北京科技大学李杨：海底深部倾斜破碎金矿体开采（以三山岛金矿为例）

随着全球浅部矿产资源逐渐枯竭，深部及复杂地质条件下的矿山开采已成为金属矿产资源开发的必然趋势。深部开采面临高地应力、围岩破碎、海底高压等严峻挑战，如何实现安全高效地开采与治理是当前矿业领域的核心课题。近年来，针对深部破碎矿体开采相关研究取得重要进展，尤其在开采技术创新和稳定性评价方面成果显著。相关研究通过多源信息融合、数值模拟与新型支护技术的结合，为解决复杂矿体开采难题提供了科学依据。这些技术的应用不仅显著提升了资源回收率，降低了安全风险，还推动了矿业向智能化、精准化方向转型，为深部及海底资源的高效开发奠定了重要基础。

中国博士后科学基金项目（编号：2020M682205）与国家自然科学基金项目（编号：51974012，52074020）资助下，北京科技大学李杨副教授团队以三山岛金矿新立矿区深部倾斜破碎矿体为研究对象，以实现破碎矿体的安全高效开采、采空区与不稳定区域的综合治理。

针对三山岛金矿深部倾斜矿体较为破碎的特殊地质条件，提出了包含阶段空场嗣后充填及二次高压灌浆预应力锚固支护的综合开采技术，分析了上盘预加固处理的基本原理，并进行了破碎矿体开采的应力、位移及塑性区数值模拟，分析了阶段空场嗣后充填采矿法的合理性以及上盘预加固处理的可行性。最终研究表明：采用上盘预加固处理的阶段空场嗣后充填采矿法能够有效地控制深部采场边帮围岩变形，并控制采场的损失率为9.7%贫化率为7.8%，保障了三山岛金矿深部破碎矿体安全高效开采，可为类似矿山高效开采提供理论依据。

地下开采是金属矿山开采的主要方式，在长期开采过程中，所形成的采空区以及不稳定区域需要进行充填注浆处理。针对三山岛金矿新立矿区在治理后的稳定性评价问题，首先通过数值模拟对该矿区开采及治理后全过程稳定性进行分析，其次采用层次分析法对影响岩体稳定性的各种因素进行权重计算，将影响较大的因素作为D-S证据理论的评判指标，进行治理后的岩体稳定性评价。治理后整体的变形量增长缓慢，塑性区变形处于稳定状态，充填治理效果良好，达到预期效果；治理情况、治理后围岩力学状态对岩体稳定性影响最大，治理前稳定性次之，地质因素影响最小。因子层中，采空区治理率影响最大。通过D-S证据理论证明所有水平在治理后处于稳定状态。

本项研究主要成果包括：

I 采用阶段空场嗣后充填及二次高压灌浆预应力锚固支护的综合开采技术，有助于实现深部破碎矿体的安全高效开采。

针对三山岛金矿深部-960 m中段的倾斜破碎矿体，平均倾角45°，受断层影响，矿体破碎，提出了一种综合开采技术，即“阶段空场嗣后充填法+二次高压灌浆预应力锚固支护”。

-960 m中段三维模型

该技术的核心在于：

1.阶段空场嗣后充填法的优化应用

相较于传统的上向水平分层充填法，该方法采用45 m大阶段高度，减少了采准工程量，采切比48.7 m³/kt，提高了回采效率。通过FLAC^3D数值模拟验证，该方法在回采过程中虽会引发围岩塑性区扩展，以剪切破坏为主，但充填后能有效控制应力重分布，最大主应力73.2 MPa，仍低于矿体极限抗压强度78.15 MPa。经济指标显示，该方法的矿石损失率（9.7%）和贫化率（7.8%）均优于传统方法，符合高效开采要求。

阶段空场嗣后充填采矿法工程布置

各开采步骤应力分析

研究反映出，回采过程中塑性区以剪切破坏为主，但未贯通采场，说明充填和支护维持了整体稳定性。

2.二次高压灌浆预应力锚固支护的关键作用

针对断层导致的上盘围岩破碎问题，为保证采场安全回采，防止上盘岩体塌落，设计先垂直于矿体开挖凿岩巷道，凿岩巷道穿过矿体，超过矿体上盘5 m左右，通过-915 m凿岩巷道布置斜向下45°、孔径50 mm、孔深20~33 m的扇形孔，孔底距3 m；通过-960 m凿岩巷道布置斜向上45°、孔径50 mm、孔深20~33 m的扇形孔，孔底距3 m。在孔内布置32 mm螺纹钢，再进行孔内注浆，水泥浆所用水泥选择42.5#普通硅酸盐水泥，孔内注浆采用二次高压灌浆预应力锚固技术，最终使得上盘距离矿体5 m位置形成一层支护隔墙，该隔墙对下部矿体具有一定的保护作用。

高压灌浆预应力锚固实施流程

二次高压灌浆预应力锚固技术有助于提高锚固段岩体的力学性能，有效控制围岩变形。首次注浆填充裂隙，二次注浆施加预应力，使浆液渗透至岩体深部，形成复合加固体。通过二次高压灌浆，可提高锚固段岩体的黏聚力、内摩擦角，并增强锚固段岩体所受剪切面上的法向应力以及增大岩体外表面的剪切滑动面积。

上盘预加固处理

监测数据显示，采场边帮变形量控制在1.13 cm以内，顶板最大变形量14.9 cm，仍处于安全范围，验证了支护的有效性。

（a）矿房1

（b）矿房2

（c）矿柱

监测点位移变化

II 层次分析法与D-S证据理论相结合的海下矿山稳定性评价体系构建与验证

针对三山岛金矿新立矿区海底开采的特殊性：断层控制、节理发育、海水渗透压力等复杂地质条件影响，提出了一种基于多源信息融合的稳定性评价方法，核心是将层次分析法（AHP）与D-S证据理论相结合，形成分层次、定量化的评价体系，解决了传统方法难以量化多源异构数据（如地质参数、治理效果、监测数据）的问题。

1.层次分析法（AHP）权重计算

新立矿区地质环境复杂，治理工程量大，影响矿区岩体稳定性的因素很多，为稳定性评价带来很多困难，并且诸如地质条件、开采强度、治理情况等因素对矿区治理后稳定性的影响程度不同。选择指标时，应遵循“以少量指标尽可能地反映出最重要、最全面信息”的原则。综合矿区现状形成原因及过程，建立了矿区岩体稳定性影响因素指标体系。从地质因素（）、治理前稳定性（）、治理情况（）、治理后围岩力学状态（）4个维度，细分出13个因子。

新立矿区稳定性影响因素集

通过层次分析法对新立矿区的各个因素及因子进行评价，由判断矩阵进行各个因素及因子的权重以及全局权重计算，量化了关键因子的影响程度。治理情况（）和治理后力学状态（）的权重占比最高，均为0.363 6，而地质因素（）影响最小为0.090 9。在因子层中，采空区治理率对稳定性影响最大，其次是治理后顶板沉降和顶板塑性区。

各指标层权重

一致性检验结果反映出，所有判断矩阵的CR值均<0.1，满足一致性要求，确保权重分配的合理性。

致性检验随机性指标

2.D-S证据理论的多源信息融合

利用计算机技术对收集的不同来源、不同类型的矿山信息以一定准则进行自动分析和综合处理，最终完成采空区稳定状态评价，该过程称为多源信息融合。将新立矿区岩体稳定性状态分为4类：稳定、较稳定、存在隐患、危险性较高。通过mass函数量化各因子的可信度。信任区间为[0.98,1.00]，表示在多种影响因素共同作用下，融合信息增加，信任函数也不断增大，其不确定性逐步降低，则识别结果更为准确可靠。

新立矿区稳定性分析结果

由上述分析可知，-165 m水平在充填治理之后，其稳定的可信度大小为0.84，表明-165 m水平处于稳定状态。-200、-240、-320、-400 m水平稳定的可信度大小分别为0.90、0.89、0.95和0.97，即新立矿区各分段岩体状态为“稳定”的可信度均大于80%，说明各分段岩体均较为稳定，其中，-165 m水平稳定性相对较差，其次为-240 m水平，而-400 m水平稳定性最好。随着分段深度增加，岩体稳定性基本呈上升趋势，这是由于三山岛金矿为海下开采矿山，且岩体被上盘断层、下盘破碎带所控制，上部水平更加靠近海水，突水风险更大，岩体稳定性也相对较差

通过“数值模拟→层次分析→证据融合”的三步法，系统评价了海底矿山治理效果。

本研究相关成果获得中国黄金协会科学技术奖一等奖，项目名称：大型海底破碎金矿床充填法开采整体稳定性研究与灾变防控关键技术。

学者风采

李 杨

北京科技大学副教授

博士、硕士研究生导师

澳大利亚塔斯马尼亚大学访问学者。主要从事矿山岩体稳定性分析及矿山灾害监测预警等方面的教学与科研工作。近5年，主持国家重点研发计划、中国博士后科学基金及校企合作等科研项目10余项；在国内外期刊上发表论文20余篇，1篇论文入选领跑者F5000；获中国黄金协会科学技术奖一等奖3项、二等奖1项、三等奖1项，冶金矿山科学技术一等奖1项，中国有色金属工业科学技术奖二等奖1项，中国职业安全健康协会科技进步奖一等奖1项；出版专著/教材3部；授权专利10余项。兼任《金属矿山》《Geohazard Mechanics》《Processes》等刊青年编委/特刊编委。

成果精读

[1] 李杨，夏文浩，宋卫东，等.基于多源信息融合的海底矿山开采及治理稳定性评价[J].金属矿山，2024（3）：29-36.

[2] 李杨，宋卫东，杜云龙，等.深部倾斜破碎金矿体高效开采技术研究[J].金属矿山，2023（3）：29-35.F5000论文）

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

编排：余思晨

审核：王小兵

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