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、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、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計研究總院有限公司
項目簡介
根據我國自然資源部發(fā)布的《中國礦產資源報告（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，上述金屬礦產資源中1000m以深資源占比25%以上。深部開采已經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、高原巖應力、高承水壓力等特殊復雜采礦環(huán)境，深部地壓問題嚴重威脅礦山的開采效率和安全生產，強采動應力誘發(fā)節(jié)理裂隙發(fā)育的采場礦巖體極易誘發(fā)采場圍巖體產生片落、巖爆等災害，甚至造成采場圍巖體產生大范圍垮冒，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：構建礦山三維工程災害地質模型
地質巖芯富含豐富的巖體質量與巖體力學信息、地質數據、剖面數據等，通過巖石力學實驗、巖體質量分級、巖體力學參數估算方法等，研究地質勘探鉆孔巖芯隨鉆孔深度變化地質災害的工程屬性，建立礦區(qū)的地質力學信息，巖體質量等數據，通過地質統(tǒng)計學，對礦區(qū)地質力學的空間結構性規(guī)律，相關性等進行分析，并通過克里金估計，距離反比法，序貫高斯模擬三種算法，構建礦區(qū)尺度的地質力學信息模型（圖1），用以評判礦區(qū)災害風險與采礦工程布置設計，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、歸一化處理，通過三維可視化建模平臺，實現(xiàn)深部礦巖體地質災害建模與數據存儲，得到了含地質災害風險等級的三維地質模型，揭示深部未采動礦巖體地質災害風險。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、數值分析，巷道巖體穩(wěn)定性分級法提供參數與科學依據。構建的三維模型是礦區(qū)災害的有機部分，通過對劣質巖體空間位置揭露，更好的實行超前預防與防治，保證礦山安全、高效的生產。
圖1 礦山三維工程災害模型
創(chuàng)新成果二：深部差異化采動巖體損傷本構
針對遠場與開挖邊界均為軸對稱應力的圓形開挖體軸對稱平面應變解析模型，通過自相似轉換將模型塑性區(qū)轉化為單位平面圓環(huán)，并建立圓環(huán)內圍巖應力變形自相似形式控制方程以及相應離散方程，以塑性區(qū)邊界以及開挖邊界應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)應力、變形與破壞數值計算。以廣義應變軟化本構模型（包含彈脆性本構與理想彈塑性本構）為基礎，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常數軟化參數，用于差異化采動巖體的廣義應變軟化本構模型。采用廣義Hoek-Brown屈服準則與與非關聯(lián)流動法則構建圓形開挖體圍巖應變、變形與破壞自相似形式控制方程，以塑性區(qū)邊界與開挖邊界應力變形分布為邊界條件，結合龍格庫塔算法形成差異化采動下圓形開挖體圍巖應力、變形與破壞數值計算方法，提出一種應變軟化巖體采用廣義Hoek-Brown屈服準則的圓形開挖體圍巖應力、變形與破壞自相似數值算法，豐富了深部采動巖體損傷機制基本本構模型數據庫，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。
創(chuàng)新成果三：基于采動巖石失穩(wěn)響應的深部采場結構設計方法
深部采場處于“高應力、高巖溫、高承水壓力、強開采擾動”開采技術條件，仍然采用淺部“經驗法”、“工程類比法”和依據“查手冊”為主的采場結構設計方法已不能滿足安全生產的需求。針對穩(wěn)定性圖表目前存在的問題，搜集大量國內外礦山數據對其改進優(yōu)化，使其更適用于深部采場結構設計。從地質構造、礦體產狀、巖石力學等基礎條件出發(fā)，充分考慮深部開采誘發(fā)的采動應力與采場圍巖體相互作用響應特征，以采場形狀、采動地壓為主要變量，引入系統(tǒng)科學、數學等理論，研發(fā)采場結構量化設計方法（圖2）。根據對巖石擴容特性的分析，提出了利用巖石擴容應力對應的橫向應變作為采動巖體失穩(wěn)的判據，并基于巖體質量分級與巖體力學參數估算，建立了采動巖體失穩(wěn)的臨界應變表達式。通過調查統(tǒng)計分析國內外大量的硬巖單軸壓縮試驗數據，探討了完整硬巖臨界應變與彈性模量、擴容應力的關系、巖體臨界應變與變形模量、巖體擴容應力的關系；提出用采動巖體失穩(wěn)安全系數（FS）表征采動巖體失穩(wěn)的形態(tài)，并通過現(xiàn)場觀測和數值模擬完成驗證。
圖2 深部采場結構設計方法
創(chuàng)新成果四：研發(fā)深部采場預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環(huán)境嚴重劣化，采動災害加劇，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，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。
圖3 深部采場預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。其在高應力作用下，變形模塊可以產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生一定的滑移，有效釋放集聚在巖體內的動能。新型釋能錨桿建立本構模型，該力學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.構建的礦山三維可視化工程災害模型，在陳臺溝鐵礦、中金紗嶺金礦、三山島金礦、大柴旦礦業(yè)有限公司應用，建立的礦山三維可視化工程地質災害風險與采掘工程融合模型，真實表達巖體力學、巖體質量等級、地質災害風險等與數值模型、采掘工程設計的空間映射關系，特別直觀展現(xiàn)采掘工程設計與復雜地質結構、地質災害風險間三維空間映射關系。
2.研發(fā)了基于采動巖體失穩(wěn)響應的深部采場結構設計方法，在陳臺溝鐵礦可行性研究中采場尺寸計算、思山嶺鐵礦-1020m中段首采礦房結構尺寸設計、魯中礦業(yè)公司小官莊鐵礦北區(qū)充填采場結構設計、三山島金礦深部采場結構尺寸設計等深部礦山設計中應用；在三山島礦深部采場采用預控頂支護及與采場礦壓相適應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計中應用，與傳統(tǒng)的側向崩落礦石相比，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，測試結果表明，新型釋能支護系統(tǒng)，能抵抗多次往復沖擊，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。
