隨著全球淺部礦產資源逐漸枯竭，深部及復雜地質條件下的礦山開采已成為金屬礦產資源開發的必然趨勢。深部開采面臨高地應力、圍巖破碎、海底高壓等嚴峻挑戰，如何實現安全高效地開采與治理是當前礦業領域的核心課題。近年來，針對深部破碎礦體開采相關研究取得重要進展，尤其在開采技術創新和穩定性評價方面成果顯著。相關研究通過多源信息融合、數值模擬與新型支護技術的結合，為解決復雜礦體開采難題提供了科學依據。這些技術的應用不僅顯著提升了資源回收率，降低了安全風險，還推動了礦業向智能化、精準化方向轉型，為深部及海底資源的高效開發奠定了重要基礎。

中國博士后科學基金項目（編號：2020M682205）與國家自然科學基金項目（編號：51974012，52074020）資助下，北京科技大學李楊副教授團隊以三山島金礦新立礦區深部傾斜破碎礦體為研究對象，以實現破碎礦體的安全高效開采、采空區與不穩定區域的綜合治理。

針對三山島金礦深部傾斜礦體較為破碎的特殊地質條件，提出了包含階段空場嗣后充填及二次高壓灌漿預應力錨固支護的綜合開采技術，分析了上盤預加固處理的基本原理，并進行了破碎礦體開采的應力、位移及塑性區數值模擬，分析了階段空場嗣后充填采礦法的合理性以及上盤預加固處理的可行性。最終研究表明：采用上盤預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。

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

本項研究主要成果包括：

I 采用階段空場嗣后充填及二次高壓灌漿預應力錨固支護的綜合開采技術，有助于實現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，即“階段空場嗣后充填法+二次高壓灌漿預應力錨固支護”。

-960 m中段三維模型

該技術的核心在于：

1.階段空場嗣后充填法的優化應用

相較于傳統的上向水平分層充填法，該方法采用45 m大階段高度，減少了采準工程量，采切比48.7 m3/kt，提高了回采效率。通過FLAC^3D數值模擬驗證，該方法在回采過程中雖會引發圍巖塑性區擴展，以剪切破壞為主，但充填后能有效控制應力重分布，最大主應力73.2 MPa，仍低于礦體極限抗壓強度78.15 MPa。經濟指標顯示，該方法的礦石損失率（9.7%）和貧化率（7.8%）均優于傳統方法，符合高效開采要求。

階段空場嗣后充填采礦法工程布置

各開采步驟應力分析

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

2.二次高壓灌漿預應力錨固支護的關鍵作用

針對斷層導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，設計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。在孔內布置32 mm螺紋鋼，再進行孔內注漿，水泥漿所用水泥選擇42.5#普通硅酸鹽水泥，孔內注漿采用二次高壓灌漿預應力錨固技術，最終使得上盤距離礦體5 m位置形成一層支護隔墻，該隔墻對下部礦體具有一定的保護作用。

高壓灌漿預應力錨固實施流程

二次高壓灌漿預應力錨固技術有助于提高錨固段巖體的力學性能，有效控制圍巖變形。首次注漿填充裂隙，二次注漿施加預應力，使漿液滲透至巖體深部，形成復合加固體。通過二次高壓灌漿，可提高錨固段巖體的黏聚力、內摩擦角，并增強錨固段巖體所受剪切面上的法向應力以及增大巖體外表面的剪切滑動面積。

上盤預加固處理

監測數據顯示，采場邊幫變形量控制在1.13 cm以內，頂板最大變形量14.9 cm，仍處于安全范圍，驗證了支護的有效性。

（a）礦房1

（b）礦房2

（c）礦柱

監測點位移變化

II 層次分析法與D-S證據理論相結合的海下礦山穩定性評價體系構建與驗證

針對三山島金礦新立礦區海底開采的特殊性：斷層控制、節理發育、海水滲透壓力等復雜地質條件影響，提出了一種基于多源信息融合的穩定性評價方法，核心是將層次分析法（AHP）與D-S證據理論相結合，形成分層次、定量化的評價體系，解決了傳統方法難以量化多源異構數據（如地質參數、治理效果、監測數據）的問題。

1.層次分析法（AHP）權重計算

新立礦區地質環境復雜，治理工程量大，影響礦區巖體穩定性的因素很多，為穩定性評價帶來很多困難，并且諸如地質條件、開采強度、治理情況等因素對礦區治理后穩定性的影響程度不同。選擇指標時，應遵循“以少量指標盡可能地反映出最重要、最全面信息”的原則。綜合礦區現狀形成原因及過程，建立了礦區巖體穩定性影響因素指標體系。從地質因素（）、治理前穩定性（）、治理情況（）、治理后圍巖力學狀態（）4個維度，細分出13個因子。

新立礦區穩定性影響因素集

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

各指標層權重

一致性檢驗結果反映出，所有判斷矩陣的CR值均<0.1，滿足一致性要求，確保權重分配的合理性。

致性檢驗隨機性指標

2.D-S證據理論的多源信息融合

利用計算機技術對收集的不同來源、不同類型的礦山信息以一定準則進行自動分析和綜合處理，最終完成采空區穩定狀態評價，該過程稱為多源信息融合。將新立礦區巖體穩定性狀態分為4類：穩定、較穩定、存在隱患、危險性較高。通過mass函數量化各因子的可信度。信任區間為[0.98,1.00]，表示在多種影響因素共同作用下，融合信息增加，信任函數也不斷增大，其不確定性逐步降低，則識別結果更為準確可靠。

新立礦區穩定性分析結果

由上述分析可知，-165 m水平在充填治理之后，其穩定的可信度大小為0.84，表明-165 m水平處于穩定狀態。-200、-240、-320、-400 m水平穩定的可信度大小分別為0.90、0.89、0.95和0.97，即新立礦區各分段巖體狀態為“穩定”的可信度均大于80%，說明各分段巖體均較為穩定，其中，-165 m水平穩定性相對較差，其次為-240 m水平，而-400 m水平穩定性最好。隨著分段深度增加，巖體穩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，且巖體被上盤斷層、下盤破碎帶所控制，上部水平更加靠近海水，突水風險更大，巖體穩定性也相對較差

通過“數值模擬→層次分析→證據融合”的三步法，系統評價了海底礦山治理效果。

本研究相關成果獲得中國黃金協會科學技術獎一等獎，項目名稱：大型海底破碎金礦床充填法開采整體穩定性研究與災變防控關鍵技術。

學者風采

李 楊

北京科技大學副教授

博士、碩士研究生導師

澳大利亞塔斯馬尼亞大學訪問學者。主要從事礦山巖體穩定性分析及礦山災害監測預警等方面的教學與科研工作。近5年，主持國家重點研發計劃、中國博士后科學基金及校企合作等科研項目10余項；在國內外期刊上發表論文20余篇，1篇論文入選領跑者F5000；獲中國黃金協會科學技術獎一等獎3項、二等獎1項、三等獎1項，冶金礦山科學技術一等獎1項，中國有色金屬工業科學技術獎二等獎1項，中國職業安全健康協會科技進步獎一等獎1項；出版專著/教材3部；授權專利10余項。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，宋衛東，等.基于多源信息融合的海底礦山開采及治理穩定性評價[J].金屬礦山，2024（3）：29-36.

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

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區優秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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