【获奖成果】地下铁矿山高阶段嗣后胶结充填理论与应用研究

党的二十大报告提出，必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展。为全面贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，加强矿业领域生态文明建设，国土资源部等六部门联合出台了《关于加快建设绿色矿山的实施意见》，旨在鼓励大中型矿山“废石不出坑，尾矿井下充填”，将建设绿色矿山提升到国家战略发展的高度。

近年来，阶段空场嗣后充填法逐步取代了传统的崩落采矿法，避免了大量固体废物积聚于地表以及地下采空区的塌陷、滑坡、岩爆等地质灾害。然而，为了提高开采效率，矿山企业通过增加到达矿体不同水平巷道之间的高度来实现高阶段开采，形成了巨大采空区，对充填能力、强度提出了更高的要求，也使得阶段空场嗣后充填法在地下铁矿山的应用中遭遇充填能力不足、地压显现剧烈、安全风险大、充填成本高等技术瓶颈问题。因此，必须深入研究，通过科技创新推动阶段空场嗣后充填法技术水平提高，加速其推广应用，实现地下矿山的安全、绿色发展。

面对国家绿色发展的要求以及矿业开发所面临的困境，北京科技大学谭玉叶副教授团队从现场实际问题出发，坚守十余年，通过理论分析研究，技术集成和现场实践，最终形成了“地下铁矿山高阶段嗣后胶结充填开采工艺体系”，成功实现了地下铁矿的绿色、安全、高效开采。相关成果获2022年冶金科学技术一等奖，授权发明专利9项、实用新型专利3项，出版专著3部。

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透过现象求本质

面对阶段空场嗣后充填法采场巷道破坏严重、采空区不稳定、充填体数量庞大、井下采场情况复杂多变、存在极大安全风险等问题，项目组毫不迟疑，迎难而上，多次深入地下几百米甚至上千米，开展实地考察，并长期驻守在井下采场一线，与现场工作人员反复沟通采场开采及充填存在的困难，搜集分析归纳现场问题，为总结提出研究思路及技术方案提供第一手基础资料。通过一系列的细致探索与深入分析，项目组最终总结归纳提炼出“高阶段分层胶结充填体的本构模型与损伤演化机理”及“复杂条件下充填体与围岩力学行为及相互作用机理”等科学问题，开展理论研究，并提出了“高阶段充填体强度匹配设计方法、采场结构参数优化方法、复杂采场地压控制技术”等现场技术问题的研究方案。

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双管齐下  解矿山之困

项目组通过对基础材料的研究，采用核磁共振成像、CT观测等手段，研究了全尾砂散体介质渗流特征及絮团结构特征，为填充料浆絮凝剂选型及用量参数提供了理论依据，并建立了考虑结构效应的胶结充填体数值模型；此外，团队还通过全面取样、详细检测、深入分析及理论计算研究等方法，开展了复杂应力路径下围岩-充填体的损伤破裂研究，首次从宏细观尺度揭示了充填体-围岩损伤破裂演化机制，为复杂开采条件下充填采场结构参数科学匹配及地压控制提供理论依据和技术支撑。

及损伤破裂演化机制

项目团队通过技术集成形成了“地下铁矿山高阶段嗣后胶结充填开采工艺体系”，解决了地下铁矿山充填开采细尾砂利用率低、成本高、生产能力不足等难题。团队通过协同探索，集思广益，将室内试验、生产实践和科学理论相结合，成功研发了无动力深锥浓密充填系统，实现了超细全尾砂的高效高浓度制备，并在地下大面积采矿区实现了连续高质量充填；此外，团队还提出了适用于地下铁矿山高阶段嗣后充填的开采工艺方案和关键工艺参数，以及稳定性控制措施，保障了高阶段嗣后充填开采大面积采空区和大结构参数采场的稳定和安全。

该工艺体系取得了良好的技术指标，胶凝材料使用总比例降低22%，阶段高度增加了50%，矿房矿柱尺寸加宽了33%，全员采矿劳动生产率提高了35%，实现了细尾砂的全面利用，取得了突破性进步。有助于推动地下铁矿山绿色、安全、高效开采，推进了矿山行业高阶段嗣后充填开采理论及技术研究的进步。

项目成果在提升经济效益与社会效益方面效果显著。该研究成果已成功推广应用至宝武集团、山东黄金集团等矿山，协助矿山解决了相关技术难题，创造直接经济效益达数亿元。同时，在武钢资源集团大冶铁矿应用以来，促使矿山走上安全生产、低成本运营及绿色开发之路，获批“国家示范绿色铁矿山”，并使得4A级国家矿山公园及世界文化遗产得到有效保护；促进了资源开发、环境保护、经济效益和社区建设的绿色可持续协调发展，使百年老矿焕发出新活力，社会效益非常显著。

重理论，敢实践，勇创新

他们始终将矿山生产安全

放在心头、抗上肩头

驻守采场一线、理论研究和实际应用

有机结合

他们守住了矿山工作者生命安全

护住了千万家庭幸福安康

为祖国绿水青山贡献了北科力量！

来源：科转院

转自：“北科科研”微信公众号

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