項(xiàng)目背景與核心問題

我國鐵礦80%依靠進(jìn)口，成為繼石油、芯片以后的三大卡脖子大宗進(jìn)口工業(yè)品之一。黨的二十大以來總書記作出提升戰(zhàn)略性資源供應(yīng)保障能力重要批示，規(guī)劃持續(xù)提升鐵金屬國內(nèi)自給率，補(bǔ)齊鋼鐵產(chǎn)業(yè)資源短板。露天鐵礦占鐵礦石產(chǎn)能0%，然而現(xiàn)有大型露天礦邊坡穩(wěn)定性問題十分嚴(yán)峻，滑坡地質(zhì)災(zāi)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(guān)嚴(yán)重制約著露天礦安全生產(chǎn)。

上世紀(jì)60年代司家營地區(qū)發(fā)現(xiàn)了亞洲大單體鐵礦（儲(chǔ)量億噸，目前年產(chǎn)礦石2400萬噸，占河鋼總產(chǎn)能70%），由于其復(fù)雜的工程地質(zhì)條件（臨河、層狀易風(fēng)化巖體浸水弱化超50%、礦體分支復(fù)合）一度無法安全開采。2011年建礦開始，河鋼礦業(yè)聯(lián)合東北大學(xué)，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(chǎn)邊攻關(guān)，迄今開展了長達(dá)十余年的技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，研究揭示了深層技術(shù)瓶頸，發(fā)現(xiàn)邊坡精準(zhǔn)預(yù)警防控存在三大關(guān)鍵難題

難題一：復(fù)雜地質(zhì)條件參數(shù)“表征難”。水敏性巖石軟化特性測試誤差大、工程地質(zhì)分區(qū)非均質(zhì)參數(shù)賦值困難，導(dǎo)致復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)非均勻巖體質(zhì)量刻畫失真，與嚴(yán)謹(jǐn)力學(xué)計(jì)算模型脫節(jié)。

難題二：滑坡風(fēng)險(xiǎn)概率“算不準(zhǔn)”?；谏倭裤@孔數(shù)據(jù)靜態(tài)可靠性評價(jià)方法，計(jì)算誤差大，只能給出安全系數(shù)區(qū)間范圍，無法提供開采過程動(dòng)態(tài)修正的安全系數(shù)、滑坡概率及可信度指標(biāo)。

難題三：預(yù)警防控體系“靠不住”。基于位移、裂縫等表像類監(jiān)測數(shù)據(jù)閾值的方法，缺少力學(xué)預(yù)警指標(biāo)，導(dǎo)致預(yù)警可信度低、誤報(bào)率高，防護(hù)措施被動(dòng)滯后。

上述難題致使露天礦開采中隱患排查滯后、穩(wěn)定性評價(jià)失真、邊坡防護(hù)被動(dòng)、預(yù)警準(zhǔn)確率低，嚴(yán)重制約高效安全生產(chǎn)。

為此，針對上述難題，面向國內(nèi)大型戰(zhàn)略性金屬露天礦安全高效開采的重大需求，本項(xiàng)目研發(fā)了浸水邊坡巖體非均勻質(zhì)量表征技術(shù)，提出了基于參數(shù)空間變異性的邊坡穩(wěn)定可靠性動(dòng)態(tài)評價(jià)方法，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)理支撐，發(fā)明了大型露天礦邊坡全生命周期預(yù)警防控技術(shù)

技術(shù)突破與創(chuàng)新體系

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

針對浸水邊坡巖體力學(xué)參數(shù)空間變異性規(guī)律復(fù)雜、力學(xué)參數(shù)測試不準(zhǔn)的難題，研發(fā)了浸水巖石雙向約束單向加載實(shí)驗(yàn)裝備和巖體結(jié)構(gòu)智能識(shí)別技術(shù)，研發(fā)了多源勘察數(shù)據(jù)融合的浸水邊坡巖體質(zhì)量智能表征技術(shù)，提高了巖體力學(xué)參數(shù)表征的準(zhǔn)確性。

）為了真實(shí)還原水敏性巖質(zhì)層狀邊坡加卸載過程浸水膨脹軟化力學(xué)機(jī)理，自主研發(fā)了雙向約束單向加載的巖石浸水沖擊蠕變室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)裝置，揭示了浸水作用下強(qiáng)度參數(shù)特征衰減規(guī)律和巖層浸水脆延轉(zhuǎn)化力學(xué)機(jī)制，自研成套裝備首次實(shí)現(xiàn)了類水敏性巖石強(qiáng)度準(zhǔn)確測試；

）充分利用露天礦高密度生產(chǎn)探礦鉆孔巖芯大數(shù)據(jù)信息（巖芯照片、鉆孔波速、鉆孔采取率），提出了基于深度學(xué)習(xí)實(shí)例分割網(wǎng)絡(luò)的智能識(shí)別鉆孔巖芯圖像的方法，進(jìn)而從單排巖芯中識(shí)別出長度大于等于10cm的巖芯段，進(jìn)行RQD的計(jì)算；巖芯RQD靜態(tài)參數(shù)的識(shí)別效率（巖芯盒照片RQD智能識(shí)別6s以內(nèi)）比手工測量方法（巖芯盒RQD統(tǒng)計(jì)用時(shí)1min以上）提高10倍，準(zhǔn)確率達(dá)到99%

3）基于無人機(jī)貼坡攝影測量技術(shù)（無人機(jī)拍攝鏡頭垂直邊坡坡面自適應(yīng)姿態(tài)調(diào)節(jié)拍攝），建立露天礦邊坡表面巖體mm級(jí)分辨率的高精度三維實(shí)景模型，提出了基于深度學(xué)習(xí)U-net 網(wǎng)絡(luò)與GMM-EM 聚類方法相結(jié)合巖體露頭結(jié)構(gòu)面信息全自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。坡表巖體全采場萬余條節(jié)理人工識(shí)別效率耗時(shí)15-30天，全采場智能識(shí)別萬余條節(jié)理人工識(shí)別效率耗時(shí)30min+無人機(jī)航測耗時(shí)2~3天，相互傳統(tǒng)方法提高效率提高10倍以上，識(shí)別準(zhǔn)確率95%

）結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)巖石力學(xué)參數(shù)指標(biāo)、廣義Hoek-brown強(qiáng)度理論、巖體結(jié)構(gòu)GSI信息、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，建立了浸水層狀邊坡巖體質(zhì)量參數(shù)非均勻性表征方法，實(shí)現(xiàn)了小尺度巖石浸水弱化測試數(shù)據(jù)、工程尺度的邊坡坡表巖體結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)、坡體內(nèi)部巖芯質(zhì)量數(shù)據(jù)、日常邊坡炮孔解譯隨鉆數(shù)據(jù)的多源融合。將高變異性礦巖參數(shù)取值誤差由工勘鉆孔間距100m~200m提高至15m~50m以內(nèi)。

將該技術(shù)應(yīng)用于司家營、研山、石人溝、大紅山、富貴鳥等國內(nèi)大型露天礦山邊坡巖體質(zhì)量非均勻表征建模工作中。傳統(tǒng)工程地質(zhì)詳查規(guī)范要求的鉆孔最高精度間距30-50m，本項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了邊長15空間塊體變異性參數(shù)賦值，顯著提高了工程尺度巖體參數(shù)表征精度，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為基于空間非均勻巖體力學(xué)參數(shù)場的邊坡穩(wěn)定性精準(zhǔn)計(jì)算奠定了基，該關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)河北省金屬學(xué)會(huì)組織鑒定，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)二：

針對大型層狀浸水邊坡滑面位置定不準(zhǔn)、滑坡風(fēng)險(xiǎn)算不準(zhǔn)的難題，研發(fā)了各向異性震源機(jī)制反演方法提高了露天礦邊坡微震定位精度發(fā)明了微震數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)度折減計(jì)算方法，突破了靜態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng)度線性折減評價(jià)方法的瓶頸提出了大型露天礦基于參數(shù)空間變異性的邊坡穩(wěn)定可靠性動(dòng)態(tài)評價(jià)方法顯著提高了邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性及可靠性。

1）基于地震矩張量原理，構(gòu)建了各向異性震源機(jī)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(jī)制解譯精度差的技術(shù)難題，較傳統(tǒng)的各向的邊坡微震定位精度20m，提高至5m，精度提高75%

2）構(gòu)建滿足探、測數(shù)據(jù)約束條件的非均質(zhì)邊坡參數(shù)隨機(jī)場表征模型，提出基于變異性、置信度雙重屬性邊坡穩(wěn)定可靠性方法，突破了復(fù)雜地質(zhì)條件邊坡穩(wěn)定評價(jià)精度差的理論缺陷。研究發(fā)現(xiàn)：高變異性地質(zhì)條件邊坡巖體失穩(wěn)呈現(xiàn)多模式特征，在補(bǔ)勘數(shù)據(jù)與微震監(jiān)測信息的動(dòng)態(tài)約束下，其安全系數(shù)概率密度分布隨約束條件增強(qiáng)而表現(xiàn)出顯著收斂趨勢。

該方法實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)參數(shù)場失穩(wěn)模式的全面搜索與多模式破壞演化穩(wěn)定性計(jì)算，打破了均質(zhì)模型只能獲得單一模式的局限。其學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值在于能夠評估從局部至整體失穩(wěn)的多模式滑坡發(fā)生概率，為后續(xù)補(bǔ)勘與監(jiān)測布局優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)，并進(jìn)一步通過測試數(shù)據(jù)有效排查識(shí)別失穩(wěn)模式，從而提高預(yù)測精度。

將該技術(shù)應(yīng)用于司家營研山、石人溝、金寶等大型露天礦山邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析工作中，提高了大型礦山邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的準(zhǔn)確性，精準(zhǔn)定位了司家營研山東幫順層邊坡的13.9m深度的潛在滑動(dòng)面，較南非邊坡微震預(yù)測滑面厚度誤差20.1m，預(yù)測誤差縮小30.8%。應(yīng)用前11個(gè)礦山邊坡穩(wěn)定性可靠度平均不足10.4%、應(yīng)用后11個(gè)礦山邊坡穩(wěn)定性可靠度平均20.3%，邊坡穩(wěn)定性可靠度提高了倍。該技術(shù)經(jīng)中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì)組織鑒定，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)三：

針對大型露天礦隱患排查滯后、邊坡防護(hù)被動(dòng)、預(yù)警準(zhǔn)確率低等難題，研發(fā)了多源信息融合滑坡案例智能匹配的早中期預(yù)警技術(shù)，提出了邊坡爆破頻減震技術(shù)及坡表防滲疏堵協(xié)同的主動(dòng)防護(hù)技術(shù)，提出了具有失穩(wěn)概率及置信度雙重屬性的安全系數(shù)力學(xué)判據(jù)發(fā)明了微震與形變閾值協(xié)同的臨滑預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了露天礦邊坡全周期預(yù)警防控。

1）采用深度學(xué)習(xí)算法智能匹配滑坡案例，建立了基于多源數(shù)據(jù)融合的露天礦動(dòng)態(tài)開采過程滑坡風(fēng)險(xiǎn)量化模型，識(shí)別滑坡易發(fā)性因子的非線性關(guān)系（包含坡度、巖性、層理、危巖塊體、爆破、降雨關(guān)鍵要素），建立滑坡易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)了滑坡風(fēng)險(xiǎn)智能分區(qū)；早中期滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)識(shí)別精度可達(dá)80%

）在揭示浸水和爆破擾動(dòng)下層狀邊坡破壞機(jī)理（14m左右淺表層多層滑移）及風(fēng)險(xiǎn)隱患區(qū)排查早中期預(yù)警基礎(chǔ)上，提出了邊坡爆破頻減震技術(shù)及坡表防滲疏堵協(xié)同的主動(dòng)防護(hù)技術(shù)，通過減少采動(dòng)導(dǎo)致的巖體劣化，降低防治成本，實(shí)現(xiàn)源頭減災(zāi)，被動(dòng)防護(hù)治理成本446，實(shí)施本技術(shù)后防護(hù)治理成本210，單位面積成本降低50%

）發(fā)明了微震與形變閾值協(xié)同的臨滑預(yù)警技術(shù)，提出了具有失穩(wěn)概率及置信度雙重屬性的安全系數(shù)力學(xué)判據(jù)，有效降低了單純依據(jù)雷達(dá)形變閾值導(dǎo)致的預(yù)警誤報(bào)率

、項(xiàng)目實(shí)施效果

將該技術(shù)應(yīng)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(nèi)大型露天鐵礦邊坡的監(jiān)測預(yù)警及安全防控，確保礦山安全生產(chǎn)，累計(jì)成功預(yù)警30余次，應(yīng)用前11個(gè)礦山年累計(jì)誤報(bào)248，應(yīng)用后11個(gè)礦山年累計(jì)誤報(bào)115次，誤報(bào)數(shù)量降低53.6%。該關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì)和河北省金屬學(xué)會(huì)組織鑒定，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

以司家營、研山鐵礦為例，技術(shù)全面實(shí)施后，近年減少誤35次，報(bào)成功預(yù)警次局部臺(tái)階滑塌，采用主動(dòng)防護(hù)加固治理措施后，有效保障了礦山安全生產(chǎn)。

本項(xiàng)目成果授權(quán)發(fā)明專利28件、實(shí)用新型件；軟件著作權(quán)34件；規(guī)范部；專著部；論文98他引次數(shù)2000次。項(xiàng)目成果以河鋼礦業(yè)個(gè)下屬礦山為示范，在30座大型露天礦山推廣應(yīng)用；其中，11個(gè)主要應(yīng)用單位近三年新增產(chǎn)值22億元，新增利潤13億元。

我國現(xiàn)有萬余座露天礦山，生產(chǎn)過程中的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)和預(yù)警技術(shù)急需提升準(zhǔn)確性，本成果提高了復(fù)雜地質(zhì)條件露天礦山邊坡穩(wěn)定性評價(jià)預(yù)警的準(zhǔn)確度，提升了評價(jià)方法和預(yù)警技術(shù)水平。為提升我國鐵礦自給率、保障國家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源安全提供技術(shù)支撐，在礦山、水利及自然邊坡災(zāi)害預(yù)警防控領(lǐng)域具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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