矿柱体系失稳传递与动力过载机理研究

Collapse accidents in hard rock mines usually happen abruptly and spread at a large scope with complex mechanism. Existing accident investigation shows that hard rock mine collapse tends to be caused by pillar system failure from dynamic disturbance of intensified mining or blasting. In this proposal, laboratory tests, similar material model tests, theoretical and numerical analyses, and in-situ monitoring are planned to investigate the behavior of multi-pillar system under different load conditions. By analyzing the mechanical response and load transfer, the induction and overload mechanism of pillar system under dynamic load will be revealed. The transformation condition between the local failure and the cascading system collapse will be obtained. The precursor index and occurrence criterion of large scale collapse of pillar system will be established. The research will provide theoretical support for mining safety and collapse prediction for hard rock mines.

硬岩矿山坍塌事故突发性强、波及范围大、发生机理复杂，事故调查表明，硬岩矿山坍塌易受强化开采或爆破等动力扰动诱发的矿柱体系失稳引起。项目通过开展不同载荷条件下多矿柱体系的室内力学试验、相似材料模型试验、理论数值分析与现场工程监测研究，分析矿柱体系失稳破坏时的力学响应和载荷传递规律，揭示强动载在矿柱体系失稳中的诱发作用和动力过载机理，获得局部破坏与整体失稳的转化条件，建立矿柱体系大范围坍塌的特征指标与发生判据，为硬岩矿山开采安全和大范围坍塌灾害预测预报提供理论支撑。

硬岩矿山坍塌事故突发性强、波及范围大、发生机理复杂，事故调查表明，硬岩矿山坍塌易受强化开采或爆破等动力扰动诱发的矿柱体系失稳引起。项目通过开展不同载荷条件下多矿柱体系的室内力学试验、相似材料模型试验、理论数值分析与现场工程监测研究，建立了基于压力拱理论(PAT)的方法和结构动力学相结合的力学模型，对静、动联合作用下矿柱的应力状态和变形进行了评估。在静态和动态两种模式下，进一步数值模拟了五柱体系中剩余矿柱的回收过程和邻近矿柱可能诱发的失稳过程，研究了相邻矿柱的响应。理论分析确定了矿柱—顶板系统协调变形下的采空区大规模坍塌判据，随后考虑单矿柱失稳后的载荷转移实现矿柱群的链式失稳过程。在单矿柱可靠性理论的基础上推演出矿柱群可靠性理论，并考虑矿柱强度劣化同步性（相关系数）和地质参数变异性（变异系数）探究不同条件下的矿柱群连续倒塌概率的演变规律和各因素对其可靠性的影响。最后结合矿柱群连续倒塌的灾害后果和失稳概率，确定风险分级指标并对坍塌实例进行风险等级划分。项目期内共计发表标注项目编号的论文51篇，其中被SCI收录论文45篇，授权国家发明专利10项，获得绿色矿山科学技术奖一等奖1项，培养毕业硕士研究生8人，培养毕业博士研究生4人，参加国内外会议并做报告6次，1人入选第四批国家“万人计划”科技创新领军人才。