自然基金重點-7.22

大型露天煤礦

高陡時效邊坡穩(wěn)定性理論研究

承擔單位：中國礦業(yè)大學長沙理工大學中國礦業(yè)大學(北京)匯報人：才慶祥國家自然科學基金重點項目答辯材料二○一○年七月立項依據(jù)研究內(nèi)容與創(chuàng)新點技術(shù)路線研究工作基礎(chǔ)與可行性分析研究工作計劃經(jīng)費申請大型露天煤礦高陡時效邊坡穩(wěn)定性理論研究匯報提綱

國家《“十一五”煤炭行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出“新建礦山，在采礦技術(shù)和經(jīng)濟條件允許的情況下，優(yōu)先采用露天開采?！?/p>

近年來，我國露天煤礦生產(chǎn)與建設快速發(fā)展。露天煤炭產(chǎn)量近六年增加2億t，近兩年就增加1億t，占煤炭總產(chǎn)量比例由不足5%增加到9%。1、立項依據(jù)1.1立項背景

煤礦露天開采具有產(chǎn)量大、安全程度高、資源回收率高等特點。

印度90%德國76%澳大利亞71%美國67%俄羅斯58%南非53%波蘭32%中國9%海州露天煤礦撫順西露天煤礦

邊坡設計分析是永久、靜態(tài)、均一的。上世紀五六十年代露天煤礦多為深凹陡幫開采，臨近閉坑時才實現(xiàn)內(nèi)排。

義馬北露天煤礦平莊西露天煤礦采深達300m至600m，年產(chǎn)量千萬t以上；水平推進強度300m至500m，年采剝總量達數(shù)千萬m3甚至上億m3；內(nèi)排土場邊坡高達250m至350m，外排土場高達100m至150m。形成了大型露天煤礦采場工作幫、非工作幫、端幫、排土場高陡邊坡

目前，我國大型露天煤礦多數(shù)屬于近水平埋藏、分區(qū)開采、汽車端幫環(huán)線運輸壓幫內(nèi)排開采方式。安家?guī)X露天煤礦(2200萬t)準格爾露天煤礦(2600萬t)采場、排土場工作面同時推進的動態(tài)模型

露天煤礦采場模型露天煤礦端幫橫剖面圖

以往露天煤礦邊坡采用靜態(tài)、均一、永久性設計，端幫邊坡角緩；端幫設置運輸通道，邊坡進一步變緩，造成端幫壓煤，并且多占用土地。利用傳統(tǒng)靜態(tài)邊坡分析設計方法端幫下煤炭資源回收難。我國內(nèi)蒙古中東部露天煤礦邊坡巖體性質(zhì)較弱，普遍存在易滑區(qū)。勝利一號露天煤礦

露天煤礦邊坡從開挖暴露到被掩埋是一個動態(tài)過程。內(nèi)排土場的推進是對端幫邊坡的永久性加固，可以通過調(diào)整采礦參數(shù)，控制邊坡暴露面積和暴露時間，端幫邊坡具有時效性。

目前，缺乏對露天煤礦高陡邊坡時效性參數(shù)：暴露面積和暴露時間對邊坡穩(wěn)定性影響的理論依據(jù)，缺乏相應的理論基礎(chǔ)。科學意義與背景充分利用煤炭資源煤炭是不可再生的一次性能源，資源有限，必須充分利用學科研究深化與拓展露天開采對土地的占用量很大，減少土地的占用和破壞有利于保護生態(tài)環(huán)境環(huán)境保護的需要邊坡失穩(wěn)是大型露天煤礦的主要安全問題安全生產(chǎn)的需要國家與煤炭行業(yè)的迫切需要露天開采理論與發(fā)展的需要1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從上世紀70年代末到現(xiàn)在，國家相繼組織國家重點科技攻關(guān)研究專題，在解決實際邊坡工程難題的同時，也提高了我國的邊坡工程的研究水平，促進了科技發(fā)展與進步。

露天礦邊坡巖體類型、變破壞機理試驗、優(yōu)化設計方法研究高陡邊坡工程及計算機管理技術(shù)、綜合集成智能研究高陡邊坡綜合治理措施研究采場深部加陡及露天轉(zhuǎn)地下的邊坡穩(wěn)定性研究近年來，各種露天礦邊坡穩(wěn)定性的分析方法得到了較大發(fā)展，初步形成了邊坡工程獨立的學科體系，在以下方面取得了令人矚目的成果：邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征變形破壞機制穩(wěn)定性分析理論巖體開挖數(shù)值模擬巖體開挖工程穩(wěn)定性控制申請人提出了露天煤礦時效邊坡概念，研究了開采程序、參數(shù)對邊坡空間形態(tài)影響，從力學機制上分析邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機制，開展高陡邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析。

2、研究內(nèi)容和創(chuàng)新（1）露天煤礦采剝生產(chǎn)與高陡時效邊坡的動態(tài)耦合機理研究2.1研究內(nèi)容針對露天煤礦采剝生產(chǎn)作業(yè)與高陡邊坡的時間、空間變化關(guān)系，建立時效邊坡的概念，進行動態(tài)耦合機理研究。地殼實體上構(gòu)造空間露天開采剝離堆棄空間上構(gòu)造實體高陡邊坡形成過程與幾何形態(tài)

(2)采場邊坡巖土和排土場土石混合體物理力學時效特性的研究排棄程序排棄參數(shù)空間位置排棄物物理力學時效特性排棄物邊加卸載特性影響因素動態(tài)分析

采場邊坡和排土場邊坡巖體物理力學性質(zhì)直接決定著排土場容量及排棄計劃。(3)三維高陡時效邊坡潛在滑移面研究露天煤礦開采中高陡時效邊坡的變形、破壞和失穩(wěn)演化揭示采場工作幫、非工作幫、端幫、排土場高陡邊坡失穩(wěn)機理與滑動模式三維潛在滑動面是實現(xiàn)三維穩(wěn)定性計算前提，非對稱暴露面加大了三維潛在滑動面確定的難度。(4)露天煤礦高陡時效邊坡設計理論體系研究鑒于露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析與設計中存在的問題，建立露天煤礦高陡時效邊坡設計理念。目標邊坡安全回收資源少占土地服務時間開采參數(shù)暴露面積線形參數(shù)巖體參數(shù)高陡時效邊坡性設計理論設計方法2.2研究目標提出大型露天煤礦高陡時效邊坡穩(wěn)定性分析方法，實現(xiàn)邊坡的動態(tài)分析、評價與滑坡預報。創(chuàng)建大型露天煤礦高陡時效邊坡的穩(wěn)定性理論，建立高陡時效邊坡設計新方法。2.3擬解決的關(guān)鍵問題建立高陡邊坡時效性分析的地質(zhì)、采礦和力學模型；揭示排土松散物料重構(gòu)邊坡與開采排土堆載的耦合機理；揭示時效高陡邊坡變形、破壞與失穩(wěn)演化過程和滑坡機理。2.4特色與創(chuàng)新實現(xiàn)邊坡動態(tài)的研究。思想創(chuàng)新形成大型露天煤礦高陡時效邊坡設計、研究、監(jiān)測相關(guān)的一整套技術(shù)。松散不規(guī)則物料高陡時效邊坡重構(gòu)一體化理論；采礦參數(shù)、邊坡參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)學模型；露天開采與邊坡治理一體化理論。理論創(chuàng)新技術(shù)創(chuàng)新2.5預期成果

①揭示高陡邊坡之間的宏觀耦合機理；②建立露天煤礦時效邊坡理論與松散不規(guī)則物料高陡邊坡

重構(gòu)與露天開采一體化理論；③建立露天煤礦高陡時效邊坡設計理論體系；④公開發(fā)表高水平學術(shù)論文50篇（30篇SCI或EI收錄）；出版學術(shù)專著2～3部；申請國家專利4～5項；⑤培養(yǎng)博士生15～20名；⑥獲得省部級以上科技獎勵1～2項。采場、排土場、端幫和內(nèi)外排土場構(gòu)造時效高陡邊坡形成、幾何參數(shù)、服務狀態(tài)大型露天煤礦高陡時效邊坡穩(wěn)定性理論邊坡服務時間、線形參數(shù)、爆破震動、地表與地下水的滲流場、巖層物理力學參數(shù)、開采參數(shù)間的耦合作用

高陡時效邊坡穩(wěn)定關(guān)鍵因素大型露天煤礦采剝排工藝時效邊坡動態(tài)形成過程建模3、技術(shù)路線大型露天煤礦高陡時效邊坡穩(wěn)定性理論采場工作幫、非工作幫、端幫高陡時效邊坡變形、破壞與失穩(wěn)的主誘導因素露天采礦學原理可靠性理論防災減災學理論礦山巖體力學物理模型試驗數(shù)值模擬仿真3、技術(shù)路線大型露天煤礦高陡時效邊坡穩(wěn)定性理論松散不規(guī)則物料(土石混合體)物理力學時效特性采場工作幫、非工作幫、端幫高陡時效邊坡變形、破壞與失穩(wěn)的主誘導因素高陡時效邊坡形成過程變形、破壞與失穩(wěn)演化規(guī)律采礦形成的時效邊坡結(jié)構(gòu)可靠度分析高陡邊坡的動態(tài)分析、評價與滑坡預報3、技術(shù)路線大型露天煤礦高陡時效邊坡穩(wěn)定性理論大型露天煤礦高陡時效邊坡穩(wěn)定性分析理論和設計方法松散不規(guī)則物料(土石混合體)物理力學時效特性采場工作幫、非工作幫、端幫高陡時效邊坡變形、破壞與失穩(wěn)的主誘導因素3、技術(shù)路線項目組研究方向包括：露天開采工藝與設計理論、邊坡工程、礦業(yè)工程可靠性、煤炭礦區(qū)環(huán)境工程、工程力學、防災減災與防護工程、工程地質(zhì)等。

國家科技進步獎二等獎1項省部級一等獎3項二等獎8項出版學術(shù)著作15部被SCI、EI、ISTP收錄論文62篇成果獲獎4.1項目組取得的成果4、研究工作基礎(chǔ)和可行性分析露天礦高陡邊坡三維和二維模擬試驗臺(研制)多功能巖層控制試驗系統(tǒng)(研制)4.2工作條件國家重點實驗室2個

煤炭資源與安全開采深部巖土力學與地下工程教育部重點實驗室1個

道路與鐵道工程3S系統(tǒng)與InSAR技術(shù)

才慶祥：中國煤炭學會露天開采專業(yè)委員會常務副主任委員、煤炭行業(yè)專業(yè)技術(shù)人才知識更新工程(“653”工程)露天開采專業(yè)露天煤礦開采技術(shù)培訓方向首席專家、《金屬礦山》雜志專家委員會副主任、《露天采礦技術(shù)》雜志編委會委員。獲得省部級一等獎1項、二等獎3項、三等獎2項。出版著作6部，教材6部，發(fā)表論文70篇，SCI、EI、ISTP30篇。主持國家“十一五”科技支撐項目課題1項、國家自然科學基金2項、教育部博士點基金1項、橫向科研30余項。4.3申請人簡介項目組主要成員姓名年齡職稱專業(yè)備注芮勇勤48教授采礦省部級獎6、著作2、論文50、湖南省省級學科帶頭人、政府特貼舒繼森49教授采礦省部級獎4、著作1、論文30、EI4，煤炭基金1宋宏偉52教授巖土省部級獎2、著作4、論文70、EI20、ISTP2、SCI3許延春47研究員采礦國家級獎1、省部級獎9、論文20、EI4車兆學53教授采礦省部級獎3、著作2、論文30彭洪閣32講師采礦省部級獎1、論文8周偉28講師采礦省部級獎2、論文20、EI6趙洪寶33講師安全發(fā)明專利3、實用新型專利5、論文20、EI15、ISTP2周基28博士生交通論文10本課題組29人。其中：教授6人、博士7人、博士生導師3人。相關(guān)代表性科研項目項目名稱來源年限1特大型露天煤礦高效開采關(guān)鍵技術(shù)“十一五”支撐計劃2006~20082露天采礦與生態(tài)重建一體化理論與方法國家自然基金2004~20073災害環(huán)境下重大工程安全性的基礎(chǔ)研究“973”計劃2002~20094非連續(xù)巖體錨桿抗剪“導軌作用”力學機制的研究國家自然基金2009~20125基于角反射器、GPS和InSAR技術(shù)的高速公路路基路面變形監(jiān)測研究“863”計劃2008~20106布沼壩露天西幫及北幫邊坡穩(wěn)定性評價及綜合治理小龍?zhí)兜V務局1997~19997勝利露天煤礦滑坡防治技術(shù)研究神華北電勝利2007~20088非均勻微缺陷巖石損傷破裂演化過程與邊坡失穩(wěn)災變控制研究湖南省自然基金2002~20049湘西高速公路深切高陡邊坡巖體損傷破裂演化與失穩(wěn)災變過程數(shù)值模擬湖南省科委2003~200510高陡邊坡失穩(wěn)預測與監(jiān)控技術(shù)研究湖南省交通廳2002~200811東南幫邊坡治理及東幫邊坡穩(wěn)定性研究華能伊敏煤電公司2008~200912安家?guī)X露天煤礦采場端幫動態(tài)參數(shù)綜合優(yōu)化研究中煤平朔公司2004~2005

第1年：研究大型露天煤礦采場邊坡、排土場邊坡參數(shù)與開采

參數(shù)、開采程序間的耦合機理。第2年：構(gòu)建露天煤礦高陡時效邊坡地質(zhì)、采礦和力學模型，建立松散不規(guī)則物料邊坡重構(gòu)理論。第3年：露天煤礦時效邊坡穩(wěn)定性分析方法，模型實驗研究。第4年：露天煤礦高陡時效邊坡設計理論體系；工程實踐；

提煉工作，撰寫研究報告。5、研究工作計劃

研究經(jīng)費:155萬元國際合作與交流:15萬元勞務費:20萬元管理費:10萬元6、經(jīng)費申請科目申請經(jīng)費備注（計算依據(jù)與說明）一．研究經(jīng)費155.001．科研業(yè)務費126.00(1)測試/計算/分析費62.00測試分析、模擬實驗、數(shù)值計算與分析費用等(2)能源/動力費9.00實驗用水、用電等(3)會議費/差旅費30.00①中期檢查、驗收、參加國內(nèi)學術(shù)會議等8.4萬②72人次差旅費21.6萬元(4)出版物/文獻/信息傳播費20.00論著出版費用、專利申請費用等(5)其它5.00文獻資料,查新,檢索;采樣及材料費2．實驗材料費12.00(1)原材料/試劑/藥品購置費12.00設備制備：400樣×300元(其它)3．儀器設備費3.00(1)購置(2)試制3.00模擬軟件