矿山边坡岩体非线性力学分析与安全预警系统研究.pdf

分类号U D C 博士学位论文 密级 矿山边坡岩体非线性力学分析 与安全预警系统研究 N o N L I N E A RM E C H A N I C A LA N A L Y S I S0 FR O C KM A S S A N DE A R L YW A R N I N GS E C U R I T YS Y S T E MI NM I N ES L o P E 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期 班．1 2 ．1 ＼ 薛锦春 安全技术及工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 答辩委员会主席 中南大学 二0 一二年九月 N o N L I N E A RM E C H A N I C A LA N A L Y S I S o FR o C KM - A S SA N DE A R I ⅣW A R N I N G S E C U R J T YS Y S T E MI NM I N ES L O P E Ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do ft h ed e g r e e D O C T o Ro F P H I L o S o P H Y f r o m C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y b y X U E ⅡN C H I 烈 s u p e r v i s e db y P r o f e s s o rL I ⅪB I N G S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ， C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y , C h a n g s h a410 0 8 3 ，R R ．C h i n a S e p t e m b e r , 2 012 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 储虢蓐蜢魄监年坳且日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 幽圣年幽』日 博士学位论文摘要 摘要 与其它人工边坡工程相比，露天矿山边坡工程高度大、地质条件 复杂、且处于不断开挖扰动，有必要针对其特征，探索其力学规律与 稳定性。为此本文在总结国内外边坡工程研究经验的基础上，提出了 一种适应矿山边坡的岩体质量分级方法，建立了矿山边坡岩体质量分 级的知识库模型，并研究适应矿山边坡工程的改进可靠度算法，构建 了矿山边坡工程稳定性评价体系，用混沌理论揭示了矿山边坡岩体变 形规律，建立了露天开采安全预警系统。主要研究内容如下 1 在总结国内外岩体质量分级研究成果的基础上，用岩石单轴 抗压强度、R Q D 值、节理问距、节理状态、地下水状态、节理方向 和地应力状态7 个指标建立了矿山边坡岩体质量评价体系。 2 采用国内外大量矿山边坡工程数据，建立了矿山边坡岩体质 量与其影响因素的神经网络知识库模型，实现了矿山边坡工程岩体质 量智能分级。 3 在总结蒙特卡罗模拟法、统计矩法等可靠度计算方法的基础 上，应用L o g i s t i c 迭代方程，提出了一种新的矿山边坡岩体可靠度计 算方法。该可靠度改进算法不需对功能函数求偏导即可得出可靠度指 标，具有算法简单、程序编制方便等优点。 4 采用基于L o g i s t i c 迭代方程的可靠度改进算法分析了德兴铜 矿杨桃坞、水龙山和西源边坡稳定性。研究显示，边坡岩体安全系数 高，并不意味边坡岩体一定处于稳定状态；在自重条件下稳定的边坡 岩体，并不意味着在考虑自重 爆破 结构面饱水的组合状态下边坡 工程稳定，矿山边坡岩体稳定性与其可靠度系数和受力状态相关。 5 用岩性特征、滑面特征、滑体大小、开采强度、爆破作用、 后缘加载、水力侵蚀和设备活动8 个指标构建了边坡稳定性评价体 系，根据未确知测度和F i s h e r 判别原理建立了矿山边坡岩体稳定性 评价模型。通过矿山边坡工程实例分析，表明该方法判估错误率低， 博士学位论文摘要 精确度高。 6 在德兴铜矿杨桃坞和石金岩边坡采用多点位移计建立了边坡 岩体变形安全监测系统，并根据边坡岩体变形监测数据，采用基于重 构相空间的混沌理论，揭示了矿山边坡岩体的变形规律。 7 根据边坡岩体变形特征，建立了矿山边坡岩体变形安全预警 系统。工程应用表明，矿山边坡安全预警系统通过重构相空间技术放 大岩体变形信号，可及时了解和分析边坡岩体变形情况，判断其是否 处于预警区域，不仅可以对边坡岩体的稳定性作出预报，而且可反映 出露天开采强度的合理性，为露天矿安全生产提供了技术保障。 关键词矿山边坡；岩体质量分级；可靠度改进算法；安全预警系统 博士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T C o n t r a s t i n gw i t ho t h e ra r t i f i c i a ls l o p e ，o p e n - p i tm i n es l o p ea r eh i g h h e i g h t ，c o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dc o n s t a n t l yd i s t u r b a n c eb y e x c a v a t i o n ，S Oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h e i rm e c h a n i c a ll a wa n d s t a b i l i t y ．O nt h eb a s i so fs u m m i n gu pt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e x p e r i e n c e so fs l o p ee n g i n e e r i n g ，ac l a s s i f i c a t i o nm e t h o do fr o c km a s s q u a l i t y t h a ti s a d a p t e do p e n p i tm i n es l o p e i s p u t f o r w a r da n da k n o w l e d g eb a n km o d e lo fr o c km a s sq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o ni nm i n es l o p e i se s t a b l i s h e d ．A n dt h e n ，a ni m p r o v i n g r e l i a b i l i t ya l g o r i t h mt h a ti s a d a p t e dt om i n es l o p ee n g i n e e r i n gi so b t a i n e d ，a n das t a b i l i t ye v a l u a t i o n s y s t e mo fm i n es l o p ei sc o n s t r u c t e d ．M o r e o v e r , t h ed e f o r m a t i o nl a w so f m i n es l o p ea r er e v e a l e dw i t ht h ec h a o t i ct h e o r y , a n das e c u r i t ye a r l y w a r n i n gs y s t e mi sw o r k e du p ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s O nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g na c h i e v e m e n t s o fr o c km a s sq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o n ，a ne v a l u a t i o ns y s t e mo fr o c km a s s q u a l i t yi nm i n es l o p e ，w h i c hi sc o n t a i n e dt h es e v e ni n d i c a t o r so fu n i a x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，R Q Dv a l u e s ，j o i n ts p a c i n g ，j o i n ts t a t u s ， g r o u n d w a t e rs t a t u s ，j o i n td i r e c t i o na n d e a r t hs t r e s s ，i se s t a b l i s h e d ． A c c o r d i n gt ot h el a r g ea m o u n t so fd o m e s t i ca n df o r e i g nd a t ai n m i n es l o p ee n g i n e e r i n g ，ak n o w l e d g eb a n km o d e lo fn e u r a ln e t w o r k ， w h i c hi se m b o d i e dt h er r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o c km a s sq u a l i t ya n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，i se s t a b l i s h e d ，a n dt h ei n t e l l i g e n tc l a s s i f i c a t i o no f r o c km a s sq u a l i t yi sr e a l i z e d ． S u m m i n gu pt h er e l i a b i l i t ym e t h o do ft h eM o n t eC a r l os i m u l a t i o n m e t h o d ，t h es t a t i s t i c a lm o m e n tm e t h o d ，e t c ．，an e wm e t h o do fr e l i a b i l i t y o fm i n es l o p ei sp u tf o r w a r d e db ya p p l i c a t i o no ft h eL o g i s t i ch e r a t i v e E q u a t i o n ．T h ei m p r o v i n gr e l i a b i l i t ya l g o r i t h mc a nb eo b t a i n e dr e l i a b i l i t y i n d e xw i t h o u tt h ep a r t i a ld e r i v a t i v eo fp e r f o r m a n c ef u n c t i o n ，S Ot h e a l g o r i t h mi ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tp r o g r a m m i n g ． T h es l o p es t a b i l i t yo fY o u n g t a o w u ，S h u i l o n g s h a na n dX i y u a ni n I I I 博士学位论文 A B S T R A C T D e x i n g C o p p e rM i n e a r e a n a l y z e dw i t ht h ei m p r o v e dr e l i a b i l i t y a l g o r i t h mb a s e do nL o g i s t i cI t e r a t i v eE q u a t i o n ．T h er e s e a r c h i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h eh i 曲s a f e t yf a c t o r so fm i n es l o p ed on o tm e a nt h a tt h es l o p e m u s tb ei ns t a b l es t a t e ，a n dt h es t a b l es l o p e si nw e i g h tc o n d i t i o nd on o t m e a nt h a tt h e ya r e s t a b l ei nc o n s i d e r i n gt h ec o m b i n a t i o nc o n d i t i o n so f w e i g h t ，b l a s t i n ga n ds a t u r a t e ds t r u c t u r a ls u r f a c e ，a tt h es a m et i m e ，t h e s t a b i l i t yo fm i n es l o p e sa r er e l a t e dw i t ht h e i rr e l i a b i l i t yc o e f f i c i e n t sa n d t h es t r e s ss t a t e s ． W i t ht h ee i g h ti n d i c a t o r so fl i t h o l o g i c a lf e a t u r e s ，s l i d i n gs u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s ，s l i d i n gb o d ys i z e ，m i n i n gi n t e n s i t y ，b l a s t i n ge f f e c t ，b a c k e d g el o a d ，w a t e re r o s i o na n de q u i p m e n ta c t i v i t i e s ，t h es l o p es t a b i l i t y e v a l u a t i o ns y s t e mi Se s t a b l i s h e d ，a n da c c o r d i n gt ou n a s c e r t a i n e dm e a s u r e a n dF i s h e rd i s c r i m i n a n tp r i n c i p l e ，a ne v a l u a t i o nm o d e lo fm i n es l o p e s t a b i l i t yi so b t a i n e d ．T h r o u g ha l li n s t a n c ea n a l y s i so fm i n es l o p e ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ee v a l u a t i o nm e t h o dh a st h ec h a r a c t e ro fl O We r r o r r a t ea n dh i g ha c c u r a c y ． A tY o u n g t a o w ua n dS 埘i n y a ns l o p ei nD e x i n gC o p p e rM i n e ，t h e s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mo fs l o p ed e f o r m a t i o ni nr o c km a s si Ss e tu pw i t } 1 M u l t i - p o i n td i s p l a c e m e n tm e t e r s ，a n da c c o r d i n gt ot h em o n i t o r i n gd a t a ， t h ed e f o r m a t i o nl a wo fm i n es l o p ei sr e v e a l e dw i t hc h a o t i ct h e o r yb a s e d o nt h er e c o n s t r u c t e dp h a s es p a c e ． T h es e c u r i t ye a r l yw a r n i n gs y s t e mo fm i n es l o p ei se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r so fr o c km a s s ．1 1 1 e r e s u l t so f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h es a f e t ye a r l yw a r n i n gs y s t e mo f m i n e s l o p e C a ne n l a r g ed e f o r m a t i o ns i g n a lo fr o c km a s st h r o u g h r e c o n s t r u c t e dp h a s es p a c et e c h n o l o g y ，a n dc a nw e l lu n d e r s t a n da n d a n a l y z et h ed e f o r m a t i o no fm i n es l o p e ，a sw e l la sc a r ld e t e r m i n ew h e t h e r t h es l o p ei si nw a r n i n gr e g i o n ．M o r e o v e r ，n o to n l yt h es l o p es t a b i l i t yC a n b ep r e d i c t e d ，b u ta l s ot h er e a s o n a b l e n e s so fo p e n p i tm i n i n gs t r e n g t hC a n b er e f l e c t e d ，a n dt h ep r o d u c t i o ns a f e t yi sp r o v i d e df o ro p e n - p i tm i n e 。 K e yW o r d s m i n es l o p e ；r o c k m a s sq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o n ；i m p r o v e d r e l i a b i l i t ya l g o r i t h m ；s e c u r i t ye a r l yw a r n i n gs y s t e m I V 博士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．【I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 工程岩体质量分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 边坡工程破坏机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 ．3 边坡工程稳定性研究方法与理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．2 ．4 边坡稳定性安全评价方法与理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 ．2 ．5 边坡岩体变形非线性预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．3 本文研究内容与研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 第二章矿山边坡岩体质量分级的神经网络知识库研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．2 矿山边坡工程岩体质量分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．2 ．1 矿山边坡工程岩体稳定性影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．2 矿山边坡工程岩体稳定性评价指标的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．3 边坡工程M ．R M R 分类法各指标修正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．2 ．4 矿山边坡工程岩体质量分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．3 边坡工程岩体智能分级的神经网络知识库研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 2 ．3 ．1 人工神经网络原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 2 ．3 ．2 岩体质量智能分级的神经网络模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 2 ．4 岩体质量影响因素的灰色关联排序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～3 8 第三章基于改进算法的矿山边坡工程可靠度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．2 边坡工程可靠度改进计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．2 ．1 可靠性定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．2 ．2 可靠度计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．2 ．3 边坡工程可靠度改进算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．3 基于改进算法的矿山边坡工程可靠度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 3 ．3 ．1 矿山边坡工程极限状态超平面模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．3 ．2 矿山边坡工程可靠度改进算法的工程实例分析⋯⋯⋯⋯⋯5 8 V 博士学位论文目录 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 第四章矿山边坡稳定性未确知测度判别与F I S H E R 识别⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 4 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 6 4 ．2 聚类未确知综合识别方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 4 ．2 ．1 待预测事物的分类模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 4 ．2 ．2 未确知均值分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．2 ．3F i s h e r 识别理论与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 4 ．3 工程实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 4 ．3 ．1 栾川钼矿露采边坡稳定性判别与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 4 ．3 ．2 其它边坡工程的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 第五章矿山边坡岩体变形规律与安全预警系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 5 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 5 ．2 边坡岩体变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 5 ．2 ．1 边坡监测仪器选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 5 ．2 。2 边坡监测仪器安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．2 ．3 边坡变形监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 - 3 边坡岩体变形规律混沌研究原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 5 f 3 ．1 重构相空间与动力系统分形维数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．3 ．2 边坡岩体变形相空间最邻近点距离演变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 5 ．3 ．3 边坡岩体变形的混沌识别⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．3 ．4 边坡岩体变形影响因素的确定性检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 5 ．4 边坡岩体变形的混沌神经网络预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 5 ．4 ．1 混沌神经网络原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 5 ．4 ．2 边坡岩体变形的径向基函数混沌神经网络预测模型⋯⋯⋯9 5 5 ．5 边坡岩体变形安全预警系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 8 5 ．5 ．1 边坡岩体变形监测信号特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．5 ．2 露天边坡稳定性安全预警系统建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 第六章全文结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 6 ．1 全文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 6 ．2 进一步研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 6 攻读博士学位期间发表的学术论文及成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 7 V I 博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 前言 矿产资源是人类赖以生存的物质基础[ M 】。在矿产资源开发过程中，露天开 采因具有受空间限制小、可采用大型设备、有利于实现生产自动化、资源回收 率高、生产效率高、生产成本低、开采条件好等优势[ 『卜1 1 】，浅埋资源一般采用露 天开采，甚至有的地采矿山转露天开采 如广东大宝山铜铁矿、栾川三道庄矿等 。 目前世界上最大的露天铁矿年产量已超过6 0 0 0 万吨【l 引，地下矿山无与能比。我 国铁矿露天开采约占8 0 ％～9 0 ％，有色金属矿露天开采约占4 0 ％一5 0 ％，化工矿 露天开采约占7 0 ％，建筑材料露天开采占1 0 0 ％，煤矿露天开采比重约5 ％，近 年随着神华集团一些大型露天煤矿上马，煤矿露天开采比重有增加的趋势 1 3 1 。 据统计[ 1 4 q6 ‘，目前露天矿山边坡开采高度大于l O O m 的边坡占6 6 ．7 ％，设计 高度大于l O O m 的边坡占9 0 ．7 ％。因矿山边坡高度大，边坡开采过程中揭露的岩 层多，边坡各空问部位地质条件差异大，变化复杂，致使岩体不确定性因素增 多，生产过程中经常发生边坡失稳，危及矿山生产安全【1 7 州】。如1 9 8 2 年6 月8 日，攀钢石灰石矿采场西部产生了国内外罕见的大滑坡，滑坡总量达1 1 0 0 万t ， 直接经济损失2 0 0 0 多万元，间接损失上亿元，影响生产近一年；1 9 9 9 年l O 月 8 日和l o 月1 6 日，陕西铅硐山铅锌矿由于连续降雨，造成两次较大的山体滑坡， 总滑塌量约5 0 0 0 0 m 3 ，直接经济损失达5 0 多万元2 0 0 2 年3 月1 5 日，四川金 顶峨眉水泥厂石灰岩矿发生滑坡，造成8 人死亡，直接经济损失超2 0 0 0 万元； 2 0 0 3 年9 月2 9 日，攀钢朱家包铁矿南边坡滑坡体高1 l O m ，宽达l O O m ，截断了 公路，直接经济损失4 0 0 0 多万元；2 0 0 3 年1 0 月3 1 日，大连甘井子区一石材厂 边坡坍塌，3 名正在作业矿工被坍塌的边坡岩石掩埋；2 0 0 6 年5 月2 7 日，安徽 省无为县安泰石灰石矿4 万m 3 的边坡垮塌，造成6 人死亡，一人重伤；江西省 一露天采石场，采用全段高开采，高度3 5 m ，坡面约3 m 处有一根6 6 0 0 V 高压 电线杆，边坡下部仍在开采，致使露采边坡逐渐变陡，2 0 0 7 年5 月3 1 日，边 坡发生前倾，2 5 名工人在边坡下部作业，约1 5 0 0m 3 边坡岩石突然滑落，造成 1 5 人死亡、3 人重伤的重大安全事故；2 0 1 0 年6 月1 2 日，位于湖州经济技术开 发区的英美资源矿业有限公司发生一起边坡垮塌事故，造成2 人死亡。统计分 析表明[ 2 2 埘1 ，在我国非煤露天矿山大中型边坡中，出现过变形或破坏的占4 2 ．7 ％， 处于险级的边坡占1 9 ％，处于病级边坡占7 1 ％。当前非煤露天矿山大中型边坡 博士学位论文第一章绪论 灾害较为严重，矿山边坡稳定性研究刻不容缓。 与其它工程边坡相比【2 孓3 0 】，水电工程人工边坡高度一般为1 0 0 ～7 0 0 m ，自然 边坡高度为1 0 0 ～1 0 0 0 m ；铁路工程人工边坡高度为5 0 ～1 5 0 m ，自然边坡高度约 3 0 - 2 0 0 m ；铁路工程人工边坡高度为3 0 ～l O O m ，自然边坡高度约5 0 , - - 3 0 0 m ；露天 开采系人工形成的边坡，高度为1 0 0 8 0 0 m ，走向长度1 0 0 ～3 0 0 0 m ，边坡高度大、 地质条件复杂是露天边坡区别于其它工程边坡的显著特征。此外，水电、铁路 和公路边坡开挖完成后，长期保持其稳定性是其最终目标；对于露天矿边坡， 露采台阶推进至最终边坡境界后，下一台阶接着开挖，边坡始终受开挖爆破动 载荷的影响，边坡处于不停的开挖扰动和变形过程中；没有开挖扰动，意味着 露天矿山开采结束；不断开挖扰动是露天矿山边坡工程区别于其它边坡工程的 又一重要特征。对于水电、铁路和公路边坡工程，从岩石力学特性、变形破坏 特征、能量耗散规律等方面，国内外学者进行过大量的研究和探索[ 3 1 - 3 5 ] ，但对 于矿山边坡工程非线性力学特性的研究较小，有必要针对矿山边坡高度大、地 质条件复杂、不停开挖扰动等特征，开展矿山边坡稳定性的非线性力学研究。 为此，本文在总结国内外学者边坡工程研究的基础上，针对矿山边坡岩体 特征，提出一种适应矿山边坡工程的岩体质量分级方法，同时根据已有矿山边 坡岩体研究成果，建立矿山边坡工程岩体质量分级的知识库模型；基于矿山边 坡工程地质条件复杂，将边坡稳定性影响因素作为随机变量，研究适应矿山边 坡工程的可靠度计算方法，采用可靠性理论研究边坡岩体稳定性；在分析矿山 边坡工程稳定性影响因素的基础上，构建适应于矿山边坡工程稳定性的评价体 系，判断矿山边坡工程稳定等级，为治理边坡提供依据；为揭示矿山边坡复杂 变形特征，用混沌理论揭示矿山边坡岩体的变形规律，研究边坡岩体变形的预 测模型，建立露天矿开采岩体变形的安全预警系统，为矿山安全开采提供技术 保障。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 工程岩体质量分级 岩体质量是工程岩体所固有的、与岩体稳定性相关的基本属性，岩体质量 由岩石的坚硬程度和岩体的完整性所决定，工程岩体质量是复杂工程岩体地质 特性的综合反映1 3 6 , - - 3 9 】。工程岩体质量不仅表征了岩体结构所固有力学特性，而 且为工程岩体稳定性分析、工程岩体合理利用以及正确选择各类岩体力学参数 等提供了依据[ 4 叫2 1 。 工程岩体质量分级是设计和评价工程岩体稳定性的基础[ 4 3 】。岩体质量分级 博士学位论文第一章绪论 与评价研究经历了近一个世纪发展历程畔】，从早期较为简单的岩石分类，发展 到多参数的岩石分级，从定性分类到定量或半定量分类，从过去单一影响因素、 单一指标和定性划分为主，朝着多影响因素、多指标、定性与定量相结合的方 向发展H 5 1 。 1 8 8 2 年，法国莫氏根据矿岩硬度不同，用刻划的方法将滑石到金刚石分为 十个等级硬度，称为刻划硬度表；1 9 0 9 年，前苏联普洛托吉雅柯诺夫提出岩石 的“坚固性”概念，并通过系统研究，提出普氏“坚固性系数”，将岩石分为十个等 级；1 9 1 1 年，比尔鲍美提出用岩石天然破碎状态确定岩石荷载的五级分类法 1 9 4 6 年，太沙基提出以考虑岩石种类和岩石荷载相结合的分类方法，将坚硬岩 石到膨胀岩石分为十个等级【4 6 】，其后又将裂隙间距和岩石R Q D 指标也联系到一 起1 9 5 0 年，前苏联普洛托吉雅柯诺夫提出一种测定岩石坚固性系数7 r 值的简 易方法，称为捣碎法；1 9 5 6 年，美国李温斯顿建立一种基于变形能量的爆破漏 斗理论，提出变形能系数，利用该系数可对比岩石的可爆性、炸药单耗和爆破 参数；1 9 5 9 年，美国邦德用爆破功指数确定岩石可爆性，该方法源于破碎和磨 矿工艺中“破碎功指数”；1 9 6 3 年，日本小野李用岩体纵波速度与岩块纵波速度 来评价岩体的完整性；1 9 6 7 年，美国迪尔提出岩石质量指标 R Q D 分类法【4 7 】， 将岩体分为五级；1 9 7 2 年，美国威克汉姆用岩体的地质结构、节理面状态、节 理含水状况提出R S R 岩体质量分级法；1 9 7 3 年，南非宾尼阿乌斯基根据地质力 学的分级方法，用6 个指标总得分提出R M R 岩体质量分级方法[ 4 即；1 9 7 4 年， 挪威巴顿等提出岩体质量的Q 系统分类法，Q 系统分类法和R M R 分级法为国际 上普遍应用的两大岩体质量分级体系[ 4 9 】；1 9 8 4 年，W i l l i a m s o n 提出统一分类法； 1 9 8 5 年，R o m a n a 提出边坡岩体的S M R 分类法；1 9 9 4 年，H o e k 和B r o w n 提出 岩石强度指标G S l 分级法1 5 0 ] 。 我国2 0 世纪5 0 年代广泛采用前苏联普氏分类法对岩体进行分级，7 0 年代 后，随着工程建设的增多，普氏分级法受到一定的局限性，提出了不同的围岩 分类方法。7 0 年代最具代表性的有B Q 标准工程岩体质量分级法[ 5 l 】，水电水 利工程围岩地质分类方法[ 5 2 1 ，谷德振等提出岩体质量z 分类方法【5 3 】，杨子文提 出岩体质量指标M 分级法