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工程3(2017)546研究深部矿产资源深部开采面临的机遇与挑战帕特加马湾赵健,朱明和,拉迪卡。塔拉卡·德席尔瓦Adhesha K. M. S. Bandara澳大利亚墨尔本莫纳什大学土木工程系ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录:2017年7月10日收到2017年7月25日修订2017年7月26日接受2017年8月23日在线发布保留字:深部开采岩石力学岩爆采矿自动化随着越来越多的消费者进入矿物市场和全球生活水平的提高,矿物消费正在迅速增加。因此,地下采矿继续向更深层次发展,以应对21世纪的矿产供应危机然而,深部开采是在一个技术性和挑战性非常强的环境中进行的,需要重大的创新解决方案和最佳实践,必须实施额外的安全标准,以克服挑战并获得巨大的经济收益。这些挑战包括深部采矿工程中经常遇到的灾难性事件:岩爆、瓦斯突出、高原位应力和重分布应力、大变形、挤压和蠕变岩石以及高温。本文介绍了目前全球深部开采的现状,并重点介绍了深部开采中与岩石力学和岩土工程在各种技术成果中,基于全自动采矿和矿物提取过程的无人工作面和无人矿山已成为21世纪的重要领域。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证(http://creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍由于地球资源的开发目前,1000米以下的深部开采是正常的;煤矿开采深度达到1500米,地热开采深度达到5000米以上,有色金属开采深度达到4500米左右,油气开采深度达到7500米左右。深度挖掘在未来将变得普遍波兰、德国、英国、日本和法国的煤矿开采早在20世纪80年代就达到了1000米以上的深度,中国目前有47个1000米以上的煤矿[1,2]。就金属矿山而言,据不完全统计,1996年以前,我国至少有80个以上千米深的矿山,主要分布在南非、加拿大、美国、印度、澳大利亚、俄罗斯、波兰等国。平均南非的金属矿深度已达2000米,西部深层金矿已达4800米[3]。深部岩体具有高地应力、高温、高水压的特点.与浅部资源开采相比这些事件往往性质复杂,难以预测和控制。深部矿山的岩体特性和边界条件是深部开采灾害的主要原因[2]。例如,当开采深度达到约1000 m时,覆盖层、构造特征和采矿活动引起的原地应力会引起应力集中,导致围岩破坏和破坏[4]。在高应力条件下,由于累积的变形能更加突出,事故发生的可能性更大。在高应力、高温和高应力水压,采矿活动产生的扰动,* 通讯作者。电子邮件地址:ranjith. monash.eduhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.04.0242095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect工程杂志主页:www.elsevier.com/locate/engP.G. Ranjith等人/工程3(2017)546547导致岩体的突然和不可预测的破坏,表现为大范围的失稳和坍塌[5]。此外,深部岩体的变形破坏特征往往表现出强烈的时间依赖性[6]。深部采矿工程的扰动应力和时间依赖性会导致灾害的发生,这是非常难以预测的。深部开采中出现的岩石力学和采矿工程问题已被研究。目前的研究主要集中在深部围岩分区破裂[7虽然这些研究成果揭示了深部开采的一些力学特征谢[2]认为这是由于目前岩石力学理论的局限性,因为这些理论是以材料力学为基础的,与所讨论的深度和现场工程活动相对无关。此外,深部开采的新理论和新技术是必要的,要考虑到原地和采动的特点。2. 深井岩石支护地应力是影响采矿及其他地下工程变形破坏随着开采深度的增加,地应力对围岩稳定性和破坏的影响越来越明显,围岩支护技术的选择也就越来越重要。何等[4]开发了软岩巷道非对称耦合支护技术,包括底鼓控制技术、锚杆对大断面巷道交叉点的双重控制、泵站硐室的集约化设计技术这些技术已成功应用于现场支持工程[17]。根据现场试验结果,牛等[18]建议采用刚、柔耦合动力加固技术,即初期采用柔性支撑稳定破碎围岩,中期采用预留变形卸荷高应力,后期采用全断面高强高刚度支撑抵抗蠕变变形。He等人[17]进一步开发了深部开采岩爆的指定实验系统。为了解决常规支护材料在大变形围岩中的失效问题,研制了一种大伸长恒阻力吸能锚杆,如图1(a)和图1(b)[17]。锚杆通过自身的大变形与冲击产生的变形能相互作用,抵抗岩石的大挤压。抗拔力恒定在120 kN ~ 200 kN之间,变形能力为0.5Li等人[19]开发了一种吸能的岩石支撑装置,D型锚杆(图1(c)),适用于易破裂和受挤压的围岩。对于200 mm的D型螺栓,平均冲击载荷为200-3. 智能采矿数字采矿起源于矿山/采矿地理信息系统,是信息时代和知识经济的必然产物[20]。数字采矿的目标是促进矿山信息化改造;支撑自动化采矿和智能化采矿;确保安全、高效、绿色、可持续实现科学开采。 数字矿山建设是一个渐进的过程,需要复杂的系统工程[20]。自动化采矿技术的发展始于20世纪80年代中期。在加拿大,Noranda Inc.已经开发了各种自动化设备,包括装载-运输-卸载(LHD)机器、光学导航系统和LHD远程控制系统,以满足地下硬岩开采自动化的需求[21]。1994年,澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)启动了采矿机器人研究项目。CSIRO的研究人员开发了一个露天矿铲斗巡航系统,一个精确的卸载模型,和一个地下金属矿山铲运机自动控制系统。挪威Dyno Industrier ASA 、加拿大INCO有限公司和芬兰Tamrock公司随后投资2270万美元用于采矿自动化项目提高劳动生产率,降低经营成本。后来,瑞典制定了Grountecknik 2000矿山自动化战略计划。如今,基于全自动采矿/无人采矿工艺的无人工作面和无人矿山已成为重要的研究领域[20]。据吴等[20]介绍,数字煤矿的新任务是建立煤矿与数字矿山实时接入集成平台,构建多维动态的煤矿虚拟现实系统.确定了深部开采新形势下数字矿山的4个主要发展方向:①数字矿山集成平台;③井下定位与导航技术;4. 强化连续开采和隧道掘进机开采Gu和Li[22]建议深部金属开采应采用强化连续开采和高原地应力诱导破碎技术。然而,硬岩深部开采仍面临4个关键问题:①深部开采高应力场和地质构造的表征与认识方法;②高地应力条件下硬岩全岩块体破裂的认识;③高温下岩爆控制的支护措施;③低品位矿床渗流开采中固-气-液一体化介质的流动与耦合的认识。由于目标岩体的复杂非均匀性,在采矿应用中使用隧道掘进机(TBM)是困难的矿山中超过70%的TBM故障是由于地质相关问题[23]。近年来,在硬岩矿山中,隧道掘进机的使用和隧道掘进的平均钻头长度都有所增加。然而,一些限制仍然限制了在采矿应用中使用TBM。在硬岩矿山中,由于应力重分布引起的岩爆或岩崩是TBM掘进的主要缺陷在锦屏二级水电站工程中,通过对微震活动和隧洞变形的监测,有效地预测和避免了隧洞施工中的岩爆,从而缓解了这一问题。高度破碎和块状岩体是阻碍在采矿应用中使用TBM刀具的另一个已知松动的岩石块会堵塞和损坏前输送溜槽和切割机安装铲斗。因此,为了扩大隧道掘进机在深部开采中的应用,隧道掘进机需要改进,如冲击杆,以避免损坏刀具,出渣斗和带式输送机。除了在硬岩矿山遇到的问题外,矿井突水、瓦斯突出等复杂情况影响了TBM刀具的使用。平顶山煤田煤与瓦斯共采采用了一种新型的钻孔割缝一体化技术,该技术在提高煤和瓦斯采收率的同时,降低了煤层气的采出率,548P.G. Ranjith等人/工程3(2017)546图1.一、(a,b)大伸长恒阻力吸能螺栓及工作原理[17];(c)D型吸能螺栓[19]。甲烷爆炸的可能性。断层、溶洞等不良地质体携带的地下水可引起煤矿塌陷。5. 流态化开采Xie等[24,25]提出,传统方法开采深度存在理论限制。理论上估计,当地下固体矿产资源深度超过6000 m时,现有的采矿方法将全部被淘汰。因此,要实现矿产资源的深度开发利用,必须在开发理论和技术上进行突破性创新。为此,谢等人[25]提出了深层地下固体矿产资源流化开采的理论和技术概念(图2)。基于类似于TBM的开采模式,其思想是通过固体资源的开采、分选、精炼、分选、发电和气化,从而将资源转化为气体、液体或气/液/固混合物物质,从而实现深部地下固体矿产资源的原位、实时和综合利用。因此,未来的煤矿将不再有工人下井,煤炭被开采出来,煤垃圾堆积成山,或者灰尘遮蔽空气;相反,电力和能源传输将是清洁,安全,智能,环保和生态友好的。对于煤炭开采,流化开采概念包括P.G. Ranjith等人/工程3(2017)546549图二. 深部地下固体矿产资源流态化开采的概念说明[25]。(a)采矿模型;(b)流化采矿和转化室。主要有五个环节:①无人化开采;②自动化分选;③固体矿产资源流化转化、可控流化、可控输电、智能电控、蓄电。对于金属开采,流化开采概念包括以下三个步骤:①无人开采,②固体矿产资源流化转化,③控制性流产[24]。实现深部地下固体矿产资源流化开采的技术有四种[24]:①固体矿产资源转化为气体,如煤的地下气化;②固体矿产资源转化为液体燃料,如煤的地下液化和煤的高温生物化学转化;③将固体矿产资源转化为混合物,如爆炸性煤尘和水煤浆,以及将固体矿产资源就地转化为电能,如煤炭就地地下电气化流化采矿确实是采矿技术的颠覆性创新,特别是在未来的深部采矿方面。6. 深部开采的先进模拟设备近二十年来,世界各国在实验室实验设备和数值软件方面取得了巨大的发展,这些设备和软件能够模拟真实岩石在原地应力条件下的行为。例如,在澳大利亚,CSIRO岩石力学实验室的设施可以使用最新定制的三轴钻机、岩心注水设施和内部数值工具来模拟真实的岩石采矿或深部采矿。在英国,朴茨茅斯大学开发了中尺度岩石变形机,以识别地震中岩石的破坏力学环境;在伦敦帝国理工学院,地球科学与工程系拥有具有X射线成像能力的岩心注水设备、气体和液体质谱仪、化学检测设备和先进的孔隙到孔隙尺度的内部建模工具;剑桥大学地球科学系拥有能够利用光学、电子、红外和核磁光谱以及X射线衍射(XRD)分析来模拟岩石微观结构和地球化学特征的设备。在美国,明尼苏达大学拥有各种闭环伺服液压载荷框架,用于单轴、双轴(平面应变)和常规三轴压缩试验以及数字图像相关和声发射(AE)技术。在加拿大,多伦多大学的岩石断裂动力学实验室拥有各种最先进的设备,包括多轴伺服控制岩石变形系统和真三轴系统,包括AE和三维(3D)速度。在世界各地的卓越中心中-澳大利亚莫纳什大学的地球深部能量实验室拥有最先进的研究设施,可以 对 岩 石 特 征 和 破 碎 进 行 高 级 研 究 ( 3GDeep;http://www.3gdeep.com)。中尺度设备包括定制的高压,高温先进三轴钻机。大型设备包括先进的岩心驱替和剪切装置、高压三轴钻机和高压水力机械试验室,以及三维压缩和监测系统。Hopkinson在压裂过程中进行岩石性能测试的棒。微尺度设备包括用于3D对比成像的X射线显微镜设备、计算机断层扫描(CT)扫描、扫描电子显微镜(SEM)和XRD。这些实验装置是由有限的EL补充有限元法(FEM)/有限差分法(FDM)/粒子流程序(PFC)为基础的建模工具。3GDeep采用全面的四阶段实验和数值模拟方案(图3)来捕捉从微观尺度到储层尺度的整个过程,以了解微观尺度的观察结果(包括实际破碎、浸出、流体流动行为、可用孔隙面积和流体流过孔隙结构的弯曲度),以及矿体/储层响应及其对周围环境的时间依赖性影响。具有四个尺度阶段的能力:①微尺度:0.03 µm研究这四个尺度之间的关系将有助于捕捉在真实的现场条件下的一个全面的岩石尺度模型所需的基本地质特征。在这些设施中,大尺度三轴(图4(a))和真三轴钻机(图4(b))对于进行可靠的岩石破碎试验特别重要,使用非常规的大样品在现场典型条件下的高压和高温下进行更真实的岩石破碎试验宏观三轴试验台能够对直径达500 mm的岩石样品进行力学试验,通过施加偏应力破坏,这比传统的先进三轴设备所能测试的大两个数量级。该设备能够模拟多相(液体和气体)流体流过样品,使用高达25MPa的流体压力。可以在高达70 MPa的压力下施加围压,并且可以将电池加热到高达100 °C的温度,以模拟深度超过2.5 km的地面条件(压力和温度)该钻机配备了最先进的控制和测量设备,用于连续监测轴向载荷和位移;围压和径向变形;电池温度,(气体和液体)注入压力和出口(气体和液体)流速;以及P波和S波传输和550P.G. Ranjith等人/工程3(2017)546图三. 一种独特的建模方法,3GDeep,由莫纳什大学开发。图四、(a)Monash大学3GDeep研究实验室的宏观三轴和(b)真三轴钻机。声能产生宏观真三轴试验台是澳大利亚乃至世界上最大的真三轴试验台,能够在温度高达400 °C和流体注入压力高达350 MPa的条件下测试边长为750该设备具有端口和传感器,用于测量不同流体相的注入压力、应变、体积变化、温度和孔隙压力; P波和S波测量;以及AE。通过施加不同的中间主压应力、小主应力和大主应力,在相当于实际现场条件下对这样的大样本进行测试,实际上可以将真实的现场岩石爆破和破碎过程带入实验室。7. 总结发言本文介绍了世界深部采矿的现状,并重点介绍了一些最新的技术成就和机会。它还讨论了与深部采矿有关的一些技术地质力学问题。目前深部采矿的一些挑战、进展和潜在问题可概括如下:(1) 随着浅层的煤炭和矿产资源逐渐枯竭,今后深层开采将变得普遍。岩石力学和机械技术的进步制约和影响着岩石工程的发展。因此,深部开采需要新的理论和技术,特别是考虑到高的原地和采动应力和其他边界在很深的地方才能找到(2) 针对深部开采中围岩变形、冲击地压、煤水混合突水等灾害,提出了相应的防治措施。然而,深部开采的关键技术,如开采引起的岩石变形的监测和控制技术、安全、深部煤矿的绿色开采、深部金属矿山的协同开采等,仍在发展中。(3) 随着现代科学技术的迅速发展,制约深部开采发展的许多关键问题将得到解决,智能化开采、金属矿山强化连续开采、深部煤炭资源流态化开采等技术或单独或联合应用,将成为未来深部开采的主导途径。深度挖掘正在向完全自动化、智能化和机械化过渡。(4) 正在开发新的采矿技术,以确定和开采以前无法获得的资源,以满足不断增长的全球需求。专门针对海底块状硫化物矿床、铁锰结壳和金属结核的海底采矿需要新的材料回收方法。遵守道德操守准则帕 特 加 马 湾 赵健 , 朱 明 和 , Radhika V.S. 塔 拉 卡 · 德 席 尔 瓦Rathnaweera和Adhesha K.M. S. 班达拉声明,他们没有利益冲突或财务冲突披露。引用[1] Xie H,Gao F,Ju Y,Gao M,Zhang R,Gao Y,et al.深部开采的定量定义与中国煤炭学会杂志2015;40(1):1-10. 中文.[2] 谢海深部岩石力学与采矿理论研究框架与预期成果。Adv Eng Sci 2017;49(2):1-16. 中文.[3] 胡S,彭健,黄春,陈平,李明。千米以上深部煤矿开采现状及进展综述。中国矿业杂志2011;20(7):105-10.中文.[4] 何明,张刚,王刚,徐勇,吴春,唐清。深部巷道底鼓控制机理及应用研究。中国岩石机械工程杂志2009;28(增刊1):2593-8. 中文.[5] Gibowicz SJ,Kijko A.采矿地震学导论。Dmowska R,编辑。圣地亚哥:学术出版社; 一九九四年[6] 伍德公路和高速公路隧道。《工程地质水文学》1972;5(1- 2):111-26.[7] [10]李晓,王晓,王晓.深埋隧道围岩变形破裂演化规律。J Min Sci 2009;45(2):112[8] Khandelwal M,Ranjith PG.岩石折射率特性与P波测量的相关性。J Appl Geophys2010;71(1):1[9] 张清波,徐涛,李晓波,李晓节理几何特性是否影响节理岩石的破裂特性通过联合定向进行调查Geomech Geophys Geo-Energy Geo-Resour 2015;1(1[10] RathnaweeraTD,Ranjith PG,Perera MSA,Bandara KMAS,WanniarachchiWAM,Ranathunga AS. 盐水饱和储层相对流动特征的研究:Hawkesbury地层的数值研究J Nat Gas Sci Eng 2017;45:609[11] 姜毅,赵毅,刘伟,李强.深部开采巷道底鼓研究。中国岩石机械工程杂志2004;23(14):2396中文.[12] Singh J,Ramamurthy T,Rao GV.岩石的深度。见:Maury V,Four- maintrauxD,编辑《岩石在很深的地方》,第1卷:岩石力学和岩石物理学在很深的地方。鹿特丹:A A Bagleema; 1989年。p. 37比44[13] 姜毅,潘毅,姜芳,窦丽,居毅。我国冲击地压发生机理及防治研究进展中国煤炭学会杂志2014;39(2):205中文.[14] Ju Y,Zheng J,Epstein M,Sudak L,Wang J,Zhao X.利用分形算法对岩石连通孔隙结构进行三维数值重建Comput Method-od Appl M 2014;279:212[15] 鞠勇,谢宏,郑智,陆杰,毛磊,高锋,等.利用3D打印技术实现岩石内部复杂结构和应力场的可视化.中国科学通报2014;59(36):5354-65.[16] 高明,靳伟,张荣,谢军,于波,段华。利用多个钻孔数据估算裂缝尺寸。Int JRock Mech Min 2016;86:29[17] 何明,龚伟,王建,齐平,陶正,杜松,等。一种新型超大伸长恒阻力吸能锚杆的研制。IntJ Rock Mech Min 2014;67:29[18] 牛S,景红,张智,杨S.深部软岩巷道围岩控制技术研究与应用。中国煤炭学会杂志2011;36(6):914P.G. 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