高寒高海拔地下矿山绿色开采技术研究进展

近年来,高寒高海拔矿山建设项目日渐增多,在助力当地经济快速发展的同时,也带来了诸如破坏当地生态环境等系列问题,亟需发展一套适合高寒高海拔矿山资源开发特点的绿色开采技术。笔者结合多年高原矿山开采技术研究经验,认为应从智能采矿方法、尾矿充填、强化通风、安全监控与信息化等方面建立高寒高海拔矿山的绿色开采框架,其中采矿方法应遵循机械化、自动化、智能化的发展方向,降低工人在高原缺氧环境下的作业强度,提高劳动效率。充填工艺需解决低温环境充填料浆输送困难及充填体强度发展缓慢等问题,应发展全尾砂膏体充填技术,提高尾砂利用率,降低地表大量堆存尾砂对自然环境的影响。鉴于高原矿山氧含量不足、通风网络复杂等特点,提出分区增压补氧及按需分时调控的通风思路,并重点对工作面进行除烟降尘强化通风,改善工人的作业环境。为动态监控地表沉降位移及井下作业安全风险,需开展区域及局域地压调控技术研究,并建立高反认知及安全培训体系,持续保障高原地下矿山大规模安全开采。以上形成的高寒高海拔地下矿山绿色开采新成果,探索了高寒高海拔地下矿山绿色开采新路径,具有可行性及很强的创新性,可为其他高原矿山提供技术参考。

金属矿山深井开采中的力学问题研究进展

针对国内外金属矿山深井开采的发展现状和迫切需求,在分析相关矿山深井开采存在问题的基础上,分别从正在开展的研究工作、已取得的研究成果和经验、尚待解决的技术难题等方面论述了当前金属矿山深井开采的相关力学问题。研究表明,深井开采及灾害控制与相关力学基础理论密切相关。综述了金属矿山深井开采中的岩石力学、充填体力学、热力学、流体力学及材料力学研究的最新理论、技术和成果,可为国内外深井开采矿山和相关研究人员提供借鉴和参考。

煤系地层覆盖下铝土矿开采覆岩移动规律数值模拟研究

以山西某煤下铝土矿为研究对象,采用数值模拟方法研究煤下铝土矿开采覆岩移动变形规律。主要研究内容和成果如下:提取了影响煤下铝土矿开采覆岩沉降的主要控制因素,利用FLAC 3D数值模拟软件,分析煤下铝矿块式采场分区放顶开采条件下,不同主控因素的影响及控制作用。揭示了不同采场宽度、采场高度、放顶范围崩落体性质、上覆岩层性质条件下的覆岩移动规律。数值模拟的计算结果以及覆岩移动规律,为构建煤下铝协调开采覆岩裂隙带均匀沉陷控制技术体系提供了依据。

大直径深孔开采关键技术优化研究

为探索低品位厚大矿体大直径深孔开采最优方案,全面改善大直径深孔开采的技术经济指标。以乌兰矿低品位厚大矿体开采为研究对象,优化研究大直径深孔开采凿岩硐室布置方式、炮孔布置孔网参数、底部结构大直径深孔一次爆破成型工艺,开展采矿方法现场工业试验,验证优化方案的可行性并获取相关的技术经济指标。研究结果表明:凿岩硐室点柱宜采用中央条柱布置方式,条柱宽度为2 m,采场炮孔可全部设计施工为垂直孔。沿采场宽度方向布置6排炮孔,炮孔排间距宜调整为3 m,采场炮孔设计总量明显减少;大直径深孔自凿岩硐室底板施工至堑沟底部结构,通过大孔爆破崩矿一次形成堑沟底部结构,大幅降低采场采准周期。低品位厚大矿体大直径深孔开采关键技术优化,可改善低品位矿体大直径深孔开采技术经济指标,为同类矿体的高效开采技术提供借鉴。

考虑压力和温度养护条件的胶结充填体早期强度特性研究

为在实验室模拟矿山原位充填环境的压力、温度等因素对胶结充填体的固结影响,本文设计了一种考虑压力与温度协同控制的胶结充填体养护方法及试验装置。采用该试验装置开展了养护压力与养护温度对胶结充填体早期固结强度的影响研究。结果表明:养护压力、养护温度对胶结充填体早期强度有明显影响;养护压力对充填体早期强度发展有利;随着养护温度升高,胶结充填体强度呈先升高后降低的趋势,养护温度为55℃时,胶结充填体强度呈下降趋势。在养护压力和养护温度的耦合影响下,高温有利于胶结充填体的早期强度发展。

金属矿山充填采矿技术应用研究进展

地下金属矿山固废充填开采技术是实现矿业低碳绿色开发的重要途径,矿山充填不仅可以实现最大限度的回采矿产资源,而且可以实现矿业固废的环保处置。系统回顾了金属矿山充填采矿方法的发展历程,从金属矿山高效率规模化充填采矿、连续充填开采和如何降低充填采矿成本3个方面介绍了最新的技术应用研究进展。首先系统梳理了金属矿山充填工艺的演变发展脉络,总结了涵盖矿山固废充填料浆制备、充填料浆管道输送、充填采场封闭和采场尾砂料浆脱水等全流程充填工艺技术的应用进展和发展趋势。然后研究分析了尾砂充填体非均质特性和尾砂料浆固结力学特性的演化发展机制,并对比分析了传统的采场充填体强度需求解析方法与改进的胶结充填体强度需求计算-设计方法,进而介绍了井下采场充填体质量原位监测与分析评价方法。基于上述研究进展综述,得出矿山充填采矿方法变革是实现高效率、规模化、低成本充填采矿的核心要素,矿山全流程充填工艺创新是稳定制备与使用高质量充填料浆的必要举措,深入研究采场充填体力学作用机理问题是确保充填采矿技术安全、绿色、经济、便捷应用的本质要求。最后阐明了充填采矿领域未来应重点关注的研究方向,指出加快发展绿色低碳充填新技术、新材料与新装备是助推金属矿山充填转型发展的动力引擎。

金属非金属矿山安全标准化体系流程化表征研究

本文针对金属非金属矿山安全标准化体系及信息系统难以有效推动落实的难题,提出"安全管理流程化,管理流程表单化"思想,开展了矿山安全标准化体系流程化表征方法研究。分析并构建了矿山安全标准化体系各子要素间的内在逻辑关系,确定了危险源辨识与风险评价及安全检查两个核心要素的相关业务,提出了矿山安全标准化体系流程化表征方法,并对两个核心要素的业务流程进行了流程化表征,确定了各个业务流程附属表单的主要内容。通过矿山安全标准化体系流程化表征,将矿山人机环管多维因素纳入业务工作流,通过工作流驱动矿山安全标准化体系PDCA持续运行,也为矿山安全标准化信息管理系统开发奠定基础。

矿山尾砂胶结充填体抗拉强度测试方法研究进展

矿山尾砂胶结充填是实现金属矿绿色开采的重要技术载体,尾砂胶结充填体抗拉力学性能是影响矿山采场充填体整体稳定性以及确保相邻采场安全高效充填采矿的关键要素。科学、准确测量尾砂胶结充填体抗拉强度是确保矿山充填材料强度合理设计的重要环节。尾砂胶结充填材料属于低强度材料,我国尚无针对尾砂胶结充填材料抗拉性能的统一试验方法或测试标准。系统回顾了矿山充填材料抗拉强度测试方法的应用情况,并指出了当前借鉴混凝土、岩土工程等领域抗拉强度测试方法存在的问题。从抗拉强度直接拉伸测试方法、抗拉强度间接拉伸测试方法和适用于尾砂胶结充填材料的抗拉强度测试方法创新3个方面介绍了最新的测试方法研究应用进展。首先系统梳理总结了4种直接拉伸测试方法及其应用场景,然后研究分析了3种间接拉伸测试方法及其应用条件,并对比分析了两大类不同测试方法的优缺点。在研究分析上述测试方法的基础上,并考虑尾砂胶结充填材料的力学特性,创新发明了一种“工字型”尾砂胶结充填体抗拉强度测试法,研发了相应的压-拉转换装置,实现了用单轴压缩的方式开展胶结充填体试样直接拉伸测试。经中国和加拿大相关矿山和研究机构验证,该方法是适用于矿山尾砂胶结充填材料抗拉性能测试的科学方法,目前已被国际矿业咨询机构—Paterson&Cooke公司、加拿大2家矿业公司、中国3家矿业公司采用,可为国内外金属矿山充填采矿研究与设计提供参考与技术支撑。

矿山原位环境尾砂胶结充填体力学性能研究进展

尾砂胶结充填体养护过程受采场原位温度、压力、孔隙水压力等因素影响,导致实验室制备的尾砂胶结充填体试样与相同物料配比的采场原位充填体取芯试样的力学性能存在显著差异。精准预测尾砂胶结充填体在采场原位环境下的力学性能是确保矿山充填配比参数设计合理、经济的重要前提。目前,国内外学者针对单一环境因素对尾砂胶结充填体力学性能的影响取得了丰富的研究成果,但有关多环境因素耦合下尾砂胶结充填体力学性能的定量研究并不充分。系统介绍了采场原位环境下尾砂胶结充填体力学性能的研究现状,从养护压力、养护温度、孔隙水压力和充填体养护装置四个方面介绍了国内外研究进展。首先系统梳理了养护压力、养护温度和孔隙水压力三种采场原位环境因素对尾砂胶结充填体强度影响研究。然后分析了现有充填体养护装置的优缺点。矿冶科技集团在此基础上创新发明了一种“矿山充填原位环境物理孪生试验装置”,该装置能够在室内模拟采场原位环境的温度、压力和孔隙水压力的养护条件,实现采场原位环境因素对尾砂胶结充填体力学性能影响的定量化研究。

基于地压监测的采空区稳定性评估方法研究

通过对国内外采空区稳定性地压监测评估方法现状分析,综合考虑微震事件的能量-空间-时间分布特征及多种监测技术手段,提出了微震事件时空演化规律、微震能量指数与累积视体积之比EV、微震b值、多参数融合等4种采空区稳定性评估方法。然后,在普朗铜矿、亚克斯矿、寿王坟矿等矿应用了这些方法,分析这些采空区影响下顶板、地表、巷道围岩破裂发展的发育演变规律,与现场实际相契合,验证了这些方法的有效性。

甲玛铜多金属矿破碎软岩巷道分级支护体系研究

针对甲玛多金属矿二期工程现有巷道围岩稳定性分类方法无法有效指导巷道支护设计的现状,基于ShapeMetrix3D近景摄影技术的工程地质调查和围岩物理力学性质试验,建立了统计区域范围内的三维岩体质量评价模型,结合甲玛矿区二期范围内的岩体质量评价体系,给出了Ⅱ~Ⅳ岩体支护标准和支护体系,制定了Ⅱ~Ⅳ岩体的巷道支护方案和支护技术参数,形成了一套适用于甲玛矿区二期区域并且可以长期使用和参考的分级支护体系标准,为甲玛矿区支护设计、施工提供技术指导,具有较高的工程应用价值。

某矿山露天-地下联合开采产能衔接方案研究

为充分开发利用地下资源,延长某露天矿山服务年限,某矿山计划采用露天-地下联合开采的方式回采矿山资源,而联合开采期间的产能衔接是影响矿山资源利用和经济效益的重要因素。本文通过分析矿山资源、矿体产状、开采方式等因素对地下采场进行分区,并计算出地下采场生产能力,最终提出了露天产能配合地下产能的生产衔接方案。

甲玛铜多金属矿盘区合理回采顺序动态模拟研究

在甲玛铜多金属矿地上地下并行大规模开采的复杂条件下,针对地下二期复杂厚大矿体的安全高效回采问题,综合分析矿山开采现状的基础上,提出2种盘区回采顺序方案,采用数值模拟方法对不同的盘区回采方案进行了分析优选,通过对比分析不同回采顺序条件下采场等关键部位的应力、位移的动态响应特性,确定盘区间隔回采方案最佳,该方案可为地下二期矿体安全高效开采提供技术支持。

缓倾斜极薄钨矿资源绿色开采技术研究

某钨矿为缓倾斜极薄矿体,矿体平均倾角约25°,厚度平均0.4 m,采用全面采矿法开采,回采过程中留下来大量的不规则矿柱,整体回采率仅为65%左右,资源损失严重,难以达到地下矿山开发利用回采率的指标和绿色开采的要求。本文通过对该钨矿山开展绿色开采技术研究,分析采空区的充填治理方案,确定经济合理的空区充填参数。同时采用理论分析,空区充填改变围岩受力状态的同时,最大限度的回收矿柱资源。根据矿山不同采场的围岩条件和开采技术条件,通过采场顶板暴露面积研究,提出了三种采场矿柱的回收技术方案,并在该矿山推广应用,经济效益显著。

金属非金属矿山双重防控体系信息管理系统设计方法研究

本文针对金属非金属矿山双重防控体系运行过程中风险辨识与评价不及时、安全检查不到位、隐患排查与治理不闭环等问题,研究金属非金属矿山双重防控体系信息管理系统设计与功能模块的实现过程。基于金属非金属矿山双重防控体系的建设思想和要求,结合数字化处理和互联网传输技术,探讨设计了由数据层、功能层、用户层和接入层构成的系统总体架构;通过分析双重预防机制的内部规律和关联逻辑关系,构建了风险管理、安全检查和隐患闭环管理三个核心业务模块的动态运行任务流程;运用流程化表征方法对矿山人机环管涉及的业务流程进行了流程化表征,开发了双重防控体系流程运转程序和表单化表征。最终实现了双重防控机制安全信息的实时传递和即时推送,推动了矿山全岗位职责全流程闭环管控运行,有效提升了金属非金属矿山企业安全管理水平。

束状孔分层落矿采矿方法研究

针对球形药包分层崩落采矿法落矿分层厚度小、采场生产能力较低的问题,基于束状孔爆破理论,研发束状孔分层落矿采矿方法。束状孔爆破具有增强破岩作用的爆破效应。4~5个炮孔组成的束状孔,采用当量球形药包装药,爆破分层高度为单孔球形药包爆破的2~3倍。束状孔分层落矿采矿方法采用束状深孔当量球形药包漏斗爆破,束状炮孔间距7~8 m,采用普通工业炸药爆破。每次分层爆破落矿高度5~8 m,贫化率8%,损失率10%,大块率<5%,采场生产能力1 800~2 400 t/d。与单孔球形药包爆破VCR法比较,大块率降低10%~20%,采场生产能力提高1倍以上。束状孔分层落矿采矿方法是一种适用于厚大矿体、中厚急倾斜矿体的大规模高效开采方法。

束状孔双漏斗爆破分段采矿法研究

采用束状孔当量球形药包(ESC)漏斗爆破分层落矿,爆破落矿的分层高度为单漏斗爆破的高度,且同一炮孔中需进行多次分层爆破,可造成分层爆破顶板不平整、塌孔等问题。基于束状孔爆破理论,通过现场试验,确定漏斗爆破参数,研发了束状孔双漏斗爆破分段采矿法。该方法矿块中布置平行束状炮孔,炮孔内分上下两层布置药包。药包同时起爆,爆破方向分别指向分段采场上部的凿岩硐室及下部的临空面,实现分段采场组合爆破漏斗水平落矿。一次爆破分段的高度为两组爆破漏斗深度及间隔距离之和。分段高度14~20 m,一次崩落爆破规模达10万t级,矿石回采率≥85%,贫化率≤10%,大块率<5%,采场生产能力≥2500 t/d。该方法解决了爆破过程中炮孔破坏问题,并增加了采场一次爆破的规模,极大提高了采矿效率。

地下沉积型磷矿悬臂式掘进机机械采掘试验研究

为解决某沉积型地下磷矿矿山开采遇到的成本高、效率低、安全风险大等问题,提出了机械落矿代替传统钻爆法落矿的技术思想,采用悬臂式掘进机进行机械采掘试验研究。首先根据矿山基本概况进行机械破岩可行性分析,选择合适的悬臂式掘进机装备进行落矿试验。然后对试验期间悬臂式掘进机的回采情况、设备运行指标及经济指标进行了详细测算与分析。试验结果证明,该技术适配沉积型地下磷矿的生产需求,可以有效解决开采过程中遇到的生产难题。研究成果具有重要的实用价值和意义。

充填体下切割天井一次爆破成井技术研究与应用

爆破成井是中深孔或深孔采矿方法中关键的一个工艺,主要包括分次或一次爆破成井方式。在中深孔采矿工艺中,切割天井是重要的采切工程,通常采用普通法、吊罐法或爬罐法进行施工,存在较大的安全隐患,并且掘进效率较低,严重影响矿山生产。近年来,三山岛金矿下向中深孔分段采矿面临充填体下中深孔采场切割天井的施工难题,研究了直孔掏槽法切割天井的一次爆破成井技术及应用效果。通过爆破参数计算,选用装药孔直径Φ65 mm、补偿空孔直径Φ110 mm的钻孔孔径,综合考虑确定了装药孔与空孔之间的距离为0.3 m,能够满足爆破补偿空间及自由面的要求。结合矿岩稳固条件,选用9孔掏槽方式,进而制定了炮孔布置方案,即掏槽孔设计1个中心装药孔,12个空孔作为补偿孔,辅助孔4个,周边孔12个,共计29个孔。在确定炮孔堵塞长度、炸药选择、装药结构、微差时间、起爆顺序等工艺参数之后,开展了切割天井的现场工业试验。试验表明:切割天井一次爆破成井方案是可行的,爆破块度均匀,无大块和过粉现象,爆破扰动小,爆破成形规格满足设计要求,爆破效果良好,为其它类似条件的切割天井一次爆破技术应用提供了参考依据。

含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术研究

含夹层或软弱破碎带矿体开采一直是矿业界难题。现阶段针对此类矿体,一般是对矿体上下盘采用不同的采矿方法进行适应性开采,但大部分矿山受地质特征、作业安全、采矿成本等因素制约,通常采用采易弃难的回采方式,造成了矿产资源的永久损失。以“协同开采”理念为指导,提出了一种含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术,即预先回采夹层或软弱破碎带,实现回采工序协同作业以及地压协同管理,从源头上解除安全隐患,为后续矿体开采创造安全的技术条件,最大化发挥协同开采的技术价值。以国内某磷矿与某铜多金属矿为例,针对其特定的开采技术条件,以夹层剔除与切割槽作业协同实施为核心,制定了矿体内含不同厚度夹层与上下盘矿体的协同开采方案;同时基于地压协同或环境再造理念,发展了一种软弱破碎氧化带矿体协同开采方法,实现了软弱破碎氧化带矿体的安全高效回采。所提出的协同开采方案为国内类似矿体开采提供了技术参考,在一定程度上提升了“协同开采”理念在类似复杂难采矿体开采中的实践指导价值。