岩石力学与工程课菜美峰.ppt

采矿理论与技术新进展地应力测量与采矿设计优化,一、地应力的基本概念及地应力测量的重要性二、地应力场测量的基本原理和主要方法三、地下矿山采矿设计优化四、大型深凹露天矿边坡设计优化,内容提要,1、蔡美峰著。地应力测量原理和技术。科学出版社，2000年。2、蔡美峰著。金属矿山采矿设计优化与地压控制-理论与实 践。科学出版社，2001年。3、蔡美峰主编，何满潮、刘东燕副主编。岩石力学与工程。科学出版社，2002年。,参 考 书,第一节 地应力的基本概念及地应力测量的重要性BASIC CONCEPTS AND IMPORTANCE OFIN-SITU STRESS MEASUREMENT,第一节 地应力的基本概念及地应力测量的重要性,什么是地应力？地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力、岩体初始应力、绝对应力等。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。准确的地应力资料是实现采矿和岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。,第一节 地应力的基本概念及地应力测量的重要性,地应力的成因30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，包括：大陆板块边界受压地幔热对流地球内应力地心引力地球旋转岩浆侵入地壳非均匀扩容 另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。,1.1 地应力的成因及其一般分布规律,中国大陆板块受到印度洋板块和太平洋板块的推挤，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束，产生水平受压应力场。印度洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形成，控制了我国地震的分布。,中国板块主应力迹线图,1.1 地应力的成因及其一般分布规律,汶川大地震,龙门山断裂带,地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量水平应力普遍大于垂直应力平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性地应力的上述分布很会受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大,1.1.2 地应力分布的一般规律,1.1 地应力的成因及其一般分布规律,1.2.1 地应力分布状态的复杂性和多变性构造运动和重力作用是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，造成了地应力状态的复杂性和多变性。即使在同一工程区域，不同点地应力的状态也可能是很不相同的，因此，地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测量。,1.2 地应力测量的重要性,传统的采矿及其它岩土工程的开挖设计和施工是根据经验来进行的（查手册）。当开挖活动是在小规模范围内和接近地表的深度上进行的时候，经验类比的方法往往是有效的，但是随着开挖规模的不断扩大和不断向深部发展，经验类比法已越来越失去其作用。为了对各种岩土工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查。在诸多的影响岩体开挖工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要最根本的因素之一。,1.2.2 地应力对采矿工程的重要性,1.2 地应力测量的重要性,对矿山设计来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸、开挖步骤、支护形式、支护结构参数、支护时间等，从而在保证围岩稳定性的前提下，最大限度地增加矿石产量，提高矿山经济效益，从而实现采矿工程的优化。,1.2 地应力测量的重要性,根据弹性力学理论，巷道和采场的最佳形状主要由其断面内的二个主应力的比值来决定，为了减少巷道和采场周边的应力集中现象，它们最理想的断面形状应是一个椭圆，而这个椭圆在水平和垂直方向的两个半轴的长度之比应与该断面内水平主应力和垂直主应力之比相等。在此情况下，巷道和采场周边将处于均匀等压应力状态。这是一种最稳定的受力状态。,1.2 地应力测量的重要性,在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态，最理想的走向是与最大主应力方向相平行。,1.2 地应力测量的重要性,由于采矿工程的复杂性和形状多样性，利用理论解析的方法进行工程稳定性的分析和计算几乎是不可能的。但是，近20年来大型电子计算机的应用和各种数值分析方法的不断发展，使采矿工程成为一门可以进行定量设计计算和分析的工程科学。所有的计算和分析都必须在已知地应力的前提下进行。如果对工程区域的实际原始应力状态一无所知，那么任何计算和分析都将失去其应有的真实性和实用价值。,1.2 地应力测量的重要性,第二节 地应力测量原理与方法PRINCIPLES AND TECHNIQUES OF IN-SITU STRESS MEASUREMENT,第二节 地应力测量原理与方法,2.1 概述,基本原理 测量地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态（原岩应力），这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。由于地应力状态的复杂性和多变性，要比较准确地测定某一工程区域的地应力，就必须进行充足数量的“点”测量。在此基础上，可以借助数值分,岩体中任一点三维应力状态,析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法，建立工程区域的地应力场分布模型。,主要测量方法,直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，计算出原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。间接测量法：不是直接测量应力值，而是测量岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算出岩体中的应力值。为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。,2.1 概述,直接测量法,扁千斤顶法（Flat jack）,刚性包体应力计法（Stiff inclusion stress meter）,水压致裂法（Hydraulic fracturing technique）,声发射法（Acoustic emission technique）,2.1 概述,间接测量法,套孔应力解除法（Stress relief by overcoring technique）,局部应力解除法（Local stress relief technique）,松弛应变测量法（Relaxation strain measurement）,孔壁崩落测量法（Borehole break out measurement）,地球物理探测法（Geophysical technique）,2.1 概述,2.2 水压致裂法,测量原理发展历史弹性力学基本理论 孔边应力分布：,(1),2.2 水压致裂法,基本假设垂直方向是一个主应力方向，其值等于自重力,岩体线性、均质、各向同性渗透符合达西定律,(2),测量步骤(1)钻孔（地质勘探）、选段（完整）、封隔（气或液）；直径：38、51、76、110、130；,2.2 水压致裂法,(2)加水压将孔壁压裂(Fracture initial pressure)(3)(3)关闭加压系统(shut-in pressure)(4)由(3)和(4)可求出1和2，但需要知道T。,2.2 水压致裂法,(4)重新加压使裂隙张开(Fracture re-opening pressure)(5)由(3)，(4)即可求出1，2，不需要知道T。(5)关闭加压系统，再次测得Ps值。(6)将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。,2.2 水压致裂法,(7)测量水压致裂裂隙的方位。采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。印模器简便实用。将印模器连同加压管路一起送入井下的水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，钻孔上的裂隙均即可印在印模器上。印模器装有定向系统，可确定裂隙的方位。最后，测点（即试验段）水平面内的二个主应力1和2的大小和方向确定了。再加上垂直方向主应力v的大小也已知，测点的三维应力状态（三个主应力的大小和方向）就确定了。,2.2 水压致裂法,水压致裂法的优缺点：,优点：能测深部地应力适用于采矿和岩土工程前期地应力评估缺点：主应力方向是假设的在多节理、裂隙岩体中适用性差。,2.2 水压致裂法,2.2 套孔应力解除法,测量原理 在应力场作用下，岩体产生变形。如果将岩体中的一部分与周围岩体分离，使其脱离应力场作用（实现应力解除），这部分岩体中的变形将恢复，测量出这部分恢复应变，即可计算出作用在岩体上的地应力的大小和方向。,2.3 套孔应力解除法,测量步骤1)从岩体表面(地下巷道、隧道、峒室等表面)向岩体内部打孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔直径130mm。大孔深度为巷道、隧道或开挖峒室跨度的3倍以上，从而保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区。为了便于下一步安装测试探头，大孔要保持一定的同心度，尽量打直。,2)从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径为3638mm。小孔深度一般为孔径的10倍左右，从而保证小孔中央部位处于平面应变状态。3)用一套专用装置将测量探头安装(固定或胶结)到小孔的适当位置。4)用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并记录下来。5)根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围岩体中的原岩应力状态。,2.3 套孔应力解除法,套孔应力解除法主要测量方法,孔径变形测量法(Borehole diametral deformation measurement)孔底应变测量法(Borehole end strain measurement)孔壁应变测量法(Borehole wall strain measurement)空心包体应变测量法(Hollow inclusion strain measurement)实心包体应变测量法(Solid inclusion strain measurement),2.3 套孔应力解除法,孔壁应变测量应力计算原理,三轴孔壁应变计,2.3 套孔应力解除法,1)钻孔围岩应力分布公式,三维钻孔围岩应力分布状态图,2.3 套孔应力解除法,一个无限体中的钻孔，受到无穷远处的三维应力场(x,y,z,xy,yz,zx)的作用时，孔边围岩应力分布公式为：,(6),(7),(8),2.3 套孔应力解除法,(9),(10),(11),注意：在上述公式中，原岩应力采用的是直角坐标系，孔边的围岩应力状态采用柱坐标系；柱坐标系的z轴和直角坐标系的z轴相一致，柱坐标系的角从x轴逆时针旋转计数为正；z为原岩应力分量，而z为受开挖影响的孔边围岩中任一点z轴方向的应力分量。当r时,z=z。,2.3 套孔应力解除法,2)孔壁应变和孔壁应力之间的关系式,电阻应变花的受力状态,2.3 套孔应力解除法,孔壁为平面应力状态，只有，z，z三个应力分量，每个电阻应变花的4支应变片所测应变值，z，45，-45 即（135）和它们的关系式为,(12),(13),(14),2.3 套孔应力解除法,3)孔壁应变和三维原岩应力分量(x，y，z，xy，yz，zx)之间的关系式 将，z，z转变成原岩应力分量x，y，z，xy，yz，zx的表达式，可得到下列方程,(15),(16),(17),(18),2.3 套孔应力解除法,这就是根据应力解除过程中测得孔壁应变值计算原岩应力的公式。从6个应力分量即可以算出测点三个主应力加大小和方向。每组应变花的测量结果可得到4个方程，三组应变花共得到12个方程，其中至少有6个独立方程，因此可求解出原岩应力的6个分量（x，y，z，xy，yz，zx）。,2.3 套孔应力解除法,4)孔壁应变计围压试验结果计算测点岩石弹性模量和泊松比的公式,(19),(20),式中：P0为围压值；E，v分别为岩石的弹性模量和泊松比；，z分别为围压引起的平均周向应变和平均轴向应变。,2.3 套孔应力解除法,空心包体应变测量,1)测量原理：空心包体应变计的主体是一个外径37mm，壁厚2mm的空心圆筒，三组和孔壁应变计类似的应变花嵌贴在筒壁的中间。2)空心包体应变计算地应力的方式,(21),(22),(23),(24),2.3 套孔应力解除法,空心包体应变计应变数据计算地应力的公式和孔壁应变计具有几乎相同的形式。多了4个修正系数k1，k2，k3，k4(统称k系数)，用以修正由于在空心包体应变计中，应变片不是直接粘贴在孔壁上，而是与孔壁有1mm左右的距离，因而其测出的应变值和孔壁应变计测出的应变值是有区别的。k系数是与岩石和空心包体材料的弹性模量、泊松比、空心包体的几何形状、钻孔半径等有关的变数。对于每一次应力解除试验，都必须具体计算该测点的k系数值。k系数的计算公式教材岩石力学与工程（蔡美峰主编，何满潮、刘东燕副主编）第170页。,2.3 套孔应力解除法,3)空心包体围压试验计算测点岩石弹性模量和泊松比的公式 和空壁应变计的围压试验计算公式也基本相同，但在公式(4-25)式中多了一个K1，它是由蔡美峰推导出来的。,(25),(26),2.3 套孔应力解除法,4)空心包体应变计优点应变计和孔壁在相当大的一个面积上胶结在一起，因此胶结质量较好。胶结剂还可注入应变计周围岩体中的裂隙、缺陷，使岩石整体化，因而较易得到完整的套孔岩芯。可用于中等破碎和松软的岩体中，且有较好的防水性能。目前空心包体应变计已成为世界上最广泛采用的一种地应力解除测量仪器。5)北京科技大学蔡美峰教授等发明了“实现完全温度补偿并考虑岩体非线性的地应力解除测量技术”，使地应力测量的可靠性和精度大幅度提高。,2.3 套孔应力解除法,2.3 套孔应力解除法,2.4 五个矿山地应力测量结果,表1 新城金矿应力解除法各测点主应力计算结果,（MPa）（7）,（MPa）（9）,（MPa）（8）,地应力场分布模型（线性回归）：,2.4 五个矿山地应力测量结果,图3,2.4 五个矿山地应力测量结果,表2 峨口铁矿水压致裂法各测点主应力计算结果,2.4 五个矿山地应力测量结果,表3 峨口铁矿应力解除法各测点主应力计算结果,2.4 五个矿山地应力测量结果,地应力场分布模型（灰色建模理论）：,（10）,（11）,（12）,式中：,分别为最大水平主应力、最小水平主应力,和垂直主应力；,为区域坐标，Z为埋深,2.4 五个矿山地应力测量结果,表4 梅山铁矿各测点主应力计算结果,2.4 五个矿山地应力测量结果,地应力场分布模型（线性回归）：,（MPa）（13）,（MPa）（14）,（MPa）（15）,2.4 五个矿山地应力测量结果,图4 梅山铁矿,与深度的关系,2.4 五个矿山地应力测量结果,表5 金川镍矿各测点主应力计算结果,2.4 五个矿山地应力测量结果,地应力场分布模型（线性回归）：,（MPa）（16）,（MPa）（17）,（Mpa）（18）,2.4 五个矿山地应力测量结果,图5 金川镍矿,与深度的关系,2.4 五个矿山地应力测量结果,表6 玲珑金矿各测点主应力计算结果,2.4 五个矿山地应力测量结果,地应力场分布模型（线性回归）：,（MPa）（19）,（MPa）（20）,（MPa）（21）,2.4 五个矿山地应力测量结果,图6 玲珑金矿,与深度的关系,2.4 五个矿山地应力测量结果,五个矿山地应力场分布规律性分析 1）五个矿山的地应力分布状态基本相同，即在三个主应力中，均有二个接近于水平方向，另一个接近于垂直方向。2）五个矿山的最大主应力均位于近水平方向，最大水平主应力值为自重应力的2倍左右。说明这五个矿山的地应力场是以水平构造应力为主导的，而不是以自重应力为主导的。3）最大水平主应力的走向，新城金矿位于南东东-北西西向或接近东西向，梅山铁矿位于南东-北西向，峨口铁矿位于南南东-北北西向或接近于南北向，金川镍矿为北北东-南南西向或接近南北向，玲珑金矿为南东-北西向，均基本上与区域构造地应力场最大主应力的方向相一致。,2.4 五个矿山地应力测量结果,4）位于近水平面内的二个主应力的值，一般相差较大，显示出很强的方向性。按照莫尔-库仑强度理论，两个主应力的差值就是剪应力，而岩体的破坏通常是由于剪切破坏引起的，在水平面内存在的很大剪应力是引起地下巷道和采场变形和破坏的重要原因，必须引起足够的重视。5）垂直应力值基本上等于单位面积上覆岩层的重量。垂直应力的平均值，新城金矿、梅山铁矿、峨口铁矿和玲珑金矿均为略大于自重应力，只有金川镍矿略小于自重应力。6）最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力均随深度呈近似线性增长的关系。这就意味着在矿山深部将会遇到很大的地应力的作用。必须采取合理有效措施控制地应力的作用，维护地下采场、巷道的稳定性。,2.4 五个矿山地应力测量结果,第三节 地下矿山采矿设计优化,第三节 地下矿山采矿优化设计,采矿过程是一个力学过程，因此研究采矿问题必须借助于数学、力学的方法。研究力学问题一般只关心两个因素，一是结构材料因素，二是荷载因素。而采矿工程比其他工程要复杂得多，采矿力学研究所涉及到的因素比其他力学问题也要多得多。研究对象岩体是一种非常复杂的地质结构体，具有不连续性、不均质和各向异性；力学形态或本构关系表现出非常复杂的非线性；与其他力学问题所研究的材料完全不同。,3.1 地下采矿力学研究的特点,荷载形式采矿问题力学分析的基础是地应力的存在。地应力是存在于地层中的“原始应力”，是一种内应力，而不是外加荷载。是“先有荷载，后挖洞”，不是“先挖洞，后荷载”。一般力学问题如地面结构物上的受力是由加载而产生，而采矿是“开挖问题”，开挖空间引起局部地应力释放，采矿结构上的荷载是由岩体卸荷而产生的。采矿问题的力学分析和其他力学分析中思路上和方法上均有很大差异。,3.1 地下采矿力学研究的特点,3.1 地下采矿力学研究的特点,反转应力法多步开挖加载等效释放荷载模型,施工因素地下采矿的力学分析除了考虑材料因素、荷载因素以外，还要考虑施工因素。采矿是一个非常复杂的开挖过程，其开挖不是一次完成的，而是分多次完成的。线性材料的加卸载路径是相同的，符合迭加原理，而非线性材料加卸载路径不同，不能迭加（加载途径性）；多步开挖过程就是一个反复的加卸载过程，由于岩体是非线性的，因而开挖引起的力学效应就具有加载途径性；,3.1 地下采矿力学研究的特点,开挖过程、开采顺序不同就会产生不同的应力-应变历史变化过程和不同的最终力学效应不同的巷道和采场布置，不同的开拓过程和回采顺序、回采步骤，不同的工艺方法、不同的支护方式、支护结构和施工方式、施工时间等，都会产生不同的力学效应，出现最终不同的稳定性状态；施工因素对采矿工程的稳定性具有重大影响。,3.1 地下采矿力学研究的特点,不确定研究方法采矿的力学分析过程中包括了大量的不确定性因素，这种不确定性既包括模糊性，也包括随机性。力学分析的原始数据、原始资料，如工程地质、水文地质条件、矿体赋存状况、岩体结构，物理力学性质，本构关系等均具有大量不确定性；原始数据、原始资料的调查、搜集都受到数量的限制和人为的影响，都具有随机性。采矿的工艺方法、施工过程也具有不确定性，因为即使相同的设计，不同的人施工，其效果也不一样用确定性的研究方法，如传统的数学力学方法，不能解决采矿过程的力学分析问题，必须采用新的不确定性研究方法才能使分析研究的结果比较符合实际。,3.1 地下采矿力学研究的特点,目标：根据具体的矿体赋存状况和开采技术条件，选择最合理的采矿设计方案，以便在保证生产安全的前天下，最大限度地减少开拓和支护成本，最大限度地增加矿石产量，提高企业的经济效益、社会效益和环境效益。安全性选择正确的采矿方法，在深部地应力大、矿岩破碎条件下，采用充填法而不是空场法；设计合理的开采顺序和开挖步骤，以使围岩的应力变形分布趋于合理；确定合理的支护设计参数和有效的地压控制措施，既保证采场和巷道的稳定，又要尽可能节省支护成本。,3.2 采矿设计优化的目标和内容,生产效率选择的采矿方法和回采设计方法应尽可能提高开采强度，增加采矿生产能力和劳动生产率地下开采无轨化作业，提高采矿的机械化作业水平盘区上向高分层充填法连续回采（新城金矿）大面积无矿柱连续回采（金川镍矿）,3.2 采矿设计优化的目标和内容,矿石回采率必须尽可能充分回收资源，提高矿石回采率，减少矿石损失；禁止短期行为和以牺牲资源为代价的高效益；在经济指标许可的前提下尽可能选择矿石损失少的采矿方法；避免由于应力集中，围岩或矿体破坏，导致一部分矿采不出来的现象。,3.2 采矿设计优化的目标和内容,矿石贫化率矿石贫化率就是混入矿石的废石的比例，和矿石损失率一样，它是采矿的一个重要技术经济指标。努力降低矿石贫化率，对保证矿石质量、降低生产成本关系重大在采用崩落法较多的冶金矿山，可通过改进放矿工艺等方法，尽可能降低矿石贫化率。经济效益采矿设计优化的目标，就是要根据矿山的具体开采条件，采用最合适的开采方式，使矿山企业达到其可能达到的最大效益。,3.2 采矿设计优化的目标和内容,社会效益和环境效益采矿对生态环境的影响和破坏，必须控制在允许的范围内，越小越好；尽可能减少采矿对地面植被的破坏，减少废石废水的排放，避免废石占用耕地和废水对地下水的污染；避免采矿引起的大面积地表变形和下沉、塌陷、地下水位的下降和枯竭建立“清洁生产”和“生态采矿”的概念，努力建立“无废矿山”。,3.2 采矿设计优化的目标和内容,为了实现安全、经济、高效的采矿目标，必须针对具体的矿体规模、价值和赋存特点，系统掌握开采的技术条件，选择合理的采矿方法，确定合理的开采工艺流程。从而实现采矿设计的优化。工程地质条件和矿岩物理力学性质工程地质条件包括岩体结构、岩性分布、破碎带、断层、节理、裂隙分布及其状况、地下水状况等；工程地质条件和矿岩体物理力学性质的综合反映是矿岩体的稳定性。它是直接影响采矿构成要素和地压管理方法的重要因素。,3.3 影响采矿方法选择和设计优化的主要因素,地应力状态只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸、开挖步骤、支护形式、支护结构参数、支护时间等；深部开采中将遇到高地应力的作用，高应力下的采矿方法、采场结构和支护措施，与低应力条件相比，将会有重大变化。矿体的种类和质量矿石的价值决定开采的成本和采矿方法的选择.,3.3 影响采矿方法选择和设计优化的主要因素,矿体赋存状况（倾向和厚度）水平、缓倾斜、倾斜和急倾斜四种不同倾向矿体的开采方法和采场布置是不同的。（金属矿山采矿设计优化与地压控制第和节）对于极薄和薄矿脉，所选择的采矿方法要特别注意矿石的变化；对于中厚以上的矿体，所选择的采矿方法要有利于提高开采强度和采场生产能力，有利于机械化作业；对于薄矿脉，采场只能沿走向布置；对于厚矿体，采场则应垂直走向布置。,3.3 影响采矿方法选择和设计优化的主要因素,矿体赋存环境条件矿体赋存环境条件主要是指矿体与周围围岩的接触情况、围岩的稳定性状态以及埋藏深度我国的大多数铁矿石磁铁矿或称变质型的，以及沉积型的，一般矿体厚大、整体性好，周围也没有必然的破碎带，所以矿岩稳定性好。这就为采矿设计时选择低成本采矿方法提供了条件。多数的铜矿、金矿都是通过热液交代形成的矿体，矿体一般赋存于断裂中或破碎带中，围岩稳定性差，这就迫使这些矿上必须采用充填法等成本较高的采矿方法；随埋藏深度增加，矿体和围岩会变得越来越破碎，稳定性越来越差；,3.3 影响采矿方法选择和设计优化的主要因素,深部地应力增加，温度升高，通风和工作面条件恶化，提升成本大幅度增加。这些都是深部开采设计在地压控制、通风降温和降低生产成本等方面提出特殊的要求。开采技术条件环境条件：选择环境允许的开采方法和工艺。技术设备和材料供应情况：根据实际的技术装备条件和材料供应情况作出合理可行的开采设计方案。技术管理水平：要搞好一个矿山，一靠技术，二靠管理，迅速提高矿山技术管理水平，已成为实现采矿优化的关键环节。,3.3 影响采矿方法选择和设计优化的主要因素,开采技术经济指标开采技术经济指标包括：采场生产能力，工人或设备劳动生产率，矿石损失率、贫化率，采切比，主要材料消耗和矿石成本。不同的技术经济指标要求将决定采用不同的开采方法和开采工艺。,3.3 影响采矿方法选择和设计优化的主要因素,采矿方法的选择和设计优化不是一个单因单果的问题，也不是通过简单的力学计算或经济分析就能决定的。采矿是一个复杂的系统工程。必须用系统论的原则、不确定性和非线性研究方法、多目标决策理论才能解决采矿设计的优化问题。根据系统论的原则进行采矿设计优化，首先要建立一个优化分析系统，该系统要包括影响采矿设计和施工的各种主要因素。同时要确定优化目标，目标不是单一的，而是多元化的，“安全、经济、高效和有利于环境保护”是采矿工程的共同目标。采矿设计优化所确定的开采系统是相对于一定的系统环境条件而言的。优化是相对的，不是绝对的。离开了具体的系统环境条件，包括工程地质条件、矿体赋存状况、开采技术条件和经济条件来研究开挖系统优化是没有实际意义的。,3.4 采矿设计优化的主要步骤,系统目标的确定确定地下开采的生产规模、生产能力、技术经济指标、对环境保护的要求等。系统信息的获取采矿工程基础资料的调查、实验和研究，为建立采矿工程系统提供必需的原始数据最重要的基础资料包括现场地应力状态，工程地质、水文地质条件和矿体赋存的状态，岩体结构和质量等调查、分析过程中均需要借助模糊数学、灰色理论、神经网络等不确定分析方法来进行处理。,3.4 采矿设计优化的主要步骤,系统结构的建立就是开采设计“预选方案”的确定，根据工程地质、水文地质和矿体赋条件，以及需要达到的开采目标，事先合理选择若干个较为可行的方案，然后进行优化分析，以确定最终的开采方案为了保证“预选方案”的合理性，需借助正交设计和专家系统的理论和方法。系统的功能分析就是对开采设计“预选方案”的定量计算分析。最常用的分析方法为数值分析方法。由于原始参数的不确定性和不完全性，对“预选方案”的计算和分析需要采用定量化、模糊化、神经网络等由于岩体材料、地质环境和开挖过程的非线性，在计算分析过程中往往也要借助非线性理论和方法（分岔论、突变论、混沌论）,3.4 采矿设计优化的主要步骤,开采设计优化决策系统决策根据矿山的实际情况和预定的开采目标，选择一个最切实可行的优化开采设计方案要充分体现多目标决策的思想，特别要进行大量的经济比较、分析。现场监测和反分析系统信息反馈对开采系统的行为（应力、位移、变形、破坏规律等），采取多种手段进行实时现场监测，根据监测结果及其反分析可以不断地修改原始参数，修改原始设计。,3.4 采矿设计优化的主要步骤,3.5 工程实例：新城金矿复杂条件矿床采矿方法研究（国家“九五”攻关项目）,开采难点：1）矿体赋存于宽大断裂带中，上盘为破碎岩或断层泥，极不稳定；2）矿体沿走向长度较短，但延深大、倾角缓；矿体厚度变化大，形态多变；3）由于矿体沿走向长度短，因而采场布置和矿山生产规模受到严重限制；4）地表有村庄、农田和公路，不允许沉陷；5）围岩破碎，采矿方法陈旧，采矿损失率和贫化率长期居高不下。,关键技术：,（1）采用盘区上向高分层连续回采充填采矿工艺。高分层开采显著提高了采场生产能力和采矿强度，减少采准工作量，降低生产成本。实现了各采场连续回采，大大增加了盘区内同时回采的采场数目，大幅度提高盘区生产能力，充分发挥机械化无轨作业的优越性；大大增加了采场安全性，显著降低采矿损失率和贫化率。采用正交设计、非线性神经网络和非线性有限元数值模拟等多种方法进行了采矿设计的定量计算、分析，实现了采场结构参数和开采顺序的优化。,（2）提出了盘区呈“品”字型布置采场进路的免压拱开采技术，使采场围岩的应力分布趋于合理，采场地压得到有效控制。,（3）实现了采场凿岩爆破参数的优化，提高了爆破效率和质量，增大了采场生产能力，节省凿岩爆破成本，同时使采场作业环境大大改善。（4）实现了无轨采掘设备的优化配置和全盘机械化，提高了无轨采掘设备的作业效率和机械化作业水平。提高了矿山生产能力，降低了生产成本。（5）采用多种手段进行现场地压实时监测，为地压控制和生产安全提供了保障。,攻关前后技术经济指标对比,4.大型深凹露天矿边坡设计优化,4.1 现状和问题我国一大批大中型露天矿已经或即将由山坡露天开采转为深凹开采。开采深度已延伸至地表下100150米，有的将达到300400米。很多露天矿的边坡垂直高度将超过600700米。随着边坡的加高加陡，边坡稳定性维护的难度越来越大，边坡滑移和倾倒破坏事故的发生日益频繁，严重威胁矿山的安全生产，制约矿山生产能力的提高。另一方面，提高边坡角又是减少剥离和生产成本的重要手段。一个年产千万吨的矿山，边坡角每提高1就可减少剥离量0.51.5亿吨，节省成本13亿元，经济效益极为显著。这是一把双刃剑。我国大型露天矿同国外相比，边坡角普遍偏缓5左右。,4.2 边坡稳定性分析和设计优化国内外边坡设计的传统方法是极限平衡法，这是一种确定性的分析方法，而且没有考虑地应力的作用，因而该方法对山坡露天矿设计是适用的，但对深凹露天矿设计并不适用。深凹露天矿边坡设计优化：采用数值模拟和极限平衡分析相结合的方法。对不同边坡角和边坡设计方案进行定量的计算和分析，在保证安全的前提下，尽可能地提高边坡角，减少剥离量，尽可能地减少生产成本，增加矿石产量和矿山效益。,4.3 工程实例：大型深凹露天矿高效运输系统及强化开采技术研究完成的主要研究内容：1.水厂铁矿边坡工程地质勘查研究 2.水厂铁矿边坡水文地质调查与渗流场分析研究 3.水厂铁矿地应力测量 4.水厂铁矿矿岩物理力学性质试验 5.水厂铁矿边坡稳定性分析及优化设计 6.水厂铁矿边坡稳定性监测与分析,4.3.1 水厂铁矿边坡工程地质勘查与试验研究,完成的主要工作：边坡专门工程地质测绘，实际上图测点345个；边坡深部工程地质勘探，共打专门边坡补勘钻孔3个，累计进尺916.51米；采场台阶边坡稳定性调查；边坡岩体节理裂隙测量统计，布置节理裂隙测点30个，实测数据2349条；现场岩石点载荷强度试验，共计1420块。,（1）边坡岩体工程地质岩组的划分,1)紫苏混合花岗岩组 2)辉石斜长片麻岩组 3)紫苏黑云斜长片麻岩组 4)磁铁石英岩组 5)矽线黑云斜长片麻岩组 6)长石石英砂岩组 7)砾岩组 8)火山熔岩组 9)火山碎屑岩组 10)松散岩组 11)构造岩组,（2）结构面（断层）,1）一级结构面：具有区域规模的大型断裂面，属一级结构面的断层有黄金寨大断裂（Fhj）、刘官营大断裂（Flg）和将军墓岭大断裂（F将）三条。2）二级结构面：为在采场内影响范围较大，甚至贯穿整个采场的中型断裂构造，共10条。3）三级结构面：影响范围在工程地质分区内的断层，部分可能跨两个分区，属三级结构面的断层有15条。4）四级结构面：为影响的范围较小的小型结构面，包括未予命名的小断层和大量的大节理。5）五级结构面：是能够引起边坡破坏的最小型的结构面，包括小型的裂隙、节理、劈理、片理、片麻理等。,（3）岩体结构,矿区的岩体结构主要分为四个类型：1)块状结构 块状结构的岩体完整性好,结构体为块体,其中的不连续面主要为节理面,且节理或裂隙的贯通性差,岩体强度高或相对较高。,2）层状结构 矿区内多数岩体属于此种结构类型。该类岩体具有清楚的层面，其力学特征各向异性明显，岩体的变形和破坏一般受层面、层间错动带和软弱夹层的控制。,3）碎裂结构 碎裂结构的岩体完整性差，呈规则和不规则的碎块状，此系遭受层面、节理面、裂隙面、劈理面等不连续面交错切割所至。,4）散体结构 具散体结构岩体的完整性已经完全丧失，由于强烈的风化作用，使原岩遭受严重破坏，岩石呈形状不规则的块状体混杂在较多的土状物中，或由松散层构成。,（4）边坡破坏模式分析：,（1）平面破坏 简单平面破坏，复合型平面破坏，多平面阶梯状破坏，波状平面破坏。（2）圆弧型破坏（3）楔形破坏（4）倾倒破坏（5）崩塌破坏,采场单一平面破坏,采场复合型平面破坏,采场阶梯状破坏,采场波状平面破坏,采场圆弧形破坏,采场楔形破坏,采场倾倒破坏,采场崩塌破坏,（5）边坡工程地质分区,工程地质分区划分依据如下：(1)工程地质岩组特征；(2)岩体结构特征；(3)岩体不连续面特征；(4)采矿设计及边坡方位特征。依据上述原则，将矿区划分为I-V五个工程地质区，其中区又分为-A、-B两个亚区。,4.3.2 水厂铁矿边坡水文地质调查与渗流场分析研究,1）深部边坡补充钻探水文地质试验 2001年12月2002年7月，首钢地质勘查院地质研究所完成了KD1、KB、KE1三个钻孔边坡钻探及水文地质试验工作。,完成工作量一览表,注水试验：测定岩石的渗透系数；压水试验：测定岩石的透水率。,2）边坡渗流场分析,渗流分析模型：等效连续介质模型计算分析方法：有限单元法结果分析：1）通过对边坡地下水渗流模型的建立，以钻孔实测水位资料和滦河水位为依据，对水厂铁矿最终境界位置时边坡水压分布作出了预报，为后续边坡稳定性的优化和计算提供了必要的水压参数。2）区剖面边坡岩体内地下水位比较高，且出水点位于第三系岩层附近，对边坡的稳定不利，应给予足够重视。3）由于边坡地质构造的复杂性，在边坡局部可能形成具有承压性的封闭的储水构造，在矿山生产过程中要给予注意。,水厂铁矿地应力测量,(1)水压致裂法,(2)应力解除法,地应力值与深度的关系,（1）最大水平主应力的回归方程为：,（2）最小水平主应力的回归方程为：,（3）垂直主应力值的回归方程为：,（MPa）,（MPa）,（MPa）,4.3.4 边坡稳定性分析与设计优化,水厂铁矿边坡稳定性分析和设计优化采用固流耦合有限差分法(FLAC)、离散单元法(UDEC)和极限平衡分析三种不同的方法，三种不同方法的计算和分析结果相互比较，相互补充，相互验证，就能保证计算和分析结果的可靠性和准确性。在边坡设计中，根据上、下部的不同岩性，采取变边坡角的设计方案，一般情况下，上部比下部稍缓，上、下部分界线由岩性确定。计算剖面11个，I区3个，II区3个，III区1个，IV区3个，V区1个。,为了进行边坡设计优化，对各剖面选择不同的边坡设计方案进行计算、分析、比较，从中确定最佳边坡角作为推荐设计方案。特别对I，II区，即在边坡稳定性分析中最为关键的两个区，也是对提高边坡角，减少剥离成本最具潜力的两个区，采用了三维固流耦合有限差分法和三维极限平衡分析方法，这在国内外是第一次。,滑动面的三维图,水厂铁矿边坡优化设计推荐方案,