金属矿山

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• 深部有色金属与地热资源协同开发关键技术进展与展望

  李夕兵,陈祉颖,陈江湛,黄麟淇

  我国战略性金属矿开采正向深部迈进,深部矿产与地热资源共采是金属矿深部开采的战略方向,但矿热共采在国际上没有可借鉴的先例,开采面临资源赋存特征复杂、采场热害难调控、矿热资源难回收、协同开采难保障等问题。阐述了深部矿井高地温环境和地热资源化利用的难题以及地热与矿产资源的共生特征,论述了深部矿产和矿井地热协同开发的必要性和可行性,提出了地热与矿产资源协同开发的思路。围绕“变害为利”的指导思想,阐述了矿山地热与矿产资源协同开发的内涵。基于水源热泵技术、充填埋管技术、溶浸采矿技术与新型矿热协同共采技术,提出了矿山超前地热开采协同岩层降温技术体系,详细阐述了该模式的关键技术和工艺流程,探讨了深部矿产资源协同地热开采的重难点及所蕴含的关键科学问题。指出了深部金属矿在矿热协同开发理论与方法上所面临的主要挑战,展望了从热害控制到热能利用的矿热协同调控系统模式发展,为深部矿热资源的安全、高效、智能共采提供理论依据与技术保障。面向“十五五”,该领域研究重点为深部多场耦合环境下矿热资源赋存机制精细表征、高温高应力条件下热能提取与采矿工艺的协同调控、矿热共采系统智能决策与高效运行的关键技术集成等核心难题。研究成果有助于推动深部矿热协同开发从概念创新走向工程现实,为我国深部资源与能源的自主保障提供重要支撑。

• 针-针电极脉冲破岩技术研究进展与展望

  张凤鹏,陈锡楷,刘传义,李欣冉,余晓涛

  针-针电极脉冲破岩技术作为高压电脉冲破岩领域的重要分支,因其在深地资源开发、硬岩高效破碎等工程场景中展现出的定向可控性与绿色环保特性,近年来在岩石力学与智能采矿领域备受关注。系统剖析了高压电脉冲破岩技术的分类体系、作用原理及技术特点,分别从岩石物性微结构效应、水气环境耦合机制及电参数调控规律3 个方面阐述了针-针电极脉冲破岩技术的研究进展。研究表明:① 岩石内矿物成分及孔隙等微结构在电学、力学和热学性能方面的差异导致脉冲放电过程中电场强度、应力场和热场分布不均匀,使得岩石内出现不均匀微破裂,最终导致岩石宏观碎裂;② 等离子通道冲击波在水气介质中的衰减特性与电极形态参数共同决定能量传递效率,存在最优电极间距与脉冲上升沿时间;③ 深部高应力环境下,岩体储能特性与脉冲参数显著影响破碎模式转变阈值。从发展趋势与应用前景看,深地环境应用中电脉冲破岩机理研究应该考虑深部岩体高应力以及高液体压力对破岩效率的影响;电脉冲设备将朝着高能量密度、高频率充放电、小型化和智能调控方向发展,解决高能量密度与体积之间的矛盾,提升系统的实时监测和精准调控能力。智能算法的应用以及高效能量存储和释放技术的突破,将推动特种破岩机器人的发展以适应特殊环境井下矿岩钻掘采需求;综合考虑岩石内在特性、应力等外部环境因素,通过优化回路电阻、电感与等离子通道电阻进行调控,提高电能利用率和破岩效果。

• 中国空场嗣后充填采矿法研究进展与展望

  路增祥,李角群,马强英

  空场嗣后充填采矿法既具有空场法安全、高效和工艺简单的特点,又能有效处理空区和控制岩层移动变形,已成为中国金属矿床地下开采的主流方法之一。基于阶段(分段)空场嗣后充填采矿法的应用现状,介绍了空场嗣后充填采矿法回采工艺的特点,阐述了空场嗣后充填采矿法盘区与矿房布置、矿房结构参数、采场底部结构、充填需求及其对围岩变形抑制的作用机理等方面的研究现状与创新成果,总结了“十四五”期间该方法在采矿方法与工艺、充填材料与充填技术、以及围岩变形与控制等方面研究与应用中仍存在的不足,并展望了未来发展方向。认为空场嗣后充填采矿法在“十五五”乃至更长一段时间内的研究与应用应聚焦于:① 在确保回采安全的前提下,推进大结构参数连续开采研究,以及铲运机出矿+矿卡转运+采区集中溜井放矿相结合的矿石运输工艺研究,提高空场嗣后充填采矿法的采场生产能力,加速空场嗣后充填采矿法的高效智能化发展;② 以提高工业固废综合利用率、提高回采效率和降低充填成本为目的,开发早期强度高、强度增长快且抵御爆破冲击能力强的充填体材料,缩短一、二步骤采场回采的时间间隔,提高阶段的开采强度;③ 以控制地表沉降为目标,建立充填质量评价体系与标准,研究充填材料强度、充填技术等与控制采场、盘区围岩变形和地表沉降需求的匹配特性,降低生产成本;④ 以实现地表变形与沉降的有效控制为目的,探索全尾砂胶结充填体沉缩与空区充填接顶的控制技术,提升采矿方法对矿产资源绿色开采的贡献度;⑤ 以消除不确定因素影响为目标,研发空场嗣后充填采矿的智能化设计与回采过程的智能化管控技术;⑥ 以实现矿山数智化为目标,提升空场嗣后充填采矿法实施过程中的智能决策与装备水平,最终实现“一键管控”的无人开采模式。

• 基于地表沉降控制的废石与尾砂料浆协同嗣后充填研究

  刘庆博,万小军,胡世利,邹伦凯,邱景平

  废石充填开采作为一种高效的采矿方法被广泛使用,但仍面临充填体自立性差、接顶困难和强度不足等问题,废石与尾砂料浆协同充填可解决上述问题。传统方法需将井下废石提升至地表,与尾砂料浆混合制备复合充填体后再输送至井下,工艺复杂且输送难度高。为此,提出了一种废石与尾砂料浆接顶协同充填的新方法,旨在简化充填过程并提高废石充填体性能。以铁岭红印铁矿为工程背景,通过理论计算与数值模拟,系统评估了该方法在采场充填效果及地表沉降控制中应用的可行性。重点探讨了废石充填比例对充填体应力分布、顶板位移及地表沉降的影响。研究表明:提高尾砂料浆比例可显著增强充填体的强度与稳定性;充填体内部以压应力主导,呈“四周小、中间大”的分布特征。尾砂料浆与废石交界区域易发生应力集中;废石比例提高导致充填体可压缩性显著增强,顶板及地表支撑减弱,产生更大位移;当废石比例不超过70%时,充填体能够有效控制顶板下沉,避免大范围塑性贯通,且该条件下地表监测线的最大倾斜变形、曲率、水平变形均在安全规范允许范围内,进一步验证了新充填方法的可行性。本研究通过优化废石高效利用途径,为矿山废弃物资源化利用和绿色采矿技术研发与应用提供了新的理论依据。

• 科技创新赋能绿色矿山建设研究与实践

  周文略,湛景震,范才兵,宋德轩

  随着传统矿山开采模式带来的生态环境破坏和资源浪费问题日益凸显,绿色矿山建设成为矿业发展的重要方向。绿色矿山建设是以保护生态环境、降低资源消耗、追求循环经济为目标,旨在实现矿产资源的可持续开发与利用。科技创新是实现绿色矿山建设的核心之一,是推动矿业向绿色、低碳、可持续方向发展的必由之路。通过分析科技创新在矿山绿色开采技术、生产智能控制、安全环保管理、资源综合利用等方面的意义,揭示了安全高效开采技术、可循环利用技术、自动化智能化技术等先进技术在绿色矿山建设中的重要作用。以中钢矿业公司绿色矿山建设实践为例,展示科技创新深度融入采选工艺、生产智能管控、节能减排、尾矿综合利用、生态环境保护等方面的应用,促进矿山由劳动密集型粗放模式向智能化管控精细开采模式转变,实现矿产资源高效利用、生态环境有效保护和经济社会和谐发展。通过理论分析和实践案例相结合的方式,阐述了科技创新在绿色矿山建设中的关键作用和实践成效,重点分析了科技创新在绿色矿山建设中的应用领域和具体实践,总结了科技创新赋能绿色矿山建设的经验,可为矿业可持续绿色发展提供参考。

• 基于改进RMR的自然崩落法可崩性研究

  李栋,黄敏,苏永定,王晨鸿,甘永刚,童建华,潘从文

  矿岩体的可崩性是决定自然崩落法能否顺利实施的关键因素。为解决可崩性评价方法中部分参数难以获取、评价分数离散性较大的问题,以岩体质量评价方法(RMR14)为基础,通过对其进行改进,并应用于某铜金矿可崩性评价分析。首先以RMR14 法为基础,通过对比基本评价参数获取难易程度,认为岩石可变性参数难以获取,其与岩石单轴抗压强度(USC)之间存在函数关系,相应评分可通过岩石单轴抗压强度得出。其次,通过综合分析各评价指标权重,对各评价指标与评价得分进行函数拟合,实现连续性取值,解决RMR14 评价分数离散性较大的问题,实现对RMR14 法的改进。通过3DMine 软件构建基于改进RMR 评价体系的某铜金矿区三维数字化模型,并依据地质钻孔数据集对该块体模型的每一个块体进行克里格估值,形成评价区域整体可崩性分析模型。最后分别从高程、岩性角度进行可崩性分级评价,形成多层次全方位的评价体系。研究结果表明:使用改进RMR 法得出某铜金矿整体可崩性等级为Ⅲ级,改进后RMR 综合评分为52. 97,属于中等可崩级别;与传统RMR14 法相比,改进RMR 法在缺少部分参数的情况下,能够确保最终评价结果的准确性,为工程岩体质量评价提供了重要参考。

• 露天坑尾矿回填转地下境界矿柱厚度优化取值方法

  王雁杰,胥孝川,顾晓薇,朱振国

  露天坑尾矿回填转地下开采有效提高了露天边坡稳定性,同时解决了尾矿堆存引发的系列环境问题,但回填的尾矿对于地下开采境界矿柱稳定性有不利影响。针对尾矿回填工况条件下的境界矿柱厚度取值问题,提出了一种理论计算与数值模拟相结合的境界矿柱厚度科学取值方法。该方法首先通过修正K. B. 鲁别涅伊特计算公式,将边坡角度和尾矿回填高度2 个因素考虑在内,实现了境界矿柱厚度的初步取值;然后基于修正计算公式所得结果,结合Rhion-FALC3D 耦合数值模拟方法,建立三维数值模型,通过分析地下回采过程中不同厚度境界矿柱的应力、位移、塑性区变化规律,实现境界矿柱厚度取值的进一步优选。以某深凹露天铁矿山为例,对所提方法进行了应用与验证。研究表明:境界矿柱厚度自25 m 至40 m 逐渐增大时,境界矿柱底板的应力与位移呈近似线性降低趋势,位于境界矿柱范围内的塑性区面积逐渐减小直至完全消失。当境界矿柱厚度超过30 m 时,塑性区不再贯通境界矿柱,此时境界矿柱内部的最大拉应力小于岩石抗拉强度。因此,最优境界矿柱厚度应为30 m。研究成果可为该类露天矿坑回填转地下开采方案制定提供参考。

• 基于三维数字化技术的矿岩精细化稳定性分析

  张鹏飞,王贻明,李成龙,武鹏杰,

  矿岩稳定性分析是矿山安全开采的前提,传统的稳定性分析仅针对较大范围的区域,存在一定的局限性。而三维数字化技术可以将矿岩进行精细化稳定性分区,从而提高稳定性分析的准确性。因此,采用三维数字化技术,运用Dimine 软件对某铜矿矿岩三维数字化模型进行了重构,通过收集钻孔RQD 信息,构建了矿区岩层模型以及包含RQD 信息的矿岩三维模型,并开展了矿岩稳定性精细化分析及工程应用。结果表明:不同区域的矿岩稳定性存在较大差异,验证了传统分析方法的局限性以及三维重构模型的优越性。将该模型应用于某铜矿7MU 盘区的稳定性分析与采场设计,提出了针对性设计方案,稳定性较好的盘区北段采场宽度不超过11 m,稳定性较差的盘区南段采场宽度不超过9 m,显著提升了矿山开采的精细化水平。研究结果为矿山设计与优化提供了新思路,具有重要的工程借鉴意义。

• 冻融作用下不同粒径类砂岩材料声发射特性试验研究

  吴贤振,丁辉,曾鹏,赵奎,杨贤达,李从明,杨砚

  为研究冻融作用对不同粒径岩石力学特性的影响,选用0. 125~0. 25 mm、0. 3~0. 5 mm、0. 6~1 mm 3 种粒径的石英砂为骨料制作类砂岩试样。通过冻融循环和单轴压缩声发射(AE)试验,分析了冻融作用下不同粒径类砂岩力学特性及其破坏过程中的声发射特征。研究结果表明:① 随着冻融循环次数增加,试样孔隙率逐渐增加,小孔隙占比减少,大、中孔隙占比增加,弹性模量与单轴抗压强度呈下降趋势,变化幅度与粒径尺寸呈正相关关系;② 声发射振铃计数总体可划分为平静阶段、缓增阶段、骤增阶段,随着冻融循环次数增加,声发射累计振铃计数呈先增后减的变化趋势,粗粒试样率先达到极大值;③ 声发射b 值演化呈现出波动上升、剧烈下降、平稳3 个明显阶段,粗、中、细粒试样的声发射b 值在平稳阶段分别降至0. 8、1. 25 和1. 65,这一现象可以作为相应粒径冻融类砂岩失稳破坏的前兆预警。

• 基于核磁共振图像数字化技术的裂隙砂岩渗流规律研究

  孙勇成,赵振兴,田益琳,卢槐,翁磊

  裂隙岩体渗流问题是高放核废料地质处置、深部地质能源开采、水利工程以及深地空间开发利用等大型岩体工程中急需解决的关键难题。有别于一般均匀孔隙介质,岩石(体)包含着大量非均匀分布的孔隙、裂隙等结构,其水力传导特性存在显著差异,导致裂隙岩石渗流过程极其复杂。以裂隙砂岩为研究对象,首先采用核磁共振成像技术获取裂隙砂岩内部微观结构图像,然后基于图像数字化技术分割提取裂隙砂岩的主裂隙、次裂隙和岩石基质等微结构特性,构建可真实反映复杂裂(孔)隙结构及非均质水力特性的砂岩数值模型,开展了不同渗流条件及裂隙性状下的裂隙砂岩渗流全过程数值模拟。研究结果表明:裂隙砂岩的渗流速度及出口流量随渗透压力、裂隙开度及裂隙数量增大而增大,随裂隙粗糙度、交叉角度增大而减小。模拟分析得到的渗透系数与试验结果非常接近且变化趋势相同,裂隙岩石渗透系数与裂隙开度、裂隙数量呈正相关性,但与裂隙粗糙度、交叉角度呈负相关性。基于核磁共振图像数字化技术的裂隙砂岩模型可以较好地表征岩石复杂渗流演变特性,为裂隙岩石渗流过程分析提供了可行方法。研究成果为岩体工程渗流分析与控制提供了分析手段和理论指导。