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：中國礦業(yè)大學(xué)長沙理工大學(xué)中國礦業(yè)大學(xué)(北京)匯報(bào)人：才慶祥國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目答辯材料二○一○年七月立項(xiàng)依據(jù)研究內(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)先采用露天開采?！?/p>

近年來，我國露天煤礦生產(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(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m3甚至上億m3；內(nèi)排土場邊坡高達(dá)250m至350m，外排土場高達(dá)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(yùn)輸壓幫內(nèi)排開采方式。安家?guī)X露天煤礦(2200萬t)準(zhǔn)格爾露天煤礦(2600萬t)采場、排土場工作面同時(shí)推進(jìn)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(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(gè)動態(tài)過程。內(nèi)排土場的推進(jìn)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(shí)間，端幫邊坡具有時(shí)效性。

目前，缺乏對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(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(jì)70年代末到現(xiàn)在，國家相繼組織國家重點(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(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(shí)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(xué)機(jī)制上分析邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機(jī)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(shí)效邊坡的動態(tài)耦合機(jī)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(shí)間、空間變化關(guān)系，建立時(shí)效邊坡的概念，進(jìn)行動態(tài)耦合機(jī)理研究。地殼實(shí)體上構(gòu)造空間露天開采剝離堆棄空間上構(gòu)造實(shí)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(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態(tài)分析

采場邊坡和排土場邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)直接決定著排土場容量及排棄計(jì)劃。(3)三維高陡時(shí)效邊坡潛在滑移面研究露天煤礦開采中高陡時(shí)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(jī)理與滑動模式三維潛在滑動面是實(shí)現(xiàn)三維穩(wěn)定性計(jì)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(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)邊坡的動態(tài)分析、評價(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)演化過程和滑坡機(jī)理。2.4特色與創(chuàng)新實(shí)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(shí)效邊坡設(shè)計(jì)、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(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；申請國家專利4～5項(xiàng)；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(xiàng)。采場、排土場、端幫和內(nèi)外排土場構(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、地表與地下水的滲流場、巖層物理力學(xué)參數(shù)、開采參數(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)效邊坡動態(tài)形成過程建模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態(tài)分析、評價(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。

國家科技進(jìn)步獎二等獎1項(xiàng)省部級一等獎3項(xiàng)二等獎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(研制)多功能巖層控制試驗(yàn)系統(tǒng)(研制)4.2工作條件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2個(gè)

煤炭資源與安全開采深部巖土力學(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：中國煤炭學(xué)會露天開采專業(yè)委員會常務(wù)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(xùn)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(xiàng)、二等獎3項(xiàng)、三等獎2項(xiàng)。出版著作6部，教材6部，發(fā)表論文70篇，SCI、EI、ISTP30篇。主持國家“十一五”科技支撐項(xiàng)目課題1項(xiàng)、國家自然科學(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申請人簡介項(xiàng)目組主要成員姓名年齡職稱專業(yè)備注芮勇勤48教授采礦省部級獎6、著作2、論文50、湖南省省級學(xué)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(xué)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(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(jì)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(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(jì)劃2008~20106布沼壩露天西幫及北幫邊坡穩(wěn)定性評價(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)變過程數(shù)值模擬湖南省科委2003~200510高陡邊坡失穩(wěn)預(yù)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(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):155萬元國際合作與交流:15萬元勞務(wù)費(fèi):20萬元管理費(fèi):10萬元6、經(jīng)費(fèi)申請科目申請經(jīng)費(fèi)備注（計(jì)算依據(jù)與說明）一．研究經(jīng)費(fèi)155.001．科研業(yè)務(wù)費(fèi)126.00(1)測試/計(jì)算/分析費(fèi)62.00測試分析、模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算與分析費(fèi)用等(2)能源/動力費(fèi)9.00實(shí)驗(yàn)用水、用電等(3)會議費(fèi)/差旅費(fèi)30.00①中期檢查、驗(yàn)收、參加國內(nèi)學(xué)術(shù)會議等8.4萬②72人次差旅費(fèi)21.6萬元(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)購置(2)試制3.00模擬軟件