采矿环境再造技术与复杂难采矿体的开采

采矿环境再造技术与复杂难采矿体的开采第1页，共50页，2023年，2月20日，星期四主要内容复杂难采矿体的类型复杂难采矿体的开采问题采矿环境再造的内涵采矿环境再造技术体系复杂难采矿体开采应用实例第2页，共50页，2023年，2月20日，星期四

“三下”矿体(厚大第四系岩层、流沙含水层和大水矿床等)；矿岩松软破碎及其他工程地质环境复杂矿体；残留矿体((民采残留和境界外矿体等)。一、复杂难采矿体的主要类型第3页，共50页，2023年，2月20日，星期四二、复杂难采矿床开采存在的问题开采方法问题。由于该类矿床赋存条件复杂,矿体开采受多种因素限制,边界条件多,可供选择的采矿方法受到限制,采矿效果较差。地压灾害问题。该类矿体的地压环境一般比较复杂,采场地压、区域地压等变化强烈,经常发生局部或区域性的地压灾害,致使岩层控制及采空区处理困难,甚至某些矿山因大规模的地压活动影响地表建构筑物的安全。水害严重，排水费用大幅度提高。第4页，共50页，2023年，2月20日，星期四采场结构参数及开采技术指标问题。由于该类型矿体开采工程地质环境较差,在采场布置方式、采场参数选择上较为困难,致使矿石开采技术指标较差;并可能由此而造成矿山地质灾害事故的发生。资源利用效果不理想。由于目前该类矿体开采没有较为成熟、可行的技术,开采时造成了大量的矿产资源浪费,而且该类矿体一旦进行了开采并造成资源丢弃后,基本上无法再进行回收,其资源的损失将是永久性的。第5页，共50页，2023年，2月20日，星期四0-300m300-800m大于800-1000m采矿深度地应力场地应力场渗流场高应力场渗流场温度场复杂难采矿体也有逐渐增多的趋势第6页，共50页，2023年，2月20日，星期四三、采矿环境再造的内涵采矿技术发展目标低成本高回收率高效安全复杂难采矿体开采必须寻求一条新的多学科交叉融合的非传统采矿技术!第7页，共50页，2023年，2月20日，星期四传统采矿方法分类的反思第8页，共50页，2023年，2月20日，星期四狭义的“采矿环境再造”的含义是:以矿床赋存环境做建筑环境,通过一定的技术手段,改造矿体赋存的地质环境,改善矿床开采的技术条件,以满足安全高效采矿的需要。采矿环境再造广义的“采矿环境再造”,还包括矿山环境修复，以及地下采空区的利用。第9页，共50页，2023年，2月20日，星期四地应力活动断层温度场围岩地下水矿体采矿环境第10页，共50页，2023年，2月20日，星期四地应力的力学效应地应力由低到高第11页，共50页，2023年，2月20日，星期四地应力既可以改变岩体的力学性质,又可以改变岩体的稳定性。在矿体回采过程中,由于改变了岩体的应力状态,常引起采场产生变形和破坏。为了保持采矿工程的稳定性,常常采用支护措施防止产生变形和破坏,其主要机理就是改变开挖后的应力状态,使之尽量减少原始应力状态的破坏,减少主应力差,提高岩体的稳定性。地应力具有明显的三带性特点,即卸荷带、应力集中带及正常地应力带。第12页，共50页，2023年，2月20日，星期四高地应力地区和低地应力的地质标志高地应力地区地质标志低地应力地质标志围岩产生岩爆\剥离围岩松动\塌方\掉块收敛变形大围岩渗水软弱夹层挤出节理面内有夹泥饼状岩心岩脉内岩块松动,强风化水下开采无渗水断层或节理面内有次生矿物呈晶蔟、孔洞等。第13页，共50页，2023年，2月20日，星期四地应力改造原理a-降低σ3得到的莫尔圆;b-降低σ1得到的莫尔圆第14页，共50页，2023年，2月20日，星期四第15页，共50页，2023年，2月20日，星期四提高作用于采矿工程上围岩应力的技术措施第16页，共50页，2023年，2月20日，星期四切缝后洞壁切向应力变化第17页，共50页，2023年，2月20日，星期四地下水的作用也有两个,一是改变岩体的物理力学性质;二是构成岩体的环境应力:静水压力和动水压力。地下水活动通道的透水体有三种类型:①孔隙透水体(层),②裂隙透水体(层)(包括块状裂隙透水体、层状裂隙透水体、脉状裂隙透水体）,③管道透水体。隔水体也有三种类型：（1）块状隔水体；（2）夹层或带状隔水体；（3）层状隔水体。第18页，共50页，2023年，2月20日，星期四kpzhou@263.net

CSU含水层改造与隔水层加固

含水层改造与隔水层加固技术是20世纪80年代中后期发展起来的一项注浆治水方法。当充水含水层富水性强且水头压力高，需采用疏水降压方法实现安全开采，但疏排水费用太高、浪费地下水资源且经济上不合理时，采用含水层改造与隔水层加固的注浆治水方法实属上策。第19页，共50页，2023年，2月20日，星期四再造对象再造目的再造机理及原则再造方法和技术岩体材料强化增加胶结灌浆弱化削弱联结注水弱化\注酸分解岩体结构强化增加结构完整性锚固\灌浆\喷射混凝土弱化破坏结构完整性水压致裂\爆破致裂地应力强化提高σ1预应力锚固,支护降低或者转移σ1洞壁切缝\打钻孔等维持初始地应力预埋锚杆弱化降低地应力地应力解除地下水强化降低岩体中的含水量疏干\排水弱化增加岩体中的含水量注水第20页，共50页，2023年，2月20日，星期四随着矿井开采深度逐渐增加，综合机械化程度不断提高，地热和井下设备向井下空气散发的热量显著增加。地处温泉地带的矿井，由于从岩石裂隙中涌出的热水或与热水接触的高温围岩放热，也都能使矿内气温升高，湿度增大。矿内高温、高湿环境严重影响井下作业人员的身体健康和生产效率，已造成灾害——热害。矿井热害最终将成为制约矿物开采深度的决定性因素。第21页，共50页，2023年，2月20日，星期四

高温高湿气候对矿工的影响是多方面的。恶劣的气候条件会降低人的体力和脑力，严重时会损伤人身的健康，甚至危及生命。人体处在热环境时，血管舒张，血流量增多，由血液带到皮肤的热量增多，皮肤的温度升高，从而增大了与环境的对流和辐射换热。第22页，共50页，2023年，2月20日，星期四不同气候条件人体热感觉和对人体健康的影响风温，℃相对湿度，%风速，m/s矿工感觉212896<0.5闷热970.52.0热972.02.5稍热282997<1.0闷热971.02.0热972.03.0稍热97>3凉爽293097<1.5闷热951.53.0热963.04.0稍热95>4.0凉爽>3095>4.0热第23页，共50页，2023年，2月20日，星期四有效温度（℃）热感觉生理学作用肌体反应4240很热强烈的热效应力影响出汗和血液循环面临极大的热危害，妨害心脏血管的血液循环35热随着劳动强度增加，出汗量迅速增加心脏负担加重，水盐代谢加快32稍热随着劳动强度的增加出汗量增加心跳增加，稍有30暖和以出汗方式进行正常的体温调节没有明显的不适感25舒适靠肌肉的血液循环来调节正常20凉快利用衣服加强显热散热和调节作用正常15冷鼻子和手的血管收缩黏膜、皮肤干燥10很冷肌肉疼痛，妨碍表皮血液循环第24页，共50页，2023年，2月20日，星期四热环境对井下生产效率的影响等效温度与生产效率的关系

第25页，共50页，2023年，2月20日，星期四804002.0m/s

1006020272829303132333435364.1m/s0.5m/s

工作效率（%）温度（℃）体力劳动工作效率与温度和风速关系第26页，共50页，2023年，2月20日，星期四一、通风降温：1）加大风量；2）选择合理的通风系统二、隔热疏导隔热疏导就是采取各种有效措施将矿井热源与风流隔离开来，或将热流直接引入矿井回风流中，避免矿井热源对风流的直接加热，从而达到矿井降温的目的。隔热疏导的措施主要有：

1）巷道隔热；2）管道和水沟隔热；3）井下发热量大的大型机电硐室应独立回风三、个体防护矿井降温的一般技术措施第27页，共50页，2023年，2月20日，星期四无论从过去还是将来,采矿过程其实质就是一个采矿环境再造过程,采矿方法和工艺的不同,其实质也就是采矿环境再造的方法和手段不同。“采矿环境再造”这一科学命题的提出,深刻揭示了采矿科学的本质属性,从根本上打破了传统采矿方法之间的界限,有利于促进采矿技术的进步和发展。采矿过程是一个典型的环境再造过程,这项工程不仅要保证矿山开采安全,也要保证环境不遭到破坏。过去由于对采矿引起的环境恶化问题认识和重视不够,有些采矿技术存在着逻辑上的错误,因为它们被用于解决单一的彼此隔离的问题,没有考虑到那些必然的“副作用”,采矿只顾采矿,不顾及对地质环境的破坏。第28页，共50页，2023年，2月20日，星期四四、采矿环境再造技术体系第29页，共50页，2023年，2月20日，星期四kpzhou@263.net

CSU大范围隐患区下顶板诱导崩落连续采矿综合技术研究国家十五科技攻关项目获2006年度中国有色协会科技进步一等奖（一）五、应用实例第30页，共50页，2023年，2月20日，星期四广西大厂铜坑锡矿是华锡集团公司的主体矿山，92号矿体已成为开采的主矿体。92号矿体为缓倾斜矿体，矿体水平面积较大，空区处理的成本比较高，传统的空区处理方法可能造成采矿过程中矿石的贫化。无间柱连续采矿技术与工艺的发展和完善无疑为92号矿体的开采提供了一条新的途径。然而，连续采矿后留下的大量采空区如果不进行处理，将引发大规模的地压活动，给矿山安全带来严重的影响。必须研究适合于92号矿体连续采矿的采空区处理技术

第31页，共50页，2023年，2月20日，星期四技术思路

在矿床连续开采过程中，随着回采矿段的不断向前推进，采场顶板中积聚的能量越来越大，应力集中现象也越来越明显，处于临界平衡或临界滑动状态的顶板，在外界的微扰作用下会诱发系统失稳。因此，为了防止这些系统失稳给矿山安全生产带来的不利影响，通过人为干预、干扰、控制等活动，来能动地诱导顶板产生一个不可逆的力学失稳发生、发展的过程，从而达到处理采空区的目的。第32页，共50页，2023年，2月20日，星期四

通过一定的技术手段，改造（以弱化为主）某些部位围岩的刚度（变形模量、抗弯刚度等），改变围岩内的应力及能量分布。目前，可能采取的围岩弱化技术手段有切缝、钻孔、爆破、注水及一些物理化学方法，这里，弱化一词具有广泛的含义，它既有使围岩材料本身的变软或围岩结构的改造（如注水软化或水力压裂围岩），也表示开挖部分围岩（比如切缝）。技术路线第33页，共50页，2023年，2月20日，星期四诱导崩落三维有限元模拟诱导崩落三维力学模型第34页，共50页，2023年，2月20日，星期四开挖第一步后的最大主应力（σ1）色谱图

第35页，共50页，2023年，2月20日，星期四开挖第二步后的最大主应力（σ1）色谱图

第36页，共50页，2023年，2月20日，星期四开挖第三步后的最大主应力（σ1）色谱图

第37页，共50页，2023年，2月20日，星期四开挖第四步后的最大主应力（σ1）色谱图

第38页，共50页，2023年，2月20日，星期四开挖第五步后的最大主应力（σ1）色谱图

第39页，共50页，2023年，2月20日，星期四开挖第六步后的最大主应力（σ1）色谱图

第40页，共50页，2023年，2月20日，星期四重叠区下矿体开采的离散元模拟

3、连续采矿过程离散元模拟第41页，共50页，2023年，2月20日，星期四重叠区下采场顶板破坏区域的演化过程

第42页，共50页，2023年，2月20日，星期四非重叠区下采场顶板破坏区域的演化过程

第43页，共50页，2023年，2月20日，星期四4、顶板诱导崩落过程数值仿真第44页，共50页，2023年，2月20日，星期四非重叠区下采场顶板冒落的过程仿真第45页，共50页，2023年，2月20日，星期四顶板的钻孔电视监测与可崩性评价顶板诱导崩落的物理与数值模拟诱导崩落连续开采工程实施顶板诱导崩落连续开采关键技术基于