《Resources Policy》：Timber-Support Risk Mitigation Framework (TRF) in underground mining: A mechanistic, cost-benefit and risk assessment approach for artisanal and small-scale mining of critical minerals
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为解决手工与小规模采矿（ASM）中地下巷道坍塌这一重大安全挑战，研究人员提出木材支护风险缓减框架（TRF），通过力学测试与概率分析评估8种木材支护配置的性能。结果表明：交错式支护模式（SSP）配合小型软木可实现最高岩体稳定性（单轴抗压强度UCS提升82%），且成本最低（每1.2米进度100-150美元），为ASM提供了一种低成本、易操作的决策工具，对保障关键矿物可持续供应具有重要意义。
在全球向绿色能源转型的浪潮中，关键矿物（如钴、锂、铜）的需求激增，而手工与小规模采矿（Artisanal and Small-Scale Mining, ASM）已成为这些矿物供应链中不可或缺的一环。然而，ASM长期面临地下巷道坍塌的严峻安全挑战，不仅威胁矿工生命，更可能中断关键矿物的供应。由于ASM通常缺乏资金、技术支持和专业培训，其井下支护措施往往不足或无效，导致事故频发。如何在不显著增加成本的前提下，有效提升ASM井下作业的安全性，已成为行业可持续发展的核心议题。
在此背景下，Carol Mgiba与Oladoyin Kolawole在《Resources Policy》上发表研究，提出了一种创新性的木材支护风险缓减框架（Timber-Support Risk Mitigation Framework, TRF）。该框架融合岩石力学原理、概率风险评估与成本效益分析，旨在为资源有限的ASM作业提供简单、经济且高效的支护决策支持。
研究采用实验力学测试与概率分析相结合的方法，系统评估了两种支护模式（均匀支护模式USP与交错支护模式SSP）、两种木材类型（软木如雪松木和硬木如桃花心木）以及两种尺寸（大尺寸与小尺寸）共八种支护配置的力学性能与经济效益。通过单轴压缩试验获取岩体试样的单轴抗压强度（Uniaxial Compressive Strength, UCS）与杨氏模量（Young’s Modulus, E），并引入标准差（Standard Deviation, SD）与方差（Variance, σ2）量化强度提升的不确定性，进而计算破坏概率（Pfailure）。成本分析则综合材料费、人工费与安装时间，以每1.2米进度为单位比较各方案总成本。
3.1 木材强度
单独压缩试验显示，硬木（桃花心木）强度（51.9 MPa）高于软木（雪松木，26.7 MPa），但嵌入岩体后的支护效果并非仅取决于木材自身强度。
3.2 支护系统强度增强对比
交错支护模式（SSP）配合小型软木表现最优，岩体UCS提升82%（达35.8 MPa），杨氏模量提高至6.7 GPa，且破坏概率最低（Pfailure=0.2）。相反，大型软木在SSP下效果最差（UCS仅提升34%），且成本最高（700-750美元）。研究还发现，软木支护的岩体表现出更优的弹性行为，而硬木易导致岩体脆性断裂。
4.1 风险识别
ASM井下风险主要源于岩体失稳，诱因包括高地应力、复杂地质条件及水压作用，可能造成人员伤亡、设备损失与矿产资源浪费。
4.2 风险分析
通过TRF框架对八种支护方案进行风险评估，定义UCS提升幅度与稳定性等级的对应关系（如提升81%-100%为“极好稳定性”），并据此计算破坏概率。不确定性分析表明，UCS数据的标准差与方差越小，支护系统的可靠性越高。
4.3 风险评价：成本效益分析
综合考虑材料费、人工费与失效等级系数，小型软木在SSP模式下的总成本最低（100-150美元），且岩体稳定性最佳。相比之下，硬木支护成本更高且失效概率普遍偏高。研究强调，支护投入远低于坍塌可能导致的生命、设备及资源损失。
4.4 TRF实践实施路径
建议通过ASM本地合作社主导培训、微额资助、标准化许可与木材规格制定等途径推广TRF，将支护实践制度化。监测评估机制可记录支护密度、安装时间与变形观测等指标，持续优化支护策略。
本研究提出的TRF框架首次将岩石力学原理与成本效益分析结合，专为ASM场景设计。其核心结论表明：交错支护模式（SSP）配合小型软木是最优解，在显著提升岩体稳定性（UCS增强82%）的同时，将成本控制在最低范围（100-150美元）。该框架为ASM操作者提供了直观、低成本的决策工具，无需依赖复杂地质数据或高级专业培训。通过标准化实施路径，TRF有望显著降低ASM井下事故率，保障关键矿物供应的稳定性，推动全球绿色能源转型中的安全与可持续发展。研究还强调，支护系统性能的一致性（低标准差与方差）对可靠预测巷道稳定性至关重要，未来应优先推广变异系数小的支护方案。
