北京科技大学 武钢资源集团大冶铁矿有限公司
项目简介
铁是我国重要的战略金属资源，也是深部开发重点投入的领域，然而我国铁矿石生产能力低，近年对外依存度高达70%~90%。为增加国内供给，2021年工信部出台《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见》，要求“到2025年铁金属国内自给率要达到45%以上”。近年来，国内也加大了铁矿山建设力度，新建了马城铁矿等一批地下铁矿山。
地下铁矿山以往采用崩落法开采，带来了地表塌陷、生态破坏、土地占用等环境问题。2017年六部委联合出台《加快建设绿色矿山的实施意见》，鼓励大中型矿山“废石不出坑，尾矿井下充填”。充填法可实现尾矿一废治多害，是矿业绿色可持续发展的必然趋势。
充填法中的阶段空场嗣后充填法具有低废排放、低生态损害、资源利用率高、安全、高效等优点，成为地下铁矿山的首选。近年来，阶段嗣后充填法朝着高阶段、大尺寸、高效率方向发展，带来采场结构复杂化、地压灾害风险加大、连续充填能力要求提高、充填体强度要求提高等问题。这归结于“全尾砂絮凝沉降机理、充填体力学行为表征与本构模型、围岩—充填体损伤破裂机理”等理论问题及“高阶段充填体强度匹配设计、采场结构参数优化方法及复杂采场地压控制技术”等工程应用问题研究不足，亟须开展相应的理论及技术研究。
该项目依托国家自然科学基金《结构型充填体力学行为多尺度表征与本构模型研究》等3项课题，以及国家重点研发计划课题《全尾砂短流程低能耗浓密与精准制备技术研究》、企业重大科技攻关课题《大冶铁矿深部低成本充填法安全开采技术研究》等开展了理论及技术研究工作。
该项目内容及技术思路为：针对“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，以理论创新为突破口，开展了超细全尾砂絮凝沉降细观机理、高阶段嗣后分层胶结充填体损伤演化机制、多场耦合条件下围岩-充填体细宏观力学特性3个方面研究，并基于理论创新进行“无动力深锥浓密及充填系统、高阶段嗣后分层胶结充填体结构及强度设计方法、高阶段嗣后高效开采工艺及地压控制”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，实现地下铁矿的绿色、安全、高效开采。（见图1）
主要创新点
其一，定量表征全尾砂絮团三维结构特征，优化了无动力深锥砂仓参数。
该项目针对矿山充填中超细全尾砂沉降速度慢、耗时长等问题，采用核磁共振成像、CT观测等手段，通过分形维数分析、三维重构建模等研究了全尾砂絮团结构、形貌及含水特征，从细观尺度揭示了全尾砂散体介质渗流特征及絮团结构特征，构建了絮团结构关系模型，实现了絮团空间结构的定量表征，为絮凝剂选型及用量参数提供了理论依据，解决了超细全尾砂沉降速度慢、耗时长等技术难题。在理论研究的基础上，基于铁矿山超细尾砂特性，设计了无动力深锥浓密模型，进行了小型模型工业试验，确定尾砂料浆及絮凝剂等技术参数；并优化模型砂仓参数，强化了尾砂浓缩效果，为超细全尾砂充填料浆高效高浓度制备及井下大面积采空区连续高质量充填提供条件。
其二，高阶段嗣后充填采场分层胶结充填体损伤失稳机理与强度需求。
该项目根据高阶段嗣后采场分层胶结充填体实际赋存情况，建立考虑结构效应的胶结充填体数值模型，从应力角度阐述了充填体损伤萌生机理，探明了充填体内部位移时空演化规律。从多维度探究分层胶结充填体内部损伤萌生、扩展、贯通过程，实现了采场分层胶结充填体损伤萌生、扩展、贯通全过程的透明化展示，为高阶段分层胶结充填体稳定性控制奠定了坚实的理论基础。构建了前壁揭露和后壁受压的分层胶结充填体三维理论计算模型（见图2），探究了采场结构参数、充填体力学参数与分层胶结充填体强度需求之间的响应关系。根据响应关系确立了分层胶结充填体强度需求的多元函数模型，为矿山进行分层胶结充填体结构调控与强度优化提供了理论支撑。
其三，复杂条件下围岩—充填体相互作用机理及损伤破裂演化机制。
该项目针对高阶段嗣后充填开采二步骤矿柱回采时经常受到爆破等工程活动扰动，开展了复杂应力路径下围岩—充填体的损伤破裂研究，从能量等多角度揭示围岩—充填体破坏过程中的应力吸收与转移作用，并动态展示了围岩—充填体从裂纹萌生—生长—扩张的声视损伤破裂演化过程（见图3），从宏细观尺度揭示了其损伤破裂演化机制，补充和完善了岩石和充填体在复杂条件下的相互作用和机理内容。针对深部充填开采渗流环境复杂化，渗流对充填体、岩石的原生孔、裂隙具有侵蚀破坏作用，影响采场稳定性等工况，开展流固耦合作用下岩石与充填体损伤演化研究，分析细观损伤演化的过程，揭示了流固耦合条件下岩石与充填体的相互作用的力学传导机制；并构建声视破裂损伤指数的函数关系模型，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指导。
其四，地下铁矿高阶段嗣后充填开采工艺及技术集成。
在前述理论创新的基础上，该项目建成了无动力深锥浓密充填系统，实现了超细全尾砂高效高浓度及井下大面积采矿区连续高质量充填；综合运用矿体三维地质建模、室内物理模拟实验及数值模拟分析等手段，进行充填采场结构参数确定、回采顺序优化及高阶段大体积分层胶结充填体强度匹配设计，形成了一套适用于地下铁矿山高阶段嗣后充填高效开采方案及关键工艺参数，该项目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。该项目研究了影响崩落法转充填法开采采场稳定的主要因素，揭示了高阶段嗣后充填开采复杂采场回采过程中地压变化规律，阐明了不同开采阶段围岩、采空区应力表现的差异性，提出了稳定性控制措施，保障了高阶段嗣后充填开采大面积采空区及大结构参数采场的稳定与安全。
经济和社会效益显著
该项目共发表高水平学术论文46篇，总引用520次，包括高被引论文1篇、JCR（《期刊引用报告》）2区刊物年度优秀论文1篇、最具影响力论文特等奖1篇；获得授权发明专利9项、实用新型专利3项，出版专著3部，培养博士5名、硕士2名，对充填体力学理论体系研究产生了深远影响。
该项目取得了良好的技术指标，胶凝材料使用总比例较之前降低22%，阶段高度加高50%，矿房矿柱尺寸加宽33%，全员采矿劳动生产率提高35%，实现了细尾砂全利用，取得了突破性进步；实现了铁矿资源的绿色、安全、高效开采，推动了矿山行业高阶段嗣后充填开采理论及技术研究的进步，经中国冶金矿山企业协会等单位组织的成果评价，达到国际领先水平。
该项目成果应用以来，充填成本较之前降低18.9元/吨，累计创造直接经济效益1700万元、间接经济效益5000万元。该项目还推广应用至宝武程潮铁矿、山东黄金西和中宝矿业、红岭铅锌矿等矿山，协助矿山解决了相关技术难题，取得了良好的经济效果。
该项目成果促使矿山走上安全生产、低成本运营及绿色开发之路，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，为产业转型和升级创造了条件；丰富了矿山的生态文明、物质文明及精神文明内涵，社会效益非常显著。
