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露天转地下楔形过渡开采关键技术研究与应用

时间:2018/1/18 17:09:00 5581人次浏览


露天转地下楔形过渡开采关键技术研究与应用

提名单位:中国钢铁工业协会

提名奖种:国家科学技术进步奖

提名单位意见

我国金属矿山90%露天矿已进入深部开采,正在陆续转入地下开采。解决过渡期普遍存在的安全生产条件差与产量衔接困难难题,实现露天转地下安全高效开采,对保持我国金属矿山可持续发展具有重要战略意义。

东北大学及合作单位经过8年理论与应用研究,首次研发出露天转地下楔形转接过渡开采模式,以及过渡期露天地下协同开采方法,拓展了露天转地下过渡期的开采时空,有效提高了过渡期产能;构建出诱导冒落法高效开采理论方法与技术体系,大幅提高了挂帮矿体的开采效率;首次提出通过调整回采顺序与采空区高度控制边坡岩移方向的工艺方法,解决了露天地下同时开采岩移危害控制的技术难题;研发出复杂形态矿体三维探采结合技术,显著降低了复杂形态矿体的矿石损失贫化。该项研究成果,被以蔡美峰院士为主任的专家委员会鉴定为总体达到国际领先水平。同时,在应用中研发了高陡边坡综合监测预警技术,为边坡岩移危害防治提供安全保障。

项目关键技术已在大孤山铁矿、眼前山铁矿、小汪沟铁矿等国内20多座矿山应用,增产增效与节能减排成效显著,具有广泛的应用前景。依托该项目发明专利20余项;发表论文40余篇;培养博士10人、硕士15人,并为矿山培育一大批掌握安全高效开采理念和相关技术的业务骨干。

项目创新性突出、经济效益与社会效益显著,对行业科技进步推动作用明显。完成单位与完成人员排序无误,符合申报要求。

对照国家科学技术奖受奖条件,提名该项目为国家科学技术进步奖  等奖。项目概况:

《露天转地下楔形过渡开采关键技术研究与应用》项目主要研究解决过渡期露天、地下生产相互干扰导致减产或停产过渡问题的关键技术,该项目以海南铁矿露天转地下开采为工程背景,在总结国内外露天转地下研究成果与生产经验的基础上,分析传统的预留境界矿柱过渡模式对矿床高效开采的不适应性,提出过渡期地下诱导冒落法开采挂帮矿体、露天延深开采坑底矿体的楔形转接过渡模式,以及该模式下露天地下协同开采技术方法,包括挂帮矿体地下诱导工程的布置形式与诱导冒落参数的确定方法、露天坑底延深开采境界的确定原则与细部优化方法、露天地下同时生产的安全保障措施与高效开采技术等,提出了利用诱导工程的回采顺序与采空区高度控制边坡岩移的方向,使其指向塌陷坑而不滑落于露天采场的采动岩移控制方法;按露天与地下开采最优方案的回采指标与回采便利条件,比选择优确定过渡期露天地下开采细部境界的方法。此外,研究了露天地下协同安排回采顺序、协同形成覆盖层、协同布置开拓系统与协同优化产能管理等的理论方法与工艺技术,以及高陡边坡综合监测预警安全保障技术。由此形成了完整的露天转地下楔形过渡协同开采方法。在海南铁矿应用中,进一步研究了挂帮矿体提前高效开采技术、复杂矿体三维探采结合技术、高陡边坡岩移控制方法、覆盖层简易形成方法等问题,从而延长了露天地下同时开采的时间,加速了地下产能的提高,有效解决了海南铁矿露天转地下过渡期产能平稳衔接的难题,并实现了增产过渡。

项目创新点为:(1)首次研发出露天转地下楔形转接过渡开采模式,以及过渡期露天地下协同开采方法,拓展了露天转地下过渡期的开采时空,使矿体在连续开采中实现从露天到地下开采方式的渐近转接,为过渡期平稳过渡与增产衔接开辟了新途径。(2)构建了挂帮矿体诱导冒落法高效开采理论方法与技术体系,大幅提高了挂帮矿体的开采效率。(3)首次提出了通过调整工程回采顺序与采空区高度控制边坡岩移方向的工艺方法,解决了露天地下同时开采岩移危害控制的技术难题。(4)开发了复杂形态矿体三维探采结合技术,与低贫化放矿方式相结合,显著降低了复杂形态矿体开采的矿石损失率和贫化率。(5)研发了基于岩体损伤劣化信息动态采集分析的高陡边坡综合监测预警新技术,建立了多源监测预警信息一体化分析平台,实现了对高陡边坡监测数据远程在线融合处理,为边坡采动岩移危害防治提供了安全保障。

本项目已获授权专利20余项,研究成果自2012年始在海南铁矿全面应用,由于增大过渡期产能、降低采准系数、节省废石回填形成覆盖层的费用等,创直接经济效益33.43亿元;在大孤山铁矿、小汪沟铁矿等矿山应用,创经济效益32.89亿元。理论分析与应用实践表明,露天转地下楔形过渡协同开采方法,克服了传统过渡方法存在的露天与地下开采时空的制约关系,消除了采动滑坡危害,有效利用了露天与地下开采的工艺优势,是一种安全高效的新型采矿方法。该法具有露天转地下过渡工艺简单、露天与地下采场安全生产条件好、开采强度大、效率高等突出优点,适用于各类矿岩稳定条件的露天转地下开采的金属矿山,可大幅度提高过渡期矿体的开采效率,实现露天转地下的安全过渡与增产衔接。

客观评价:

 鉴定评价

露天转地下楔形过渡开采关键技术研究与应用”项目,2015年5月通过了中国钢铁工业协会组织的技术鉴定,鉴定认为:项目首次研发出露天转地下楔形转接过渡开采模式,以及过渡期露天地下协同开采方法,拓展了露天转地下过渡期的开采时空,使矿体在连续开采中实现从露天到地下开采方式的渐近转接,提高了过渡期产能构建了挂帮矿体诱导冒落法高效开采理论方法与技术体系,大幅提高了挂帮矿体的开采效率;首次提出了通过调整工程回采顺序与采空区高度控制边坡岩移方向的工艺方法,解决了露天地下同时开采岩移危害控制的技术难题;开发了复杂形态矿体三维探采结合技术,与低贫化放矿方式相结合,显著降低了复杂形态矿体开采的矿石损失率和贫化率整体成果具有国际领先水平

 知名专家评价

著名采矿专家、中国工程院院士古德生认为露天地下楔形过渡协同开采技术,能够发挥过渡期露天地下开采工艺优势,解决了露天转地下过渡期产能衔接的技术难题

著名采矿专家、中国工程院院士蔡美峰认为:利用采空区形状与容积控制边坡塌陷岩移方向,突破了过渡期保护边坡稳定性的传统观念,攻克了过渡期安全高效开采的技术难关。

著名采矿专家、中国科学院院士宋振骐认为:挂帮矿体诱导冒落法开采,消除了露天地下生产相互干扰,解决了挂帮矿提前开采的关键技术难题。

中国冶金矿山企业协会顾问、著名采矿专家焦玉书认为:露天转地下楔形过渡开采技术,提升了露天转地下开采的工艺技术水平,我国铁矿资源可持续高效利用开辟了新路

 查新评价

露天转地下楔形过渡开采关键技术研究与应用”:针对提出露天地下棋形转接过渡模式,过渡期露天地下协同开采方法;提出利用回采顺序与采空区高度控制边坡岩移方向的工艺方法;运用无底柱分段崩落法三维探采结合技术,实现复杂矿体低贫损高效开采;开发挂帮矿体诱导冒落高效开采技术等内容,教育部科技查新工作站L03进行了全面系统的检索,结果表明:国内外文献除该项目委托人发表的文献外,国内外未见其它与该项目查新点相同的文献报道

 用户评价

鞍钢、西钢、河钢、中金、五矿等20余家单位对本成果相应创新技术给予高度评价,如眼前山铁矿西小汪沟铁矿、本溪大北山铁矿、承德黑山铁矿等应用露天转地下楔形过渡关键开采技术与应用”成果,释放了产能,减少了土地占用,降低了开采成本,取得了显著的经济效益与社会效益,认为:该技术适用性强、经济效果好

五矿邯邢西石门铁矿中金排山楼金矿等应用岩移控制与诱导冒落开采技术”成果,增大了产能,降低了开采成本,取得了良好的经济效益与社会效益,认为:该技术增产增效、节能降耗显著。黑山铁矿、西石门铁矿等应用诱导冒落与探采结合技术实现了难采资源的有效开采,取得了显著经济效益。认为:该技术开采成本低、工程可靠,对矿体形态适应性强。排山楼金矿和西藏巨龙铜矿应用“监测预警与岩移控制技术”保障了采动岩移安全,认为:高陡边坡滑岩移探测技术先进、准确、可靠,保障了采动岩移安全。

推广应用情况:

1.推广应用情况

项目研究成果先后在鞍钢、西钢、河钢、中金、五矿等集团所属的20余家单位推广应用,经济、社会和环境效益显著,对金属采掘业的露天下协同过渡高效开采风险防控具有重要的推广价值和示范作用。项目有关技术成果主要推广应用情况见下表。

 

 

 

主要应用单位情况

应用单位名称

应用技术

应用起止时间

应用联系人/电话

应用情况

鞍钢大孤山铁矿

楔形过渡开采、露天境界细部优化

201302月至

宫长亮

15641223355

新增利润

54550万元

弓长岭井下铁矿

露天地下协同开采技术、岩移控制技术

201402月至今

宫国

15941906986

新增利润

50529.9万元

五矿邯邢西石门铁矿

诱导冒落、岩移控制、探采结合技术

201303至今

窦梅林

15690108561

新增利润30550.8万元

鞍钢眼前山铁矿

露天地下协同开采技术

201302月至今

陈晓云

15641220561

新增利润

30424万元

河钢黑山铁矿

诱导冒落技术、三维探采结合

2014年03月至今

王金龙

13931426558

新增利润

10776万元

罕王毛公矿业

诱导冒落协同回采技术

2014年10月至今

吕如常

15106789911

新增利润

9400万元

西钢小汪沟铁矿

诱导冒落技术、岩移控制技术

2013年01月至今

赵云峰

15941943966

新增利润

100850万元

普朗铜矿

诱导冒落与支护工艺技术

2015年01月至今

刘华武

13988752435

新增利润

5455万元

大北山铁矿

诱导冒落高效开采技术

2015年01月至今

秦凤新

13604140205

新增利润

20616万元

排山楼金矿

诱导冒落技术、采动岩移控制技术

2013年01月至今

梁海波

13841802496

新增利润

11011.9万元

西藏巨龙铜矿

边坡岩层控制和监测预警技术

2015年01月至今

石伟星

18295668225

新增利润

4454.2万元

海南铁矿

整体技术

2010年1月至今

王春贤

13976769107

新增利润

334388万元

 

2近三年经济效益(单位:万元人民币)

自然年

完成单位经济效益

其他应用单位经济效益

新增销售额

新增利润

新增销售额

新增利润

2015

106723.36

64186.65

118586.6

65609.76

2016

106723.36

56251.98

152643.55

78029.87

2017

100159.3

62205.72

176503.63

90655.18

累计

313606.02

182644.35

447733.78

234294.81

主要经济效益指标的有关说明:

 

新增销售额包括增大产能多采出矿石、利用项目成果技术开采原来不能采出的矿石以及降低矿石贫化率减少废石变成尾矿带走金属而多生产精矿粉的销售额;新增利润包括增产矿量的盈利、原产矿量生产成本降低额以及降低矿石贫化率节省废石处理与变成尾矿带走金属损失的费用之和。

其他经济效益指标的有关说明:

除经济效益以外,项目成果显著降低矿石贫化率、减小废石与尾矿对矿山环境的污染,其环境效益与社会效益显著。

3.社会效益

我国金属矿山约90%的露天铁矿山均已进入深凹开采,许多深凹露天铁矿正在陆续转入地下开采,在露天转地下开采的过渡期,安全生产条件差与产量衔接困难的难题一直没得到很好解决,致使许多大型铁矿山出现了减产或停产过渡现象。本项目的研究成果,有效解决了长期困扰采矿领域的露天转地下过渡期产能平稳衔接的难题。

研究成果为鞍钢、西钢、河钢、中金、五矿等单位所属的多家矿山露天转地下安全高效开采提供了重要技术支撑,有效消除了大型铁矿山露天转地下过渡期减产和停产现象,提高了资源的开发利用率,促进了采掘业的产业转型与技术升级,对于发展自主常识产权、提高行业技术水平、提升产业竞争力具有重要作用,保障了大型铁矿山的可持续安全开采,有力地推动了我国矿山资源开发领域的科技进步。社会效益和间接经济效益十分显著。

主要常识产权证明目录:

常识产权类别

常识产权具体名称

国家 (地区)

授权号

授权日期

证书编号

权利人

发明人

专利有效状态

发明专利

一种露天转地下开采的楔形转接过渡方法

中国

ZL 201510103403.3

20170405

2440249

东北大学,武汉科技大学

任凤玉;李海英;付煜;任美霖

有效专利

发明专利

一种露天转地下挂帮矿采动岩移控制方法

中国

ZL 201510359661.8

20170623

2527676

东北大学

任凤玉;李海英;任思潼;丁飞行

有效专利

发明专利

采空区控制冒落与地表充填治理方法

中国

ZL 201510337526.3

20171208

2732506

东北大学

任凤玉;何荣兴;曹建立;任美霖;任思潼

有效专利

发明专利

一种高水平应力不良岩层巷道支护工艺

中国

ZL 201110195697.9

2013年9月25

1279363

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龚清田;刘凤坤;杨继胜;韩高颖;乔伟

有效专利

发明专利

一种评估单车道斜坡道通过能力及确定错车道间距的方法

中国

ZL 201310388990.6

20161130

2303392

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孙德民;陈丽

有效专利

发明专利

工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法

中国

ZL 201310005337.7

20151223

1881029

东北大学

王述红;郭牡丹;张世超;倪勇;王存根;昝世明;荣晓洋;高轩麟

有效专利

发明专利

基于三角面积比法度量岩体结构面三维粗糙度的方法

中国

ZL 201410040875.4

2016年04月20

2039350

东北大学

王述红;朱万成;杨天鸿;赵文;冯志平;王存根

有效专利

发明专利

一种凿井钢管井架

中国

ZL

201210401629.8

2015年10月07日

1813126

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矫日鑫;郑亚利

有效专利

发明专利

一种毗邻充填条件下采场用聚能爆破筒及爆破方法

中国

ZL 201510729387.9

2017年05月03日

2474698

北京矿冶研究总院

解联库;余斌;杨小聪;冯盼学;万串串;陈赞成;胡建军;王湖鑫;董凯程;许文远

有效专利

发明专利

一种凿井钢管井架及该凿井钢管井架的安装方法

中国

ZL 201210401626.4

20150513

1665329

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矫日鑫;郑亚利

有效专利

 

主要完成人情况:

1. 任凤玉,排名1

行政职务:无 

技术职称:教授
    工作单位:东北大学
    完成单位:东北大学
    对该项目技术创造性贡献:对创新点1、2、3、5做出创造性贡献。

2. 兰舟,排名2

行政职务:总工

技术职称:高级工程师
    工作单位:海南矿业股份有限企业
    完成单位:海南矿业股份有限企业
    对该项目技术创造性贡献:对创新点3、4、5做出创造性贡献。

3. 李海英,排名3

行政职务:无

技术职称:讲师
    工作单位:武汉科技大学
    完成单位:武汉科技大学
    对该项目技术创造性贡献:对创新点1、3、4做出创造性贡献。

4. 王先成,排名4

行政职务:董事长

技术职称教授级高工

工作单位:美高梅4688官方网站
    完成单位:美高梅4688官方网站
    对该项目技术创造性贡献:对创新点3、4做出创造性贡献。

5. 丁飞行,排名5

行政职务:无

技术职称:讲师
    工作单位:东北大学
    完成单位:东北大学
    对该项目技术创造性贡献:对创新点2、3做出创造性贡献。

6. 解联库,排名6

行政职务:副所长

技术职称:教授级高工
    工作单位:北京矿冶科技集团有限企业
    完成单位:北京矿冶科技集团有限企业
    对该项目技术创造性贡献:对创新点3、5做出创造性贡献。

7. 王春贤,排名7

行政职务:副部长

术职称:工程师
    工作单位:海南矿业股份有限企业
    完成单位:海南矿业股份有限企业

对该项目技术创造性贡献:对创新点3、4做出创造性贡献。

8. 王述红,排名8

行政职务:系主任

技术职称:教授
    工作单位:东北大学
    完成单位:东北大学
    对该项目技术创造性贡献:对创新点3做出创造性贡献。

9. 龚清田,排名9

行政职务:技术副总裁

技术职称:教授级高级工程师
    工作单位:美高梅4688官方网站
    完成单位:美高梅4688官方网站
    对该项目技术创造性贡献:对创新点4、5做出创造性贡献。

10. 于庆磊,排名10

行政职务:系副主任

技术职称:教授
    工作单位:东北大学
    完成单位:东北大学

对该项目技术创造性贡献:对创新点3做出创造性贡献。

主要完成单位及创新推广贡献:

该项目完成单位共计5家:东北大学、美高梅4688官方网站海南矿业股份有限企业、武汉科技大学、京矿冶科技集团有限公

1、东北大学研发了过渡期地下诱导冒落法开采挂帮矿体、露天延深开采坑底矿体的楔形转接过渡模式,以及该模式下的露天地下协同开采方法;首次提出利用诱导工程的回采顺序与空区高度,控制边坡岩移的方向,使其指向塌陷坑而不滑落于露天采场的采动岩移控制方法;提出按露天与地下开采最优方案的回采指标与回采便利条件,优化过渡期露天地下开采细部境界的方法,以及露天地下协同安排回采顺序、协同形成覆盖层、协同布置开拓系统与协同优化产能管理等的理论方法与工艺技术。在海南铁矿应用该法中,进一步研究了复杂矿体三维探采结合技术、高陡边坡岩移控制方法与监测预警技术、覆盖层简易形成方法等问题,由此形成了完整的露天转地下楔形过渡开采理论与技术体系,并将研究成果推广应用于大孤山铁矿、眼前山铁矿、弓长岭井下铁矿、黑山铁矿、西石门铁矿等矿山,取得良好的应用效果。该项目获2016年中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖一等奖,2017年中国冶金矿山企业协会冶金矿山科学技术奖一等奖。

2、美高梅4688官方网站于2009年11月开始承包海南铁矿露天转地下的矿井施工与开采工程,调集经验丰富员工成立项目经理部,参与露天转地下楔形过渡开采技术方案与实施方案的讨论与完善,负责地下诱导冒落与回采工程的具体施工。在掘进过程中,针对海南铁矿矿岩硬度大而节理裂隙发育的复杂地质条件,多次组织技术人员和施工人员进行凿岩试验,较好地解决了海南铁矿挂帮矿破碎带凿岩施工的难题;对于回采时的中深孔爆破,多次组织爆破试验,合理优化炮孔布置、调整装药结构,改善了爆破效果,保证了诱导工程的爆破质量;加强出矿管理,每一步距严格按计划控制出矿量,保证了采空区的形状与高度,有效消除了边坡岩移危害。认真制定项目施工技术方案,统筹安排过渡期采矿、运输等环节,运用大量进口设备进行快速施工,及时排查生产隐患,确保了施工质量与安全,大幅度提高了东端帮挂帮矿矿体的开采效率,实现了低贫损高效开采,保障了海南铁矿过渡期的增产衔接。

3、海南矿业股份有限企业组成露天转地下开采技术研究组,参与海南铁矿露天转地下楔形过渡开采方案的讨论与完善,制定实施方案,完成施工图设计并组织施工。提出并实施了挂帮矿三分段同时采准的工艺技术,以及露天延深开采技术;负责边坡岩移监测与边坡岩移危害防控措施的实施;根据探矿技术资料,优化露天地下协同开采时空关系;积极配合东北大学进行岩体力学参数测定、边坡滚石试验与爆破参数试验,制定并实施了诱导冒落法形成覆盖层与回采爆破参数优化方案;在采空区冒透地表后,观测纪录边坡岩移过程。观测与试验结果为本次研发过渡期新型采矿方法提供了丰富而详细的第一手资料,保证了新型采矿方法的实用性与工艺参数的合理性。此外,总结露天延深开采技术,参与挂帮矿诱导冒落法试验研究总结与项目试验研究报告的撰写。

4、武汉科技大学参与项目的理论研究与现场施工技术引导,完成传统过渡方式的不适应性分析,提出露天陡帮延深开采下盘侧矿体,留下上盘侧挂帮矿体应用诱导冒落法高效开采的楔形转接过渡方式,构建了协调开采的技术体系,提出了利用采空区形状与高度控制岩移方向的新概念以及边坡岩移的综合防控技术。参与楔形转接过渡模式研究总结与边坡岩移控制研究报告的撰写。

5、北京矿冶科技集团有限企业参与项目安全开采理论研究和高陡边坡岩层控制与监测预警技术开发,形成了一套基于无线传感网络的边坡岩体深部滑动变形监测预警系统,并提出了一套露天矿边坡动态稳定性评价方法,建立了多源监测预警信息一体化分析平台,实现了对高陡边坡监测数据的远程在线融合处理分析。为露天转地下开采边坡岩移控制与危害防控提供了安全保障。

完成人合作关系说明

本项目的完成人分别来自东北大学、美高梅4688官方网站、海南矿业股份有限企业、武汉科技大学、北京矿冶科技集团有限企业五家单位,采用“产-学-研-用”的合作方式共同完成了露天转地下楔形过渡开采关键技术研究与应用项目。

在第一完成人任凤玉,负责理论引导与总体技术方案制定,第二完成人兰舟负责工业试验方案制定,第三完成人李海英负责过渡模式与边坡岩移控制研究,第四完成人王先成负责安全与快速施工技术,其他完成人在第一完成人总体方案下进行岩石力学、采矿工艺与边坡岩移监测预警安全保障等领域的研究工作。

任凤玉、丁飞行、王述红、于庆磊来自东北大学;其中任凤玉在多年研究矿山三律(岩体冒落规律、散体移动规律与地压活动规律)适应性安全高效开采理论的基础上,针对露天转地下开采条件,提出楔形过渡开采理论与方法,并带领项目团队攻克技术方案与回采工艺技术的各项难题,形成了露天转地下楔形过渡开采工艺技术体系;王述红、于庆磊完成了露天地下楔形过渡开采的岩石力知识题;丁飞行完成了诱导冒落矿石损失贫化控制与塌陷边坡岩移控制的理论分析与实验研究,对成果创新推广有重要贡献。

王先成、龚清田,来自美高梅4688官方网站,主要完成快速施工技术和保障采准工程100%的利用率,以及在探采结合中,负责采准工程随矿体形态变化的局部随时调整等,保障了技术方案的实施到位,并对成果推广应用有重要贡献。

兰舟、王春贤来自海南矿业股份有限企业,为项目提供示范矿山,按东北大学技术方案组织实施,并参与实施方案的制定与生产进度的协调,完成施工图寻优设计与施工技术引导。

李海英来自武汉科技大学,参与研究的全过程,完成过渡模式与边坡岩移危害协同防控技术研究,对成果创新推广有重要贡献。

解联库来自北京矿冶科技集团有限企业,主要完成高陡边坡岩移监测预警技术,为露天转地下边坡采动岩移控制与岩移危害防治提供安全保障。


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