多重应力耦合作用下露天转地下边坡稳定性分析

项目名称

多重应力耦合作用下露天转地下边坡稳定性分析

所属学科

采矿工程

批准经费

4400

起止年月

2011年   7 月至    2011   年  12  月

申请人姓名

封跃

性别

男

民族

汉族

出生年月

1991年8月

身份证号

522501199107089438

电话

14789756602

学号

0201100228

指导教师

邓红卫

职务

职称

副教授

电话

项目参与人

性别

出生年月

班级

学院

学号

电话

张爱术

男

1991年8月

采矿1002

资源安全工程学院

0201100218

15073190481

王佳

男

1990年11月

采矿1002

资源安全工程学院

0201100210

13272072827

姚杰

男

1991年9月

采矿1002

资源安全工程学院

0201100230

15116164501

申请人曾参与和本项目相关科研的情况

暂无

指导教师承担本项目相关科研课题情况

新桥硫铁矿研究课题“区域多水源高硫缓倾斜矿床露天转地下产能转换及环境重建综合技术研究”

项

目

情

况

简

介

本项目源于新桥硫铁矿研究课题“区域多水源高硫缓倾斜矿床露天转地下产能转换及环境重建综合技术研究”，现在许多露天矿纷纷转入地下，露天转地下的实施中有很多的问题需要解决。其中露天地下联合开采高陡边坡的稳定性就是一个重要的研究难题。本项目采用数值模拟和相似模型实验对多重耦合状态下露天边坡变形破坏机理进行研究。模型试验和数值模拟的结合比较分析，相互验证，为露天转地下矿山露天边坡的支护和加固提供理论依据。

（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）

1 立项依据(研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录)

（1）研究意义

随着矿山露天开采深度的不断增加，露天方案越来越不适合矿山生产要求。近年来，湖北大冶铁矿、河北石人沟铁矿、河北杏山铁矿、河北司家营铁矿和安徽新桥硫铁矿等露天矿已经进行了或将要实施露天转地下工作；我国现在数量很多的矿山将要实施露天转地下工作。因此，露天转地下工作中如何保证边坡的稳定性，是我国采矿工业今后要解决的技术难题。

据调查，露天转地下开采的矿山为了实现稳产或产量波动不大，一般采用不停产过渡，即在过渡时期需要在垂直方向上露天与地下同时开采，同时为了处理好露天、地下开采相互影响的问题，露天采矿的采动和地下矿采动使露天坑边坡处于一个很不稳定的状态。

解决矿山岩石力学问题常用的数值模拟分析方法是建立在客观反映原型和模型开挖过程力学效应的基础上，越来越多的被用在采矿覆盖岩层移动的数值模拟和地表变形预测，很多学者对露天转地下开采的工程问题进行数值模拟。

数值模拟并不能完整准确地反映采动而引起的岩层移动，而物理相似模型实验凭借其能够准确再现采动过程中岩层运动、破坏方面的优势，可以有效弥补数值模拟的不足。

鉴于此，开展了露天转地下不停产过渡边坡稳定性的研究，使其既能取的较好的经济效益又能满足安全生产的需求。

（2）国内外现状分析和发展趋势

1） 模型试验研究

相似模型实验是20世纪30年代由苏联库兹涅佐夫提出的，已成为国内外矿业界的一种重要的研究手段。相似模型试验自1956年开始在我国应用，目前已发展了半个世纪，近年来，太原理工大学胡耀青等利用开发的大型三维流固耦合试验台对带压开采顶板破坏规律进行了三维相似模拟研究，严国超等利用模型试验来研究极近距离薄煤层群联合开采规错距理论。李仲奎等对水电站的地下厂房也进行了模型实验研究。山东大学岩石与结构工程研究中心朱维申等利用模型试验来分析大型地下洞群得稳定性。

中科院武汉岩土所刘建等利用地质力学模型试验来分析三峡大坝的整体稳定性，任伟中等利用模型试验来研究厚覆盖层条件下地表及围岩变形破坏特性等，陈浩等利用岩土工程大型真三轴物理试验机对地下结构的稳定性进行了大量的模型试验。中国矿业大学冯梅梅等利用模型试验来分析承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律，刘长武等利用三维物理模拟实验装置对巷道开掘工程引起的应力场演变规律进行研究。

清华大学水利系周维垣等，在张光斗先生指导下，近40多年来利用地质模型对国内高拱坝（包括李家峡拱坝、二滩拱坝、溪洛渡双曲拱坝、锦屏双曲拱坝等）进行了研究。

成都理工大学李天赋教授等利用自己开发的振动试验台对地下结构动态作用的稳定性进行了分析。中安宁大学曹平利用平面模型实验对节理岩体的力学性质进行了研究，预测了矿块崩落矿岩的规律与速度，韩斌利用相似模型实验对金川二矿区的1〞矿体六种可行的回采顺序进行了优化研究。Yong-Joo Lee利用2维的模型实验眼觉地下隧道开挖导致地表移动的规律。

2） 数值模拟研究

在采矿、水工和地下工程中，经常遇到的岩石力学问题就需要确定开挖前后的应力和位移及其在开挖过程中的变化，以便为设计和施工提供可靠的定量依据。已有的理论解只能解决圆形和椭圆形坑峒等具有简单形状的问题，对于集合形状复杂的坑峒只能用数值方法近似求解。随着电子计算机的出现和发展，数值方法有了长足的进步，已成为岩石力学研究和工程计算的重要手段。

目前在岩石力学中所用的数值方法和商业软件众多，如：ANSYS、FLAC^3D、Examine^3D、流形元法、离散元法（PFC/UDEC、3DEC）等。有限元法自上世纪70年代提出并发展至今，已经相当成熟，是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘塑性等问题，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法。边界单元也是上世纪70年代兴起的一种方法，在岩石力学中Crouch首先将边界元法用于解决层状岩体的开挖问题。有限差分法及离散单元法最早由Cundall提出，它的请打功能在于能模拟节理岩体，这也比较符合实际情况。

Qian-bang  Zeng利用FLAC来模拟不同开挖顺序对矿柱的影响：Heping Xie等利用FLAC^3D来模拟顶煤采煤法中的变形和破坏。Yao-She Xie等利用PFC来模拟顶煤采煤法的放矿过程。于学馥等利用有限元对金川二矿区的开采过程进行了分析，同时对回采方式进行了优化。

但同时也应该注意的一个问题，地下岩石力学问题也常具有多过程耦合和多尺度耦合特点，表明不可简单地接直接使用解决力学问题的计算机程序和算法求解力学问题。因此，必须开发可求解力学问题的计算机程序和算法，或对现有解决工程问题的计算机程序和算法进行二次开发和改造。

参考文献：

[1] 南世卿，宋爱东，张从军. 《石人沟铁矿露天转地下开采境界顶柱破坏模式和稳定性的研究》[J]. 河北冶金，2010（5）：

[2] 徐宏亮，杨天鹏，朱立凯. 司家营铁矿 = 3 \* ROMAN III采场露天转地下境界顶柱合理厚度研究[J]. 中国矿业，2007（4）：

[3] 陈光福. 杏林铁矿露天转地下开采工程的设计实践[J]. 黄金，2009(7)：23-26

[4] 刘辉，刘文胜，冯夏庭，陈清润. 大冶铁矿露天转地下开采的离散元数值模拟研究[J]. 岩石力学，2004 (9)：1413-1417

[5] 宋卫东，杜建华，杨幸才，Dwayne D Tannant. 深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律[J]. 北京科技大学学报[J]，2010（2）：145-151

[6] 施建俊. 露天转地下境界顶柱厚度研究[D]. 唐山：河北理工大学，2003.2：8-10

[7] 夏明. 软破矿体开采再造空间力学响应模型试验与数值模拟研究[D]. 长沙：中南大学，2009：4-6

[8] 胡耀青，赵阳升，杨栋. 带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报[J]，2003.22(8):1239-1243

[9] 胡耀青，严国超，石秀伟. 承压水上采突水监测预报理论的物理和数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(1)：9-15

[10] 李仲奎，卢达溶，中山元等. 三维建模实验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22(9)：1430-1436

[11] 王克忠，李仲奎，王爱民等. 浅埋暗挖地铁站厅硐室开挖过程物理模型实验及土地变形规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(增刊1)：2715-2720

[12] 陈卫忠，朱维申，王宝林. 节理岩体中洞室围岩大变形数值模拟及模型试验研究[J]. 岩石力学学报，1998，17(3)：223-229

[13] 张林，马衍泉，胡成秋. 高边坡稳定的三维地质力学模型实验[J]. 水电站设计，1994，10(3)：39-50

[14] 王栋. 川藏公路黄草坪2〞隧道地震动力响应的三维模型试验研究[D]. 成都：成都理工大学，2008

[15] 曹平. 各向异性岩体力学的理论与应用研究[博士学位论文]. 长沙，中南工业大学，1990

[16] 周维垣，杨若琼，杨强. 复杂低级上二滩拱坝整体稳定分析[J]. 岩石力学与工程学报，1992，11(1)：25-34

2 研究的主要内容、研究目标、拟解决的关键问题

（1）      研究内容

1） 多重耦合边坡破坏演化规律数值模拟研究

在露天边坡破坏机理模型实验的基础上，根据矿山的真实地形地貌和地质概况建立大型露天坑转地下三维模型，对三维模型进行多重耦合状态下的稳定性分析。

2） 多重耦合状态下露天转地下境界顶柱破坏机理模型试验

在矿岩、围岩物理力学性质的实验基础上，根据矿山的露天坑的地质原型构造相似模型，采用光测法的近景摄影测量技术开展露天转地下地下矿开采过程的相似模拟检测。通过工程围岩条件、应力环境、露天坑积水、开采扰动等方面信息的耦合分析，物理模拟研究地下矿开采过程中境界顶柱的应力分布及位移变形的变化规律，掌握地下矿采动对露天坑的多维、动态的影响关系，以便得出最合理的开采步骤和控制变量，指导现场的施工。

（2）      研究目标

本项目基于相似原理、冲击动力学、有限元理论、岩石力学等多学科理论，通过理论计算、数值分析等手段对露天转地下矿山边坡的破坏机理开展深入研究。利用相关数值分析软件构建露天转地下区域三维模型，对上覆垫层厚度、边坡滚石冲击，地下矿开挖等变量进行耦合分析，获取影响露天边坡稳定性的关键因素、境界顶柱厚度的临界参数及应力应变和位移的动态变化规律。结合相似材料模型试验研究，确定露天边坡的破坏机理，为露天转地下边坡的支护和加固提供理论和技术支持。

（3）      拟解决的关键技术问题

本项目解决的关键技术问题，多重耦合相似模型试验研究。研究包括模型相似比的确定、相似材料的配比、应力应变仪布置，多因素耦合作用下境界顶柱和露天边坡应力应变的时变特性。

3采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）

（1）      研究方法

本申请项目只要基于相似理论、矿山岩石力学、现代非线性科学等理论，以室内岩石力学试验、相似材料实验和计算机数值模拟技术等实验和检测技术为手段，开展露天矿转地下矿露天边坡的破坏机理的理论分析、数值模拟和实验研究。

1）以新桥硫铁矿为研究对象，露天坑坑底岩体和上下盘围岩岩石为实验样本，开展常规的物理力学参数实验。通过现场取样，室内实验采用万能材料试验机（Sanspowertast V3.2）进行岩石的单轴抗压强度实验、三轴实验和劈裂实验，以取得岩石的抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角和内聚力。

2）在室内实验的基础上，采用我院与长春试验机研究院共同研制的双向加载岩体开挖模拟试验台（BLES），进行相似模型实验研究，并结合近景摄影测量技术、BW-4型微型压力盒进行实验过程数据捕获和分析。获取多重耦合状态下的，境界顶柱的应力、应变和位移的时变特性及露天边坡的临界稳定状态。该研究的关键技术为相似模型实验多重耦合力学环境的实现方法。

3）基于Midas GTS和FLAC^3D多重耦合状态下的境界顶柱稳定性数值模拟分析。

（2）可行性分析

   我们所研究的课题是露天矿转向地下矿过程中需要参考的因素。当矿体埋藏较浅或地表有露头时，应用露天开采比地下开采优越。剥去上部岩土的工作称为剥离。剥离岩土量与采出矿石量的比例称为剥采比，剥采比过大的露天矿，露天开采成本高，应改用地下开采的方法。而我们建立了这样一个模型来模拟露天矿转向地下矿过程中所经历的变化，技术难度，需要投入的成本等等。因此，利用模型来模拟这一过程。

（1）通过测量实验数据，对比试验，总结规律，从而得到性价比更高，操作更容易，更环保的具有创新意识的生产工艺。利用大型的商业软件和实验室的先进设备，建立模型，不断试验，我们将可以将这个课题顺利地开展下去。

     （2）我们所研究的课题为物理相似模型实验，在经济上具有可行性，以相关的数据作为基础，可以解决安全生产问题，取得更好的经济效益。

     （3）我们通过研究人员的自我分析，本课题的研究人员封跃、王佳在实践方面有较强的动手能力，还有一定的吸收新知识的能力，思维活跃；张爱术、姚杰做事缜密，认真负责，思维敏捷。我们以实践能力和缜密能力分工，在指导老师的辛勤指导下，该课题也具有可行性。

4 本项目的特色与创新之处

（1） 基于BLES双向加载岩体开挖相似模型试验系统的露天转地下边坡破坏机理研究是本项目的特色之一。

（2）采用 3Dmine、Midas GTS和FLAC^3D 对边坡在多重耦合状态下的破坏机理进行模拟。

5  年度研究计划及预期研究成果（发表论文、申请专利等）

（1）预期研究进展

第一阶段：2011.7-2011.9

1）指定科学详细的工作计划，收集资料；

2）以新桥硫铁矿为实验对象，实施实验样本的采集；

3）开展室内岩石力学实验，获得岩石样本物理力学参数。

第二阶段：2011.10-2012.6

1）做相似模型试验前期准备，撰写实验计划，购买实验材料；

2）进行相似模型试验，收集实验信息；

3）整理实验资料；

4）建立露天坑区域模型，对模型进行数值模拟；

5）整理数值模拟实验数据。

第三阶段：2012.7-2012.9

1）综合相似模型实验和数值模拟的实验数据和结果，分析境界顶柱稳定性的主要影响因素和其破坏机理；

1） 撰写项目研究总结，提交结题报告。

（2）预期成果

1）找出影响露天边坡稳定性的主要因素，确定露天转地下露天边坡的破坏机理。

2）发表学术论文1-2篇；

（二） 研究基础与工作条件

1 工作基础（相关的研究积累，已取得的相关学术成果）

2 工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门重点实验室等研究基地的计划与落实情况）

中南大学资源与安全工程学院拥有湖南省深部资源开发与灾害控制重点实验室，设备县级的虚拟现实实验室，装备精良的深部金属矿产资源开采实验室、资源数字化实验室、硬岩工程灾害控制实验室等。拥有与该项目研究相关的大型设备和仪器，包括多功能岩石加载试验机、岩石三轴应力仪、双向加载岩石开挖物理模拟系统（BLES）等，另外还有众多大型商业软件，如FLAC3D、ANSYS、Midas GTS等，可以满足该项目的研究需要。

3、承担科研项目情况（申请人和项目组主要成员正在承担的科研项目情况，要注明项目的名称和编号、经费来源、起止年月、与本项目的关系及负责的内容等）

开支科目                   

预算金费（元）

主要用途

备注

预算经费总额

4400

1000

岩石力学室内实验、数据计算与分析

200

测试仪器、实验辅助器材购置费

600

差旅费

2000

论文版面费

300

材料打印、复印等耗材费

300

实验原料购置、加工、运输等

                          签字：                日期：

                         负责人签字：          （盖章）  日期：

                           负责人签名：       （盖章）    日期：

                        负责人签名：                  日期：