自然基金重點(diǎn)-7.22

大型露天煤礦

高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定性理論研究

承擔(dān)單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)長(zhǎng)沙理工大學(xué)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)匯報(bào)人：才慶祥國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目答辯材料二○一○年七月立項(xiàng)依據(jù)研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)技術(shù)路線研究工作基礎(chǔ)與可行性分析研究工作計(jì)劃經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定性理論研究匯報(bào)提綱

國(guó)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(jì)條件允許的情況下，優(yōu)先采用露天開(kāi)采?！?/p>

近年來(lái)，我國(guó)露天煤礦生產(chǎn)與建設(shè)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(xiàng)依據(jù)1.1立項(xiàng)背景

煤礦露天開(kāi)采具有產(chǎn)量大、安全程度高、資源回收率高等特點(diǎn)。

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

邊坡設(shè)計(jì)分析是永久、靜態(tài)、均一的。上世紀(jì)五六十年代露天煤礦多為深凹陡幫開(kāi)采，臨近閉坑時(shí)才實(shí)現(xiàn)內(nèi)排。

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

目前，我國(guó)大型露天煤礦多數(shù)屬于近水平埋藏、分區(qū)開(kāi)采、汽車端幫環(huán)線運(yùn)輸壓幫內(nèi)排開(kāi)采方式。安家?guī)X露天煤礦(2200萬(wàn)t)準(zhǔn)格爾露天煤礦(2600萬(wàn)t)采場(chǎng)、排土場(chǎng)工作面同時(shí)推進(jìn)的動(dòng)態(tài)模型

露天煤礦采場(chǎng)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(shè)計(jì)，端幫邊坡角緩；端幫設(shè)置運(yùn)輸通道，邊坡進(jìn)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(shè)計(jì)方法端幫下煤炭資源回收難。我國(guó)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(hào)露天煤礦

露天煤礦邊坡從開(kāi)挖暴露到被掩埋是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。內(nèi)排土場(chǎng)的推進(jìn)是對(duì)端幫邊坡的永久性加固，可以通過(guò)調(diào)整采礦參數(shù)，控制邊坡暴露面積和暴露時(shí)間，端幫邊坡具有時(shí)效性。

目前，缺乏對(duì)露天煤礦高陡邊坡時(shí)效性參數(shù)：暴露面積和暴露時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的理論依據(jù)，缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)?？茖W(xué)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(xué)科研究深化與拓展露天開(kāi)采對(duì)土地的占用量很大，減少土地的占用和破壞有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境環(huán)境保護(hù)的需要邊坡失穩(wěn)是大型露天煤礦的主要安全問(wèn)題安全生產(chǎn)的需要國(guó)家與煤炭行業(yè)的迫切需要露天開(kāi)采理論與發(fā)展的需要1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

露天礦邊坡巖體類型、變破壞機(jī)理試驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究高陡邊坡工程及計(jì)算機(jī)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(chǎng)深部加陡及露天轉(zhuǎn)地下的邊坡穩(wěn)定性研究近年來(lái)，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(dú)立的學(xué)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(jī)制穩(wěn)定性分析理論巖體開(kāi)挖數(shù)值模擬巖體開(kāi)挖工程穩(wěn)定性控制申請(qǐng)人提出了露天煤礦時(shí)效邊坡概念，研究了開(kāi)采程序、參數(shù)對(duì)邊坡空間形態(tài)影響，從力學(xué)機(jī)制上分析邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機(jī)制，開(kāi)展高陡邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析。

2、研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新（1）露天煤礦采剝生產(chǎn)與高陡時(shí)效邊坡的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)理研究2.1研究?jī)?nèi)容針對(duì)露天煤礦采剝生產(chǎn)作業(yè)與高陡邊坡的時(shí)間、空間變化關(guān)系，建立時(shí)效邊坡的概念，進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合機(jī)理研究。地殼實(shí)體上構(gòu)造空間露天開(kāi)采剝離堆棄空間上構(gòu)造實(shí)體高陡邊坡形成過(guò)程與幾何形態(tài)

(2)采場(chǎng)邊坡巖土和排土場(chǎng)土石混合體物理力學(xué)時(shí)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(xué)時(shí)效特性排棄物邊加卸載特性影響因素動(dòng)態(tài)分析

采場(chǎng)邊坡和排土場(chǎng)邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)直接決定著排土場(chǎng)容量及排棄計(jì)劃。(3)三維高陡時(shí)效邊坡潛在滑移面研究露天煤礦開(kāi)采中高陡時(shí)效邊坡的變形、破壞和失穩(wěn)演化揭示采場(chǎng)工作幫、非工作幫、端幫、排土場(chǎng)高陡邊坡失穩(wěn)機(jī)理與滑動(dòng)模式三維潛在滑動(dòng)面是實(shí)現(xiàn)三維穩(wěn)定性計(jì)算前提，非對(duì)稱暴露面加大了三維潛在滑動(dòng)面確定的難度。(4)露天煤礦高陡時(shí)效邊坡設(shè)計(jì)理論體系研究鑒于露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，建立露天煤礦高陡時(shí)效邊坡設(shè)計(jì)理念。目標(biāo)邊坡安全回收資源少占土地服務(wù)時(shí)間開(kāi)采參數(shù)暴露面積線形參數(shù)巖體參數(shù)高陡時(shí)效邊坡性設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)方法2.2研究目標(biāo)提出大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定性分析方法，實(shí)現(xiàn)邊坡的動(dòng)態(tài)分析、評(píng)價(jià)與滑坡預(yù)報(bào)。創(chuàng)建大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡的穩(wěn)定性理論，建立高陡時(shí)效邊坡設(shè)計(jì)新方法。2.3擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題建立高陡邊坡時(shí)效性分析的地質(zhì)、采礦和力學(xué)模型；揭示排土松散物料重構(gòu)邊坡與開(kāi)采排土堆載的耦合機(jī)理；揭示時(shí)效高陡邊坡變形、破壞與失穩(wěn)演化過(guò)程和滑坡機(jī)理。2.4特色與創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)邊坡動(dòng)態(tài)的研究。思想創(chuàng)新形成大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡設(shè)計(jì)、研究、監(jiān)測(cè)相關(guān)的一整套技術(shù)。松散不規(guī)則物料高陡時(shí)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(xué)模型；露天開(kāi)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(yù)期成果

①揭示高陡邊坡之間的宏觀耦合機(jī)理；②建立露天煤礦時(shí)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(kāi)采一體化理論；③建立露天煤礦高陡時(shí)效邊坡設(shè)計(jì)理論體系；④公開(kāi)發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文50篇（30篇SCI或EI收錄）；出版學(xué)術(shù)專著2～3部；申請(qǐng)國(guó)家專利4～5項(xiàng)；⑤培養(yǎng)博士生15～20名；⑥獲得省部級(jí)以上科技獎(jiǎng)勵(lì)1～2項(xiàng)。采場(chǎng)、排土場(chǎng)、端幫和內(nèi)外排土場(chǎng)構(gòu)造時(shí)效高陡邊坡形成、幾何參數(shù)、服務(wù)狀態(tài)大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定性理論邊坡服務(wù)時(shí)間、線形參數(shù)、爆破震動(dòng)、地表與地下水的滲流場(chǎng)、巖層物理力學(xué)參數(shù)、開(kāi)采參數(shù)間的耦合作用

高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定關(guān)鍵因素大型露天煤礦采剝排工藝時(shí)效邊坡動(dòng)態(tài)形成過(guò)程建模3、技術(shù)路線大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定性理論采場(chǎng)工作幫、非工作幫、端幫高陡時(shí)效邊坡變形、破壞與失穩(wěn)的主誘導(dǎo)因素露天采礦學(xué)原理可靠性理論防災(zāi)減災(zāi)學(xué)理論礦山巖體力學(xué)物理模型試驗(yàn)數(shù)值模擬仿真3、技術(shù)路線大型露天煤礦高陡時(shí)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(xué)時(shí)效特性采場(chǎng)工作幫、非工作幫、端幫高陡時(shí)效邊坡變形、破壞與失穩(wěn)的主誘導(dǎo)因素高陡時(shí)效邊坡形成過(guò)程變形、破壞與失穩(wěn)演化規(guī)律采礦形成的時(shí)效邊坡結(jié)構(gòu)可靠度分析高陡邊坡的動(dòng)態(tài)分析、評(píng)價(jià)與滑坡預(yù)報(bào)3、技術(shù)路線大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定性理論大型露天煤礦高陡時(shí)效邊坡穩(wěn)定性分析理論和設(shè)計(jì)方法松散不規(guī)則物料(土石混合體)物理力學(xué)時(shí)效特性采場(chǎng)工作幫、非工作幫、端幫高陡時(shí)效邊坡變形、破壞與失穩(wěn)的主誘導(dǎo)因素3、技術(shù)路線項(xiàng)目組研究方向包括：露天開(kāi)采工藝與設(shè)計(jì)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(xué)、防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程、工程地質(zhì)等。

國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)省部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)二等獎(jiǎng)8項(xiàng)出版學(xué)術(shù)著作15部被SCI、EI、ISTP收錄論文62篇成果獲獎(jiǎng)4.1項(xiàng)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(yàn)臺(tái)(研制)多功能巖層控制試驗(yàn)系統(tǒng)(研制)4.2工作條件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2個(gè)

煤炭資源與安全開(kāi)采深部巖土力學(xué)與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1個(gè)

道路與鐵道工程3S系統(tǒng)與InSAR技術(shù)

才慶祥：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)露天開(kāi)采專業(yè)委員會(huì)常務(wù)副主任委員、煤炭行業(yè)專業(yè)技術(shù)人才知識(shí)更新工程(“653”工程)露天開(kāi)采專業(yè)露天煤礦開(kāi)采技術(shù)培訓(xùn)方向首席專家、《金屬礦山》雜志專家委員會(huì)副主任、《露天采礦技術(shù)》雜志編委會(huì)委員。獲得省部級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。出版著作6部，教材6部，發(fā)表論文70篇，SCI、EI、ISTP30篇。主持國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目課題1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、教育部博士點(diǎn)基金1項(xiàng)、橫向科研30余項(xiàng)。4.3申請(qǐng)人簡(jiǎn)介項(xiàng)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(jí)獎(jiǎng)6、著作2、論文50、湖南省省級(jí)學(xué)科帶頭人、政府特貼舒繼森49教授采礦省部級(jí)獎(jiǎng)4、著作1、論文30、EI4，煤炭基金1宋宏偉52教授巖土省部級(jí)獎(jiǎng)2、著作4、論文70、EI20、ISTP2、SCI3許延春47研究員采礦國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)1、省部級(jí)獎(jiǎng)9、論文20、EI4車兆學(xué)53教授采礦省部級(jí)獎(jiǎng)3、著作2、論文30彭洪閣32講師采礦省部級(jí)獎(jiǎng)1、論文8周偉28講師采礦省部級(jí)獎(jiǎng)2、論文20、EI6趙洪寶33講師安全發(fā)明專利3、實(shí)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(dǎo)師3人。相關(guān)代表性科研項(xiàng)目項(xiàng)目名稱來(lái)源年限1特大型露天煤礦高效開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)“十一五”支撐計(jì)劃2006~20082露天采礦與生態(tài)重建一體化理論與方法國(guó)家自然基金2004~20073災(zāi)害環(huán)境下重大工程安全性的基礎(chǔ)研究“973”計(jì)劃2002~20094非連續(xù)巖體錨桿抗剪“導(dǎo)軌作用”力學(xué)機(jī)制的研究國(guó)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(cè)研究“863”計(jì)劃2008~20106布沼壩露天西幫及北幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及綜合治理小龍?zhí)兜V務(wù)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(guò)程與邊坡失穩(wěn)災(zāi)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(zāi)變過(guò)程數(shù)值模擬湖南省科委2003~200510高陡邊坡失穩(wěn)預(yù)測(cè)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(chǎng)端幫動(dòng)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(chǎng)邊坡、排土場(chǎng)邊坡參數(shù)與開(kāi)采

參數(shù)、開(kāi)采程序間的耦合機(jī)理。第2年：構(gòu)建露天煤礦高陡時(shí)效邊坡地質(zhì)、采礦和力學(xué)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(shí)效邊坡穩(wěn)定性分析方法，模型實(shí)驗(yàn)研究。第4年：露天煤礦高陡時(shí)效邊坡設(shè)計(jì)理論體系；工程實(shí)踐；

提煉工作，撰寫研究報(bào)告。5、研究工作計(jì)劃

研究經(jīng)費(fèi):155萬(wàn)元國(guó)際合作與交流:15萬(wàn)元?jiǎng)趧?wù)費(fèi):20萬(wàn)元管理費(fèi):10萬(wàn)元6、經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)科目申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)備注（計(jì)算依據(jù)與說(shuō)明）一．研究經(jīng)費(fèi)155.001．科研業(yè)務(wù)費(fèi)126.00(1)測(cè)試/計(jì)算/分析費(fèi)62.00測(cè)試分析、模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算與分析費(fèi)用等(2)能源/動(dòng)力費(fèi)9.00實(shí)驗(yàn)用水、用電等(3)會(huì)議費(fèi)/差旅費(fèi)30.00①中期檢查、驗(yàn)收、參加國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議等8.4萬(wàn)②72人次差旅費(fèi)21.6萬(wàn)元(4)出版物/文獻(xiàn)/信息傳播費(fèi)20.00論著出版費(fèi)用、專利申請(qǐng)費(fèi)用等(5)其它5.00文獻(xiàn)資料,查新,檢索;采樣及材料費(fèi)2．實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)12.00(1)原材料/試劑/藥品購(gòu)置費(fèi)12.00設(shè)備制備：400樣×300元(其它)3．儀器設(shè)備費(fèi)3.00(1)購(gòu)置(2)試制3.00模擬軟件