金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室

主要研究成果展示

1.地应力测量技术与深地采矿工程优化方法

主要参与人员：蔡美峰、纪洪广、李长洪、朱维耀、吴顺川、王金安、周晓敏

研究简介：

针对深部开采与深部地下工程的复杂性，以地应力测量理论和技术为基础，通过矿山岩体非线性、不连续性和各向异性的地应力测量基础理论研究、以地应力为基础的深部地下工程、开采工程优化设计研究，在深井建设、开采系统优化布置以及深部开采动力灾害防控等方面取得创新性成果：

1. 以自主发明的可实现完全温度补偿并考虑岩体非线性的地应力解除测量技术为基础，大力推进我国矿山的地应力测量工作。

2. 基于地应力分布规律及其局部化特征，优选合理采矿方法，确定最佳开采总体布置、采场结构参数和开采顺序，进而实现深部开采过程中的地压控制和动力灾害防控，取得突破性进展。应用范围涵盖我国铁矿、镍矿、金矿、煤矿等一批重点骨干矿山企业。

3. 开展了深厚冲积层竖井的机械化钻井工艺风险分析及其控制机理研究，参与完成了“一扩成井”快速钻井法凿井关键技术及装备研究，使钻井法工艺水平和装备能力得到大幅度提升。

近年来，依托地应力测量方法与技术，先后承担国家科技支撑、重点研发、自然科学基金重点项目等，获国家及省部级科技进步奖5项，出版专著4部，其中：《地应力测量原理和技术》是国内外第一部系统介绍地应力测量方法和实践的专著；《岩石力学与工程》被国内矿业类院校作为《岩石力学》课程的重要参考教材，并获得国家教学成果二等奖、北京市教学成果二等奖和北京高等教育精品教材，创造出显著的经济社会效益，在国内外产生了重要影响。

佐证材料：

[1] 国家科学技术进步二等奖，“一扩成井”快速钻井法凿井关键技术及装备研究，2012年. (此项成果未包括在上次重点实验室评估期中)

[2] 北京市教学成果二等奖，基于“岩石力学与工程”课程的研究性教学改革与实践，2013年.

[3] 国家级精品资源共享课，岩石力学与工程，2013.

[4] MIAO Shengjun, CAI Meifeng, GUO Qifeng, et al. Damage effects and mechanisms in granite treated with acidic chemical solutions[J]. International Journal of    Rock Mechanics and Mining Sciences, 2016, 88: 77-86.

[5] MIAO Shengjun, CAI Meifeng, GUO Qifeng, et al. Rock burst prediction based on in-situ stress and energy accumulation theory[J]. International Journal of  Rock Mechanics and Mining Sciences, 2016, 83: 86-94.

[6] XU Xueliang, WU Shunchuan, GAO Yongtao, et al. Effects of micro-structure and micro-parameters on brazilian tensile strength using flat-joint model[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2016, 49: 3575-3595.

[7] WU Shunchuan, XU Xueliang. A study of three intrinsic problems of the classic discrete element method using flat-joint model[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2016, 49: 1813-1830.

[8] 蔡美峰，郭奇峰，等. 基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32(10)：1973-1980.

[9] 周喻，吴顺川，高永涛，等. 一种节理岩体各向异性的确定方法. 发明专利，ZL201310073786.5，2014年8月授权.

[10] 周喻，吴顺川，赵伟. 一种节理岩体表征单元体积的取值方法. 发明专利，ZL201310061950.0，2015年7月授权.

2.复杂金属矿床绿色高效开采技术

主要参与人员：吴爱祥、宋卫东、尹升华、高谦、倪文、王洪江、金爱兵

研究成果简介：

针对金属矿床赋存条件复杂、资源回收率低的特点，实验室人员依托国家科技支撑计划、国家重点研发计划等重大科研课题，构建了复杂金属矿床绿色高效开采理论与技术体系并实现工程化应用：

1. 创立了高应力破碎矿床连续开采新技术。针对地应力高、矿岩破碎、埋藏深的特大型金属矿床，创新了深部岩石力学理论与岩层控制技术，研发了蜂巢结构进路无矿柱大面积连续回采新技术，实现高应力特大型破碎金属矿床的高效、低贫损开采。

2. 研发了海底大型金属矿床高效开采新方法。针对上覆岩层易沉降、海水渗漏易导致矿井突水的千米垂深海底大型矿床，创新了海底金属矿开采理论与安全保障成套关键技术，开发了采场交替上升无房柱连续采矿新方法，实现海底大型硬岩矿床低沉降规模化安全高效开采。

3. 开创了基于膏体充填的绿色开采新模式。针对矿岩松软破碎且遇水易泥化的富水金属矿床，率先提出膏体充填绿色开采新模式，创新了全尾砂料浆浓度强化提升与膏体流变学理论，研发了膏体料浆制备与输送技术，有效处置矿山固废并大幅提高资源回收率，实现金属矿山无废化绿色高效开采。

获国家科技进步二等奖2项、省部级一等奖5项，授权发明专利30余项，发表SCI/EI论文100余篇，出版学术专著2部。成果在国内金属矿山大面积推广应用，为我国金属矿山绿色高效开采提供强有力的理论与技术支撑，促进了绿色矿业的发展。同时成功应用于赞比亚谦比希铜矿等国外矿山，推动了我国金属矿绿色高效开采技术登上世界舞台。

佐证材料：

[1] 国家科学技术进步二等奖，金川镍矿高应力特大型矿床连续开采综合技术，2012年. (此项成果未包括在上次重点实验室评估期中)

[2] 国家科学技术进步二等奖，海底大型金属矿床高效开采与安全保障关键技术，2012年. (此项成果未包括在上次重点实验室评估期中)

[3] 新疆维吾尔自治区科学技术进步奖一等奖，软破难采矿体膏体充填安全高效开采关键技术研究及应用，2016年.

[4] 中国有色金属工业科学技术一等奖，谦比希铜矿破碎缓倾斜矿体开采及膏体充填关键技术研究，2015年.

[5] 中国有色金属工业技术发明一等奖，绿色充填胶凝材料开发与废石粗骨料资源化利用，2016.

[6] 宋卫东，付建新，谭玉叶. 金属矿采空区灾害防治技术[M]. 北京：冶金工业出版社，2015.

[7] WU Aixiang，WANG Yong，WANG Hongjiang，et al. Coupled effects of cement type and water quality on the properties of cemented paste backfill[J]. International Journal of Mineral Processing，2015，143：65-71.

[8] CAO Shuai，SONG Weidong. Effect of filling interval time on the mechanical strength and ultrasonic properties of cemented coarse tailing backfill[J]. International Journal of Mineral Processing，2017，166：62-68.

[9] 吴爱祥，王勇，王洪江，等. 一种基于深锥浓密机的全尾膏体充填和堆存联合处置方法，发明专利，ZL201510334903.8，2017年2月授权.

[10] 高谦，杨志强，杨玉强，等. 一种采矿用充填胶凝材料配比决策方法，发明专利，ZL 201310733426.3，2015年12月授权.

3.采矿数字化与技术装备

主要参与人员：胡乃联、马飞、张德政、李仲学、谭卓英、李翠平、李国清

研究成果简介：

致力于矿山信息化、数字矿山、智能采矿技术与装备的研发，承担并完成了国家科技支撑计划、863计划、国家自然基金以及北京市科技计划等项目，取得了多项高水平科研成果，形成了鲜明的特色和优势：

1. 矿山数字化、信息化深度融合的关键技术取得突破与创新。建成了数字开采设计、生产执行、自动控制、安全管理、信息管理等五大系统平台；

2. 形成了数字矿山建设的技术规范。整合矿山企业数字化建设关键要素，形成了以管理规范、框架规范、平台规范、功能规范、数据规范、文档规范和运维规范为主要内容的数字矿山建设技术规范，并指导了山东黄金的数字矿山建设；

3. 构建了面向业务协同的数字矿山生产信息管理新模式，研发并实现了成套生产信息管理系统。创新性地融合现代管理理论和业务协同理念，提出了以生产计划为主线，涵盖数字化地质资源、生产过程调度、矿石质量控制、生产测量验收、生产统计分析等数字化生产管控体系。

4. 同步中国制造2025，提出了智能矿山建设的技术路线、功能框架和内容体系。整合相应关键技术，形成了具备中国矿山特色的智能矿山建设的规划与实施方案，为我国矿山企业的智能化、信息化建设提供指导，并进一步支持智能矿山建设标准的形成。

“十三五”期间，实验室人员承担了多项科技部、工信部的研究任务，包括工信部2017智能制造综合标准化项目“面向黄金生产行业的数字化车间通用模型标准与试验验证”、国家重点研发计划项目“地下金属矿规模化无人采矿关键技术研发与示范”项目等。先后获国家科学技术进步二等奖1项，省部级一等奖4项，软件著作权4项，发表SCI/EI论文100余篇，出版规划教材1部，研究成果在我国地下金属矿山投入应用，全面推进了我国金属矿山数字化、智能化进程。

佐证材料：

[1] 国家科学技术进步二等奖，露天转地下高效转型建设大型数字化地下金属矿山的研究与实践，2015年.

[2] 中国黄金协会科学技术奖一等奖，山东黄金数字矿山建设技术规范研究， 2015年.

[3] 中国黄金协会科学技术奖一等奖，多元异构平台下的地质资源管理系统， 2015年.

[4] 中国黄金协会科学技术奖一等奖，面向业务协同的黄金矿山生产信息管理系统，2014年.

[5] DU Furui，HU Nailian，XIE Yuling，et al. An Undersea Mining Microseism Source Location Algorithm Considering Wave Velocity Probability Distribution[J]. Mathematical Problems in Engineering，2014，12：1-7.

[6] SHI Guangsi，YANG Jue，ZHAO Xuan，et al. A h-infinity control for path tracking with fuzzy hyperbolic tangent model[J]. Journal of Control Science and Engineering，2016，1：1-9.

[7] WANG Xiaodong，HU Nailian，LI Guoqing. Optimized design of ventilation in long-distance dead end of plateau mines[J]. International Journal of Earth Sciences and Engineering，2014，3(7)：901-906.

[8] 侯杰，胡乃联，李国清. 基于商务智能的矿业集团运营决策系统解决方案[J]. 计算机集成制造系统，2016，22(1)：202-211.

[9] 侯杰，胡乃联，李国清. 多金属地下矿山生产计划动态优化[J]. 工程科学学报，2016，38(4)：453-460.

[10] 李国清. 基于GIS的集成化安全生产管理系统，软件著作权，2014SR172243，2014年授权.

4.地下工程灾害防控关键技术

主要参与人员：何学秋、姜福兴、高永涛、乔兰、李铁、苗胜军、宋大钊

研究成果简介：

针对采矿等地下工程开挖诱发的工程灾害防控难题，尤其深井高应力环境下的动力灾害防控这一国际性技术难题，在科技部、自然基金委、矿山及交通行业的大力支持下，历经多年攻关，研发了地下工程灾害防控系列关键技术，并实现了跨行业推广应用：

1. 研发了实时应力在线自动监测系统与深井动力灾害递进聚焦预警技术，实现了变形、塌方及动力灾害的高精度监测预警：针对地下工程灾害预警阈值确定不合理、范围小和准确率低等重大难题，创建了工程尺度等效岩体分析方法，建立了岩体-衬砌相互作用变形协调解析关系，提出了应变状态突变预警阈值确定方法，研发的地下工程灾害在线自动监测软硬件系统，显著提高了灾害预警可靠性。

2. 建立了支护时机确定方法与控制技术，创造了四项灾后结构恢复技术，实现了垮塌地下工程的100%功能恢复：针对地下工程异常塌方后采用常规技术难以恢复使用功能的重大技术难题，以开发的松散体插筋锚注等技术为基础，创造了垮塌地下结构功能恢复成套技术。四项灾后恢复技术已作为各类地下工程“灾后重建”的关键技术在全国20余项大型工程中成功应用。

3. 研发了深井动力灾害“卸-支”协同治理技术与装备。研发了以“裂-注-排-支”为核心的动力灾害治理技术，研发了智能卸压钻车、矿用多级让压防冲支护装置、可伸缩吸能防冲粘滞阻尼锚杆等装备，提高了动力灾害治理效率与可靠性。

研究成果获国家科学技术奖二等奖1项、省部级一等奖4项；制定国家标准1项；授权发明专利18项；发表SCI、EI论文52篇，出版专著8部。研究成果推动了地下工程灾害防控技术的进步，已在全国200多个重点工程中的跨行业应用，取得了显著的经济和社会效益。

佐证材料：

[1] 国家科学技术进步二等奖，地下工程开挖诱发灾害防控关键技术开发及应用，2012年. (此项成果未包括在上次重点实验室评估期中)

[2] 中国煤炭工业协会科技进步奖一等奖，山东矿区冲击地压类型、发生机理与治理关键技术，2016年.

[3] 国家安全生产科技成果一等奖，综采（放）工作面冲击地压实时在线监测安全预警系统研究，2015年.

[4] 山东省科学技术进步一等奖，岩体破裂灾变的微地震监测研究与应用，2013年.

[5] HE Xueqiu，LIU Xianfeng，NIE Baisheng，et al. FTIR and Raman spectroscopy characterization of functional groups in various rank coals[J]. Fuel，2017，206：555-563.

[6] SONG Dazhao，WANG Enyuan，LI Zhonghui，et al. EMR: an effective method for monitoring and warning of rock burst hazard [J]. Geomechanics and Engineering， 2017，12(1)：53-69.

[7] WANG Jianchao，JIANG Fuxing，MENG Xiangjun，et al. Mechanism of rock burst occurrence in specially thick coal seam with rock parting[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2016，49(5)：1953-1965.

[8] ZHU Sitao，FENG Yu，JIANG Fuxing. Determination of abutment pressure in coal mines with extremely thick alluvium stratum: a typical kind of rockburst mines in China [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2016，49(5)：1943-1952.

[9] 姜福兴，姚顺利，魏全德，等. 矿震诱发型冲击地压临场预警机制及应用研究[J]. 岩石力学与工程学报，2015(s1)：3372-3380.

[10] 何学秋，宋大钊，矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法. 发明专利，ZL 2016108067189，2018年3月授权.

5.井下紧急避险技术与系统集成

主要参与人员：金龙哲、张英华、蒋仲安、杜翠凤、龚敏、冯志鹏、宋洪庆

研究成果简介：

针对我国矿难多发、矿井避险水平相对落后的现状，本学科以国家科技支撑计划为依托，在国内率先开展了井下紧急避险技术研究：

1. 建立了井下避险设施内生命维持关键技术，研究了基于紧急避险设施的煤矿应急救援指挥系统，为我国构建矿山安全避险“六大系统”提供了理论保障，已成功应用于我国100余座矿山。

2. 研发了适合我国矿山实际的避难硐室系统与装备，包括具有自主知识产权的矿用蓄冰空调系统、专用监控装置、防爆密闭系统、新型矿用防爆检测仪表等装置，为紧急避险系统的实施，提供了技术与装备保障。

3. 提出了安全、高效的“1122”式矿井避难与钻孔逃生救援系统并付诸实施，系统由1舱（钻孔提升救援舱）、1室（避难硐室）、2孔（逃生钻孔、供给钻孔）、2车（应急救援提升车、车载移动供给站）等组成，实现了灾害情况下人员安全、高效的逃生与救援。

研究成果获得了国家科学技术奖二等奖1项、省部级科学技术一等奖4项、二等奖3项，出版专著1部，发表论文60余篇。此外，中央电视台等百余家国内主流媒体以及联合早报等境外主流媒体对本项目的研究进行了跟踪报道，中央电视台《科技之光》播出的“井下避难”、凤凰卫视世纪大讲堂播出的“中国矿难的分析与救援对策”等均由本学科带头人参与制作与主讲，产生了巨大的社会效益。相关研究得到了党和政府的高度重视。本学科曾为国务院起草了“关于南非等国矿井安全防护体系现状分析”的调研报告，学科带头人金龙哲教授得到了张德江以及国家安监总局杨元元、赵铁锤、付建华等领导同志的接见和指导。

佐证材料：

[1] 国家科学技术进步二等奖，大型铁矿山露天井下协同开采及风险防控关键技术与应用，2014年.

[2] 中国职业安全健康协会一等奖，井下紧急避险系统研究与应用，2013年.

[3] 教育部高校科研成果科技进步二等奖，煤矿井下紧急避险技术与装备， 2013年.

[4] 国家级规划教材：《矿山安全工程》，机械工业出版社，金龙哲，2014.

[5] WANG Shu，JIN Longzhe，OU Shengnan，et al. Experimental air curtain solution for refuge alternatives in underground mines[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2017，68：74-81.

[6] WANG Shu，JIN Longzhe，HAN Zhonglong，et al. Discharging performance of a forced-circulation ice thermal storage system for a permanent refuge chamber in an underground mine[J]. Applied Thermal Engineering，2017，110：703-709.

[7] YANG Zhe，JIN Longzhe，YIN Guoguang，et al. Experimental research on CO2 adsorbent in mine confined rescue space[J]. Journal of Central South University， 2015，46：3160-3166.

[8] 黄志凌，金龙哲，詹子娜，等. 避难硐室温度计算模型及影响因素[J]. 中南大学学报(自然科学版)，2015，46(11)：4274-4280.

[9] 金龙哲. 一种多驱动方式的避难硐室用空区净化装置，国家发明专利，ZL201310084188.8，2015年4月授权.

[10] 金龙哲. 一种用于煤矿用可移动式应急救生舱的自动化空气净化器. 发明专利，ZL201310512983.2，2015年10月授权.