申報2021年度陜西省科學技術獎勵項目公示內容

申報2021年度陜西省科學技術獎勵項目公示內容一、項目名稱：綠色礦山固廢安全處置關鍵技術及應用二、提名者：陜西省教育廳

三、提名意見：該成果對露天礦區(qū)固廢堆積體邊坡穩(wěn)定性分析方法、固廢堆積體（壩）安全在線監(jiān)測技術、礦山固體廢物的資源化利用技術、露天礦山生態(tài)環(huán)境修復技術等問題進行了深入的研究，研究成果在多個礦山工程中得到了推廣應用，取得了良好的社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益。該研究成果的學術價值顯著，工程應用前景廣闊。成果材料齊全、規(guī)范，無知識產(chǎn)權糾紛，人員排序無爭議，符合陜西省科學技術獎提名條件。特提名為陜西省科學技術（進步獎一等獎）及以上。提名該項目為陜西省科學技術進步獎一等獎。四、項目簡介1）所屬科學技術領域本研究課題屬于礦山固廢管理、水利工程、巖土工程和綠色礦山建設等領域的技術開發(fā)、發(fā)明、推廣應用研究。目前，隨著礦業(yè)領域的快速發(fā)展，各種礦山開采的廢石、尾礦、尾渣等固體廢棄物數(shù)量急劇增加，由此帶來的固廢堆積體安全穩(wěn)定、尾礦資源的再生利用以及生態(tài)環(huán)境問題日益突出，特別是近年來在國家大力倡導建設綠色礦山的背景下，積極開展露天礦山固廢安全處置關鍵技術及應用研究，具有重要的意義。2）主要技術內容及技術經(jīng)濟指標本項目任務來源于國家計劃、省部級計劃、地市（廳）級計劃以及企事業(yè)單位委托，具體依托國家自然科學基金（10202015）、陜西省重點科技創(chuàng)新團隊項目（2013KCT-15）、陜西省自然科學基金（2018GY-123）、陜西省教育廳專項科研計劃（15JK2168）和多項企業(yè)單位委托課題等項目，對露天礦區(qū)固廢堆積體邊坡穩(wěn)定性分析方法、固廢堆積體（壩）安全在線監(jiān)測技術、礦山固體廢物的資源化利用技術、露天礦山生態(tài)環(huán)境修復技術等綠色礦山建設關鍵技術創(chuàng)新及推廣應用問題進行了深入研究，并取得了一系列創(chuàng)新性成果，主要包括:①針對尾礦壩壩坡及排土場堆積體邊坡的安全穩(wěn)定問題，基于流固耦合理論和有限元強度折減法，對不同參數(shù)組合下的尾礦壩壩坡和排土場堆積體邊坡進行穩(wěn)定性計算，繪制了一套用于快速獲取尾礦壩壩坡和排土場堆積體邊坡安全系數(shù)的計算曲線；②針對固廢堆積體（壩）運行過程中的安全監(jiān)測問題，開發(fā)基于B/S結構的在線安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實時分析和評價固廢堆積體（壩）安全風險等級，實現(xiàn)了堆積體（壩）的安全狀態(tài)預警；③針對目前固廢體（尾礦）綜合利用率較低；發(fā)泡陶瓷產(chǎn)量低的問題。選取當?shù)伢w量巨大的鉬尾礦為主要原料，制備鉬尾礦混凝土和相應的結構構件，對其力學性能和耐久性能進行研究，并提出相應的設計公式，尾礦利用率可達100%；制備性能優(yōu)異的輕質保溫發(fā)泡陶瓷材料，尾礦利用率高達80%。采用分層分區(qū)布料工藝替代傳統(tǒng)單一布料方式，縮短發(fā)泡陶瓷燒成周期，提高發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)效率。設計全新發(fā)泡陶瓷燒成輥道窯，在不影響發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品質量的前提下，可將發(fā)泡陶瓷年產(chǎn)量提高4倍以上。④針對礦山更新再利用及生態(tài)環(huán)境修復問題，通過礦山改建固廢填埋場技術緩解工業(yè)和生活固廢處置的難題，構建基于堆載過程的非均質固廢填埋場模型，進而開展填埋場安全穩(wěn)定影響因素敏感性分析；通過固廢堆體坡面覆植草被的水土養(yǎng)分流失動力過程試驗，揭示水土養(yǎng)分流失與徑流侵蝕功率關系；通過棄渣場植被恢復試驗，提出基于保水劑+保水緩釋肥措施的礦區(qū)植被恢復方法；采用人工干預方式，通過多樣化的植物栽培技術形成多層次植物群落，構建持久的結構化生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)綠色礦山生態(tài)文明建設的目標。3）促進行業(yè)科技進步作用及應用推廣情況本項目針對綠色礦山固廢安全處置關鍵技術的創(chuàng)新與實踐問題開展系統(tǒng)性科學研究，研究成果已經(jīng)在北溝、泉水溝、石柱溝等露天礦山工程中進行了應用，為其在固廢安全處置、尾礦資源化利用和綠色礦山生態(tài)文明建設方面提供理論和技術指導。據(jù)不完全統(tǒng)計，研究成果到目前為止所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益高達31.80億元，同時也取得了顯著的生態(tài)環(huán)境效益和社會效益（見應用證明）。依托本項目研究，在國內外重要學術期刊發(fā)表學術論文70余篇，其中SCI/EI收錄15篇，出版著作4部；授權專利15項，其中發(fā)明專利3項；企業(yè)獲獎2項；培養(yǎng)博士和碩士研究生18名。五、客觀評價在綠色礦山固廢安全處置關鍵技術及應用的創(chuàng)新和實踐中，國內外同類學科技術研究與本研究技術的比較如下：（1）國外在露天礦山固廢堆積體（壩）的專項評價當中，例如礦山排土場固廢堆積體的穩(wěn)定性評價、尾礦庫壩體的穩(wěn)定性評價及尾礦庫壩體滲流穩(wěn)定性評價等方面做了大量的工作，但是尾礦庫的安全運行涉及到各個方面，在綜合評價尾礦庫安全性方面的研究尚為不足。目前，研究主要集中在尾礦的物理力學特性、尾礦沉積規(guī)律及尾礦壩的滲流及靜動力穩(wěn)定性方面。關于尾礦壩的穩(wěn)定性主要集中在尾礦壩筑壩、潰壩、地震反應研究等方面，而關于尾礦壩壩坡和尾礦固廢堆積體排土場邊坡穩(wěn)定性的研究相對較少。通過將有限元強度折減法應用于尾礦壩壩體的穩(wěn)定性分析中，進而建立能夠快速獲取尾礦壩靜力和地震工況下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的穩(wěn)定性圖表，從而在嚴密的理論體系下，以所建立的壩坡穩(wěn)定圖表法代替?zhèn)鹘y(tǒng)穩(wěn)定分析方法，以其優(yōu)越性和方便快捷的特點推廣至工程實踐當中。對礦山尾礦壩快速堆積成型提供了理論指導，并為施工規(guī)范修改制定提供依據(jù)。因此，本項研究具有一定的前端性和實用性。（2）國內由于安全評價近幾年才興起，許多安全評價中介機構的評價人員缺乏專業(yè)知識，另一方面，評價機構片面追求利潤，圖快省事，導致評價質量下降。國內外對于露天礦山固廢堆積體（壩）建設過程中安全問題的研究主要集中在尾礦庫的設施安全、環(huán)境管理和潰壩風險分析，綜合壩體形變、浸潤線、庫區(qū)水位及降雨量等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析判斷和預測，壩體水平和垂直位移、穩(wěn)定性監(jiān)測等方面。利用新型的技術進行的仿真模擬，可視化的管理，從廣泛的實際調研中切實把握尾礦庫綠色建造技術知識體系、技術要求，可以科學、高效、準確地解決尾礦庫安全評價問題。目前，露天礦山固廢堆積體安全現(xiàn)狀綜合評價采用的評價方法，定性評價過重，缺少定量評價指標內容，導致評價結論較為含糊，安全檢查表也不夠全面。本項研究基于工程安全事故的路徑和成因分析，利用可視化在線監(jiān)測技術將礦山固廢堆積體（壩）信息系統(tǒng)化，采用相關性分析法建立安全評價模型，解決我國尾礦庫安全存在的問題，達到綠色建造的目的。（3）隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，礦物資源需求量逐年增大，露天礦山開采后尾礦堆積量逐年增加，而尾礦制備水泥、混凝土、免燒磚等產(chǎn)品的利用率小于7%，大量尾礦被堆積于山谷之間，導致耕地面積減少，植被破壞，對大氣、河流等自然環(huán)境造成巨大污染。目前國內采用尾礦尾渣制備加氣混凝土砌塊、硅酸鹽水泥、微晶玻璃等建筑材料，綜合利用率較低。本項目采用商洛鉬尾礦為主要原料，鉀長石、粘土為輔助原料，以碳化硅作為發(fā)泡劑，采用粉末燒結法制備發(fā)泡陶瓷，研究原料組成、發(fā)泡劑含量對發(fā)泡陶瓷結構與性能的影響；采用正交實驗研究燒成溫度、升溫速度、保溫時間及發(fā)泡劑含量等因素對發(fā)泡陶瓷結構及性能影響的主次，進而制得性能優(yōu)異的發(fā)泡陶瓷材料。本項目所取得的成果和國內外同類研究相比具有一定的創(chuàng)新性，市場推廣應用前景非常樂觀。（4）隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，我國城市生活和一般工業(yè)固廢產(chǎn)量急劇增加，而填埋場是固廢處置的主要方式。從綠色礦山的角度出發(fā)，針對礦山更新再利用及生態(tài)環(huán)境修復問題，提出通過礦山改建固廢填埋場技術緩解固廢處置的難題的新思路并推廣應用，構建基于堆載過程的非均質固廢填埋場模型，進而開展填埋場安全穩(wěn)定影響因素敏感性分析，為礦山更新改建固廢填埋場的設計、施工和運營提供重要依據(jù)；提出了尾礦庫庫容騰空區(qū)換填生活垃圾的新思路并推廣應用。使得尾礦庫綠色建造和尾礦循環(huán)利用形成閉環(huán)鏈接。針對露天礦山開采采空區(qū)水分滲漏嚴重、坡面土壤營養(yǎng)物質流失嚴重，可供選擇的整地技術較少，礦山生態(tài)修復技術基礎理論與試驗研究極其缺乏，生產(chǎn)實踐上急需相應的理論基礎和配套技術作指導。傳統(tǒng)的礦山生態(tài)治理只注重邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的設計也以工程技術和植物選擇為主，不注重對工程區(qū)的景觀改造。本項研究采用的保水劑+緩釋肥人工干預礦山棄渣場植被恢復的方法，強調固廢堆體坡下草被覆蓋對養(yǎng)分隨徑流流失的攔截，建立健全以改善環(huán)境質量為核心的綠色礦山環(huán)境治理模式。極大的提高礦山棄渣場植被恢復效果，具有良好的社會經(jīng)濟效益。六、應用情況本項目以綠色礦山固廢安全處置關鍵技術研究及應用為目標，對露天礦山固廢堆積體（壩）邊坡的穩(wěn)定性分析、固廢堆積體安全在線監(jiān)測技術、尾礦資源的再生利用技術、綠色礦山生態(tài)環(huán)境修復技術等問題進行科學系統(tǒng)的研究，取得了一定創(chuàng)新性研究成果，項目研究成果可對露天礦山設計、施工、運行、管理過程進行指導，具有廣闊的技術推廣前景和良好的社會效益。具體應用情況如下：（1）將有限元強度折減法應用于露天礦固廢堆積體（壩）的邊坡穩(wěn)定性分析中，進而建立能夠快速獲取尾礦壩靜力和地震工況下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的穩(wěn)定性圖表，以所建立的穩(wěn)定圖表法代替?zhèn)鹘y(tǒng)邊坡穩(wěn)定分析方法，對東溝鉬礦采場（Ⅱ期）邊坡和北溝尾礦壩壩坡進行了穩(wěn)定性評價，為工程的設計和施工規(guī)范的完善提供了必要依據(jù)。（2）結合陜西金堆城汝陽的寺溝、泉水溝和北溝工程，基于工程安全事故的路徑和成因分析，利用可視化在線監(jiān)測技術將礦山固廢堆積體（壩）信息系統(tǒng)化，采用相關性分析法建立安全綜合評價模型，依據(jù)相關法律、法規(guī)和技術標準，對固廢堆積體（壩）的安全現(xiàn)狀和后期安全狀態(tài)進行了定量評價和預測，為其多年安全運行提供保障。（3）結合商洛一區(qū)六縣的尾礦資源，將鉬尾礦作為細骨料制備混凝土和相應的結構構件，并提出了相應的設計公式；利用鉬尾礦為主要原料制備輕質保溫發(fā)泡陶瓷材料，使得尾礦固廢礦渣利用率達到80%，解決發(fā)泡陶瓷行業(yè)產(chǎn)量低的瓶頸問題。（4）通過礦山改建固廢填埋場技術可以有效緩解工業(yè)和生活固廢處置的難題，構建基于堆載過程的非均質固廢堆體模型，定量分析各影響因素與堆體穩(wěn)定性的關系，為礦山更新改建固廢填埋場的設計、施工和運營提供重要依據(jù)。提出了尾礦庫庫容騰空區(qū)換填生活垃圾的新思路并推廣應用。使得尾礦庫綠色建造和尾礦循環(huán)利用形成閉環(huán)鏈接。對于已經(jīng)閉庫的賈溝尾礦庫，采用保水劑+緩釋肥措施進行礦區(qū)植被恢復，建立以改善環(huán)境質量為核心的綠色礦山環(huán)境治理模式，顯著提升了礦山棄渣場植被恢復效果，生態(tài)環(huán)境修復工作取得了良好成效，工程示范作用顯著；金堆城尾礦庫征地移民工程改善了當?shù)刎毨丝诘纳顥l件，對當?shù)厝罕姷拿撠毠ぷ髌鸬搅送苿幼饔茫瑸闁|溝綠色礦山生態(tài)文明建設做出了重要貢獻。（5）校企合作人才培養(yǎng)。本項目實施期間，金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司與西京學院、西安理工大學簽訂校企合作協(xié)議，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生5名、碩士研究生13名、并發(fā)表相關論文17篇、申請專利6個。主要知識產(chǎn)權和標準規(guī)范等目錄知識產(chǎn)權類別知識產(chǎn)權具體名稱授權號授權日期證書編號權利人發(fā)明人發(fā)明專利有效狀態(tài)發(fā)明專利一種尾礦庫的填筑方法ZL200810146528.42010.04.21608790金堆城鉬業(yè)股份有限公司郭振世、賀金剛、柳曉峰、張繼祥、沈昌賢有效發(fā)明專利一種用于生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷制品的輥道窯ZL201811230998.92019.02.053246671廣東金意陶陶瓷集團有限公司趙威、戴永剛、馬夢蘭、江期明有效發(fā)明專利一種分層制料布料生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的工藝以及發(fā)泡陶瓷材料ZL201811357188.X2019.03.153292323廣東金意陶陶瓷集團有限公司趙威、戴永剛、馬夢蘭、江期明有效實用新型一種尾礦堆積壩三維排滲降水系統(tǒng)ZL201621116339.92017.08.016346425西京學院馬斌、張進、王可娜有效論文Nonlinearshearstrengthreductiontechniqueforstabilityanalysisofuniformcohesiveslopeswithageneralnonlinearfailurecriterion2021,21(1):060200332020.10.23InternationalJournalofGeomechanics西京學院孫超偉，柴軍瑞等其他有效的知識產(chǎn)權論文Sustainableapplicationsforutilizingmolybdenumtailingsinconcrete2020,2662020.07.06JournalofCleanerProduction西京學院高山等其他有效的知識產(chǎn)權論文ApplicationofFuzzyAnalyticHierarchyProcessintheRiskAssessmentofDangerousSmallSizedReservoirs2018，9:113–1232015.04.25InternationalJournalofMachineLearningandCybernetics西安理工大學馬婧，楊杰等其他有效的知識產(chǎn)權論文AReviewofCharacteristicsofLandfilledMunicipalSolidWasteinSeveralCountries:PhysicalComposition,UnitWeight,andPermeabilityCoefficient2018,27(6):2425-2435.2017.12.08PolishJournalofEnvironmentalStudies西安理工大學,西京學院楊榮，許增光，柴軍瑞其他有效的知識產(chǎn)權論著特殊巖土工程滲透特性研究-以尾礦壩和生活垃圾填埋場為例ISBN:97870305334942017.06.01.科學出版社西安理工大學許增光，楊榮，楊雪敏其他有效的知識產(chǎn)權論著高堆尾礦壩穩(wěn)定控制及環(huán)境保護技術ISBN:97878073462892010.03.01.黃河水利出版社金堆城鉬業(yè)集團有限公司郭振世其他有效的知識產(chǎn)權八、主要完成人情況姓名排名行政職務技術職稱工作單位完成單位對本項目主要學術和技術創(chuàng)造性貢獻馬斌1無教授西京學院西京學院成果的總策劃人和執(zhí)行人孫超偉2無副教授西安科技大學西京學院負責露天礦固廢堆積體（壩）邊坡的安全穩(wěn)定研究趙威3教研室主任副教授商洛學院商洛學院對項目中尾礦資源燒制輕質保溫發(fā)泡陶瓷板材進行深入研究和應用推廣高山4無副教授西京學院西京學院大摻量尾礦混凝土制備技術和微觀機理分析研究工作馬婧5無工程師西安理工大學西安理工大學負責建立基于B/S結構的在線安全監(jiān)測管理信息系統(tǒng)，評價礦山固廢堆積體（壩）安全風險等級楊榮6無講師西安科技大學西安理工大學負責礦山更新改建固廢填埋場技術分析，研究尾礦庫區(qū)固廢填埋場的安全穩(wěn)定性高瑩7無副教授西京學院西京學院總結礦山棄渣場植被恢復的方法和礦山生態(tài)文明建設措施的研究工作高奎8規(guī)劃部部長高級工程師金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司對項目實施進行了系統(tǒng)設計、深入研究在線監(jiān)測應用推廣，負責成果的轉化應用郭振世9規(guī)劃處處長正高級工程師金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司研究排滲設施對某尾礦壩滲流穩(wěn)定性的影響分析，對創(chuàng)新點1、4做出了貢獻王明玉10無副教授西京學院西京學院對項目實施相關論文、專利等資料進行系統(tǒng)整理與收集柴軍瑞11水利工程一級博士學科帶頭人教授西安理工大學西安理工大學負責露天礦固廢堆積體（壩）邊坡的安全穩(wěn)定研究九、主要完成單位及創(chuàng)新推廣貢獻單位名稱排名主要貢獻西京學院1作為本項目的主要完成單位，本項目組成員立足于尾礦庫建造及混凝土結構安全與耐久性研究關鍵問題，依托國家自然科學基金、陜西省自然科學基金等項目，針對尾礦庫固廢處置及綠色礦山建造過程中所面臨的各種機理與方法進行研究，在固廢堆積體（壩）初期壩施工建設中，建立了入滲力作用下固廢堆積體（壩）穩(wěn)定性分析的數(shù)學模型，并基于流固耦合-強度折減法提出了求解尾礦壩壩坡安全系數(shù)和固廢堆積體排土場邊坡安全系數(shù)的穩(wěn)定性圖表法；針對礦區(qū)固廢堆積體（壩）土壤貧瘠，水分缺乏的特點，采用保水劑+保水緩釋肥方法進行礦山棄渣場植被恢復，提高植被恢復效果。對創(chuàng)新點1、4有主要貢獻。西安理工大學2在成果完成過程中西安理工大學依托國家自然科學基金、陜西省自然科學基金以及企業(yè)委托開發(fā)項目，針對固廢堆積體（壩）建設過程中的運行安全問題，利用可視化在線監(jiān)測技術將工程信息系統(tǒng)化，實現(xiàn)全壽命周期的安全狀態(tài)預警；構建Vague集環(huán)境下的主客觀賦權方法，求取各項風險因素的權重，實時分析和評價堆積體（壩）安全風險等級,對創(chuàng)新點1、2有主要貢獻。金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司3在成果完成過程中，金堆城鉬業(yè)集團有限公司作為項目研究的主體，為課題組提供工程的勘察，設計和施工管理等原始資料，提供數(shù)據(jù)采集，取樣等現(xiàn)場試驗研究場地。并將研究成果應用于金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司的尾礦庫工程實際中，建立了綠色礦山固廢安全處置關鍵技術及應用的原場地。商洛學院4本項目研究中，商洛學院立足于尾礦基輕質保溫發(fā)泡陶瓷板材的制備及產(chǎn)量提高等關鍵問題研究，依托陜西省科技廳重點研發(fā)項目、陜西省教育廳重點實驗室項目等項目，針對尾礦庫固廢處置及綠色礦山建造過程中所面臨的尾礦資源循環(huán)利用率低的問題進行研究，采用尾礦等固廢燒制發(fā)泡陶瓷板材，采用分層分區(qū)布料工藝提高發(fā)泡陶瓷產(chǎn)量。對創(chuàng)新點3有主要貢獻。十、完成人合作關系說明本成果從2002年開始在馬斌教授的主持領導下進行自主研發(fā)。2008年東溝選廠建設初期馬斌教授參與了本礦山工程的建設，十多年來先后擔任金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司石柱溝、泉水溝、北溝尾礦庫的總監(jiān)理工程師。在此期間金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司郭振世、高奎作為建設單位項目負責人，在項目的立項選題做出重要貢獻。通過校企合作、項目綁定培養(yǎng)了高山、高瑩、王明玉等多名博、碩士研究生。以后他們入職西京學院工作，作為本項目組成員立足于尾礦庫綠色建造關鍵技術研究。參與了金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司石柱溝、泉水溝、北溝尾礦庫的施工監(jiān)理、以及尾礦再生利用、庫區(qū)生態(tài)修復等多項研究課題。西安理工大學柴軍瑞教授是馬斌教授的學生、先后合作研究固廢處置、綠色礦山關鍵技術方面多項相關研究課題并合作共同指導博、碩士研究生。馬婧、孫超偉、楊榮是柴教授的博士生，依托國家自然科學基金、陜西省自然科學基金等項目、以金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司東溝選廠