾害的工程属性，建立矿区的地质力学信息，岩体质量等数据，通过地质统计学，对矿区地质力学的空间结构性规律，相关性等进行分析，并通过克里金估计，距离反比法，序贯高斯模拟三种算法，构建矿区尺度的地质力学信息模型（图1），用以评判矿区灾害风险与采矿工程布置设计，基于改进的克里金插值算法对呈规律性“离散”勘探钻孔进行同源异构、归一化处理，通过三维可视化建模平台，实现深部矿岩体地质灾害建模与数据存储，得到了含地质灾害风险等级的三维地质模型，揭示深部未采动矿岩体地质灾害风险。矿床的安全高效开采，以及后续的地压防控。研究成果为后续采矿工程涉及的定量计算、数值分析，巷道岩体稳定性分级法提供参数与科学依据。构建的三维模型是矿区灾害的有机部分，通过对劣质岩体空间位置揭露，更好的实行超前预防与防治，保证矿山安全、高效的生产。
创新成果二：深部差异化采动岩体损伤本构
针对远场与开挖边界均为轴对称应力的圆形开挖体轴对称平面应变解析模型，通过自相似转换将模型塑性区转化为单位平面圆环，并建立圆环内围岩应力变形自相似形式控制方程以及相应离散方程，以塑性区边界以及开挖边界应力变形分布为边界条件，运用龙格库塔法进行单位平面圆环或围岩塑性区应力、变形与破坏数值计算。以广义应变软化本构模型（包含弹脆性本构与理想弹塑性本构）为基础，将Hoek-Brown屈服准则（a=0.5）拓展至广义Hoek-Brown屈服准则(a≥0.5)情况，由此形成包含Hoek-Brown常数软化参数，用于差异化采动岩体的广义应变软化本构模型。采用广义Hoek-Brown屈服准则与与非关联流动法则构建圆形开挖体围岩应变、变形与破坏自相似形式控制方程，以塑性区边界与开挖边界应力变形分布为边界条件，结合龙格库塔算法形成差异化采动下圆形开挖体围岩应力、变形与破坏数值计算方法，提出一种应变软化岩体采用广义Hoek-Brown屈服准则的圆形开挖体围岩应力、变形与破坏自相似数值算法，丰富了深部采动岩体损伤机制基本本构模型数据库，研究成果为深部差异化采动岩体稳定性分析提供理论依据。
创新成果三：基于采动岩石失稳响应的深部采场结构设计方法
深部采场处于“高应力、高岩温、高承水压力、强开采扰动”开采技术条件，仍然采用浅部“经验法”、“工程类比法”和依据“查手册”为主的采场结构设计方法已不能满足安全生产的需求。针对稳定性图表目前存在的问题，搜集大量国内外矿山数据对其改进优化，使其更适用于深部采场结构设计。从地质构造、矿体产状、岩石力学等基础条件出发，充分考虑深部开采诱发的采动应力与采场围岩体相互作用响应特征，以采场形状、采动地压为主要变量，引入系统科学、数学等理论，研发采场结构量化设计方法（图2）。根据对岩石扩容特性的分析，提出了利用岩石扩容应力对应的横向应变作为采动岩体失稳的判据，并基于岩体质量分级与岩体力学参数估算，建立了采动岩体失稳的临界应变表达式。通过调查统计分析国内外大量的硬岩单轴压缩试验数据，探讨了完整硬岩临界应变与弹性模量、扩容应力的关系、岩体临界应变与变形模量、岩体扩容应力的关系；提出用采动岩体失稳安全系数（FS）表征采动岩体失稳的形态，并通过现场观测和数值模拟完成验证。
创新成果四：研发深部采场预控顶与下向深孔梯段式爆破落矿方法
随着开采深度增加地质环境严重劣化，采动灾害加剧，仍采用传统采矿方法及落矿方式，极易造成深部采场垮冒，严重威胁井下作业人员及装备的安全。针对上向中深孔落矿极易造成采场顶板垮冒这一问题，开发了深部采场预控顶下向中深孔落矿方法（图3），采场顶板受采动影响小，地压防控简便，凿岩和出矿工序可同时进行，弥补了在回采效率上的差距。与传统上向孔落矿相比地压调控效果更好，采场顶板受采动过程影响小，更适用于金属矿在回采深部矿体时使用。通过在深部采场采用下向梯段式深孔爆破落矿技术，落矿效率提高35%，安全性好。研究成果为深部采场落矿提供了新技术。
创新成果五：研制新型抗岩爆释能支护系统
针对国际上现有释能锚杆存在的问题，研发了一种既具有Cone锚杆的整体滑移能力，又具有D锚杆多点锚固作用的新型J释能锚杆（图4）。新型J释能锚杆由搅拌模块、锚固模块、变形模块螺纹段和附属部件组成，其中搅拌模块能够快速均匀地搅拌树脂或水泥等锚固剂。其在高应力作用下，变形模块可以产生一定的弹塑性变形，并对围岩起到一定的让压作用；锚固模块保证多点锚固提高整体锚固力，同时在岩爆等动力冲击条件下能够使得锚杆在锚固剂中产生一定的滑移，有效释放集聚在岩体内的动能。新型释能锚杆建立本构模型，该力学模型由黏弹性体和黏塑性体并联而成，其中黏弹性体模拟锚杆变形模块受静荷载作用进而变形的过程，黏塑性体模拟锚杆锚固模块受冲击荷载进而滑移释放能量的过程。
在加拿大Canmet国家实验室进行新型释能锚杆的静力拉拔实验和动力冲击实验。静止拉拔实验结果表明：释能锚杆的静止拉拔力在 170KN以上，最大拉拔力为194.75KN。释能锚杆动力冲击实验（图XX）结果表明：新型释能锚杆的总释能能力为58.5kJ，每输入19kJ能量，释能锚杆产生60~270mm位移时，动载屈服能力为：80~100t。该释能锚杆能抵抗多次往复动力冲击，具有高剪切刚度和强度。与国外同类型锚杆相比，新型释能锚杆的静止拔抗力提升≥15%，多次动力冲击条件下释能能力提升≥10%。
1.构建的矿山三维可视化工程灾害模型，在陈台沟铁矿、中金纱岭金矿、三山岛金矿、大柴旦矿业有限公司应用，建立的矿山三维可视化工程地质灾害风险与采掘工程融合模型，真实表达岩体力学、岩体质量等级、地质灾害风险等与数值模型、采掘工程设计的空间映射关系，特别直观展现采掘工程设计与复杂地质结构、地质灾害风险间三维空间映射关系。
2.研发了基于采动岩体失稳响应的深部采场结构设计方法，在陈台沟铁矿可行性研究中采场尺寸计算、思山岭铁矿-1020m中段首采矿房结构尺寸设计、鲁中矿业公司小官庄铁矿北区充填采场结构设计、三山岛金矿深部采场结构尺寸设计等深部矿山设计中应用；在三山岛矿深部采场采用预控顶支护及与采场矿压相适应的下向梯段式深孔落矿方法，并在陈台沟铁矿、思山岭铁矿深部首采采场落矿设计中应用，与传统的侧向崩落矿石相比，落矿效率显著提高30%。
3.研发的新型抗大变形及岩爆释能锚杆，在思山岭铁矿深部井巷、陈台沟铁矿深部井巷、通钢板石矿业有限公司上青矿，鲁中矿业公司小官庄铁矿、红透山铜矿深部巷道等进行巷道支护，测试结果表明，新型释能支护系统，能抵抗多次往复冲击，与类似锚杆比，释能能力提高10%以上，所支护的巷道返修率为0。
