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一、研究的背景与问题

21世纪的中国已进入快速工业化的重要发展阶段，国民经济的发展对黑色金属、有色金属及黄金等金属原材料的需求快速增长，今后20～30年，资源消耗强度将进入高峰期，资源供需矛盾将更加突出，进口量和对外依存度不断上升。矿产资源已广泛应用于国民经济、国防工业和高科技产业，钢铁和有色金属的产量是国家综合国力的体现。人类在向大自然索取资源的过程中进行了大量的采矿活动，各种自然资源需求的快速增长促进了采矿工业的迅猛发展，同时产生了与采矿工业有关的环境和安全问题。随着金属非金属矿山开采技术和装备的不断进步，开采规模大，开采强度高，矿山开采过程中应力不断发生变化，由己采采场向周边转移，因而未采采场和预留矿柱有可能在高集中应力下破坏，直接影响开采的安全。对上部存在富含水层的矿山，一旦下部的岩体受到破坏，裂隙贯通到富含水层，则大量的水将涌入井下，造成淹井的可能。同样，大面积、多采区、多盘区、多采场集中开采的通风，容易造成通风短路，有毒有害气体无法有序排出，直接给生产安全带来威胁。

综上所述，深部开采中所面临的地压灾害、采矿技术、生产成本、通风热温以及工人健康等诸多问题，是一个复杂的系统问题。需要把这些致灾因素同深井采矿方法与系统的根本性变革结合起来，研发深部开采过程地压动态“主动”调控技术，形成深部重大工程灾害防治与矿产资源高效开采相结合的深部金属矿安全开采新模式和理论体系，是解决深井开采所面临的重大技术难题和实现深部金属矿床安全高效开采与灾害防控的重要途径。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目的提出就是以国内典型矿山为依托，联合中国科学院武汉岩土力学研究所、清华大学、东北大学等国内知名科研院所，考虑深井开采中的“高应力、高井温、高井深”等制约、影响安全开采的因素，重点研究深部高应力场的分布规律及其深部开采的扰动规律，揭示深部开采地压随采动影响的规律，形成新的深部金属矿床安全高效开采模式，研究成果对提升我国深部金属矿床的安全高效开采水平，具有较强的推广性和示范性。

项目主要内容包括四方面：1）复杂条件与超大规模深井矿山开采扰动分布规律及冒落塌陷过程预测；2）大规模开采铁矿山充填系统料浆制备与深井自流输送关键技术研究；3）金属矿山深井地温分布规律及通风降温控制技术研究；4）深部金属矿山开采扰动下的围岩稳定性评价及灾害预警技术研究。

本技术的提出是以国内典型矿山为依托，考虑深井开采中的“高应力、高井温、高井深”等制约、影响安全开采的因素，重点研究深部高应力场的分布规律及其深部开采的扰动规律，揭示深部开采地压随采动影响的规律，形成新的深部金属矿床安全高效开采模式。

三、主要创新性成果

项目研究围绕深部金属矿床安全高效开采关键技术开展。项目在研究、应用过程中形成的主要创新点如下：

1、新开发的崩落法模拟模块能够实现围岩的冒落、运移和充填采场模拟，有效地反映了崩落法开采的核心问题。

图1. 围岩冒落过程计算

2、研发了制备能力大、可自动控制的大规模开采铁矿山全尾砂胶结充填连续制备系统；设计了大流量、大垂深管道自流输送减阻与减振装置。

图2. “一键充填”智能管控系统

3、建立了深部金属矿山复杂井下环境的三维通风网络，提出了针对不同季节的经济实用的通风降温控制方案，将工作面温度降低2～3℃。

图3. 三维通风解算

4、建立了微震和声发射技术相结合的开采扰动下围岩局部稳定性和整体稳定性评价方法，建立了基于微震多参数的地压岩爆预警技术，改善了由单一判据进行地压岩爆预警的局限性。

图4. 微震事件分布规律

四、应用情况与效果

项目成果具有良好的推广应用前景，通过在海南铁矿、张庄铁矿应用，取得了如下效果：

1）研究成果应用于海南矿业股份有限公司昌江石碌铁矿，重新确定了由于开采引起的地表移动范围，优化了塌陷区降雨迳流渗入量，节省企业投资540余万元，新增利润4000余万元。

图5. 降雨迳流渗入量估算分区

2）研究成果应用于安徽马钢张庄矿业有限责任公司张庄铁矿，提出了采用深锥浓密工艺的全尾砂胶结充填连续制备系统方案，项目基建投资减少约2400万元，吨矿充填成本节省11.12元，节约占地面积约1600m2。

图6. 连续充填制备系统

信息来源:中冶北方（大连）工程技术有限公司

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