隨著全球淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，深部及復(fù)雜地質(zhì)條件下的礦山開采已成為金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)的必然趨勢。深部開采面臨高地應(yīng)力、圍巖破碎、海底高壓等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)安全高效地開采與治理是當(dāng)前礦業(yè)領(lǐng)域的核心課題。近年來，針對深部破碎礦體開采相關(guān)研究取得重要進(jìn)展，尤其在開采技術(shù)創(chuàng)新和穩(wěn)定性評價(jià)方面成果顯著。相關(guān)研究通過多源信息融合、數(shù)值模擬與新型支護(hù)技術(shù)的結(jié)合，為解決復(fù)雜礦體開采難題提供了科學(xué)依據(jù)。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅顯著提升了資源回收率，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，還推動(dòng)了礦業(yè)向智能化、精準(zhǔn)化方向轉(zhuǎn)型，為深部及海底資源的高效開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：2020M682205）與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：51974012，52074020）資助下，北京科技大學(xué)李楊副教授團(tuán)隊(duì)以三山島金礦新立礦區(qū)深部傾斜破碎礦體為研究對象，以實(shí)現(xiàn)破碎礦體的安全高效開采、采空區(qū)與不穩(wěn)定區(qū)域的綜合治理。

針對三山島金礦深部傾斜礦體較為破碎的特殊地質(zhì)條件，提出了包含階段空場嗣后充填及二次高壓灌漿預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)的綜合開采技術(shù)，分析了上盤預(yù)加固處理的基本原理，并進(jìn)行了破碎礦體開采的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)數(shù)值模擬，分析了階段空場嗣后充填采礦法的合理性以及上盤預(yù)加固處理的可行性。最終研究表明：采用上盤預(yù)加固處理的階段空場嗣后充填采礦法能夠有效地控制深部采場邊幫圍巖變形，并控制采場的損失率為9.7%貧化率為7.8%，保障了三山島金礦深部破碎礦體安全高效開采，可為類似礦山高效開采提供理論依據(jù)。

地下開采是金屬礦山開采的主要方式，在長期開采過程中，所形成的采空區(qū)以及不穩(wěn)定區(qū)域需要進(jìn)行充填注漿處理。針對三山島金礦新立礦區(qū)在治理后的穩(wěn)定性評價(jià)問題，首先通過數(shù)值模擬對該礦區(qū)開采及治理后全過程穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其次采用層次分析法對影響巖體穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，將影響較大的因素作為D-S證據(jù)理論的評判指標(biāo)，進(jìn)行治理后的巖體穩(wěn)定性評價(jià)。治理后整體的變形量增長緩慢，塑性區(qū)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，充填治理效果良好，達(dá)到預(yù)期效果；治理情況、治理后圍巖力學(xué)狀態(tài)對巖體穩(wěn)定性影響最大，治理前穩(wěn)定性次之，地質(zhì)因素影響最小。因子層中，采空區(qū)治理率影響最大。通過D-S證據(jù)理論證明所有水平在治理后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本項(xiàng)研究主要成果包括：

I 采用階段空場嗣后充填及二次高壓灌漿預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)的綜合開采技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)深部破碎礦體的安全高效開采。

針對三山島金礦深部-960 m中段的傾斜破碎礦體，平均傾角45°，受斷層影響，礦體破碎，提出了一種綜合開采技術(shù)，即“階段空場嗣后充填法+二次高壓灌漿預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)”。

-960 m中段三維模型

該技術(shù)的核心在于：

1.階段空場嗣后充填法的優(yōu)化應(yīng)用

相較于傳統(tǒng)的上向水平分層充填法，該方法采用45 m大階段高度，減少了采準(zhǔn)工程量，采切比48.7 m3/kt，提高了回采效率。通過FLAC^3D數(shù)值模擬驗(yàn)證，該方法在回采過程中雖會(huì)引發(fā)圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展，以剪切破壞為主，但充填后能有效控制應(yīng)力重分布，最大主應(yīng)力73.2 MPa，仍低于礦體極限抗壓強(qiáng)度78.15 MPa。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯示，該方法的礦石損失率（9.7%）和貧化率（7.8%）均優(yōu)于傳統(tǒng)方法，符合高效開采要求。

階段空場嗣后充填采礦法工程布置

各開采步驟應(yīng)力分析

研究反映出，回采過程中塑性區(qū)以剪切破壞為主，但未貫通采場，說明充填和支護(hù)維持了整體穩(wěn)定性。

2.二次高壓灌漿預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)的關(guān)鍵作用

針對斷層導(dǎo)致的上盤圍巖破碎問題，為保證采場安全回采，防止上盤巖體塌落，設(shè)計(jì)先垂直于礦體開挖鑿巖巷道，鑿巖巷道穿過礦體，超過礦體上盤5 m左右，通過-915 m鑿巖巷道布置斜向下45°、孔徑50 mm、孔深20~33 m的扇形孔，孔底距3 m；通過-960 m鑿巖巷道布置斜向上45°、孔徑50 mm、孔深20~33 m的扇形孔，孔底距3 m。在孔內(nèi)布置32 mm螺紋鋼，再進(jìn)行孔內(nèi)注漿，水泥漿所用水泥選擇42.5#普通硅酸鹽水泥，孔內(nèi)注漿采用二次高壓灌漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)，最終使得上盤距離礦體5 m位置形成一層支護(hù)隔墻，該隔墻對下部礦體具有一定的保護(hù)作用。

高壓灌漿預(yù)應(yīng)力錨固實(shí)施流程

二次高壓灌漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)有助于提高錨固段巖體的力學(xué)性能，有效控制圍巖變形。首次注漿填充裂隙，二次注漿施加預(yù)應(yīng)力，使?jié){液滲透至巖體深部，形成復(fù)合加固體。通過二次高壓灌漿，可提高錨固段巖體的黏聚力、內(nèi)摩擦角，并增強(qiáng)錨固段巖體所受剪切面上的法向應(yīng)力以及增大巖體外表面的剪切滑動(dòng)面積。

上盤預(yù)加固處理

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，采場邊幫變形量控制在1.13 cm以內(nèi)，頂板最大變形量14.9 cm，仍處于安全范圍，驗(yàn)證了支護(hù)的有效性。

（a）礦房1

（b）礦房2

（c）礦柱

監(jiān)測點(diǎn)位移變化

II 層次分析法與D-S證據(jù)理論相結(jié)合的海下礦山穩(wěn)定性評價(jià)體系構(gòu)建與驗(yàn)證

針對三山島金礦新立礦區(qū)海底開采的特殊性：斷層控制、節(jié)理發(fā)育、海水滲透壓力等復(fù)雜地質(zhì)條件影響，提出了一種基于多源信息融合的穩(wěn)定性評價(jià)方法，核心是將層次分析法（AHP）與D-S證據(jù)理論相結(jié)合，形成分層次、定量化的評價(jià)體系，解決了傳統(tǒng)方法難以量化多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（如地質(zhì)參數(shù)、治理效果、監(jiān)測數(shù)據(jù)）的問題。

1.層次分析法（AHP）權(quán)重計(jì)算

新立礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，治理工程量大，影響礦區(qū)巖體穩(wěn)定性的因素很多，為穩(wěn)定性評價(jià)帶來很多困難，并且諸如地質(zhì)條件、開采強(qiáng)度、治理情況等因素對礦區(qū)治理后穩(wěn)定性的影響程度不同。選擇指標(biāo)時(shí)，應(yīng)遵循“以少量指標(biāo)盡可能地反映出最重要、最全面信息”的原則。綜合礦區(qū)現(xiàn)狀形成原因及過程，建立了礦區(qū)巖體穩(wěn)定性影響因素指標(biāo)體系。從地質(zhì)因素（）、治理前穩(wěn)定性（）、治理情況（）、治理后圍巖力學(xué)狀態(tài)（）4個(gè)維度，細(xì)分出13個(gè)因子。

新立礦區(qū)穩(wěn)定性影響因素集

通過層次分析法對新立礦區(qū)的各個(gè)因素及因子進(jìn)行評價(jià)，由判斷矩陣進(jìn)行各個(gè)因素及因子的權(quán)重以及全局權(quán)重計(jì)算，量化了關(guān)鍵因子的影響程度。治理情況（）和治理后力學(xué)狀態(tài)（）的權(quán)重占比最高，均為0.363 6，而地質(zhì)因素（）影響最小為0.090 9。在因子層中，采空區(qū)治理率對穩(wěn)定性影響最大，其次是治理后頂板沉降和頂板塑性區(qū)。

各指標(biāo)層權(quán)重

一致性檢驗(yàn)結(jié)果反映出，所有判斷矩陣的CR值均<0.1，滿足一致性要求，確保權(quán)重分配的合理性。

致性檢驗(yàn)隨機(jī)性指標(biāo)

2.D-S證據(jù)理論的多源信息融合

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對收集的不同來源、不同類型的礦山信息以一定準(zhǔn)則進(jìn)行自動(dòng)分析和綜合處理，最終完成采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)評價(jià)，該過程稱為多源信息融合。將新立礦區(qū)巖體穩(wěn)定性狀態(tài)分為4類：穩(wěn)定、較穩(wěn)定、存在隱患、危險(xiǎn)性較高。通過mass函數(shù)量化各因子的可信度。信任區(qū)間為[0.98,1.00]，表示在多種影響因素共同作用下，融合信息增加，信任函數(shù)也不斷增大，其不確定性逐步降低，則識別結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

新立礦區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果

由上述分析可知，-165 m水平在充填治理之后，其穩(wěn)定的可信度大小為0.84，表明-165 m水平處于穩(wěn)定狀態(tài)。-200、-240、-320、-400 m水平穩(wěn)定的可信度大小分別為0.90、0.89、0.95和0.97，即新立礦區(qū)各分段巖體狀態(tài)為“穩(wěn)定”的可信度均大于80%，說明各分段巖體均較為穩(wěn)定，其中，-165 m水平穩(wěn)定性相對較差，其次為-240 m水平，而-400 m水平穩(wěn)定性最好。隨著分段深度增加，巖體穩(wěn)定性基本呈上升趨勢，這是由于三山島金礦為海下開采礦山，且?guī)r體被上盤斷層、下盤破碎帶所控制，上部水平更加靠近海水，突水風(fēng)險(xiǎn)更大，巖體穩(wěn)定性也相對較差

通過“數(shù)值模擬→層次分析→證據(jù)融合”的三步法，系統(tǒng)評價(jià)了海底礦山治理效果。

本研究相關(guān)成果獲得中國黃金協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，項(xiàng)目名稱：大型海底破碎金礦床充填法開采整體穩(wěn)定性研究與災(zāi)變防控關(guān)鍵技術(shù)。

學(xué)者風(fēng)采

李 楊

北京科技大學(xué)副教授

博士、碩士研究生導(dǎo)師

澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)訪問學(xué)者。主要從事礦山巖體穩(wěn)定性分析及礦山災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警等方面的教學(xué)與科研工作。近5年，主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國博士后科學(xué)基金及校企合作等科研項(xiàng)目10余項(xiàng)；在國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文20余篇，1篇論文入選領(lǐng)跑者F5000；獲中國黃金協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，冶金礦山科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；出版專著/教材3部；授權(quán)專利10余項(xiàng)。兼任《金屬礦山》《Geohazard Mechanics》《Processes》等刊青年編委/特刊編委。

成果精讀

[1] 李楊，夏文浩，宋衛(wèi)東，等.基于多源信息融合的海底礦山開采及治理穩(wěn)定性評價(jià)[J].金屬礦山，2024（3）：29-36.

[2] 李楊，宋衛(wèi)東，杜云龍，等.深部傾斜破碎金礦體高效開采技術(shù)研究[J].金屬礦山，2023（3）：29-35.F5000論文）

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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