項目背景與核心問題

我國鐵礦80%依靠進口，成為繼石油、芯片以后的三大卡脖子大宗進口工業品之一。黨的二十大以來總書記作出提升戰略性資源供應保障能力重要批示，規劃持續提升鐵金屬國內自給率，補齊鋼鐵產業資源短板。露天鐵礦占鐵礦石產能0%，然而現有大型露天礦邊坡穩定性問題十分嚴峻，滑坡地質災害占大型露天礦安全事故的80%以上，其中90%滑坡與水密切相關嚴重制約著露天礦安全生產。

上世紀60年代司家營地區發現了亞洲大單體鐵礦（儲量億噸，目前年產礦石2400萬噸，占河鋼總產能70%），由于其復雜的工程地質條件（臨河、層狀易風化巖體浸水弱化超50%、礦體分支復合）一度無法安全開采。2011年建礦開始，河鋼礦業聯合東北大學，在司家營、研山等一批具有代表性特大型金屬露天礦，邊生產邊攻關，迄今開展了長達十余年的技術聯合攻關，研究揭示了深層技術瓶頸，發現邊坡精準預警防控存在三大關鍵難題

難題一：復雜地質條件參數“表征難”。水敏性巖石軟化特性測試誤差大、工程地質分區非均質參數賦值困難，導致復雜地質系統非均勻巖體質量刻畫失真，與嚴謹力學計算模型脫節。

難題二：滑坡風險概率“算不準”。基于少量鉆孔數據靜態可靠性評價方法，計算誤差大，只能給出安全系數區間范圍，無法提供開采過程動態修正的安全系數、滑坡概率及可信度指標。

難題三：預警防控體系“靠不住”。基于位移、裂縫等表像類監測數據閾值的方法，缺少力學預警指標，導致預警可信度低、誤報率高，防護措施被動滯后。

上述難題致使露天礦開采中隱患排查滯后、穩定性評價失真、邊坡防護被動、預警準確率低，嚴重制約高效安全生產。

為此，針對上述難題，面向國內大型戰略性金屬露天礦安全高效開采的重大需求，本項目研發了浸水邊坡巖體非均勻質量表征技術，提出了基于參數空間變異性的邊坡穩定可靠性動態評價方法，基于數據驅動和機理支撐，發明了大型露天礦邊坡全生命周期預警防控技術

技術突破與創新體系

技術創新點

針對浸水邊坡巖體力學參數空間變異性規律復雜、力學參數測試不準的難題，研發了浸水巖石雙向約束單向加載實驗裝備和巖體結構智能識別技術，研發了多源勘察數據融合的浸水邊坡巖體質量智能表征技術，提高了巖體力學參數表征的準確性。

）為了真實還原水敏性巖質層狀邊坡加卸載過程浸水膨脹軟化力學機理，自主研發了雙向約束單向加載的巖石浸水沖擊蠕變室內剪切實驗裝置，揭示了浸水作用下強度參數特征衰減規律和巖層浸水脆延轉化力學機制，自研成套裝備首次實現了類水敏性巖石強度準確測試；

）充分利用露天礦高密度生產探礦鉆孔巖芯大數據信息（巖芯照片、鉆孔波速、鉆孔采取率），提出了基于深度學習實例分割網絡的智能識別鉆孔巖芯圖像的方法，進而從單排巖芯中識別出長度大于等于10cm的巖芯段，進行RQD的計算；巖芯RQD靜態參數的識別效率（巖芯盒照片RQD智能識別6s以內）比手工測量方法（巖芯盒RQD統計用時1min以上）提高10倍，準確率達到99%

3）基于無人機貼坡攝影測量技術（無人機拍攝鏡頭垂直邊坡坡面自適應姿態調節拍攝），建立露天礦邊坡表面巖體mm級分辨率的高精度三維實景模型，提出了基于深度學習U-net 網絡與GMM-EM 聚類方法相結合巖體露頭結構面信息全自動識別技術。坡表巖體全采場萬余條節理人工識別效率耗時15-30天，全采場智能識別萬余條節理人工識別效率耗時30min+無人機航測耗時2~3天，相互傳統方法提高效率提高10倍以上，識別準確率95%

）結合室內實驗巖石力學參數指標、廣義Hoek-brown強度理論、巖體結構GSI信息、地質統計學方法，建立了浸水層狀邊坡巖體質量參數非均勻性表征方法，實現了小尺度巖石浸水弱化測試數據、工程尺度的邊坡坡表巖體結構測試數據、坡體內部巖芯質量數據、日常邊坡炮孔解譯隨鉆數據的多源融合。將高變異性礦巖參數取值誤差由工勘鉆孔間距100m~200m提高至15m~50m以內。

將該技術應用于司家營、研山、石人溝、大紅山、富貴鳥等國內大型露天礦山邊坡巖體質量非均勻表征建模工作中。傳統工程地質詳查規范要求的鉆孔最高精度間距30-50m，本項成果實現了邊長15空間塊體變異性參數賦值，顯著提高了工程尺度巖體參數表征精度，達到國際領先水平，為基于空間非均勻巖體力學參數場的邊坡穩定性精準計算奠定了基，該關鍵技術經河北省金屬學會組織鑒定，達到國際領先水平。

技術創新點二：

針對大型層狀浸水邊坡滑面位置定不準、滑坡風險算不準的難題，研發了各向異性震源機制反演方法提高了露天礦邊坡微震定位精度發明了微震數據驅動的強度折減計算方法，突破了靜態穩定性強度線性折減評價方法的瓶頸提出了大型露天礦基于參數空間變異性的邊坡穩定可靠性動態評價方法顯著提高了邊坡穩定性分析的準確性及可靠性。

1）基于地震矩張量原理，構建了各向異性震源機制反演方法，提高了露天礦邊坡微震定位精度，攻克了非均勻巖體震源機制解譯精度差的技術難題，較傳統的各向的邊坡微震定位精度20m，提高至5m，精度提高75%

2）構建滿足探、測數據約束條件的非均質邊坡參數隨機場表征模型，提出基于變異性、置信度雙重屬性邊坡穩定可靠性方法，突破了復雜地質條件邊坡穩定評價精度差的理論缺陷。研究發現：高變異性地質條件邊坡巖體失穩呈現多模式特征，在補勘數據與微震監測信息的動態約束下，其安全系數概率密度分布隨約束條件增強而表現出顯著收斂趨勢。

該方法實現了非均質參數場失穩模式的全面搜索與多模式破壞演化穩定性計算，打破了均質模型只能獲得單一模式的局限。其學術與應用價值在于能夠評估從局部至整體失穩的多模式滑坡發生概率，為后續補勘與監測布局優化提供科學指導，并進一步通過測試數據有效排查識別失穩模式，從而提高預測精度。

將該技術應用于司家營研山、石人溝、金寶等大型露天礦山邊坡穩定性動態分析工作中，提高了大型礦山邊坡穩定性評價的準確性，精準定位了司家營研山東幫順層邊坡的13.9m深度的潛在滑動面，較南非邊坡微震預測滑面厚度誤差20.1m，預測誤差縮小30.8%。應用前11個礦山邊坡穩定性可靠度平均不足10.4%、應用后11個礦山邊坡穩定性可靠度平均20.3%，邊坡穩定性可靠度提高了倍。該技術經中國冶金礦山企業協會組織鑒定，達到國際領先水平。

技術創新點三：

針對大型露天礦隱患排查滯后、邊坡防護被動、預警準確率低等難題，研發了多源信息融合滑坡案例智能匹配的早中期預警技術，提出了邊坡爆破頻減震技術及坡表防滲疏堵協同的主動防護技術，提出了具有失穩概率及置信度雙重屬性的安全系數力學判據發明了微震與形變閾值協同的臨滑預警技術，實現了露天礦邊坡全周期預警防控。

1）采用深度學習算法智能匹配滑坡案例，建立了基于多源數據融合的露天礦動態開采過程滑坡風險量化模型，識別滑坡易發性因子的非線性關系（包含坡度、巖性、層理、危巖塊體、爆破、降雨關鍵要素），建立滑坡易發性評價指標體系，實現了滑坡風險智能分區；早中期滑坡風險區識別精度可達80%

）在揭示浸水和爆破擾動下層狀邊坡破壞機理（14m左右淺表層多層滑移）及風險隱患區排查早中期預警基礎上，提出了邊坡爆破頻減震技術及坡表防滲疏堵協同的主動防護技術，通過減少采動導致的巖體劣化，降低防治成本，實現源頭減災，被動防護治理成本446，實施本技術后防護治理成本210，單位面積成本降低50%

）發明了微震與形變閾值協同的臨滑預警技術，提出了具有失穩概率及置信度雙重屬性的安全系數力學判據，有效降低了單純依據雷達形變閾值導致的預警誤報率

、項目實施效果

將該技術應用于司家營研山鐵礦新建金寶鐵礦、水廠鐵礦、眼前山鐵礦國內大型露天鐵礦邊坡的監測預警及安全防控，確保礦山安全生產，累計成功預警30余次，應用前11個礦山年累計誤報248，應用后11個礦山年累計誤報115次，誤報數量降低53.6%。該關鍵技術經中國冶金礦山企業協會和河北省金屬學會組織鑒定，達到國際領先水平。

以司家營、研山鐵礦為例，技術全面實施后，近年減少誤35次，報成功預警次局部臺階滑塌，采用主動防護加固治理措施后，有效保障了礦山安全生產。

本項目成果授權發明專利28件、實用新型件；軟件著作權34件；規范部；專著部；論文98他引次數2000次。項目成果以河鋼礦業個下屬礦山為示范，在30座大型露天礦山推廣應用；其中，11個主要應用單位近三年新增產值22億元，新增利潤13億元。

我國現有萬余座露天礦山，生產過程中的邊坡穩定性評價和預警技術急需提升準確性，本成果提高了復雜地質條件露天礦山邊坡穩定性評價預警的準確度，提升了評價方法和預警技術水平。為提升我國鐵礦自給率、保障國家戰略性礦產資源安全提供技術支撐，在礦山、水利及自然邊坡災害預警防控領域具有廣闊的推廣應用前景。

聲明：本文系轉載自互聯網，請讀者僅作參考，并自行核實相關內容。若對該稿件內容有任何疑問或質疑，請立即與鐵甲網聯系，本網將迅速給您回應并做處理，再次感謝您的閱讀與關注。