《煤炭学报》“露天煤矿绿色开采与边坡智能监测预警”专栏

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《煤炭学报》“露天煤矿绿色开采与边坡智能监测预警”专栏

来源：煤炭学报

行业视野: 智能化
类别; 21个
关键词; 28位
专家; 4篇
论文; 26IP
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降雨条件下含近水平弱层边坡的破坏机理物理模型试验研究

作者(Author)：陶志刚, 许闯, 刘凇源, 李勇, 修可馨

摘要：近年来，随着我国露天煤矿开采规模的不断扩大，露天矿区边坡的稳定性与安全性愈发受到关注。位于陈旗煤田的宝日希勒露天煤矿边坡具有岩石强度低、地层倾角小且含有软弱夹层等特点，在降雨条件下易发生严重的滑移破坏。为探究此类边坡在降雨条件下的破坏机理及NPR锚索支护体系对此类边坡的控制效果，利用模型试验与数值模拟进行研究。结果表明：① 由现场破坏特征与模型试验结果可知，边坡破坏模式为降雨作用下弱层带发生破坏而造成边坡发生剪切—滑移，降雨入渗是诱发边坡发生破坏的主要因素，破坏分为初始变形、弱层破坏与整体破坏3个阶段，且由位移监测结果可知坡体裂缝最宽可达35 mm，说明边坡滑移破坏明显；② 由数值模拟分析可知，在降雨条件下边坡变形量显著增加，在无锚固措施下其最大变形量可达40 cm。同时，在越靠近煤层位置，边坡剪切破坏塑性区的面积越大，在岩体沿软弱层滑移后，滑坡体出现大面积剪切破坏，这验证了边坡剪出滑移破坏的变形形式；③ 对比分析NPR锚索加固方案与PR锚索加固方案可知，NPR锚索的支护效果远优于PR锚索，NPR锚索支护下边坡最大位移减少17.6 cm，而PR锚索支护下边坡最大位移仅减少10.3 cm，且NPR锚索加固下边坡塑性破坏区基本消失，而PR锚索加固下边坡塑性破坏区仍存在且向坡体深处扩展，边坡存在滑坡隐患。研究探明了降雨条件下近水平弱层边坡的破坏机理，提出NPR锚索加固方案并验证其可行性，为相关边坡工程提供一定参考依据。

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寒区露天矿岩质边坡裂隙岩体冻融损伤特征及力学特性试验研究

作者(Author)：田森, 赵映, 司鹄, 朱淳, 李全贵

摘要：我国露天矿岩质边坡规模大、数量多，易受到复杂地质地形、自然及工程扰动等多因素影响而导致滑坡灾害频发，特别是我国西北地区，复杂地形与地质构造、恶劣的气候及环境、长期的工程扰动等，致使滑坡灾害频发，给人民生命与财产安全带来严重威胁。针对以上问题，从露天矿岩质边坡特征岩体宏细观损伤演化视角出发，采用工程现场调研、理论分析、室内试验研究等多方位研究手段，综合了岩石力学、土力学等理论和方法，以新疆寒区某露天矿高陡岩质边坡为研究对象，根据实际工程地质环境特征，开展潜滑区岩体冻融损伤试验、裂隙岩体冻胀力演化试验、单轴压缩试验研究，探析不同倾角(0°、25°、50°、75°)裂隙岩体在不同冻融循环条件下的质量损失、波速衰减以及冻胀力演化特征，揭示裂隙岩体在不同载荷条件下的强度时效特征，以及冻融循环条件下力学特性演化规律。在此基础上，结合声发射裂隙场监测试验研究，阐明边坡岩体最终破裂模式以及在变形及破坏过程中的裂纹形态与扩展宏细观机理。结果表明：在冻融循环作用下(0、10、20、30次)，岩体饱和质量呈先增后减、纵波波速呈减速衰减趋势；冻胀力演化分为孕育段、起胀段、稳定段、二次起胀段、消融段5个阶段，且冻胀力产生、达到峰值所需时间以及峰值大小与裂隙倾角均呈正相关，裂隙倾角0°、25°、50°、75°岩样峰值冻胀力分别为3.68、3.88、4.04、4.13 MPa。冻胀作用使岩体承受反复张拉作用而强度下降，是该寒区边坡失稳的重要诱因；岩体单轴压缩应力−应变关系、裂纹体积应变趋势大致相同，分为微裂隙闭合、弹性变形、屈服、裂隙加速扩展以及峰后5个典型阶段。岩体抗压强度与弹性模量随冻融次数增加呈线性下降趋势，随裂隙倾角增大而线性上升。由岩样最终破裂形态及基于混合高斯模型的细观裂纹分类可知，岩样细观破裂以张拉为主，最多达到54.2%，其次为混合裂纹，最多达到42.3%。随着冻融次数的增加(20～30次)，细观混合裂纹比例增加，剪切裂纹减少，宏观破坏模式表现为张拉与剪切的混合破坏。

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基于Gauss分布的抛掷爆破爆堆形态HHO–LSSVM预测模型

作者(Author)：马宁, 马力, 李胤达, 李天翔, 杨森, 刘福明, 周游, 王晓民, 张奇峰, 李蒙博

摘要：露天煤矿抛掷爆破爆堆形态是影响抛掷爆破–拉斗铲倒堆工艺系统作业效率和生产成本的重要因素。为了提高露天煤矿抛掷爆破爆堆形态预测的精确度，进一步优化抛掷爆破设计并降低矿山抛掷爆破剥离成本，依据黑岱沟露天煤矿抛掷爆破实测数据进行实例分析，采用熵值法–灰色关联度方法研究抛掷爆破效果影响指标与最远抛掷距离、松散系数和有效抛掷率的权重及关联度，孔距和剖面宽与抛掷爆破效果评价指标的关联程度较低，选取最小抵抗线、排距、炸药单耗、台阶高度、采空区下口宽、坡面角、采空区上口宽作为预测模型输入参数。引入高斯(Guass)分布模型模拟爆堆剖面曲线，通过1～8阶高斯分布模型对爆堆剖面曲线模拟分析，确定阶数为5时模拟精度与效率达到最优，利用训练完成的HHO–LSSVM预测5阶Guass分布模型15个参数作为预测输出的爆堆形态的控制参数，并采用Gauss分布模型结合HHO–LSSVM算法预测爆堆形态，与LSSVM、粒子群算法(PSO)优化最小二乘支持向量机和遗传算法(GA)优化BP神经网络模型进行精度对比，同时将本文所建立模型的预测爆堆形态与真实爆堆形态进行对比。结果表明：利用5阶高斯分布模拟的爆堆曲线误差平方和(S)参数趋于稳定为25.69，决定系数(R2)与调整后的决定系数($R_{mathrm{A}}^2 $)分别为0.999 2和0.999 0，均方根误差(R)为0.514 6；HHO–LSSVM对于5阶Gauss分布控制参数的预测误差大部分在1%左右，且误差没有超过5%，与LSSVM、PSO、GA–BP算法模型相比精度较高；以E5–8、E5–9及E5–10剖面为例，预测爆堆形态与真实爆堆形态误差R2和均方根误差R分别为0.998 7和0.614 2、0.999 2和0.493 1、0.999 2和0.505 2，预测爆堆形态接近真实爆堆形态。

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壳聚糖联合EICP对露天矿排土场边坡抗侵蚀性影响机制

作者(Author)：王知乐, 田雨, 周伟, 王轶, 李蕊, 郭仪晗, 田涯, 陆澳

摘要：我国露天煤矿多处于季节性降雨明显和土层瘠薄的北方生态脆弱区，生态本底脆弱且土壤侵蚀严重。为了改善区内大型露天矿规模化开发引起土壤侵蚀和水土流失加剧的突出问题，提出采用壳聚糖联合脲酶诱导碳酸钙沉淀技术(EICP)对露天矿排土场边坡进行抗侵蚀改性。本研究通过不同温度与掺量下的EICP溶液试验，确定最优矿化反应参数，制备对照组、EICP和壳聚糖靶向诱导EICP三组边坡试样，通过边坡抗侵蚀相似模型装置分析边坡侵蚀状况、冲蚀量和表面强度变化规律，探究其对边坡抗侵蚀特性的影响规律。并对各组试样进行微观形貌、物相组成及热稳定性分析试验，探究壳聚糖联合EICP提高边坡抗侵蚀性的作用机理。结果表明：排土场边坡EICP抗侵蚀最优反应参数为尿素与氯化钙浓度1 mol/L、壳聚糖掺量5 g/L、温度不高于60 ℃；降雨侵蚀后，对照组分布不均匀表面凹坑，改性组则无明显变化，EICP和壳聚糖联合EICP组的最终土体冲蚀量分别降低了85.4%和91.6%，表面强度分别提高了9.8%、14.2%，EICP处理导致土体pH有所降低，而添加壳聚糖能够稳固脲酶活性进而保证尿素水解；壳聚糖分别通过静电作用和酸碱作用吸附脲酶与Ca2+为EICP提供成核位点，促进EICP稳态矿化产物(方解石)的生成并分散分布于土体颗粒间，且壳聚糖水凝胶与矿化产物都具有黏附、桥接和充填土体颗粒的固化作用，同时Ca2+可驱离强结合水降低颗粒间双电层厚度从而增强土体结构。结合室内试验与微观测试结果阐述了壳聚糖联合EICP技术提高边坡抗侵蚀性的有效性，揭示了其提高土体颗粒间联结力和减小坡面侵蚀力从而提高排土场边坡的抗侵蚀性的改性机制，研究成果有望对露天矿排土场边坡侵蚀防治技术的发展与工程应用提供有益借鉴。

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