《富水矿山充填开采系统协调变形机制与防控关键技术》

富水矿山在中国分布广泛,加快富水矿山资源的勘探和开发迫在眉睫。据不完全统计,60%的矿井事故与地下水作用有关。冶金矿山受水害影响较大的多达50几个,如山东莱芜矿谷家台矿区、莱新铁矿、高阳铁矿,济南地区的张马屯铁矿等。这些受水害影响的矿山中铁矿石储量达50多亿吨,铜铅储量达数百万吨。谷家台铁矿上世纪90年代发生大规模突水,导致重大人员伤亡,矿山停产。

对于破碎岩体和岩溶发育的岩体而言,岩溶裂隙中蕴藏和涌流着大量的地下水,矿体被水包围,一采矿就会触动地下水,带来严重的水患,注浆堵水成为解决采矿安全问题的有效有段。利用钻孔揭穿岩体含水层的破碎岩体和岩溶裂隙,然后对其高压注入水泥浆液,待水泥浆液扩散凝固之后就能把钻孔周围的裂隙封堵。然而,由于矿山情况各异,矿床含水情况复杂多样,此类矿床的开采仍然存在许多问题。例如,相当一部分富水地下矿山开采过程中注浆帷幕出现了渗透问题,更有甚者出现顶板、底板破坏,并导致透水事故发生,突水淹没了巷道,造成人员伤亡和经济损失。

在传统的房柱式开采中,一般需要预留矿柱,由于采矿初期国家对绿色开采没有强制要求,很多开采多年的金属矿山采矿初期并没有进行充填,随着采矿工作的推进,采空区越来越来,导致采场的稳定性问题尤为突出,直接威胁到矿山的安全生产和深部矿体的开采规划。当采空区面积超过一定界限后,如不及时处理,就会导致采场、巷道发生岩体冒落、垮塌等事故,岩层发生错动并伴有巨响、气流冲击,严重的甚至会引起地表开裂、沉降、地面建筑物陷落、倒塌及矿震等严重地压灾害,造成重大财产损失或人员伤亡。

针对富水矿山开采诱发的地质灾害,室内试验、数值仿真与工程现场相结合,对岩体开挖卸荷渗透破裂机理、六边形进路开采条件下应力转移机制、充填系统和充填料选定、微震监测预警系统等方面进行探究,实现“机理探讨-地质重构-变形控制-监测预警”体系构建目标,有效控制覆岩变形,减少开采期间围岩地压活动,彻底解决开采强度加大导致的顶板冒落问题;引入围岩安全系数概念,结合顶板注浆区域随开采扰动的应力、变形、渗透压力参数,建立围岩稳定性分析评价、动态监测及超前预报方法,并据此优化采场结构参数及注浆加固参数,最终提出合理的开采参数,确保矿山安全、经济、可持续生产。

项目发表学术论文49篇,其中SCI/EI检索论文46篇;授权发明专利14项、实用新型专利6项、软件著作权4项。成果获青岛市科技进步二等奖1项,山东省高等学校优秀科研成果三等奖2项。研究成果已在莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司和山东钢铁集团矿业有限公司得到成功应用,取得了显著的经济效益和社会效益,具有很好的推广应用前景。

成果说明

莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司谷家台铁矿、业庄铁矿、马庄铁矿是国内资源条件较好的铁矿,但是存在水文地质条件复杂,施工难度大,常规的堵排水方案必将对矿区周围生态环境造成严重的破坏。为此,莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司与青岛理工大学、中国石油大学(华东)、中国水利水电科学研究院合作开展了“富水矿山充填开采围岩稳定分析方法与防控关键技术”,提出采用下向六边形进路充填采矿方法,近矿体顶板注浆堵水和尾砂胶结充填采矿结构匹配的治水方案,彻底解决了传统下向开采破碎顶板冒落问题;通过三维可视化矿区仿真模型计算确定注浆区、充填

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