自然基金重点-7.22

大型露天煤矿

高陡时效边坡稳定性理论研究

承担单位：中国矿业大学长沙理工大学中国矿业大学(北京)汇报人：才庆祥国家自然科学基金重点项目答辩材料二○一○年七月立项依据研究内容与创新点技术路线研究工作基础与可行性分析研究工作计划经费申请大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性理论研究汇报提纲

国家《“十一五”煤炭行业发展规划》中提出“新建矿山，在采矿技术和经济条件允许的情况下，优先采用露天开采。”

近年来，我国露天煤矿生产与建设快速发展。露天煤炭产量近六年增加2亿t，近两年就增加1亿t，占煤炭总产量比例由不足5%增加到9%。1、立项依据1.1立项背景

煤矿露天开采具有产量大、安全程度高、资源回收率高等特点。

印度90%德国76%澳大利亚71%美国67%俄罗斯58%南非53%波兰32%中国9%海州露天煤矿抚顺西露天煤矿

边坡设计分析是永久、静态、均一的。上世纪五六十年代露天煤矿多为深凹陡帮开采，临近闭坑时才实现内排。

义马北露天煤矿平庄西露天煤矿采深达300m至600m，年产量千万t以上；水平推进强度300m至500m，年采剥总量达数千万m3甚至上亿m3；内排土场边坡高达250m至350m，外排土场高达100m至150m。形成了大型露天煤矿采场工作帮、非工作帮、端帮、排土场高陡边坡

目前，我国大型露天煤矿多数属于近水平埋藏、分区开采、汽车端帮环线运输压帮内排开采方式。安家岭露天煤矿(2200万t)准格尔露天煤矿(2600万t)采场、排土场工作面同时推进的动态模型

露天煤矿采场模型露天煤矿端帮横剖面图

以往露天煤矿边坡采用静态、均一、永久性设计，端帮边坡角缓；端帮设置运输通道，边坡进一步变缓，造成端帮压煤，并且多占用土地。利用传统静态边坡分析设计方法端帮下煤炭资源回收难。我国内蒙古中东部露天煤矿边坡岩体性质较弱，普遍存在易滑区。胜利一号露天煤矿

露天煤矿边坡从开挖暴露到被掩埋是一个动态过程。内排土场的推进是对端帮边坡的永久性加固，可以通过调整采矿参数，控制边坡暴露面积和暴露时间，端帮边坡具有时效性。

目前，缺乏对露天煤矿高陡边坡时效性参数：暴露面积和暴露时间对边坡稳定性影响的理论依据，缺乏相应的理论基础。科学意义与背景充分利用煤炭资源煤炭是不可再生的一次性能源，资源有限，必须充分利用学科研究深化与拓展露天开采对土地的占用量很大，减少土地的占用和破坏有利于保护生态环境环境保护的需要边坡失稳是大型露天煤矿的主要安全问题安全生产的需要国家与煤炭行业的迫切需要露天开采理论与发展的需要1.2国内外研究现状

从上世纪70年代末到现在，国家相继组织国家重点科技攻关研究专题，在解决实际边坡工程难题的同时，也提高了我国的边坡工程的研究水平，促进了科技发展与进步。

露天矿边坡岩体类型、变破坏机理试验、优化设计方法研究高陡边坡工程及计算机管理技术、综合集成智能研究高陡边坡综合治理措施研究采场深部加陡及露天转地下的边坡稳定性研究近年来，各种露天矿边坡稳定性的分析方法得到了较大发展，初步形成了边坡工程独立的学科体系，在以下方面取得了令人瞩目的成果：边坡岩体结构特征变形破坏机制稳定性分析理论岩体开挖数值模拟岩体开挖工程稳定性控制申请人提出了露天煤矿时效边坡概念，研究了开采程序、参数对边坡空间形态影响，从力学机制上分析边坡稳定性及失稳机制，开展高陡边坡稳定性动态分析。

2、研究内容和创新（1）露天煤矿采剥生产与高陡时效边坡的动态耦合机理研究2.1研究内容针对露天煤矿采剥生产作业与高陡边坡的时间、空间变化关系，建立时效边坡的概念，进行动态耦合机理研究。地壳实体上构造空间露天开采剥离堆弃空间上构造实体高陡边坡形成过程与几何形态

(2)采场边坡岩土和排土场土石混合体物理力学时效特性的研究排弃程序排弃参数空间位置排弃物物理力学时效特性排弃物边加卸载特性影响因素动态分析

采场边坡和排土场边坡岩体物理力学性质直接决定着排土场容量及排弃计划。(3)三维高陡时效边坡潜在滑移面研究露天煤矿开采中高陡时效边坡的变形、破坏和失稳演化揭示采场工作帮、非工作帮、端帮、排土场高陡边坡失稳机理与滑动模式三维潜在滑动面是实现三维稳定性计算前提，非对称暴露面加大了三维潜在滑动面确定的难度。(4)露天煤矿高陡时效边坡设计理论体系研究鉴于露天煤矿边坡稳定性分析与设计中存在的问题，建立露天煤矿高陡时效边坡设计理念。目标边坡安全回收资源少占土地服务时间开采参数暴露面积线形参数岩体参数高陡时效边坡性设计理论设计方法2.2研究目标提出大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性分析方法，实现边坡的动态分析、评价与滑坡预报。创建大型露天煤矿高陡时效边坡的稳定性理论，建立高陡时效边坡设计新方法。2.3拟解决的关键问题建立高陡边坡时效性分析的地质、采矿和力学模型；揭示排土松散物料重构边坡与开采排土堆载的耦合机理；揭示时效高陡边坡变形、破坏与失稳演化过程和滑坡机理。2.4特色与创新实现边坡动态的研究。思想创新形成大型露天煤矿高陡时效边坡设计、研究、监测相关的一整套技术。松散不规则物料高陡时效边坡重构一体化理论；采矿参数、边坡参数与稳定系数的数学模型；露天开采与边坡治理一体化理论。理论创新技术创新2.5预期成果

①揭示高陡边坡之间的宏观耦合机理；②建立露天煤矿时效边坡理论与松散不规则物料高陡边坡

重构与露天开采一体化理论；③建立露天煤矿高陡时效边坡设计理论体系；④公开发表高水平学术论文50篇（30篇SCI或EI收录）；出版学术专著2～3部；申请国家专利4～5项；⑤培养博士生15～20名；⑥获得省部级以上科技奖励1～2项。采场、排土场、端帮和内外排土场构造时效高陡边坡形成、几何参数、服务状态大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性理论边坡服务时间、线形参数、爆破震动、地表与地下水的渗流场、岩层物理力学参数、开采参数间的耦合作用

高陡时效边坡稳定关键因素大型露天煤矿采剥排工艺时效边坡动态形成过程建模3、技术路线大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性理论采场工作帮、非工作帮、端帮高陡时效边坡变形、破坏与失稳的主诱导因素露天采矿学原理可靠性理论防灾减灾学理论矿山岩体力学物理模型试验数值模拟仿真3、技术路线大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性理论松散不规则物料(土石混合体)物理力学时效特性采场工作帮、非工作帮、端帮高陡时效边坡变形、破坏与失稳的主诱导因素高陡时效边坡形成过程变形、破坏与失稳演化规律采矿形成的时效边坡结构可靠度分析高陡边坡的动态分析、评价与滑坡预报3、技术路线大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性理论大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性分析理论和设计方法松散不规则物料(土石混合体)物理力学时效特性采场工作帮、非工作帮、端帮高陡时效边坡变形、破坏与失稳的主诱导因素3、技术路线项目组研究方向包括：露天开采工艺与设计理论、边坡工程、矿业工程可靠性、煤炭矿区环境工程、工程力学、防灾减灾与防护工程、工程地质等。

国家科技进步奖二等奖1项省部级一等奖3项二等奖8项出版学术著作15部被SCI、EI、ISTP收录论文62篇成果获奖4.1项目组取得的成果4、研究工作基础和可行性分析露天矿高陡边坡三维和二维模拟试验台(研制)多功能岩层控制试验系统(研制)4.2工作条件国家重点实验室2个

煤炭资源与安全开采深部岩土力学与地下工程教育部重点实验室1个

道路与铁道工程3S系统与InSAR技术

才庆祥：中国煤炭学会露天开采专业委员会常务副主任委员、煤炭行业专业技术人才知识更新工程(“653”工程)露天开采专业露天煤矿开采技术培训方向首席专家、《金属矿山》杂志专家委员会副主任、《露天采矿技术》杂志编委会委员。获得省部级一等奖1项、二等奖3项、三等奖2项。出版著作6部，教材6部，发表论文70篇，SCI、EI、ISTP30篇。主持国家“十一五”科技支撑项目课题1项、国家自然科学基金2项、教育部博士点基金1项、横向科研30余项。4.3申请人简介项目组主要成员姓名年龄职称专业备注芮勇勤48教授采矿省部级奖6、著作2、论文50、湖南省省级学科带头人、政府特贴舒继森49教授采矿省部级奖4、著作1、论文30、EI4，煤炭基金1宋宏伟52教授岩土省部级奖2、著作4、论文70、EI20、ISTP2、SCI3许延春47研究员采矿国家级奖1、省部级奖9、论文20、EI4车兆学53教授采矿省部级奖3、著作2、论文30彭洪阁32讲师采矿省部级奖1、论文8周伟28讲师采矿省部级奖2、论文20、EI6赵洪宝33讲师安全发明专利3、实用新型专利5、论文20、EI15、ISTP2周基28博士生交通论文10本课题组29人。其中：教授6人、博士7人、博士生导师3人。相关代表性科研项目项目名称来源年限1特大型露天煤矿高效开采关键技术“十一五”支撑计划2006~20082露天采矿与生态重建一体化理论与方法国家自然基金2004~20073灾害环境下重大工程安全性的基础研究“973”计划2002~20094非连续岩体锚杆抗剪“导轨作用”力学机制的研究国家自然基金2009~20125基于角反射器、GPS和InSAR技术的高速公路路基路面变形监测研究“863”计划2008~20106布沼坝露天西帮及北帮边坡稳定性评价及综合治理小龙潭矿务局1997~19997胜利露天煤矿滑坡防治技术研究神华北电胜利2007~20088非均匀微缺陷岩石损伤破裂演化过程与边坡失稳灾变控制研究湖南省自然基金2002~20049湘西高速公路深切高陡边坡岩体损伤破裂演化与失稳灾变过程数值模拟湖南省科委2003~200510高陡边坡失稳预测与监控技术研究湖南省交通厅2002~200811东南帮边坡治理及东帮边坡稳定性研究华能伊敏煤电公司2008~200912安家岭露天煤矿采场端帮动态参数综合优化研究中煤平朔公司2004~2005

第1年：研究大型露天煤矿采场边坡、排土场边坡参数与开采

参数、开采程序间的耦合机理。第2年：构建露天煤矿高陡时效边坡地质、采矿和力学模型，建立松散不规则物料边坡重构理论。第3年：露天煤矿时效边坡稳定性分析方法，模型实验研究。第4年：露天煤矿高陡时效边坡设计理论体系；工程实践；

提炼工作，撰写研究报告。5、研究工作计划

研究经费:155万元国际合作与交流:15万元劳务费:20万元管理费:10万元6、经费申请科目申请经费备注（计算依据与说明）一．研究经费155.001．科研业务费126.00(1)测试/计算/分析费62.00测试分析、模拟实验、数值计算与分析费用等(2)能源/动力费9.00实验用水、用电等(3)会议费/差旅费30.00①中期检查、验收、参加国内学术会议等8.4万②72人次差旅费21.6万元(4)出版物/文献/信息传播费20.00论著出版费用、专利申请费用等(5)其它5.00文献资料,查新,检索;采样及材料费2．实验材料费12.00(1)原材料/试剂/药品购置费12.00设备制备：400样×300元(其它)3．仪器设备费3.00(1)购置(2)试制3.00模拟软件