完成人
趙興東、代碧波、李元輝、胡軍生、汪為平、李振華、姜洪波、周 鑫、白 夜、于文龍、孫曉剛、趙一凡、鄧 磊、曾 楠、朱乾坤
完成單位
東北大學(xué)、中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司、鞍山五礦陳臺溝礦業(yè)有限公司、河南理工大學(xué)、中國有色集團撫順紅透山礦業(yè)集團有限公司、中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計研究總院有限公司
項目簡介
根據(jù)我國自然資源部發(fā)布的《中國礦產(chǎn)資源報告（2020）》披露，截止至2020年，我國已探明的鐵礦資源儲量864.08億t，黃金資源儲量14131.06t，鉛鋅資源儲量9572.2萬t，銅資源儲量10971.55萬t，上述金屬礦產(chǎn)資源中1000m以深資源占比25%以上。深部開采已經(jīng)成為我國金屬礦床開采的重要組成部分，諸如：陳臺溝鐵礦、思山嶺鐵礦、遼寧紅透山銅礦等。深部開采是處于高井深、高原巖應(yīng)力、高承水壓力等特殊復(fù)雜采礦環(huán)境，深部地壓問題嚴重威脅礦山的開采效率和安全生產(chǎn)，強采動應(yīng)力誘發(fā)節(jié)理裂隙發(fā)育的采場礦巖體極易誘發(fā)采場圍巖體產(chǎn)生片落、巖爆等災(zāi)害，甚至造成采場圍巖體產(chǎn)生大范圍垮冒，造成采場二次貧化、阻斷礦石采出，極易造成采場失穩(wěn)、損失貧化加劇、甚至無法開采。
取得的主要創(chuàng)新成果
創(chuàng)新成果一：構(gòu)建礦山三維工程災(zāi)害地質(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、地質(zhì)數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)等，通過巖石力學(xué)實驗、巖體質(zhì)量分級、巖體力學(xué)參數(shù)估算方法等，研究地質(zhì)勘探鉆孔巖芯隨鉆孔深度變化地質(zhì)災(zāi)害的工程屬性，建立礦區(qū)的地質(zhì)力學(xué)信息，巖體質(zhì)量等數(shù)據(jù)，通過地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)，對礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)的空間結(jié)構(gòu)性規(guī)律，相關(guān)性等進行分析，并通過克里金估計，距離反比法，序貫高斯模擬三種算法，構(gòu)建礦區(qū)尺度的地質(zhì)力學(xué)信息模型（圖1），用以評判礦區(qū)災(zāi)害風(fēng)險與采礦工程布置設(shè)計，基于改進的克里金插值算法對呈規(guī)律性“離散”勘探鉆孔進行同源異構(gòu)、歸一化處理，通過三維可視化建模平臺，實現(xiàn)深部礦巖體地質(zhì)災(zāi)害建模與數(shù)據(jù)存儲，得到了含地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級的三維地質(zhì)模型，揭示深部未采動礦巖體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。礦床的安全高效開采，以及后續(xù)的地壓防控。研究成果為后續(xù)采礦工程涉及的定量計算、數(shù)值分析，巷道巖體穩(wěn)定性分級法提供參數(shù)與科學(xué)依據(jù)。構(gòu)建的三維模型是礦區(qū)災(zāi)害的有機部分，通過對劣質(zhì)巖體空間位置揭露，更好的實行超前預(yù)防與防治，保證礦山安全、高效的生產(chǎn)。
圖1 礦山三維工程災(zāi)害模型
創(chuàng)新成果二：深部差異化采動巖體損傷本構(gòu)
針對遠場與開挖邊界均為軸對稱應(yīng)力的圓形開挖體軸對稱平面應(yīng)變解析模型，通過自相似轉(zhuǎn)換將模型塑性區(qū)轉(zhuǎn)化為單位平面圓環(huán)，并建立圓環(huán)內(nèi)圍巖應(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)邊界以及開挖邊界應(yīng)力變形分布為邊界條件，運用龍格庫塔法進行單位平面圓環(huán)或圍巖塑性區(qū)應(yīng)力、變形與破壞數(shù)值計算。以廣義應(yīng)變軟化本構(gòu)模型（包含彈脆性本構(gòu)與理想彈塑性本構(gòu)）為基礎(chǔ)，將Hoek-Brown屈服準則（a=0.5）拓展至廣義Hoek-Brown屈服準則(a≥0.5)情況，由此形成包含Hoek-Brown常數(shù)軟化參數(shù)，用于差異化采動巖體的廣義應(yīng)變軟化本構(gòu)模型。采用廣義Hoek-Brown屈服準則與與非關(guān)聯(lián)流動法則構(gòu)建圓形開挖體圍巖應(yīng)變、變形與破壞自相似形式控制方程，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下圓形開挖體圍巖應(yīng)力、變形與破壞數(shù)值計算方法，提出一種應(yīng)變軟化巖體采用廣義Hoek-Brown屈服準則的圓形開挖體圍巖應(yīng)力、變形與破壞自相似數(shù)值算法，豐富了深部采動巖體損傷機制基本本構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫，研究成果為深部差異化采動巖體穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。
創(chuàng)新成果三：基于采動巖石失穩(wěn)響應(yīng)的深部采場結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
深部采場處于“高應(yīng)力、高巖溫、高承水壓力、強開采擾動”開采技術(shù)條件，仍然采用淺部“經(jīng)驗法”、“工程類比法”和依據(jù)“查手冊”為主的采場結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已不能滿足安全生產(chǎn)的需求。針對穩(wěn)定性圖表目前存在的問題，搜集大量國內(nèi)外礦山數(shù)據(jù)對其改進優(yōu)化，使其更適用于深部采場結(jié)構(gòu)設(shè)計。從地質(zhì)構(gòu)造、礦體產(chǎn)狀、巖石力學(xué)等基礎(chǔ)條件出發(fā)，充分考慮深部開采誘發(fā)的采動應(yīng)力與采場圍巖體相互作用響應(yīng)特征，以采場形狀、采動地壓為主要變量，引入系統(tǒng)科學(xué)、數(shù)學(xué)等理論，研發(fā)采場結(jié)構(gòu)量化設(shè)計方法（圖2）。根據(jù)對巖石擴容特性的分析，提出了利用巖石擴容應(yīng)力對應(yīng)的橫向應(yīng)變作為采動巖體失穩(wěn)的判據(jù)，并基于巖體質(zhì)量分級與巖體力學(xué)參數(shù)估算，建立了采動巖體失穩(wěn)的臨界應(yīng)變表達式。通過調(diào)查統(tǒng)計分析國內(nèi)外大量的硬巖單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)，探討了完整硬巖臨界應(yīng)變與彈性模量、擴容應(yīng)力的關(guān)系、巖體臨界應(yīng)變與變形模量、巖體擴容應(yīng)力的關(guān)系；提出用采動巖體失穩(wěn)安全系數(shù)（FS）表征采動巖體失穩(wěn)的形態(tài)，并通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬完成驗證。
圖2 深部采場結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
創(chuàng)新成果四：研發(fā)深部采場預(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)環(huán)境嚴重劣化，采動災(zāi)害加劇，仍采用傳統(tǒng)采礦方法及落礦方式，極易造成深部采場垮冒，嚴重威脅井下作業(yè)人員及裝備的安全。針對上向中深孔落礦極易造成采場頂板垮冒這一問題，開發(fā)了深部采場預(yù)控頂下向中深孔落礦方法（圖3），采場頂板受采動影響小，地壓防控簡便，鑿巖和出礦工序可同時進行，彌補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，采場頂板受采動過程影響小，更適用于金屬礦在回采深部礦體時使用。通過在深部采場采用下向梯段式深孔爆破落礦技術(shù)，落礦效率提高35%，安全性好。研究成果為深部采場落礦提供了新技術(shù)。
圖3 深部采場預(yù)控頂與下向深孔梯段式爆破落礦方法
創(chuàng)新成果五：研制新型抗巖爆釋能支護系統(tǒng)
針對國際上現(xiàn)有釋能錨桿存在的問題，研發(fā)了一種既具有Cone錨桿的整體滑移能力，又具有D錨桿多點錨固作用的新型J釋能錨桿（圖4）。新型J釋能錨桿由攪拌模塊、錨固模塊、變形模塊螺紋段和附屬部件組成，其中攪拌模塊能夠快速均勻地攪拌樹脂或水泥等錨固劑。其在高應(yīng)力作用下，變形模塊可以產(chǎn)生一定的彈塑性變形，并對圍巖起到一定的讓壓作用；錨固模塊保證多點錨固提高整體錨固力，同時在巖爆等動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內(nèi)的動能。新型釋能錨桿建立本構(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進而變形的過程，黏塑性體模擬錨桿錨固模塊受沖擊荷載進而滑移釋放能量的過程。
圖4 J釋能錨桿
在加拿大Canmet國家實驗室進行新型釋能錨桿的靜力拉拔實驗和動力沖擊實驗。靜止拉拔實驗結(jié)果表明：釋能錨桿的靜止拉拔力在 170KN以上，最大拉拔力為194.75KN。釋能錨桿動力沖擊實驗（圖XX）結(jié)果表明：新型釋能錨桿的總釋能能力為58.5kJ，每輸入19kJ能量，釋能錨桿產(chǎn)生60~270mm位移時，動載屈服能力為：80~100t。該釋能錨桿能抵抗多次往復(fù)動力沖擊，具有高剪切剛度和強度。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%，多次動力沖擊條件下釋能能力提升≥10%。
實施效果
1.構(gòu)建的礦山三維可視化工程災(zāi)害模型，在陳臺溝鐵礦、中金紗嶺金礦、三山島金礦、大柴旦礦業(yè)有限公司應(yīng)用，建立的礦山三維可視化工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險與采掘工程融合模型，真實表達巖體力學(xué)、巖體質(zhì)量等級、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等與數(shù)值模型、采掘工程設(shè)計的空間映射關(guān)系，特別直觀展現(xiàn)采掘工程設(shè)計與復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險間三維空間映射關(guān)系。
2.研發(fā)了基于采動巖體失穩(wěn)響應(yīng)的深部采場結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在陳臺溝鐵礦可行性研究中采場尺寸計算、思山嶺鐵礦-1020m中段首采礦房結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、魯中礦業(yè)公司小官莊鐵礦北區(qū)充填采場結(jié)構(gòu)設(shè)計、三山島金礦深部采場結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計等深部礦山設(shè)計中應(yīng)用；在三山島礦深部采場采用預(yù)控頂支護及與采場礦壓相適應(yīng)的下向梯段式深孔落礦方法，并在陳臺溝鐵礦、思山嶺鐵礦深部首采采場落礦設(shè)計中應(yīng)用，與傳統(tǒng)的側(cè)向崩落礦石相比，落礦效率顯著提高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、陳臺溝鐵礦深部井巷、通鋼板石礦業(yè)有限公司上青礦，魯中礦業(yè)公司小官莊鐵礦、紅透山銅礦深部巷道等進行巷道支護，測試結(jié)果表明，新型釋能支護系統(tǒng)，能抵抗多次往復(fù)沖擊，與類似錨桿比，釋能能力提高10%以上，所支護的巷道返修率為0。
