针对地下开采深度不断增加，地下采空区体积日益增多，地压区残留矿等复杂难采矿体难以回采的难题开展研发，本成果主要技术内容如下：（1）建立了钨矿山地压与残留矿体可回采性的定量评价体系。（2）研发了复杂采空区三维模型和稳定性计算分析集成化分析方法。（3）研发了基于能量分析法的钨矿山难采矿体回采方案判别技术。该技术已在赣南钨矿山、铜陵凤凰山铜矿、焦冲金矿、太白金矿等十多个矿山进行了应用，取得了显著的经济和社会效益。

该技术是坚硬煤层、高瓦斯煤层、动力灾害严重的矿井以及水害矿井开采中适用的安全清洁高效采矿岩层控制技术。该技术为解决硬厚煤层清洁高效开采、以及冲击煤岩顶板灾害、煤层隔水岩层采动破裂控制等综合机械化矿井安全清洁高效开采与防灾控制提供了简单适用的新方法。特别对我国瓦斯等级高、煤尘危害大、易燃发火、顶板（煤）冲击压力显现条件下的煤层开采适用。 2003 被授予陕西省优秀科技成果，科成登字 2003291 。

针对充填采矿灾变预测与防治的关键问题开展研发，本成果主要技术内容如下：（1）系统研究了充填体破坏失稳声发射预测技术，开辟了用声发射预测充填破坏失稳的新途径；（2）开发了胶结充填过程控制成套技术，提出并成功实施不良地质体超前护帮充填技术等。本技术成熟可靠，适用于充填法开采的金属矿山，已经在江西等省的 9 家矿山推广应用，累计取得产生超过 3 亿元的经济效益和显著的社会效益，并荣获 2011 年江西省科技进步二等奖。 

随着我国对环境保护越来越重视，充填采矿技术得到越来越广泛应用。通常仅用于有色、黄金、贵金属等高价值矿体开采的全尾砂充填采矿法，近 10 年来已在铁矿、煤矿等低价值资源开发中应用，并且具有逐年发展趋势。与其他采矿方法相比，充填法采矿不仅采矿工艺复杂，生产能力低，而且充填采矿成本高，因此采矿经济效益差，影响充填采矿技术推广应用。特别对于低品位大型铁矿，通常以水泥作为胶凝材料实施全尾砂充填法开采，其胶结充填体强度低，水泥用量大，导致充填采矿成本居高不下，显著降低充填采矿经济效益。近 10 多年来，人们一直在探索低成本充填胶凝材料以及膏体充填技术。以胶固粉为代表的新型充填胶凝材料在充填矿山中应用，获得显著的经济、社会和环保效益。胶固粉一类新型充填胶凝材料以矿渣为主，与复合激发剂（C 料）在矿山制备。近年来，随着我国对环保重视和管理，对钢铁和水泥产业限产，作为水泥掺合料的矿渣成为一种宝贵的短缺资源，其材料成本在逐年提高且供不应求；由于激发剂成本提高和远距离运费，由此制备的胶固粉一类全尾砂充填胶凝材料成本逐年提高，目前基本上接近 42.5 普通硅酸盐水泥材料成本。钢渣、脱硫石膏、氟石膏、磷石膏、电石渣、鎂渣等低品质固体废弃物资源，由于其活性低、资源化利用成本高，作为水泥掺合料存在安定性等问题，因此资源化利用率低，目前仍是名副其实的固体废弃物。本项目利用钢渣等低品质固体废弃物，开发全固废绿色充填胶凝材料，以及超细尾砂似膏体制备技术，在充填矿山尤其是低价值充填矿山应用，不仅能够显著降低充填采矿成本，而且还可以实现低品质固体废弃物资源化高附加值和规模化利用。本项目核心技术成果开发出的全固废绿色充填胶凝材料，与水泥和胶固粉相比，充填材料成本大约是水泥或胶固粉成本的 50%~70%，而固废废弃物利用100%，其中较难利用的钢渣、脱硫石膏等低品质固体废弃物利用率将达到 55%以上。与胶固粉相比，其胶结体早期强度较低，但后期强度（28d）基本持平。因此，该种充填胶凝材料可以应用于大型贫铁矿阶段嗣后充填矿山以及对早期强度要求不高的上向分层进路胶结充填采矿法。

一、 技术研发背景（1 1 ）近年来我国垃圾焚烧飞灰产生量快速大幅增长，处置能力严重不足随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，生活垃圾产生量大幅增加，年产生垃圾量约为 2.5 亿 t，占世界总量的 1/4，相当长一段时间内还将以每年8%-10%的速度增长。目前我国垃圾焚烧飞灰的处置受场地和技术的制约越来越严重，局部地区已出现不能及时安全处置或处置成本过高而不能维持运行的尴尬局面，并严重阻碍了这部分地区生活垃圾处置由传统填埋向焚烧发电的转型。（2 2 ）垃圾焚烧飞灰属于危险废物，需得到妥善处置根据《国家危险废物名录》，垃圾焚烧飞灰属于危险废物。垃圾焚烧飞灰对环境和人类生活的危害在于其重金属不能依靠水体和土壤自身的净化作用消除，只能迁移。由于重金属容易在生物体内聚积，随着时间的推移，当重金属在生物体内积聚到一定量以后就会导致生物体畸形或导致突变，甚至生物体死亡。重金属对人体的另一危害途径是通过食物链传递。例如，生活在重金属含量较高环境下的鱼、虾体内会富集重金属，一旦这些食物被人体摄入，经过一段时间的积累，就会对人体健康造成极大的危害。特别是发生在日本的由汞污染引起的“水俣病”和由镉污染引起的“骨痛病”事件、以及在欧洲陆续发现的由重金属污染导致的一系列公共卫生健康问题，都使重金属污染引起人们广泛的关注。垃圾焚烧飞灰中的二噁英是一种非常稳定的亲脂性固体化合物，可溶于大部分有机溶剂，容易在生物体内积累。二噁英的污染具有持久性、脂溶性和蓄积性等特点。未来随着垃圾焚烧飞灰产量的快速增加，如果不能妥善解决无害化处置垃圾焚烧飞灰的问题，不但会制约垃圾焚烧产业的健康发展，同时会对该地区的环境造成严重影响。（3 3 ）垃圾焚烧飞灰的处置问题已经受到了国家相关部门的高度重视2016 年 10 月，国家住建部、发改委、国土部、环保部联合发文《关于进一步加强城市生活垃圾焚烧处理工作的意见》（简称《意见》），意见提出在生活垃圾设施规划建设运行过程中，应当充分考虑垃圾焚烧飞灰处置出路，鼓励跨区域合作，提出“推进区域性垃圾焚烧飞灰配套处置工程建设”，统筹生活垃圾焚烧与垃圾焚烧飞灰处置设施建设，并开展垃圾焚烧飞灰资源化利用技术的研发与应用。（4 4 ）北京地区的垃圾焚烧飞灰处置问题十分迫切截止至 2017 年底北京市已建成并投产 5 座垃圾焚烧厂：鲁家山垃圾焚烧厂、高安屯垃圾焚烧厂、海淀大工村垃圾焚烧厂，顺义垃圾焚烧厂，南宫生活垃圾焚烧厂，2018 年北京市正在加紧推进建设阿苏卫、通州、顺义二期、密云、怀柔 5处垃圾焚烧厂，按照规划到“十三五”末，北京市垃圾焚烧飞灰年产生量将达35 万吨以上，目前北京市的垃圾焚烧飞灰处置方式主要为水泥窑协同处置和制备陶粒资源化利用，这两种处置方式的消纳能力无法满足北京市的需求，垃圾焚烧飞灰无害化处置迫在眉睫。基于以上现状，研发团队开发出了一种可安全并大规模资源化利用垃圾焚烧飞灰的新技术¬——深部胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术。二、技术原理（1 1 ） 全固废充填料强度形成机理胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术充分利用了“硅的四配位同构化效应”和“复盐效应”。钙矾石（Ca 6 Al 2 (SO 4 ) 3 ·(OH) 12 ·26H 2 O）是普通水泥混凝土中最常见的复盐矿物，也是大部分地下采矿胶结充填硬化体中最常见的复盐矿物。钙矾石的溶度积常数为 1.1*10-40 。本项目组的前期研究结果表明，钙矾石在水中的饱和铝离子浓度比水淬高炉矿渣微粉在水中的饱和铝离子浓度低10 倍以上。因此在有足够 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 离子供给的体系中，钙矾石的结晶将能持续促进水淬高炉矿渣微粉中的铝氧四面体从矿渣的玻璃体网络中体解出来，从而促进矿渣中较高聚合度的硅-铝氧四面体的链接被破坏，形成大量的活性硅氧四面体或硅氧四面体团，为发生硅的四配位同构化效应或形成 C-S-H 凝胶奠定基础。其中钢渣主要为胶凝体系要提供 Ca2+ 、OH - 和少量硅氧四面体。而钢渣中的 Mg2+ 和 Fe 2+ 在胶凝体系中起到与 Ca 2+ 类似的作用。较大量的脱硫石膏主要为体系提供源源不断的 Ca2+ 和 SO42- 。垃圾焚烧飞灰的主要成分为垃圾焚烧后产生的无机物和重金属等，当烟气净化采用干式或半干式反应法时，另含有一些反应生成物（如 CaCl 2 、CaSO 4 ）和部分未完全反应的 Ca(OH) 2 等物质。可为胶凝体系提供大量的 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 。同时垃圾焚烧飞灰中有含量较高的 Cl- ，在矿渣水化过程中会形成含氯水化产物水化氯铝酸钙，氯盐在矿渣水化过程中会形成 NaOH 等碱性物质，提高液相碱度，促进矿渣水化的进一步进行。（2 2 ）重金属固化的机理胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术在胶凝材料的水化过程中实现了对垃圾焚烧飞灰中重金属的固化，胶凝材料的主要水化产物为钙矾石、C-S-H 凝胶和类沸石矿物等，几种产物对该体系固化重金属均有贡献。重金属元素能够以类质同象的方式进入钙矾石的晶格而被固化，而 C-S-H凝胶具有很强的吸附重金属的能力。另一方面，以砷菱铅矾-砷铅铁矾类复盐矿物（(Pb, H+ )(Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ )3 (SO 42- , AsO43- )2 (OH) 6 ）为代表的含砷铅矾类复盐矿物也可以在砷、铅化合物的参与下快速消耗溶液中的 Al3+ 、Fe 3+ 、Fe 2+ 、OH - 和 SO42-等离子，因此也能促进体系中矿渣微粉、钢渣微粉和脱硫石膏的消耗，这类复盐在水中的溶解度极低。在较高 pH 值条件下，这类复盐的结晶可以使砷和铅在水中的浓度都达到饮用水的标准。近些年的研究结果还表明，砷和铅可以进入类沸石相的水化硅铝网络体中平衡电荷，或作为网络体骨干的一部分而被高度固化。（3 3 ）二噁英固化的机理二噁英（dioxin，DXN），化学名为二氧杂环乙烷，标准状态下一般呈白色固体，无色无味；熔点约为 303～305℃，当温度达到 705℃以上时开始分解；难溶于水，美国环保局（US EPA，1900）推荐 2，3，7，8—TCDD 的水溶解度为 19.3ng/L，易溶于有机溶剂和脂肪；二噁英的蒸气压很低，大致为 8.3×10-13 ～4.8×10 -8 mmHg，一般随取代氯原子数目的增加而降低，在大气环境中超过 80%的二噁英分布在大气颗粒物中。大部分的二噁英在生物体内不易被代谢，具有生物蓄积与生物放大作用。现行的垃圾焚烧技术的炉内温度可以达到 850℃～900℃，绝大部分二噁英已经被分解，加之二噁英具有极低的溶解度和饱和蒸汽压和极高的脂溶性，所以垃圾焚烧飞灰中二噁英通过溶解于水中和挥发传播的比例很小，只可能通过随垃圾焚烧飞灰颗粒进入土壤和水环境以造成污染，本技术通过物理包裹的方法断绝了其污染传播途径，具体为矿渣基胶凝材料-垃圾焚烧飞灰水化反应所形成的固化体系中含有大量的 C-S-H 凝胶，其紧致的结构可降低整体固化体的渗透性，把含二噁英颗粒包裹固定其中。

矿井需要煤矿地质、水文地质、采矿工程技术人员

成果通过了陕西省科技厅组织的验收，所取得成果达到了 国际先进水 平，获陕西省科学技术二等奖，发表高水平学术论文 24 篇，其中期刊论文 21 篇，包括英文期刊论文 5 篇， EI 检索 4 篇， ISTP 检索 5 篇。中文期刊包括《煤炭学报》、《管理学报》等重要期刊，其中 “ 煤炭资源开采权期权价值形成机理研究 ” 一文被引用 18 次， “ 便利收益对煤炭资源采矿权价值的影响分析 ” 一文被引用 3 次。出版专著 1 部。其研究成果先后在陕西南梁矿业公司、榆林煤炭公司杨伙盘煤矿和彬县煤炭有限责任公司矿业权价值管理中得到了很好的实施，取得了良好的经济和社会效益。