随着市场对矿产资源的强劲需求,复杂环境条件下矿体的开采已经成为行业关注的热点。由于金属矿体赋存条件的复杂性、岩体变形的各向异性、开采方法的差异性,目前我国金属矿床的“三下”开采技术还不成熟,尚未形成一套成熟的技术和装备,对于特殊条件的“三下”开采还处于探索阶段。由于“三下”开采涉及的危险因素复杂,如何预先评估开采布设工程、外部扰动要素对周边重要构筑物的影响程度,采取相应的预防措施,成为“三下”开采成功的关键。论文以我国第二大硫铁矿山——安徽新桥硫铁矿矶山东部矿体开采的复杂环境为对象展开研究,结合25年从事金属矿山工作的现场实践和理论基础,以水域动荷载限定条件下的复杂矿体安全开采作为一个开放的动态、非线性系统为出发点,在理论分析、现场测试、室内试验、现场试验的基础上,通过帷幕注浆工程,借助数值计算模拟方法,针对复杂矿体开采的关键因素,对铁路线、河流和边坡的作用和影响进行重点研究。论文取得如下创新性成果：(1)自主开发了价格低廉、性能优异的改性粘土固化浆液,首次大规模在新桥矿区高含水区域的截流帷幕使用。固化浆液具有抗冲刷能力、材料费用低、结石率高(近似达100%)、堵水性能稳定等特点,与传统的水泥浆液相比,降低注浆材料费用81%;首创了高速高效粘土输料、自动粉碎、高速搅拌的粘土制浆工艺,制浆速度提高60%,工作效率提高80%,改善了浆液质量,彻底解决了设备经常损坏维修难题。(2)在现场详勘、试验的基础上,提出分区不等距大孔距布设注浆孔方式,利用改良性粘土固化浆液为主(90%)、粉煤灰固化浆液为辅(10%),形成封堵断层、溶洞的大规模、高强度注浆工艺。与传统的等距布孔相比,优化后的布设注浆孔的钻探工程量减少36.01%。帷幕注浆工程的堵水率达77.96%,减少了露天采坑的涌水量,塌陷区地表趋于稳定,公路、铁路及河流等敏感区域塌陷现象消除。(3)克服了3DEC等三维数值分析软件无法进行空间几何凹体运算的限制,根据边坡凹形台阶的坡顶和坡底坐标数据,利用三棱锥逼近法,通过编程自动形成了凹陷露天矿采坑的凹形几何边坡体,真实再现了露天矿边坡的几何形状,满足了节理划分、赋值和计算的需要,提高了分析结果的可靠度和精确度。(4)基于3DEC离散元软件平台,建立了水域动荷载限定条件下的矿体复杂区域的3DEC实体三维模型,论证了开采主体设计的总体布局、开拓工程、采场结构参数等的合理性、安全性,最大限度真实模拟了工程体对外部开挖单因素、多因素激励的响应,评估了敏感区域的应力、位移、速度等特征指数。(5)提出了有效帷幕注浆防止外围水流渗透,定量评估铁路沉降、可靠预控工程灾害发生的“三下”资源安全高效开采模式,减少开采的盲目性,确保地表构筑物(水体)的安全。