完成人

　　趙興東、代碧波、李元輝
、胡軍生、汪為平、李振華、薑洪波、周　鑫、白　夜
、於文龍、孫曉剛、趙一凡
、鄧　磊、曾　楠、朱乾坤

　　完成單位

　　東北大學
、中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司
、鞍山五礦陳台溝礦業有限公司、河南理工大學、中國有色集團撫順紅透山礦業集團有限公司、中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司

　　根據我國自然資源部發布的《中國礦產資源報告（2020）》披露，截止至2020年
，我國已探明的鐵礦資源儲量864.08億t
，黃金資源儲量14131.06t，鉛鋅資源儲量9572.2萬t，銅資源儲量10971.55萬t，上述金屬礦產資源中1000m以深資源占比25%以上。深部開采已經成為我國金屬礦床開采的重要組成部分
，諸如：陳台溝鐵礦、思山嶺鐵礦、遼寧紅透山銅礦等。深部開采是處於高井深
、高原岩應力
、高(gao)承(cheng)水(shui)壓(ya)力(li)等(deng)特(te)殊(shu)複(fu)雜(za)采(cai)礦(kuang)環(huan)境(jing)，深(shen)部(bu)地(di)壓(ya)問(wen)題(ti)嚴(yan)重(zhong)威(wei)脅(xie)礦(kuang)山(shan)的(de)開(kai)采(cai)效(xiao)率(lv)和(he)安(an)全(quan)生(sheng)產(chan)，強(qiang)采(cai)動(dong)應(ying)力(li)誘(you)發(fa)節(jie)理(li)裂(lie)隙(xi)發(fa)育(yu)的(de)采(cai)場(chang)礦(kuang)岩(yan)體(ti)極(ji)易(yi)誘(you)發(fa)采(cai)場(chang)圍(wei)岩(yan)體(ti)產(chan)生(sheng)片(pian)落(luo)
、岩爆等災害
，甚至造成采場圍岩體產生大範圍垮冒，造成采場二次貧化
、阻斷礦石采出

，極易造成采場失穩、損失貧化加劇
、甚至無法開采。

　　創新成果一：構建礦山三維工程災害地質模型

　　地質岩芯富含豐富的岩體質量與岩體力學信息、地質數據

、剖麵數據等
，通過岩石力學實驗
、岩體質量分級、岩yan體ti力li學xue參can數shu估gu算suan方fang法fa等deng
，研yan究jiu地di質zhi勘kan探tan鑽zuan孔kong岩yan芯xin隨sui鑽zuan孔kong深shen度du變bian化hua地di質zhi災zai害hai的de工gong程cheng屬shu性xing，建jian立li礦kuang區qu的de地di質zhi力li學xue信xin息xi，岩yan體ti質zhi量liang等deng數shu據ju，通tong過guo地di質zhi統tong計ji學xue，對dui礦kuang區qu地di質zhi力li學xue的de空kong間jian結jie構gou性xing規gui律lv，相xiang關guan性xing等deng進jin行xing分fen析xi
，並bing通tong過guo克ke裏li金jin估gu計ji
，距ju離li反fan比bi法fa，序xu貫guan高gao斯si模mo擬ni三san種zhong算suan法fa，構gou建jian礦kuang區qu尺chi度du的de地di質zhi力li學xue信xin息xi模mo型xing（圖1），用以評判礦區災害風險與采礦工程布置設計

，基於改進的克裏金插值算法對呈規律性“離散”勘探鑽孔進行同源異構
、歸(gui)一(yi)化(hua)處(chu)理(li)
，通(tong)過(guo)三(san)維(wei)可(ke)視(shi)化(hua)建(jian)模(mo)平(ping)台(tai)，實(shi)現(xian)深(shen)部(bu)礦(kuang)岩(yan)體(ti)地(di)質(zhi)災(zai)害(hai)建(jian)模(mo)與(yu)數(shu)據(ju)存(cun)儲(chu)，得(de)到(dao)了(le)含(han)地(di)質(zhi)災(zai)害(hai)風(feng)險(xian)等(deng)級(ji)的(de)三(san)維(wei)地(di)質(zhi)模(mo)型(xing)，揭(jie)示(shi)深(shen)部(bu)未(wei)采(cai)動(dong)礦(kuang)岩(yan)體(ti)地(di)質(zhi)災(zai)害(hai)風(feng)險(xian)。礦(kuang)床(chuang)的(de)安(an)全(quan)高(gao)效(xiao)開(kai)采(cai)，以(yi)及(ji)後(hou)續(xu)的(de)地(di)壓(ya)防(fang)控(kong)。研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)為(wei)後(hou)續(xu)采(cai)礦(kuang)工(gong)程(cheng)涉(she)及(ji)的(de)定(ding)量(liang)計(ji)算(suan)、數(shu)值(zhi)分(fen)析(xi)，巷(xiang)道(dao)岩(yan)體(ti)穩(wen)定(ding)性(xing)分(fen)級(ji)法(fa)提(ti)供(gong)參(can)數(shu)與(yu)科(ke)學(xue)依(yi)據(ju)。構(gou)建(jian)的(de)三(san)維(wei)模(mo)型(xing)是(shi)礦(kuang)區(qu)災(zai)害(hai)的(de)有(you)機(ji)部(bu)分(fen)
，通(tong)過(guo)對(dui)劣(lie)質(zhi)岩(yan)體(ti)空(kong)間(jian)位(wei)置(zhi)揭(jie)露(lu)，更(geng)好(hao)的(de)實(shi)行(xing)超(chao)前(qian)預(yu)防(fang)與(yu)防(fang)治(zhi)，保(bao)證(zheng)礦(kuang)山(shan)安(an)全(quan)、高效的生產。

圖1 礦山三維工程災害模型

　　創新成果二：深部差異化采動岩體損傷本構

　　zhenduiyuanchangyukaiwabianjiejunweizhouduichengyinglideyuanxingkaiwatizhouduichengpingmianyingbianjieximoxing，tongguozixiangsizhuanhuanjiangmoxingsuxingquzhuanhuaweidanweipingmianyuanhuan，bingjianliyuanhuanneiweiyanyinglibianxingzixiangsixingshikongzhifangchengyijixiangyinglisanfangcheng
，yisuxingqubianjieyijikaiwabianjieyinglibianxingfenbuweibianjietiaojian


，yunyonglonggekutafajinxingdanweipingmianyuanhuanhuoweiyansuxingquyingli、變形與破壞數值計算。以廣義應變軟化本構模型（包含彈脆性本構與理想彈塑性本構）為基礎

，將Hoek-Brown屈服準則（a=0.5）拓展至廣義Hoek-Brown屈服準則(a≥0.5)情況，由此形成包含Hoek-Brown常數軟化參數，用於差異化采動岩體的廣義應變軟化本構模型。采用廣義Hoek-Brown屈服準則與非關聯流動法則構建圓形開挖體圍岩應變、變(bian)形(xing)與(yu)破(po)壞(huai)自(zi)相(xiang)似(si)形(xing)式(shi)控(kong)製(zhi)方(fang)程(cheng)，以(yi)塑(su)性(xing)區(qu)邊(bian)界(jie)與(yu)開(kai)挖(wa)邊(bian)界(jie)應(ying)力(li)變(bian)形(xing)分(fen)布(bu)為(wei)邊(bian)界(jie)條(tiao)件(jian)，結(jie)合(he)龍(long)格(ge)庫(ku)塔(ta)算(suan)法(fa)形(xing)成(cheng)差(cha)異(yi)化(hua)采(cai)動(dong)下(xia)圓(yuan)形(xing)開(kai)挖(wa)體(ti)圍(wei)岩(yan)應(ying)力(li)、變形與破壞數值計算方法，提出一種應變軟化岩體采用廣義Hoek-Brown屈服準則的圓形開挖體圍岩應力
、bianxingyupohuaizixiangsishuzhisuanfa，fengfuleshenbucaidongyantisunshangjizhijibenbengoumoxingshujuku，yanjiuchengguoweishenbuchayihuacaidongyantiwendingxingfenxitigonglilunyiju。

　　創新成果三：基於采動岩石失穩響應的深部采場結構設計方法

　　深部采場處於“高應力、高岩溫、高承水壓力、強開采擾動”開采技術條件
，仍然采用淺部“經驗法”
、“工程類比法”和依據“查手冊”為wei主zhu的de采cai場chang結jie構gou設she計ji方fang法fa已yi不bu能neng滿man足zu安an全quan生sheng產chan的de需xu求qiu。針zhen對dui穩wen定ding性xing圖tu表biao目mu前qian存cun在zai的de問wen題ti，搜sou集ji大da量liang國guo內nei外wai礦kuang山shan數shu據ju對dui其qi改gai進jin優you化hua，使shi其qi更geng適shi用yong於yu深shen部bu采cai場chang結jie構gou設she計ji。從cong地di質zhi構gou造zao、礦體產狀
、岩石力學等基礎條件出發，充分考慮深部開采誘發的采動應力與采場圍岩體相互作用響應特征，以采場形狀、采動地壓為主要變量
，引入係統科學
、數學等理論，研發采場結構量化設計方法（圖2）。根(gen)據(ju)對(dui)岩(yan)石(shi)擴(kuo)容(rong)特(te)性(xing)的(de)分(fen)析(xi)，提(ti)出(chu)了(le)利(li)用(yong)岩(yan)石(shi)擴(kuo)容(rong)應(ying)力(li)對(dui)應(ying)的(de)橫(heng)向(xiang)應(ying)變(bian)作(zuo)為(wei)采(cai)動(dong)岩(yan)體(ti)失(shi)穩(wen)的(de)判(pan)據(ju)，並(bing)基(ji)於(yu)岩(yan)體(ti)質(zhi)量(liang)分(fen)級(ji)與(yu)岩(yan)體(ti)力(li)學(xue)參(can)數(shu)估(gu)算(suan)，建(jian)立(li)了(le)采(cai)動(dong)岩(yan)體(ti)失(shi)穩(wen)的(de)臨(lin)界(jie)應(ying)變(bian)表(biao)達(da)式(shi)。通(tong)過(guo)調(tiao)查(zha)統(tong)計(ji)分(fen)析(xi)國(guo)內(nei)外(wai)大(da)量(liang)的(de)硬(ying)岩(yan)單(dan)軸(zhou)壓(ya)縮(suo)試(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)
，探(tan)討(tao)了(le)完(wan)整(zheng)硬(ying)岩(yan)臨(lin)界(jie)應(ying)變(bian)與(yu)彈(dan)性(xing)模(mo)量(liang)、擴容應力的關係
、岩體臨界應變與變形模量、岩體擴容應力的關係；提出用采動岩體失穩安全係數（FS）表征采動岩體失穩的形態，並通過現場觀測和數值模擬完成驗證。

圖2 深部采場結構設計方法

　　創新成果四：研發深部采場預控頂與下向深孔梯段式爆破落礦方法

　　隨sui著zhe開kai采cai深shen度du增zeng加jia地di質zhi環huan境jing嚴yan重zhong劣lie化hua
，采cai動dong災zai害hai加jia劇ju，仍reng采cai用yong傳chuan統tong采cai礦kuang方fang法fa及ji落luo礦kuang方fang式shi，極ji易yi造zao成cheng深shen部bu采cai場chang垮kua冒mao
，嚴yan重zhong威wei脅xie井jing下xia作zuo業ye人ren員yuan及ji裝zhuang備bei的de安an全quan。針zhen對dui上shang向xiang中zhong深shen孔kong落luo礦kuang極ji易yi造zao成cheng采cai場chang頂ding板ban垮kua冒mao這zhe一yi問wen題ti，開kai發fa了le深shen部bu采cai場chang預yu控kong頂ding下xia向xiang中zhong深shen孔kong落luo礦kuang方fang法fa（圖3）
，caichangdingbanshoucaidongyingxiangxiao
，diyafangkongjianbian，zaoyanhechukuanggongxuketongshijinxing，mibulezaihuicaixiaolvshangdechaju。yuchuantongshangxiangkongluokuangxiangbidiyatiaokongxiaoguogenghao
，caichangdingbanshoucaidongguochengyingxiangxiao，gengshiyongyujinshukuangzaihuicaishenbukuangtishishiyong。tongguozaishenbucaichangcaiyongxiaxiangtiduanshishenkongbaopoluokuangjishu，luokuangxiaolvtigao35%

，安全性好。研究成果為深部采場落礦提供了新技術。

圖3 深部采場預控頂與下向深孔梯段式爆破落礦方法

　　創新成果五：研製新型抗岩爆釋能支護係統

　　針對國際上現有釋能錨杆存在的問題，研發了一種既具有Cone錨杆的整體滑移能力，又具有D錨杆多點錨固作用的新型J釋能錨杆（圖4）。新型J釋能錨杆由攪拌模塊
、錨固模塊、變bian形xing模mo塊kuai螺luo紋wen段duan和he附fu屬shu部bu件jian組zu成cheng
，其qi中zhong攪jiao拌ban模mo塊kuai能neng夠gou快kuai速su均jun勻yun地di攪jiao拌ban樹shu脂zhi或huo水shui泥ni等deng錨mao固gu劑ji。其qi在zai高gao應ying力li作zuo用yong下xia
，變bian形xing模mo塊kuai可ke以yi產chan生sheng一yi定ding的de彈dan塑su性xing變bian形xing

，並bing對dui圍wei岩yan起qi到dao一yi定ding的de讓rang壓ya作zuo用yong；錨mao固gu模mo塊kuai保bao證zheng多duo點dian錨mao固gu提ti高gao整zheng體ti錨mao固gu力li
，同tong時shi在zai岩yan爆bao等deng動dong力li衝chong擊ji條tiao件jian下xia能neng夠gou使shi得de錨mao杆gan在zai錨mao固gu劑ji中zhong產chan生sheng一yi定ding的de滑hua移yi
，有you效xiao釋shi放fang集ji聚ju在zai岩yan體ti內nei的de動dong能neng。新xin型xing釋shi能neng錨mao杆gan建jian立li本ben構gou模mo型xing，該gai力li學xue模mo型xing由you黏nian彈dan性xing體ti和he黏nian塑su性xing體ti並bing聯lian而er成cheng

，其qi中zhong黏nian彈dan性xing體ti模mo擬ni錨mao杆gan變bian形xing模mo塊kuai受shou靜jing荷he載zai作zuo用yong進jin而er變bian形xing的de過guo程cheng，黏nian塑su性xing體ti模mo擬ni錨mao杆gan錨mao固gu模mo塊kuai受shou衝chong擊ji荷he載zai進jin而er滑hua移yi釋shi放fang能neng量liang的de過guo程cheng。

圖4 J釋能錨杆

　　在加拿大Canmet國家實驗室進行新型釋能錨杆的靜力拉拔實驗和動力衝擊實驗。靜止拉拔實驗結果表明：釋能錨杆的靜止拉拔力在 170KN以上
，最大拉拔力為194.75KN。釋能錨杆動力衝擊實驗（圖XX）結果表明：新型釋能錨杆的總釋能能力為58.5kJ
，每輸入19kJ能量，釋能錨杆產生60~270mm位移時，動載屈服能力為：80~100t。該釋能錨杆能抵抗多次往複動力衝擊，具有高剪切剛度和強度。與國外同類型錨杆相比，新型釋能錨杆的靜止拔抗力提升≥15%
，多次動力衝擊條件下釋能能力提升≥10%。

　　1.構建的礦山三維可視化工程災害模型，在陳台溝鐵礦
、中金紗嶺金礦
、三山島金礦、大柴旦礦業有限公司應用，建立的礦山三維可視化工程地質災害風險與采掘工程融合模型，真實表達岩體力學、岩體質量等級、地質災害風險等與數值模型、采掘工程設計的空間映射關係，特別直觀展現采掘工程設計與複雜地質結構
、地質災害風險間三維空間映射關係。

　　2.研發了基於采動岩體失穩響應的深部采場結構設計方法，在陳台溝鐵礦可行性研究中采場尺寸計算、思山嶺鐵礦-1020m中段首采礦房結構尺寸設計
、魯中礦業公司小官莊鐵礦北區充填采場結構設計、三山島金礦深部采場結構尺寸設計等深部礦山設計中應用；在三山島礦深部采場采用預控頂支護及與采場礦壓相適應的下向梯段式深孔落礦方法，並在陳台溝鐵礦
、思山嶺鐵礦深部首采采場落礦設計中應用
，與傳統的側向崩落礦石相比
，落礦效率顯著提高30%。

　　3.研發的新型抗大變形及岩爆釋能錨杆，在思山嶺鐵礦深部井巷、陳台溝鐵礦深部井巷、通鋼板石礦業有限公司上青礦
，魯中礦業公司小官莊鐵礦
、紅透山銅礦深部巷道等進行巷道支護
，測試結果表明，新型釋能支護係統，能抵抗多次往複衝擊，與類似錨杆比，釋能能力提高10%以上，所支護的巷道返修率為0。