掀起铁矿石开采技术创新革命——记国家科技进步二等奖“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”
2015年1月9日，一个让任凤玉终身难忘的日子。这一天，2014年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重召开。由东北大学采矿研究所所长任凤玉教授等主持参与完成的项目“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”获得国家科学技术进步奖二等奖。2002年立项，2010年结题，经多位教师8年艰难攻关，项目最终得到了同行的高度评价。特别是任凤玉提出的露天井下协同开采技术，开世界先例，破采矿难题。
天人合一，顺势而为，才能达到1+1大于2的现实效果
“我国是世界第四大铁矿资源国，资源量744亿吨，但资源开发率仅为7.6%。储量与开发率之间的巨大反差，是我国铁矿行业产能落后的不争事实。我国铁矿石进口依存度近年居高不下，而且不掌控矿价话语权，十年累计多支出费用2万亿元，钢铁逼近全行业亏损。破解钢铁产业和铁矿业受制于人的被动局面，不仅是解决经济问题，更是涉及国家经济发展安全的战略性问题。”一见面，任凤玉就说起了铁矿行业背景。而这一行业背景主要是我国铁矿资源开采难度大所造成的。加之历史原因，许多容易开采的矿体基本开采殆尽，现在剩下的都是开采难度较大的矿体，而且东北老矿山危险系数还比较大。“面对这些矿山，不能用蛮劲，人力毕竟是有限的，尽可能多地利用自然的力量，借劲来增加人对事物的控制力，低成本高效率地开采铁矿。天人合一，方可顺势而为。”对于采矿方法任凤玉有自己的哲学理解。
多年来，露天和地下开采在人们的观念里是不可能同时进行的，特别是我国大部分铁矿山为急倾斜矿床，埋藏深(最深达2000多米)，这就更无法实现矿床内的多采场同步大规模开采，极大地限制了资源的高效开发利用。面对这一现实问题，任凤玉大胆构想，提出露天井下协同开采技术。起初，这一想法并不被业界人士看好：“露天、井下单方面深部开采已经是困难重重，如果同时开采，难度、危险系数岂止是单方面开采的2倍?一旦造成大规模岩移，后果不堪设想。”别人的担心任凤玉非常理解，但他更在乎如何用事实说话。既然提出理论，就不是随随便便的一句话，背后需要理论与实践的双重支撑。任凤玉基于自身数十年的理论研究和数百次的矿山实地考察经验，提出了控制岩移的方法—临界散体柱支撑理论，建立陷落角计算模型，确定了露天井下协同开采的安全落差范围。在此安全范围内，露天井下是可以同时开采的。
单纯认为协同开采难度大、危险倍增的想法是传统采矿理念的一个误区，协同开采是一个相辅相成的过程。露天采矿从顶部开工，地下采矿从中部入手，露天地下回采工作面同时向下推进，露天采场运走的矿岩为地下采场卸掉一部分上覆岩层压力，改善了地下采场的地压管理条件;地下采矿形成的地表塌陷坑，为露天剥离废石提供了排放场所，这样露天采场与地下采场相辅相成，使开采规模提高1倍以上，达到1+1大于2的现实效果。除了带来产能方面的提升，更重要的是“变废为宝”。以往在露天开采过程中，剥离的覆土、围岩及不含工业价值的脉石等废石需要运输到2公里以外的废石集聚地，既耗费人力又造成环境污染，严重影响矿山周围的空气质量。而因地下开采而造成的地表塌陷区更是传统概念中的废区，毫无利用价值。现在将露天与地下开采协同起来，两者结合去其弊。矿工们可以将协同开采过程中产生的废石顺势直接填充到塌陷坑，塌陷坑变废为宝。协同开采既解决了废石安全排放的技术难题，也开创了塌陷坑资源利用的新途径。
说得再多也只是纸上谈兵，理论最需要实践的支撑。目前，任凤玉的露天井下协同开采技术已在弓长岭井下铁矿、眼前山铁矿、五矿西石门铁矿、承德燕山银业等单位应用，结果证明：资源利用率提高20%以上，释放铁矿石资源量3.6亿吨，三年多采出矿石1245万吨，向塌陷坑安全排放废石1.86亿吨，节约废石外运成本2.24亿元，减少占地35%，仅弓长岭铁矿区就少占地153公顷。此外，该技术还应用于世界规模最大的西鞍山铁矿建设，为建成国内首个亿吨级铁矿山企业发挥重要作用。
深入一线，破解难题，将事情做到让别人欣赏的程度
协同开采，说起来容易，但想出来并不容易。用任凤玉的话说，归根结底是被现场实际逼出来的。任凤玉回忆了他在弓长岭铁矿经历的一件小事。在矿山工作期间，任凤玉有一次去山下小饭馆吃午饭，期间偶然听到临桌几个矿工喝酒聊天，“今儿咱们能坐在一起喝酒，明儿还不知道能不能一块儿出来!”一位矿工朴实的话语刺痛了任凤玉，他知道矿工们说的是弓长岭东南区的岩移威胁，由于历史原因，该区地下开采在山顶露天采场旁边形成了一条又深又长的塌陷坑，整个露天采场均在地下采矿岩移范围之内，随时都有滑落的危险，露天生产安全无保障，因此矿工们都很恐慌。多年的采矿研究工作，让任凤玉对矿工们的生活状况有较为深入的了解，“矿工们都是家中的顶梁柱，上有老下有小，不能让他们穿越死亡危险去采矿。如果我能让开采技术更加先进，我就能让他们更加安全。”
通过与矿工们的交谈，任凤玉了解到矿工们对那稍有不慎就会坠落丧命的塌陷坑，胆战心惊，严重影响矿区的工作效率和工人们的收入。为此，任凤玉决定上山探个究竟。要研究塌陷坑危害防控方法，首先就要踏入塌陷坑，对已有的塌陷坑进行测量，了解断裂线、断裂缝的实际情况。而当时弓长岭铁矿山的塌陷区边缘岩体已经张开很宽的裂缝，加之弓长岭矿山地形陡峭，山上植物繁茂，测量工作难上加难，矿区里没有一个人敢爬上去。“风险再大，总得有人去研究。”矿工们无奈的眼神催使任凤玉决定爬上弓长岭铁矿山去看一看。一路披荆斩棘，任凤玉最终带领矿区测量人员到达了塌陷区边缘进行测量。通过一周的调查测量，任凤玉掌握了矿山塌陷区最珍贵的一线数据，并将数据拿回学校进行分析。
任凤玉基于现实数据，研究提出临界散体柱支撑理论，最终提出了露天井下协同开采理论。虽然矿工们并不懂这些高深的理论，但他们知道任凤玉为他们找到了解决问题的法子，这回可以安心采矿，干劲十足。任凤玉的理论应用于实际使矿山产量翻倍，矿工们也得到了薪酬方面的奖励。任凤玉因多次攻克国内外采矿难题，近年来在矿企中流行起这样一句话：“矿山解决不了的采矿难题，东北大学任凤玉肯定能解决。”
矿山对任凤玉的肯定是他工作中最大的动力，再苦再累也甘之如饴。一些矿山没有招待所，一般要走出去几十里地才能有。任凤玉为节省每天路上的时间，经常选择住在矿区周边私人开的小旅馆。住宿条件差，房间里经常连窗户都没有，但为了工作方便，他就与矿工们同吃同住，有时一住就是一两个月。“现场实际问题，耽搁不得，一耽误就捕捉不到最重要的信息。”而且，每一次任凤玉都能将事情做到让别人欣赏的程度。在解决西钢灯塔矿业公司小汪沟铁矿采矿产量难题时，矿区期望产量突破100万吨，但任凤玉因地制宜提出的新型采矿方法，将产量直接提高到480万吨，技术问题的解决远远超出人们的预期，2012年小汪沟铁矿也因此被评为辽宁省“青山工程”。“为了达到让人欣赏的效果，没有捷径可走，只有多费脑筋，多思考，勤奋刻苦是法宝。”从事采矿工作20多年，任凤玉的研究从细部到宏观，从研究如何开采到如何高强度开采，从北部双鸭山，到南端海南岛，从东部烟台招远，到西边内蒙古锡林浩特，他的采矿脚步从未停歇。
众人一心，点石成金，贡献东大人的智慧与力量
众人拾柴火焰高，“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”项目荣获国家科技进步二等奖是多位参与教师戮力同心、点石成金的结果。
在解决协同开采技术难题的同时，安全问题不容忽视。没有安全，一切都是空谈。在露天井下协同开采的过程中，矿山的一些高陡边坡受露天和井下开采双重卸荷的影响，极易形成重大地质灾害，为此，研发成熟的防控技术尤为重要。学院测绘遥感与数字矿山研究所徐白山副教授正是这方面的专家，从事岩体边坡的综合监测技术数十年。针对露天井下协同开采的实际情况，徐白山创立了双重卸荷和爆破联合作用下高陡边坡稳定性的评价方法，创新开发了高陡边坡全维度空地协同安全监测与预警技术，并研发了相应的加固技术，定位探测效率提高4倍，成功预测预防12次大型滑坡，有效防止了大型露天矿协同开采过程中的重大地质灾害。
除了滑坡，采空区也需要多加防范。由于历史原因，我国矿业秩序一度较为混乱，民采小矿的私挖乱采，留下了大量不明采空区、废弃井巷。随着矿山向深部开采，地压增大，采空区在强大的地压下，极易发生坍塌事故，不仅给露天开采带来了极大隐患，也给矿山工作人员和设备带来严重的威胁。特别是铁矿山中的采空区更难以勘测，因为铁矿石本身有磁性，这将对探测造成极大的干扰。为此，资土学院地质资源与工程研究所王恩德教授及付建飞老师研发了强干扰环境采空区精准探测及预警风险防控技术，创新应用采空区精准探测技术、低阻条件下井下超前探测技术，并形成采空区处理部级工法，消除了采空区对露天井下协同安全开采的危害，将众多隐患资源禁区转变为可用资源区。
万人操弓，共射一招，招无不中。一个项目往往是诸多研究成果的集合。“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”正是如此，汇聚多位参与者数年研究结晶，共同服务于我国铁矿事业的发展，为提升我国铁矿资源供给能力贡献了东大人的智慧与力量。
