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全国政协委员:深部开采新突破来自新材料、新技术

2018-03-20 来源: 中国振动机械网
  长期深入矿山生产一线的何满潮,只为研究深部岩体力学,给深部矿山安全开采提供理论支撑。在矿山工程岩体大变形灾害控制理论和技术的研究和实践方面,他取得了系统的、创造性的成果..

  长期深入矿山生产一线的何满潮,只为研究深部岩体力学,给深部矿山安全开采提供理论支撑。在矿山工程岩体大变形灾害控制理论和技术的研究和实践方面,他取得了系统的、创造性的成果。

作为从河南山村走出的院士,全国政协委员、中国科学院院士何满潮身上有典型河南人的朴实与温和。36岁成为中国矿业大学(北京)教授,57岁荣膺中国科学院院士。长期深入矿山生产一线的何满潮,只为研究深部岩体力学,给深部矿山安全开采提供理论支撑。在矿山工程岩体大变形灾害控制理论和技术的研究和实践方面,他取得了系统的、创造性的成果。

在2016年全国科技创新大会上,“向地球深部进军”正式拉开了帷幕。何满潮作为深部岩体力学专家,对深部开采有着独到见解。3月7日,在结束了下午的小组讨论后,何满潮接受了《中国黄金报》特派两会记者的专访。

深部开采困难重重

随着浅部资源的逐渐开采殆尽,我国黄金矿山开始转向深部开采。何满潮表示,井下开采如果到1000米以深,甚至到2000米,高地应力、高地温、高水压等问题便会严重影响到作业安全。

“首先遇到的就是高地应力引起的岩爆问题。这会给井下生产的作业人员造成严重安全威胁。”何满潮说。

岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形,能在一定条件下的突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的现象,杀伤力极强。

对于高地温,何满潮表示,平均地下深度每增加100米,温度会上升2.5摄氏度;在地下1000米深度,加上地表温度,井下温度接近40摄氏度至50摄氏度;而到了地下2000米,温度将上升到60摄氏度至70摄氏度。而且,井下湿度很高,对深部开采影响非常大。

按照国家规定,作业面温度达到26摄氏度以上就要采取措施降温,到了30摄氏度就必须停止生产。何满潮说,在深部进行开采,普通的通风方式基本没有效果,只能采用特殊降温方式。

同时,深部开采还存在高水压,容易导致高渗透压的突水问题。何满潮表示,进入深部以后,随着地应力的升高,将会伴随着水压的升高,从而使得矿井突水灾害尤为严重。

“高地应力、高地温、高水压是深部开采必然面临的三大致命问题。”何满潮说。除此之外,何满潮表示,由于深度过大,提升的方式、提升系统的改进,也是深部开采必须要面对的难题。

据了解,到2000米以深,为了保证井筒结构的稳定,采用常规的钢筋混凝土结构就需要3米至4米厚。“这要求必须要有新的结构、新的材料、新的技术才能解决这一问题。”何满潮说。

解决难题的重要手段

何满潮告诉记者:“新材料、新技术是解决深部开采的重要手段。随着科技的发展,解决深井开采所面临的主要灾害,目前有一些行之有效的方法。”

据了解,我国对深部开采所面临问题的研究始于2004年。当时,国家自然科学基金委员会设立了“深部岩体力学基础研究与应用”重大项目,动员了全国13所大学和科研机构,70多个教授、副教授和一流专家参与。应该说,这个项目奠定了我国深部岩石力学理论研究的先河和基础。其研究成果最终形成了《深部岩体力学基础》一书。

据何满潮介绍,这本书系统地介绍了该重大项目所建立的深部岩体力学理论和技术初步框架,总结了深部开采工程稳定性及灾害防治技术,以及研发的适用于深部矿产开采的原创性试验平台及软件系统。其研究成果对于我国深部资源安全开采提供了强有力的技术支撑。同时,也为我国深部岩体力学理论的发展奠定了坚实科学基础。

为了有效控制岩爆带来的巨大灾害,何满潮长期深入矿井生产一线,研究矿山工程岩体大变形灾害控制,设计发明出一套对岩爆进行实验的设备系统,通过设备,掌握岩爆规律,再实际进行控制。“目前,国外许多专家,如澳大利亚、加拿大、意大利、美国的,都到我们这里来做实验。”他说。

控制岩爆的另外一种方法就是使用新材料。何满潮说,岩爆其实就是一种能量的释放,普通的材料无法吸收能量,自然就无法控制岩爆。

而由何满潮研发的NPR材料具有负泊松比效应,拉伸后变粗,能够吸收能量。“实验证明,这种材料对于吸收能量非常有效,由此材料做成的NPR新型锚索给解决岩爆问题提供了有力的途径。”何满潮说。

在解决高地温方面,我国也取得了很好的原始创新的进展。据何满潮介绍,目前国际上有两大降温技术,一是德国的技术,二是南非的技术。德国的降温技术是在地表制成冷冻水,然后输送到井下平衡空气中的热量,从而达到降温效果。南非的降温技术则是将水做成冰片运到井下,然后调制成冷冻水,从而实现降温。这两种技术都存在问题,一是战线过长,二是热效率较低,三是混风降温效果差。

“我国的深井降温技术则是利用井下自有的低温水,将其中的冷能与作业面的热能相平衡,然后将热水通过排水系统抽离到地表。到达地表后,再将其热能提取出来,用于员工的日常使用,例如洗澡、供暖等。”何满潮说。德国和南非的降温方式都是通过外力降温,是花钱的手段,而我国的深井降温技术则是充分利用水所蕴含的能量,是一个挣钱的系统。

但是,何满潮也强调,高地应力、高地温、高水压是深部开采时必然面临的问题,只能控制,不能消除。“深部开采的根本出路在于机械化、自动化、智能化,最终采矿用机器人代替,而矿井也会成为无人矿井。这是最理想的状态,也是深部开采的未来。”何满潮表示,从目前的技术水平来看,还需要20到30年才会有明显的进步。

黄金矿山有望突破

在煤炭行业,最为著名的技术莫过于由何满潮发明的“110工法”,以及在“110工法”基础上进一步发明的“N00工法”。

何满潮将“110工法”解释为1个工作面、1条巷道、0个煤柱。该工法回采一个工作面,只需掘进一个顺槽巷道,另一个顺槽巷道自动形成,从而实现无煤柱开采。

这是利用了顶板的垮落产生的碎状充填。“碎裂岩石的体积相较完整矿石要增加30%到40%。如果要采集2米厚的矿体可以让5米的顶板垮落,垮落的岩层随着体积膨胀就能够实现完全的碎状充填。这是利用岩石物理性质进行充填,成本非常低。”何满潮说。

对于金属矿山能否采用这种充填方式,何满潮表示,这种充填方式在煤炭行业已经取得了很好的尝试,对于金属矿山来说至少是可以借鉴的。

据何满潮介绍,目前在新疆就有一个15米厚的金矿,计划做这种充填方式的试验。“这个工法可以用于厚矿体的金矿。如果矿带有10米到20米厚,是可以用这种方法的。”何满潮表示,理论上来说这个方法可以使采富率达到100%,实际上也能达到90%以上,对于厚矿体金矿来说这个技术是非常有前景的。

创新应适应国家需求

目前,中国发明专利申请量和授权量居世界第一,国际科技论文总量居世界第二,有效发明专利保有量世界第三,已经成为全球有重要影响力的科技大国。然而,与科技成果数量和专利数量相比,目前我国国家创新能力排在第17位,科技成果转化率及对经济社会的贡献度仍然有较大提升空间。

“我国的科技成果转化率相对较低。这是由于过去的研究针对性不强,不适应国家重大需求。”何满潮指出。

党的十九大报告提出,建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系,加强对中小企业创新的支持,促进科技成果转化。何满潮认为,这种融合就是将生产的需要、国家的重大需求与科学家的兴趣有机结合起来,以国家重大需求为导向攻克关键技术。

同时,何满潮建议,在科研的体制机制的改革上,国家应进一步支持科研院所、高校与企业融通创新,加大科研人员对科研经费、科研思路的决策权,探索科研人员对科研成果的所有权和长期使用权,激发科研人员原始创新的积极性,真正让科研成果符合市场需求。

在今年的政府工作报告中,李克强总理提出,强化基础研究和应用基础研究,启动一批科技创新重大项目,高标准建设国家实验室。鼓励企业牵头实施重大科技项目,支持科研院所、高校与企业融通创新,加快创新成果转化应用。同时,落实和完善创新激励政策,对承担重大科技攻关任务的科研人员,采取灵活的薪酬制度和奖励措施。

“可以预见,在这些政策的大力支持下,我们一定能够打造‘双创’升级版。”何满潮说。


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矿山 矿产资源

责任编辑:晓丽
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