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硬岩非爆机械化采掘技术发展与展望

金属矿山 2024年第5期 1-15页

作者：王少锋石鑫垒周子龙中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083

近年来,随着地下工程建设及资源开采规模不断扩大,硬岩机械化采掘技术和装备得到不断创新和发展。传统钻爆法因其危险性高、衍生破坏大,难以满足现代岩石工程发展需求。硬岩非爆机械化采掘技术以其安全、高效、经济、智能化进程快等优... 详细信息

近年来,随着地下工程建设及资源开采规模不断扩大,硬岩机械化采掘技术和装备得到不断创新和发展。传统钻爆法因其危险性高、衍生破坏大,难以满足现代岩石工程发展需求。硬岩非爆机械化采掘技术以其安全、高效、经济、智能化进程快等优势已成为现代岩石破碎工程的主要发展方向。从岩石可切割性、机械刀具(破岩工具)和机械装备3个角度对硬岩非爆机械化采掘技术的发展现状进行了论述。研究表明:岩石可切割性从单一指标评价向多指标综合评价发展;机械刀具类型呈现多样化,刀具性能伴随合金技术和涂层技术的发展而不断提质,并且刀具的设计制造注重在刀具硬度、耐磨蚀性与冲击韧性间寻找最佳平衡点来提高刀具使用寿命;破岩机械装备正在逐步向大型化、重型化、智能化、多样化、精细化发展,以更好地实现硬岩的高效、安全、经济、精细化采掘。在上述分析的基础上,展望了硬岩非爆机械化采掘技术的未来发展方向,认为未来亟须攻克的难点有:①建立深部岩石破碎力学与能量模型,探寻深部硬岩高应力诱导利用与高储能调控方法,开发硬岩诱变改性降危增割协同破岩方法与技术;②明晰硬岩破碎过程的多场多相耦合及多尺度破裂、破坏、破碎过程,开发机械刀具、水力、热力等多源联合破岩技术及装备;③揭示深部破岩扰动诱发高储能岩体动力灾害的力学及能量机制,提出针对性的防控方法;④开发与岩体特性、地应力条件、破岩需求协同匹配的精细化智能破岩技术与装备,形成非爆机械化智能采掘方法与技术体系;⑤构建非爆机械化采掘全过程管理模式,完善硬岩非爆机械化采掘作业流程。通过以上研究攻关,有望促进非爆机械化采掘技术在硬岩工程中的规模化应用,实现硬岩的安全、高效、绿色、智能采掘。

关键词：硬岩非爆机械化岩石可切割性机械刀具采掘设备

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含硫高黏性三相流态充填浆体管道输送性能

中国有色金属学报 2015年第4期25卷 1049-1055页

作者：杨建王新民张钦礼柯愈贤中南大学资源与安全工程学院深部金属矿床开发与灾害控制重点实验室长沙410083

为解决新桥矿含硫全尾砂浆体黏度大、易结块以及管道输送性能差的问题,将发泡技术引入全尾砂胶结充填配浆实验中,研究灰砂比、质量分数和气泡率的变化对浆体流变性能的影响。基于Fluent的充填管道输送流速和压力变化模拟,对三相流态充... 详细信息

为解决新桥矿含硫全尾砂浆体黏度大、易结块以及管道输送性能差的问题,将发泡技术引入全尾砂胶结充填配浆实验中,研究灰砂比、质量分数和气泡率的变化对浆体流变性能的影响。基于Fluent的充填管道输送流速和压力变化模拟,对三相流态充填体的输送性能进行分析。结果表明:灰砂比为1:6、质量分数为72%、气泡率为20%时,三相流态充填浆体较同配比不含气泡的两相流态浆体泌水率降低29%,黏度降低17%,管道沿程阻力降低25%。气相成分的加入在降低含硫高黏性充填浆体的剪切应力和塑性黏度以及改善其管道输送性能和提升管道输送效率方面具有显著的优越性。

关键词：含硫高黏性尾砂发泡技术三相充填浆体流变性能管道输送

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基于磁化水的建筑垃圾深井充填新技术

中国矿业大学学报 2014年第6期43卷 981-986页

作者：王新民杨建张钦礼中南大学资源与安全工程学院深部金属矿床开发与灾害控制重点实验室湖南长沙410083

为解决建筑垃圾与煤矸石混合骨料浆体管道输送性能差,后期强度不足的问题,将磁化水和活化搅拌技术引入建筑垃圾充填配浆试验中.试验探究了不同磁化条件下,磁化水-建筑垃圾浆体主要流变参数和抗压强度的变化规律;基于Fluent的充填管道输... 详细信息

为解决建筑垃圾与煤矸石混合骨料浆体管道输送性能差,后期强度不足的问题,将磁化水和活化搅拌技术引入建筑垃圾充填配浆试验中.试验探究了不同磁化条件下,磁化水-建筑垃圾浆体主要流变参数和抗压强度的变化规律;基于Fluent的充填管道输送流速和压力变化模拟,对磁化水-建筑垃圾浆体的管道输送性能进行分析.试验结果表明:在磁感应强度B=200mT,水循环流速v=0.3m/s时,经活化搅拌后的磁化水-建筑垃圾浆体的坍落度、稠度提升15%~20%,抗压强度提升20%~30%,管道沿程阻力损失减少27%.磁化水在提高建筑垃圾充填体强度,改善其流变性能,提升管道输送效率方面具有显著的优越性.

关键词：磁化水活化搅拌建筑垃圾流变性能管道输送

Dynamic experiments on flocculation and sedimentation of argillized ultrafine tailings using fly-ash-based magnetic coagulant

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2016年第7期26卷 1975-1984页

作者：李帅王新民张钦礼中南大学资源与安全工程学院长沙410083 中南大学深部金属矿床开发与灾害控制重点实验室长沙410083

In order to accelerate the sedimentation of super-large-scale argillized ultrafine tailings with bad features such as low settling velocity, muddy overflow water, and large flocculant dosage, a fly-ash-based magnetic coagulant （FAMC） was used in a dynamic experimental device. To obtain the best possible combination of the impact factors （magnetic intensity, FAMC dosage, flocculant dosage, and feed speed） for minimum overflow turbidity, a response surface methodology test coupled with a four-factor five-level central composite design was conducted. The synergy mechanism of FAMC and flocculant was analyzed based on the potential measurement and scanning electron microscopy. The results show that the flocculant dosage, overflow turbidity, and solid content can be reduced by 50%, 90%, and 80%, while the handling capacity per unit and efficiency of backfill and dry stacking can be promoted by 20%, 17%, and 13%, respectively, with a magnetic intensity of 0.3 T, FAMC dosage of 200 mL/t, flocculant dosage of 30 g/t, and feed speed of 0.6 t/（m^2·h）. Therefore, synergy of FAMC and flocculant has obvious efficiency in saving energy and protecting the environment by allowing 70×10^6 t/a of argillized ultrafine tailings slurry to be disposed safely and efficiently with a cost saving of more than 53×106 Yuan/a, which gives it great promise for use in domestic and foreign mines.

关键词： super-large-scale argillized ultrafine tailings flocculation and sedimentation fly-ash-based magnetic coagulant dynamic experimental device response surface methodology synergy mechanism

超大型深井铁矿高效绿色开采技术与智能装备研究现状与展望

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工程科学学报 2024年第12期46卷 2147-2158页

作者：杨小聪尹升华矿冶科技集团有限公司北京100160 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 国家金属矿绿色开采国际联合研究中心北京102628

我国铁矿资源矿床普遍具有厚度大、品位低的特点,这使得传统的开采方式难以经济有效地满足市场需求.为了在激烈的市场竞争中占据优势,同时遵循环保和低碳发展的要求,必须采用千万吨级的大规模、低成本、环保低碳开采模式.这种开采模式... 详细信息

我国铁矿资源矿床普遍具有厚度大、品位低的特点,这使得传统的开采方式难以经济有效地满足市场需求.为了在激烈的市场竞争中占据优势,同时遵循环保和低碳发展的要求,必须采用千万吨级的大规模、低成本、环保低碳开采模式.这种开采模式不仅能显著降低单位矿石的开采成本,还能最大程度地减少对环境的影响,降低碳排放,实现资源的可持续开发与利用.为此,本文围绕超大型深井矿山高效绿色开采的采矿新模式、安全新技术、绿色新要求、智能新趋势,旨在攻克“深部厚大矿体超大规模连续开采原理与方法、高应力岩体强循环扰动灾变机理及力学行为、深热矿井多风机自适应智能节能通风机制”3项关键问题,研究形成“深部倾斜厚大矿体盘区化时空协同连续开采技术、大规模采动力学环境高效感知装置与灾害防控技术、尾砂膏体大流量连续稳态制备与输送技术、深热矿井多级动态智能通风及热害直冷防治技术、盘区回采作业链设备群智能决策与协同作业管控技术”5项关键技术,实现厚大矿体大参数高效连续开采、大规模开采的工程岩体力学与动力灾害防治、采选固废高效充填利用、智能节能通风与热害防治、盘区智能化回采作业链高效协同等方面的理论、技术、方法和装备创新,创建千米以深千万吨级金属矿绿色智能开采新理论、新技术和新装备并建立示范矿山,形成可推广应用的超大型深井矿山高效绿色开采技术体系,以期全面提升我国深部战略矿产资源的大规模绿色开发能力,为深部矿产资源大规模绿色开发提供理论基础与技术支撑.

关键词：深井铁矿充填采矿智能采矿超大规模开采采矿技术与装备

温压耦合作用下的粉砂岩动态力学特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2010年第12期29卷 2377-2384页

作者：李夕兵尹土兵周子龙洪亮高科中南大学资源与安全工程学院中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室

采用自行研制的温压耦合及动力扰动试验系统,对20℃～300℃和不同轴向静压作用下粉砂岩的动态强度进行室内试验研究,讨论温度和压力对岩石动态强度变化规律的影响。研究结果表明:(1)在20℃～100℃范围内粉砂岩动态峰值强度随温度升高而... 详细信息

采用自行研制的温压耦合及动力扰动试验系统,对20℃～300℃和不同轴向静压作用下粉砂岩的动态强度进行室内试验研究,讨论温度和压力对岩石动态强度变化规律的影响。研究结果表明:(1)在20℃～100℃范围内粉砂岩动态峰值强度随温度升高而上升,当温度超过100℃后,随温度升高而下降;(2)当温度相同时,对岩石施加不同轴向静压,粉砂岩的冲击破坏强度首先随轴向静压增大而迅速提高,但当轴向静应力达到约45MPa后,冲击破坏强度反而随轴向静压上升而下降,且轴向静压越大岩石冲击破坏强度降低幅度越大。

关键词：岩石力学温压耦合动态力学特性

冲击载荷作用下硬岩层裂破坏的理论和试验研究

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岩石力学与工程学报 2011年第6期30卷 1081-1088页

作者：李夕兵陶明宫凤强殷志强杜坤中南大学资源与安全工程学院中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室

理论分析半正弦冲击入射加载波形下的层裂破坏特性,推导产生层裂破坏的位置和层裂厚度。利用改进的霍普金森压杆装置产生的半正弦波形对花岗岩试件进行层裂破坏试验。采用高速摄像仪记录试件层裂破坏的全过程。试验结果表明:岩石试件在... 详细信息

理论分析半正弦冲击入射加载波形下的层裂破坏特性,推导产生层裂破坏的位置和层裂厚度。利用改进的霍普金森压杆装置产生的半正弦波形对花岗岩试件进行层裂破坏试验。采用高速摄像仪记录试件层裂破坏的全过程。试验结果表明:岩石试件在半正弦入射加载波形情况下,首先如理论推导结果一样只产生了一层层裂破坏,但是随着时间的推移,岩石试件后续又产生了多层层裂;高速摄影仪和动态应变仪所采集到的分析结果均表明后续产生的层裂是由于入射加载过程中已经对岩石试件产生了损伤,以致在很弱的残余反射波作用下继续产生破坏而出现多层层裂。因此,研究岩石等脆性材料的层裂破坏规律,不但要根据最大拉应力瞬间断裂准则分析入射加载波和反射卸载波相互作用所产生的破坏效应,而且要考虑损伤对材料的影响。理论分析和试验方法对研究岩石的层裂破坏及其他相关特性具有一定的指导意义。

关键词：岩石力学硬岩层裂霍普金森压杆高速摄影机损伤

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硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题

中国有色金属学报 2011年第10期21卷 2551-2563页

作者：李夕兵姚金蕊宫凤强中南大学资源与安全工程学院深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室

从深部开采环境阐述了金属矿硬岩在高地应力作用下的储能特征,并从深部开采工艺方面分析了随着金属矿山开采深度的不断增加,连续采矿方法已经成为未来深部开采的必然趋势。通过分析,认为处于高应力下的硬岩矿体在承受连续采矿法带来的... 详细信息

从深部开采环境阐述了金属矿硬岩在高地应力作用下的储能特征,并从深部开采工艺方面分析了随着金属矿山开采深度的不断增加,连续采矿方法已经成为未来深部开采的必然趋势。通过分析,认为处于高应力下的硬岩矿体在承受连续采矿法带来的动力扰动时,可以认为是岩石动静组合的受力问题。在此基础上,利用岩石动静组合加载理论分析了硬岩矿山在深部开采中的几个关键动力学问题,主要包括:硬岩矿山深部开采中的系统扰动和岩爆、深部开采中爆破引发的矿震及巷道失稳现象、深部硬岩开采中的能量释放与有序调控。理论分析和工程实践证明,硬岩金属矿山深部开采中存在的很多动力学问题可以利用岩石动静组合加载理论进行科学论证和分析,这对深部采矿的工程实践有较好的指导意义。

关键词：硬岩金属矿山深部开采动力学问题岩爆诱导崩落非爆开采

Mechanical response of roof rock mass unloading during continuous mining process in underground mine

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2011年第12期21卷 2727-2733页

作者：胡建华雷涛周科平罗先伟杨念哥中南大学湖南省深部金属矿开发与灾害控制重点实验室资源与安全工程学院长沙410083

Taking the test stopes during continuous mining induced roof caving of Tongkeng ore-body No.92 as example, the calculation flow of unloading analysis was established. According to the unloading region division method of the affected zone theory, and the deterioration laws of mechanics parameters of unloading rock mass, the continuous mining process in underground mine was analyzed by the software MIDAS/GTS, the mechanical response of roof rock mass unloading was studied, and the differences were analyzed with the conventional simulation. The result shows that the maximum tensile stress, subsidence displacement and equivalent plastic strain of roof rock mass are 1.5 MPa, 20 cm and 1.5% in the unloading analysis, while 1.0 MPa, 13 cm and 0.9% in the conventional analysis. The values of unloading analysis, which are also closer to the actual situation, are greater than those of conventional analysis; the maximum step in continuous mining is 48 m, which shows that the induced treatment of the roof should be carried out after 2 mining steps

关键词： continuous mining mining-unload rock mass mechanics mining-unload disturbance region dynamic mechanical parameters