2025冶金科学技术奖简介 | 大型露天矿安全开采与全周期预警防控关键技术及工程应用

项目背景与核心问题

我国铁矿80%依靠进口，成为继石油、芯片以后的三大卡脖子大宗进口工业品之一。党的二十大以来总书记作出提升战略性资源供应保障能力重要批示，规划持续提升铁金属国内自给率，补齐钢铁产业资源短板。露天铁矿占铁矿石产能0%，然而现有大型露天矿边坡稳定性问题十分严峻，滑坡地质灾害占大型露天矿安全事故的80%以上，其中90%滑坡与水密切相关严重制约着露天矿安全生产。

上世纪60年代司家营地区发现了亚洲大单体铁矿（储量亿吨，目前年产矿石2400万吨，占河钢总产能70%），由于其复杂的工程地质条件（临河、层状易风化岩体浸水弱化超50%、矿体分支复合）一度无法安全开采。2011年建矿开始，河钢矿业联合东北大学，在司家营、研山等一批具有代表性特大型金属露天矿，边生产边攻关，迄今开展了长达十余年的技术联合攻关，研究揭示了深层技术瓶颈，发现边坡精准预警防控存在三大关键难题

难题一：复杂地质条件参数“表征难”。水敏性岩石软化特性测试误差大、工程地质分区非均质参数赋值困难，导致复杂地质系统非均匀岩体质量刻画失真，与严谨力学计算模型脱节。

难题二：滑坡风险概率“算不准”。基于少量钻孔数据静态可靠性评价方法，计算误差大，只能给出安全系数区间范围，无法提供开采过程动态修正的安全系数、滑坡概率及可信度指标。

难题三：预警防控体系“靠不住”。基于位移、裂缝等表像类监测数据阈值的方法，缺少力学预警指标，导致预警可信度低、误报率高，防护措施被动滞后。

上述难题致使露天矿开采中隐患排查滞后、稳定性评价失真、边坡防护被动、预警准确率低，严重制约高效安全生产。

为此，针对上述难题，面向国内大型战略性金属露天矿安全高效开采的重大需求，本项目研发了浸水边坡岩体非均匀质量表征技术，提出了基于参数空间变异性的边坡稳定可靠性动态评价方法，基于数据驱动和机理支撑，发明了大型露天矿边坡全生命周期预警防控技术

技术突破与创新体系

技术创新点

针对浸水边坡岩体力学参数空间变异性规律复杂、力学参数测试不准的难题，研发了浸水岩石双向约束单向加载实验装备和岩体结构智能识别技术，研发了多源勘察数据融合的浸水边坡岩体质量智能表征技术，提高了岩体力学参数表征的准确性。

）为了真实还原水敏性岩质层状边坡加卸载过程浸水膨胀软化力学机理，自主研发了双向约束单向加载的岩石浸水冲击蠕变室内剪切实验装置，揭示了浸水作用下强度参数特征衰减规律和岩层浸水脆延转化力学机制，自研成套装备首次实现了类水敏性岩石强度准确测试；

）充分利用露天矿高密度生产探矿钻孔岩芯大数据信息（岩芯照片、钻孔波速、钻孔采取率），提出了基于深度学习实例分割网络的智能识别钻孔岩芯图像的方法，进而从单排岩芯中识别出长度大于等于10cm的岩芯段，进行RQD的计算；岩芯RQD静态参数的识别效率（岩芯盒照片RQD智能识别6s以内）比手工测量方法（岩芯盒RQD统计用时1min以上）提高10倍，准确率达到99%

3）基于无人机贴坡摄影测量技术（无人机拍摄镜头垂直边坡坡面自适应姿态调节拍摄），建立露天矿边坡表面岩体mm级分辨率的高精度三维实景模型，提出了基于深度学习U-net 网络与GMM-EM 聚类方法相结合岩体露头结构面信息全自动识别技术。坡表岩体全采场万余条节理人工识别效率耗时15-30天，全采场智能识别万余条节理人工识别效率耗时30min+无人机航测耗时2~3天，相互传统方法提高效率提高10倍以上，识别准确率95%

）结合室内实验岩石力学参数指标、广义Hoek-brown强度理论、岩体结构GSI信息、地质统计学方法，建立了浸水层状边坡岩体质量参数非均匀性表征方法，实现了小尺度岩石浸水弱化测试数据、工程尺度的边坡坡表岩体结构测试数据、坡体内部岩芯质量数据、日常边坡炮孔解译随钻数据的多源融合。将高变异性矿岩参数取值误差由工勘钻孔间距100m~200m提高至15m~50m以内。

将该技术应用于司家营、研山、石人沟、大红山、富贵鸟等国内大型露天矿山边坡岩体质量非均匀表征建模工作中。传统工程地质详查规范要求的钻孔最高精度间距30-50m，本项成果实现了边长15空间块体变异性参数赋值，显著提高了工程尺度岩体参数表征精度，达到国际领先水平，为基于空间非均匀岩体力学参数场的边坡稳定性精准计算奠定了基，该关键技术经河北省金属学会组织鉴定，达到国际领先水平。

技术创新点二：

针对大型层状浸水边坡滑面位置定不准、滑坡风险算不准的难题，研发了各向异性震源机制反演方法提高了露天矿边坡微震定位精度发明了微震数据驱动的强度折减计算方法，突破了静态稳定性强度线性折减评价方法的瓶颈提出了大型露天矿基于参数空间变异性的边坡稳定可靠性动态评价方法显著提高了边坡稳定性分析的准确性及可靠性。

1）基于地震矩张量原理，构建了各向异性震源机制反演方法，提高了露天矿边坡微震定位精度，攻克了非均匀岩体震源机制解译精度差的技术难题，较传统的各向的边坡微震定位精度20m，提高至5m，精度提高75%

2）构建满足探、测数据约束条件的非均质边坡参数随机场表征模型，提出基于变异性、置信度双重属性边坡稳定可靠性方法，突破了复杂地质条件边坡稳定评价精度差的理论缺陷。研究发现：高变异性地质条件边坡岩体失稳呈现多模式特征，在补勘数据与微震监测信息的动态约束下，其安全系数概率密度分布随约束条件增强而表现出显著收敛趋势。

该方法实现了非均质参数场失稳模式的全面搜索与多模式破坏演化稳定性计算，打破了均质模型只能获得单一模式的局限。其学术与应用价值在于能够评估从局部至整体失稳的多模式滑坡发生概率，为后续补勘与监测布局优化提供科学指导，并进一步通过测试数据有效排查识别失稳模式，从而提高预测精度。

将该技术应用于司家营研山、石人沟、金宝等大型露天矿山边坡稳定性动态分析工作中，提高了大型矿山边坡稳定性评价的准确性，精准定位了司家营研山东帮顺层边坡的13.9m深度的潜在滑动面，较南非边坡微震预测滑面厚度误差20.1m，预测误差缩小30.8%。应用前11个矿山边坡稳定性可靠度平均不足10.4%、应用后11个矿山边坡稳定性可靠度平均20.3%，边坡稳定性可靠度提高了倍。该技术经中国冶金矿山企业协会组织鉴定，达到国际领先水平。

技术创新点三：

针对大型露天矿隐患排查滞后、边坡防护被动、预警准确率低等难题，研发了多源信息融合滑坡案例智能匹配的早中期预警技术，提出了边坡爆破频减震技术及坡表防渗疏堵协同的主动防护技术，提出了具有失稳概率及置信度双重属性的安全系数力学判据发明了微震与形变阈值协同的临滑预警技术，实现了露天矿边坡全周期预警防控。

1）采用深度学习算法智能匹配滑坡案例，建立了基于多源数据融合的露天矿动态开采过程滑坡风险量化模型，识别滑坡易发性因子的非线性关系（包含坡度、岩性、层理、危岩块体、爆破、降雨关键要素），建立滑坡易发性评价指标体系，实现了滑坡风险智能分区；早中期滑坡风险区识别精度可达80%

）在揭示浸水和爆破扰动下层状边坡破坏机理（14m左右浅表层多层滑移）及风险隐患区排查早中期预警基础上，提出了边坡爆破频减震技术及坡表防渗疏堵协同的主动防护技术，通过减少采动导致的岩体劣化，降低防治成本，实现源头减灾，被动防护治理成本446，实施本技术后防护治理成本210，单位面积成本降低50%

）发明了微震与形变阈值协同的临滑预警技术，提出了具有失稳概率及置信度双重属性的安全系数力学判据，有效降低了单纯依据雷达形变阈值导致的预警误报率

、项目实施效果

将该技术应用于司家营研山铁矿新建金宝铁矿、水厂铁矿、眼前山铁矿国内大型露天铁矿边坡的监测预警及安全防控，确保矿山安全生产，累计成功预警30余次，应用前11个矿山年累计误报248，应用后11个矿山年累计误报115次，误报数量降低53.6%。该关键技术经中国冶金矿山企业协会和河北省金属学会组织鉴定，达到国际领先水平。

以司家营、研山铁矿为例，技术全面实施后，近年减少误35次，报成功预警次局部台阶滑塌，采用主动防护加固治理措施后，有效保障了矿山安全生产。

本项目成果授权发明专利28件、实用新型件；软件著作权34件；规范部；专著部；论文98他引次数2000次。项目成果以河钢矿业个下属矿山为示范，在30座大型露天矿山推广应用；其中，11个主要应用单位近三年新增产值22亿元，新增利润13亿元。

我国现有万余座露天矿山，生产过程中的边坡稳定性评价和预警技术急需提升准确性，本成果提高了复杂地质条件露天矿山边坡稳定性评价预警的准确度，提升了评价方法和预警技术水平。为提升我国铁矿自给率、保障国家战略性矿产资源安全提供技术支撑，在矿山、水利及自然边坡灾害预警防控领域具有广阔的推广应用前景。

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