（采矿工程专业论文）地下岩体工程可靠性分析理论与应用研究.pdf

内容摘要 本文在讨论地下岩体工程不确定性的基础上，系统地研究地下岩体工程可靠 性分析理论，并把可靠性理论和程序应用于无间柱连续采矿的分析和计算中，为 地下金属矿无间柱连续采矿提供理论支撑。 论文详细研究地下岩体工程中存在的大量不确定性因素。探讨解决不确定性 问题的理论岩体工程随机可靠性分析理论h 茸先，研究了岩体工程可靠性分析 的低阶矩法：其次，提出基于最佳平方逼近理谂的工程结构可靠性分析高阶矩法。 编制了可靠性分析低阶矩法和高阶矩法的计算机程序。对于功能函数不能直接明 确表达的结构可靠性分析问题，本文提出基于m c s a n n f e m ( 蒙特卡罗模拟 人工神经网络有限单元法) 的随机有限元法。解决了随机模拟与有限元数值计 算两种计算方法的耦合问题，从而使有限元蒙特卡罗法进入到实用的新阶段。为 此，论文发展了一个微机三维弹塑性有限元程序，该程序能对岩体工程的开挖， 充填，崩落和排土等动态工艺过程进行合理模拟。在m s w i n d o w s 环境下，研 制基于m a t l a b 的可视化自适应人工神经网络新软件、j 针对目前的矿产资源形势和传统两步骤回采存在的一系列弊端，提出地下金 属矿无间柱连续采矿的理论与工艺技术。煨据安徽省铜陵凤凰山铜矿的具体地质 采矿条件详细叙述了无间柱连续开采自g 技术思路，技术要点，工业试验回采方 案等，为变革现行的两步骤回采技术，真正实现地下金属矿山连续开采指明了方 向，提供了典范。p 一 采场地压直接关系到无间柱连续回采方案的可行性及方案的技术经济指标。 研究矿山地压的有效手段是有限单元法数值模拟。i 以现代岩石力学理论为指导， 根据无间柱连续回采方案的特点，建立了适于动态模拟的三维有限元数值模型， 详细分析了回采过程中矿石围岩的动态行为响应，并对地下金属矿山阶段开采留 间柱和不留闻柱以及不同回采顺序的地压现象进行多方案分析和比较，揭示了无 间柱连续采矿法的地压规律，提出了地压控制措施。 一分区充填体、临时矿壁和凿岩峒室临时点柱的稳定性，在管理采场地压、 有效控制大量出矿时的矿石损失贫化等方面起着决定性的作用。建立了无间柱连 续采矿一区充填体的三维极限状态方程，对充填体的稳定可靠性进行了深入的研 究，得到一些基本结论和规律性的认识：建立了临时矿壁的抗倾覆条件极限状态 对点柱进行全面的可靠性分析和设计。 黼无间柱连续案争，可靠茬，有赢凳，彭神煮爵络，最佳平舅主，近，蒙 特卡罗篌 | = 【，地压 s t u d i e s0 nr e l i a b i b i t yt h e o r ya n da p p l i 口工0 n s 工nu n d e r g r 0 0 n dr o c ke n g 工n e e r 工n g a b s t r a c t b a s e do nac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h eu n c e r t a i n t i e si nr o c ke n g i n e e r i n g ，t h i st h e s i s c o n d u c t e d s y s t e m a t i cs t u d i e so nr e l i a b i l i t yt h e o r ya n d i t sa p p h c a f i o n si nat y p i c a lu n d e r g r o u n d r o c ke n g i n e e r i n 旷1 1 1 i i l 主1 1 9e n g i n e e r i n g ，w h i c hw a sc o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l a n a l y s i sm e t h o d - - d e t e r m i n i s t i cv a l u ea n a l y s i sm e t h o d 。 a l ls o r t 5o fu n c e r t a i n t i e si nr o c km a s sa n dm i n i n ge n g i n e e r i n gw e r ea n a l y z e di nd e t a i l s l o w - m o m e n tm e t h o di nr e l i a b i l i t ya n a l y s i sw a si n t r o d u c e da n di n c o r p o r a t e di nc o m p u t e r p r o g r a m an e wh i g h - m o m e n tm e t h o d w a so r i g i n a l l yp u tf o r w a r di nr e l i a b i l i t ya 1 1 a 】y s i s b e s ts q u a r ea p p r o x i m a t i o n ，b yu s eo ffl ，x ，x a ) b a s ea n dl e g e n d r eo r t h o g o n a lp o l y n o m i a l r e s p e c t i v e l y e q u a t i o n sw e r ed e r i v e dt og e n e r a t ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n o fs t o c h a s t i c v a r i a b l eo rl i m i ts t a t ef u n c t i o n af e we x a m p l e sw e i eg i v e nt oh i g h l i g h tt h eh i g h - m o m e n t m e t h o d an e ws t o c h a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a so r i g i n a l l yp u tf o r w a r d ，w h i c hw a sm c s - a n n f e m m o n t e - c a r l os i m u l a t i o n ( m c s ) 一a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) - f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) i i tf i n d se f f e c t i v ea p p l i c a t i o ni ns u c hr e l i a b i l i t ya n a l y s i sp r o b l e m sa st h o s e w h o s es t a t ef u n c t i o ni s n ta b l et ob ed e d v e dd i r e c t l ya n de x p l i c i f l y o nt h em i c r o s b f tw i n d o w se n v i r o n m e n t ，av i s u a l l z e ds e l f - a d a p t i v ea r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r ks o f t w a r ew a sd e v e l o p e db a s e do nm a t l a bl a n g u a g e ar e c e n t l y - d e v e l o p e dt h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 一d ) e l a s t o - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo nm i c r o c o m p u t e rw a si n t r o d u c e d s y m b o l i d e n t i f i e di n p u t d a t as y s t e m p a r a l l e lm o d u l es t r u c t u r e e x c a v a t i o n ，b a c k f i l l i n g s i m u l a t i o n a n dm e s h a u t o - g e n e r a t i o n 、v e f es o m e o f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e p r o g r a m n o n - p i l l a rc o n t i n u o u sm i n i n g ( n p c m ) i sr e g a r d e da sah i g h - e f f i c i e n t ，h i g h - l e v e la n d o n e - s t e pm i n i n gt e c h n o l o g y 1 r h er e s e a r c he l lc o n t h m o u sl e v e lm i n i n gs y s t e m w a s p u t f o r w a r d a n dc a r r i e do u ti nac o p p e rm i o e f i i l i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a su s e dt oc o m p a r e 出1 da n a l y z es t a b i l i t ys t a t u s ( i n c l u d i n gs 在e s sa n dd i s p l a c e m e n t ) o fp i h a r l n o n - p i l l a rm i n i n g m e t h o d ，w i t hd i f f e r e n ts t o p i n gs e q u e n c e s t h e s er e s u l t sp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e a p p l i c a t i o n o fn l m 。 t h r e ed i m e n s i o n a ll i m i ts t a t ee q u a t i o no f b a c k f i l l i n gw a se s t a b l i s h e di ns u b - s t o p e lo f n p c m s o m e b a s i cc o n c l u s i o n sa n d l a w s o f r e l i a b i l i t y a n a l y s i so f b a c k - f i l l i n gw c f e d e r i v e d a n t i o v e r t u r n i n gl i m i ts t a t ee q u a t i o na n ds t r e n g t hl i m i ts t a t ee q u a t i o no f t e m p o r a r y w a u i nn p c mw e r ep u tf o r w a r d r e l i a b i l i t yi n d e x ( p ) a n ds a f e t yf a c t o rw e l eb o t ho b t a i n e d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n ba n dt h ew i d t ho f t e m p o r a r yw a l lw e r eg i y e n b yas e to f c u r v e s r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n dd e s i g no ft e m p o r a r y p i l l a ri nn p c mw e r ec a r r i e do u tb yu s eo f s t o c h a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d r e l i a b i l i t yi n d e xw e r eg a i n e dt oe v a l u a t eo ft h et e m p o r a r y p j l l a r k e y w o r d s n o n p i l l a rc o n t i n u o u sm i n i n g ( n r e c m ) ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ， r e l i a b i l i t y ，m o m e n t ，a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ( a n n ) ，m o n t e - c a r l o s i m u l a t i o n ( m c s ) 前言 地下岩体工程需要开挖或充填各种用途的巷道、采场和硐室，这种开挖和充填打破 了岩体的原始平衡，使得应力重新分布。为了减少地压危害同时利用地压为生产服务 需要掌握地压规律，于是岩石力学应运而生。早期的岩石力学分析是借用弹性力学，随 后应用弹塑性力学，粘弹塑性力学以及近年来的断裂力学、分形力学和损伤力学。这些 解析和数值方法多属于确定性分析方法( d e t e r m i n i s t i cm e t h o d ) 的范畴( 即定值分析法) ， 求得的解是确切解( 值) 。目前岩石力学理论有了很大发展，在采矿、铁道、公路、城 建、水利水电、土木、海岸、人防等岩土工程领域应用十分广泛。 由于岩石是一种天然地质体，本身存在节理裂踩，是不连续介质；又处在地应力和 地下水的作用之下，而且受人类工程活动的影响，因此其力学性质非常复杂，具有随机 性、模糊性和未确知性等不确定性。传统的确定性模型不足以概括如此复杂的岩石力学 特性，用确定性的解析和数值方法来分析和设计带有不确定性的事物和工程，致使目前 许多岩石力学的有关理论与实际有很大距离，只能躺在书本和文献中，“声誉高而信誉 低”，很难适应大规模地下工程的实践要求，这迫切需要对岩石力学加以进一步的发展 与完善。 正是基于这样的形势，在国家“九五”科技攻关计划基金资助下，对典型的地下岩 体工程采矿工程中具有普遍意义的可靠性分析理论( 不确定性模型，u n - d e t e r m i n i s f i c m o d e l ) 这一当今世界岩石力学和岩土工程研究领域的前沿课题，进行全面系统的探索 性研究。本论文在研究地下岩体工程不确定性的基础上，试图建立起地下岩体工程可靠 性分析的低阶矩、高阶矩法理论和开发相应的计算机程序；解决随机模拟与有限元数值 计算两种计算方法的耦合问题；提出有别于传统两步骤采矿的地下金属矿阶段无间柱连 续回采理论和技术，并把可靠性分析理论和程序应用于无间柱连续采矿法的关键结构( 一 分区充填体、临时矿壁和凿岩峒室临时点柱) 的有关机理研究之中，以便为无间柱连续 采矿法的应用和推广提供科学依据。 第1 章绪论 1 1 岩体工程理论和设计方法的发展 土木、水利水电、铁道、公路、核电站、军事人防、地下存储洞室、城市地铁和地 下空间、海港建设等岩体工程，都是在岩体中进行开挖，构筑结构物或在岩体上建造建 筑物。采矿工程也是典型的地下岩体工程。岩体工程必然会改变岩体天然环境的力场， 涉及到岩体对工程活动的响应。经过长期的实践和探索，人们认识到这种响应是有规律 可循的，并且利用岩体工程的理论和规律，就可以趋利避害。通常，人们最为关心的问 题是在岩体中产生的次生应力和位移，以及结构物的稳定性。结构物的稳定性决定该岩 体工程的可行性、安全性、和工程效率“。 最早期的岩体工程设计和施工由于认识水平和分析方法的局限。主要停留在依靠经 验的阶段。后来，随着数学、物理学等基础学科的发展，应力分析技术开始利用解析算 法或是光弹模型。1 8 9 8 年，k i t s c h g 发表了求解双向受力的弹性板上圆形孔周围的应力 和位移的方法，这一开拓性成就成为早期许多研究竖井和平硐围岩变形特征的工作的基 础，并一直被用来检验数值解法的正确性和精确度。后来，l o v ea e ，m u s k h e l i s h v i l i n i ，s a v i ng n 【l ”等研究人员相继发表了弹性板中各种形状孔洞的解算法。而且，很多 研究者考虑到了在静水应力场中圆形平硐周围的塑性破坏的逐步发展过程。岩体力学正 是在解析算法的基础上逐渐发展成为一门学科。b r o w ne t 在文献“1 中对以上各种解 析算法及其在岩石力学中的实用性作了有益的总结。解析算法对于初步理解变形特征及 试验数值模型仍具有很大的价值。然而，从设计观点看，解析算法只限于非常简单的几 何形状和本构关系式。即使是相当简单的问题也需要一些精通数学的人花费大量的时间 求解。结果使解析算法在很大程度上是不实用的。 图1 - 1 一般工程力学求解方法 本世纪中叶电子计算机的问世，使得能够模拟非常复杂问题的各种数值计算方法成 为可能并逐渐实用，从而为获得这类问题的近似解提供了有效手段( 图1 - 1 ) 。岩石力学使 用的数值计算方法可分为两类1 ：边界法和区域法( 图1 - 2 ) 。有限元法和有限差分法属 于将岩体视为连续介质的区域法。离散元法是一种将各个岩块模拟为独特的单元的区域 法。可以将这两种截然不同的分析方法相耦合，构成一个复合模型。e 霍克”教授及其 助手对各种数值模拟法的基本原理和相对优缺点进行了详细的分析研究，并提出了适当 模型的选择准则。s t n r f i e l da m a n dc u n d a l lp a 【1 4 1 对岩石力学模拟的过去和未来作了批 判性的分析研究，认为在地下矿山开采设计中，数值模拟已经起了并且还要继续起重要 的作用。在所有的数值方法中，有限单元法发展最成熟，能提供最简明的计算格式，并 在处理复杂的结构、复杂的边界条件及载荷条件时，显示了独特效能。由于岩石形态的 复杂多变，以及众多地质因素和工程因素的影响，有限单元法显示了它的独特之处“”。 所以自从1 9 6 6 年在葡萄牙召开的第一届国际岩石力学会议上有了有限元方法解决岩土 工程的论文以后，几乎每届国内外有关岩士工程问题研究的学术会议上都有关于利用有 限元方法解决岩土工程问题的论文，而且一届比一届多【8 “”“。 么皇妻耍 r 一乒元ir ， l 一弋 图1 - 2 模拟地下采场和巷道围岩的边界法和区域法 ( a ) 在区域法中模型划分成许多单元 ( b ) 在边界法中开挖区的边界的限定 总之早期的岩石力学数值分析是借用弹性力学，随后应用弹塑性力学，粘弹塑性 力学以及近年来的断裂力学和损伤力学。尽管目前解析和数值方法有了很大发展，在岩 土工程中应用十分广泛，但它仍属于确定性分析方法( d e t e r m i n i s t i c m e t h o d ) 的范畴( 即 定值分析法) ，求得的解是确切解( 值) 。定值分析法通过对介质强度的折减来保证结 构的使用可靠性，折减系数即为传统的安全系数。而且，定值分析法将影响岩体结构可 靠性的各种不同性质的随机因素( 如荷载、介质强度、结构构件的几何参数等) 全部集 中在降低材料的工作应力来处理，难以对岩体的工程响应或矿山地压作出可靠的预测和 预报，实际上，岩体工程实例中出现过安全系数大于1 却发生破坏而小于1 却稳定的情 2 况8 ”。就其原因，主要来自岩体的不连续性和性质的可变化性。岩体包含的层面、节理、 裂隙、断层和具有的其它结构特征，不仅使岩体成为不连续体，而且常常控制它们的工 程性态】。此外，完整岩石材料本身的响应也是不易模拟的，因为它常具有各向异性和 非线性的力学性态，抗拉强度低，容易受到风化作用的影响，并在遇水时性质可能发生 变化。还有，由许多不同类型的岩石或性质随机变化的同一种岩石组成的非均质岩体材 料，可影响特殊工程结构物的性态。也就是说，岩体工程中存在广泛的不确定性【2 4 。 “。用确定性的解析和数值方法来分析和设计带有不确定性的事物和工程，造成了许多 目前的岩体力学的有关理论与实际有很大距离，只能躺在书本和文献中，“声誉高而信 誉低” 2 7 j ，而在具体的工程实践中依然是依靠经验。在诸如采矿工程等许多工程领域， 至今定值分析法仍占主导地位。由于岩石( 体) 存在大量的不确定性，确定性模型不足 以概括如此复杂的岩石力学特性o l 。因此，近年来学者开始注意非确定性模型和计算方 法( u n - d e t e r m i n i s t i cm e t h o d ) ，基于概率论、数理统计和随机过程的不确定性分析方法 工程结构可靠性理论应运而生。许多有识之士已开始注意或从事岩体工程结构可靠 性的研究”4 1 1 。 世界知名学者麻省理工学院的e i n s t e i n 教授和加拿大的h o e k 教授在国际岩石力 学学会年会上作专题报告，强调不确定性研究的必要性和重要性o j 。中国科学院地质研 究所杨志法研究员在谈到岩石力学当前发展战略时说：“鉴于复杂岩体具有不确定 性，以往沿用的确定参数和安全系数概念已不适用。”他认为“可靠度有可能为 岩石力学提供更合适的分析手段，故这类研究应当重视”田j 。于学馥教授在文献 2 2 】中 论述了采矿工程中存在的随机性和模糊性。东北大学徐小荷教授认为“采矿有许多影响 因素和未知条件，力学分析的可靠性是个值得研究的问题”【2 9 1 。唐春安说：“采 矿并不奢求十分精密的结果，昂贵的代价、旷日持久的计算难受欢迎。力学分析的可靠 性已经引起足够的重视。由于岩石性质存在大量的不确定性，过去确定性模型不足以概 括如此复杂的岩石力学特性。近年来学者开始注意非确定性模型。什【“驯包承纲 认为：岩土工程的概率分析方法( 或可靠性分析方法) 离实用还有一段距离，但它的方 向是对的，因此具有生命力，预计随着研究的进展和方法的逐步完善，将逐渐为更多人 所接受9 ”。王泳嘉认为：由于岩石力学问题是数据有限的问题，且有较大的随机性，无 论多么精细的数值方法都只能抓住问题的主要方面丽忽视其他，因此采用概化方法，微 观和宏观相结合，得到数据在空间分布的平均统计特性就至关重要。要打破受控于确定 论的思维定势。对计算结果要引入可靠度的概念，就象对天气预报那样要引入个降水 概率，对于岩石工程除了要计算它的极限状态外，还要计算它的失效概率 2 7 j 。 1 2 可靠性理论研究现状及述评 1 2 1 工程结构可靠性理论研究现状 可靠度在工程结构设计中的应用大概从4 0 年代开始。1 9 4 7 年，美国学者 a m f r e u d e n t h a l 发表了题为“结构的安全度”论文“。开始较为集中地讨论了这个 问题。可以认为工程结构可靠性研究从此开始。同期，前苏联学者hc 斯特列律茨基和 a ，p 尔然尼采9 4 1 提出了一次二阶矩理论的基本概念和计算方法。但那时和从那以后，一 切可靠度理论还局限于应用古典可靠度理论。在设计中，随机变量完全为其均值和标准 差所确定。显然这只有在随机变量都是正态分布条件下才是精确的。到1 9 6 9 年美国学 者c a c o r n e h 口”提出与结构失效概率相联系的可靠指标b 作为衡量结构安全度的一种 统一数量指标，并建立了结构可靠度计算的一次二阶矩模式。从此，情况有了很大的变 化。1 9 7 1 年加拿大学者n c l i n d 对这种模式采用分离函数方式，将可靠指标b 值表达 成适用于设计规范的分项系数形式。1 9 7 2 年e r o s e n b l u e t h 和l e s t e v a 等人提出了对数 正态分布下的二阶矩模式。这些进程都加速了结构可靠度方法的实用化。美国a ，h ，s a n g 在结构可靠度研究方面有较大的贡献，1 9 7 4 年他与c a c o m e h 合写的“结构安全和设 计的可靠性基础”一文对结构可靠度设计作了详尽的系统论述。他同w h t a n g 合写的 ( p r o b a b i l i t yc o n c e p t si ne n g i n e e r i n gp l a n n n i n ga n dd e s i g n ) ”】一书在世界上也广为应用 ( 中译本工程规划和设计中的概率概念) 。1 9 7 6 年国际“结构安全度联合委员会” ( j c s s ) ，采用r a c k w i t z 等人提出的通过“当量正态”的方法以考虑随机变量实际分 布的二阶矩模式，从而形成了结构可靠性分析与计算的一次二阶矩的整套理论和方法， 使以可靠性理论为基础的结构设计理论进入到实际的应用阶段。 国际性学术会议方面，在美国学者a m f r e u d e n t h a l 的倡议下，建立了国际结构安全 性和可靠性学术会议。第一次会议是1 9 6 9 年在美国的华盛顿召开，之后每隔四年召开 一次，最近的一次于1 9 9 7 年在日本京都举行。另一有影响的国际会议是国际土木工程 中统计学与概率论的应用学术会议，也是每隔四年召开一次。国际上著名的刊物 “s t r u c t u r a ls a l t y ”每期都以相当多的篇幅集中报道各国学者在工程结构可靠性方面的研 究成果。 在我国结构可靠性问题的研究工作开展较晚。大连理工大学、同济大学、清华大 学等都开展了极限状态设计方法的研讨工作。赵国藩m 】于1 9 6 0 年提出用数理统计方法 计算安全系数，在基本变量为正态变量的假设条件下，讨论了安全度指标的取值问题。 7 0 年代开始把半经验半概率的方法用到六本有关结构设计规范中去。此后，有关建筑部 门开始组织大量科研人员从事于结构可靠度设计方法的研究。于1 9 8 4 年提出的建筑 结构设计统一标准1 就完全采用国际上正在发展和推行的以概率统计理论为基础的极 限状态设计方法。之后，我国修订并矮布了一系列结聿句系统的规范，如混凝土结构设计 规范，结构抗震设计规范等，都是按建筑结构设计统一标准的规定制定的。9 0 年代 以来；建筑部门在水工、港口、公路、铁路等工程部门也先后起草、编制相应的统一标 准。 到目前为止，工程结构可靠性研究可以说已取得许多实质性的进展，在国内已有多 部著作出版，但远非达到完善和完美的阶段。比如国家基础性研究重大项目( 攀登计划) “重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”【帅1 ，其中对工程结构可靠性的研 究，就提出了更高的要求。尤其在岩土工程领域，由于岩土自身固有的、错综复杂的变 异性质，岩土工程的可靠性研究目前正方兴未艾。 l 。2 2 岩土工程可靠性理论研究现状及述评 岩土工程问题因其固有的客观原因，使得岩土工程中的可靠性研究的发展明显落后 4 于结构工程的可靠性研究。当结构工程中可靠性分析于6 0 年代末7 0 年代初开始进入实 用阶段时，岩土工程研究者仍不得不对岩土材料性态进行数理统计分析，概率模型拟合 等，直到现在仍在继续研究。p d l u m b f 4 1 1 于1 9 7 0 年进行了土的强度指标的概率分布的 研究，指出大多数土性参数都可以用正态分布拟合；m e h a r t 【4 “于1 9 7 7 年提出了颗粒 介质机理的概率分析方法；e h v a n m a r k e 【4 3 1 提出土壤剖面的概率模拟；8 0 年代a a s o k a 和d g r i v a s m l 提出粘土不排水强度的变异性等。另外值得一提的是，k o r o n o l d 在可靠 性理论与应用方面作了很多工作14 6 1 。 土坡稳定的可靠性分析是岩土工程可靠性研究的经典课题。早在7 0 年代初t h w u 和l h k r a f t 4 7 1 就撰文研究了均匀粘性土土坡稳定性的可靠度，并计算了失效概率。 e e a l o n s o m 】于1 9 7 6 年根据条分法结合一次概率分析对各种不确定性来源作了估计，经 初步的敏感度分析表明，粘聚力参数、孔隙压力和分析方法的不确定性是决定土坡安全 度不确定性的主要因素。1 9 8 3 年g b b a e c h e r 用可靠度方法研究了一个建于海相沉积粘 土上的路堤，并确定了每个阶段填土的高度。1 9 8 7 年k s u 唧采用m o r g e n s t e r n - p r i c e 方 法分析土坡可靠度。y o k o 和t h w u t s o 于1 9 9 0 年考虑了土坡不同滑动面之间的相关 性，得出结论只按单一临界滑动面计算的失效概率偏小。另一有影响的土坡稳定可靠性 分析是b e r g a d o 口”，c s i v a n d r a n t 9 0 1 对泰国曼谷一条1 0 公里长路堤的稳定性进行了传统的 确定性分析和可靠性分析，确定性分析的结论是实际的6 处破坏段不会发生破坏，而其 它区段会发生破坏；而可靠性分析在考虑参数的变异性后得出了与实际一致的结论。 c s i v a n d r a n 还就此写出了他的博士论文9 ”。这充分说明了可靠性分析的威力和传统确定 性分析方法的不足。 岩土工程可靠性分析还有许多应用领域。尤其在近海工程中应用极为广泛，许多学 者作了大量的研究。另外，在挡土墙、地基、桩基、大坝等领域都有应用。专门的国际 会议“概率统计在土与结构工程中的应用”自1 9 7 1 年香港会议以来，每四年召开一次， 产生了较大的影响。 我国的岩土工程可靠性研究开始于7 0 年代末8 0 年代初。高大钊的土力学可靠性 原理吲、祝玉学的边坡可靠性分析”等著作表明近十年来得到了快速的发展。全 国“工程结构可靠性”学术交流会有关岩土工程可靠性的论文占有相当的比重。高大钊 在岩土工程学报上撰文介绍岩土工程可靠性的基本原理1 5 4 。包承纲等”用概率分析 方法分析了多层地基的沉降问题。陈晓平和俞季民阁论述了地基非均匀沉降的概率分析 方法，他们将地基看作一随机场，建立了地基非均匀沉降的概率模型，用二阶矩理论求 得了非均匀沉降的均值和变异系数，并进行可靠度分析求出了可靠度指标。姚耀武和陈 东伟”采用j c 法，包括楔体稳定分析法和具有多种土质堤坝的转动分析方法，考虑c ， d ) ，1 等参数为随机变量，并可计入随机变量的相关关系，随机变量可以为正态分布、 对数正态分布或极值i 型分布等，编制了相应的计算程序，得出了土坡可靠度计算中的 一些初步规律。后来一些研究者也就此作了一些工作。 我国目前的岩土工程可靠性研究主要集中在土坡、地基、桩基、海岸等工程睇。5 ”。 除了在露天矿边坡“1 有一些研究成果外，在地下金属矿山中的可靠性分析与概率设计 研究可以说是一方未开垦的处女地。研究才刚刚起步“。但对于采矿工程来说，这是 一个具有开拓性质的研究领域，它将传统的定值设计和分析方法推向了以可靠性理论为 基础的概率极限状态设计方法。概率极限状态设计法继承了定值设计和半概率极限状态 5 设计的许多基本概念、内容和方法，把工程结构设计基本变量的研究和运用，从定值变 量、基本统计参数推进到随机概率分布的水平，从而形成区别于传统设计和分析理论与 方法的全新的概念、内容和方法。 1 3 地下金属矿山采矿技术发展趋势 开采矿产资源的过程和作业叫采矿“j 。矿产品是发展和建设社会物质文明的关键和 基础。从史前到现在，矿产资源一直在为人类的衣食住行及其他必需品提供原料。如何 更安全、更高效、更经济地开采地下资源，一直是人们关注的焦点。列目前为止，形成 了几十种金属矿床的地下开采方法9 。如果以采空区存在状态和维护方法为依据划分， 传统采矿方法可划分为空场( 自然支撑) 采矿法、充填( 人工支护) 采矿法、崩落采矿法三大 类，每大类又可划分为众多分组子类。崩落采矿法要求矿岩容易崩落和地表允许陷落， 这显然不适合地表有农田和建筑的矿床开采，也不适合深井开采。而空场法和充填法都 是将矿块划分为矿房和矿柱，先采矿房后采矿柱，在第二步骤回采矿柱时，给矿山生产 带来许多不利的影响，比如危及生产安全，降低劳动效率，损失国家资源等，这与面临 资源日渐枯竭而在世界范围内实施可持续发展战略的今天是极不协调的。变革传统的采 矿方法，寻求更安全、更高效、更经济的矿床开采方法，势在必行。 八十年代以来，国际矿业界对实现连续强化开采问题予以极大关注，把它视为发展 矿山生产，提高经济效益最直接有效的途径口。7 l 。随着高效率采、装、运设备的出现和大 量落矿采矿技术的发展，井下生产正趋向于大型化、连续化，采矿方法朝高阶段和一步 骤回采的方向发展。在当代采矿科学技术水平的条件下，对地下金属矿山来说，采矿连 续工艺的基本含义是：在一个矿体、阶段或矿块的回采过程中，落矿、出矿和运矿三大 工序各自具有相对独立的作业条件，各工序间相互协调，在同一回采单元的不同空间平 行连续进行所组成的机械化采矿作业系统”】。采矿连续工艺系统可分为三类，即采场连 续工艺系统，区域连续工艺系统和全矿连续工艺系统。在生产系统中，采场是矿山生产 的基本单元，强化与协调采场各个生产工序，是提高矿山综合生产能力的立足点，所以， 就矿山生产系统整体而言，实现采场连续工艺系统，发挥采矿方法的整体功能是第一位 的f 5 】。八十年代中期以来，在“七五”和“八五”科技攻关中，在采场连续工艺系统方 面做了一些理论和设备工艺的现场试验工作，取得了一定的成果”j 。在此基础上，开始 探索区域采矿连续工艺系统，提出以矿段为回采单元的连续采矿这一新的科学命题。 1 4 本文研究的技术路线和主要内容 本文对地下岩体工程中具有普遍意义的可靠性分析理论( 不确定性模型) 进行全面 系统的探索眭研究。在研究地下岩体工程不确定性的基础上，试图建立起地下岩体工程 可靠性分析的低阶矩、高阶矩法理论和开发相应的计算机程序；解决随机模拟与有限元 数值计算两种计算方法的耦合问题；提出有别于传统两步骤采矿的地下金属矿阶段无间 柱连续回采理论和技术，并把可靠性分析理论和程序应用于无间柱连续采矿法的关键结 构( 一分区充填体、临时矿壁和凿岩峒室临时点柱) 的有关机理研究之中，阻便为无问 柱连续采矿法的应用和推广提供科学依据。全文分理论和理论的应用两个部分，主要研 6 究内容如下： ( 1 ) 详细研究地下岩体工程( 采矿工程) 的不确定性，提出地下岩体工程分析和 设计的新方法可靠性理论及其研究意义。 ( 2 ) 研究地下岩体工程可靠性分析的低阶矩法，并开发计算机程序。 ( 3 ) 提出基于最佳平方逼近的工程结构可靠性分析高阶矩法新理论。该理论应能 充分利用样本的任意阶矩信息，达到研究者指定的精度。 ( 4 ) 提出基于m c s a n n - f e m ( 蒙特卡罗模拟- 人工神经网络有限单元法) 的可靠 性分析随机有限元法。 ( 5 ) 采用平行模块式程序结构，在前人工作的基础上，发展一个微机三维弹塑性 有限元程序，该程序能对地下岩体工程的初始地应力场以及开挖、充填、崩落和排土等 动态工艺过程进行合理模拟。 ( 6 ) 在m s w i n d o i v s 环境下，研制基于m a t l a b 的改进的多层正反馈全面连接、 累积误差b p 学习算法的可视化自适应人工神经网络新软件。 ( 7 ) 针对目前我国矿产资源形势和世界范围内可持续发展的要求，提出地下金属 矿新的回采理论与工艺技术一无间柱连续采矿法。应用开发的有限元程序，揭示无间柱 连续采矿矿段回采的地压活动规律，论证无间柱连续采矿法的可行性以及阶段开采的最 优回采顺序。根据安徽省铜陵凤凰山铜矿的具体地质采矿条件，详细叙述无间柱连续开 采的技术思路、技术要点、工业试验回采方案和地压控制措施等，为变革现行的两步骤 回采技术，真正实现地下金属矿山连续开采提供典范。 ( 8 ) 无间柱连续采矿法的关键技术是一分区充填体、临时矿壁和凿岩峒室临时点 柱的稳定性。考虑开挖与充填的动态效应和爆破等动载荷的作用，建立充填体稳定可靠 性分析的三维极限状态方程，对充填体稳定可靠性进行系统分析；建立临时矿壁的抗倾 覆条件极限状态方程和强度条件极限状态方程，然后运用开发的可靠性分析程序，进行 临时矿壁抗倾覆稳定可靠性和强度稳定可靠性综合分析。 ( 9 ) 运用基于m c s - a n n - f e m 的随机有限元，对无间柱连续采矿法的凿岩峒室i 临 时点柱进行可靠性分析与设计，力争对点柱的分析与设计更加科学合理。 7 第一部分地下岩体工程可靠性分析理论研究 第2 章地下岩体工程不确定性研究和可靠性分析的意义 2 1 引言 岩土与采矿工程中存在着大量的不确定性因素o “。包括地质的、工程的和计算 的因紊，以及地应力和岩体强度等参数都是难以摸得一清二楚的力学问题。到目前为 止，在采矿工程领域，由于传统观念和缺少评判采矿工程不确定性的统一标准和规范 。可靠性理论及其分析方法尚没有被广大采矿技术和管理人员广泛接受和应用，但这 并不能说明可以忽视采矿工程中的不确定性，可以忽视在采矿工程领域进行可靠性研 究，相反，由于采矿工程工艺的复杂性，采矿工程对象的复杂性和不可完全预见性等， 使得采矿工程中的不确定性较一般地表工程表现得更加充分，以研究不确定性为主要内 容的可靠性理论对采矿工程就具有更加重要的意义。 2 。2 地下岩体工程中的不确定性研究 在长期的工程实践中，人们认识到岩体是地质体的一部分，这种地质体中存在着大 量的结构面，如节理，裂隙，断层等，因而具有非常复杂的力学特性，这与岩体的成岩 过程，地质赋承环境和工程活动密切相关。因此，它涉及的工程地质条件及岩体性质参 数是复杂的、多变的、模糊的、随机的。岩体工程中的不确定性主要来自三个方面：( 1 ) 岩体本身固有的不均匀性；( 2 ) 统计所带来的不确定性；( 3 ) 模型不准确引起的不确 定性。 2 2 1 岩体本身固有的不均匀性 岩体作为岩石工程( 地下工程，采矿工程等) 的工程介质与其它材料介质的最根本 区别是它的性质和结构的不均匀性：性质的不均匀性是指不仅不同岩体的组成成分绝对 不同，就是同一岩体的组成成分也不相同，如矿物的结晶程度不均匀、颗粒大小不均匀、 充填矿物不均匀、胶结材料性质的差异等，这就决定了岩体性质的不均匀；结构的不均 匀性是指岩体中存在着大量的结构面( 如层理、节理、裂隙以及微节理、微裂隙等) ， 无论是结构面本身的形态或其空间展布都是不规则的。岩体的这种不均匀性和多裂隙性 主要是岩体经历的长期地质构造作用的结果，部分也是由于人类工程活动影响的结果。 对于岩体本身固有的不均匀性问题，理论上只要测点足够多就可以精确描述，但由 于众所周知的客观条件的限制，往往使人们难以，甚至是不可能对岩体性质和几何参数 8 进行系统的确定性的表述。现举例说明如下 ( 1 )岩体中裂隙分布的不确定性 由于成因及后期地质构造运动等作用，岩体中存在着大量结构面，为了反映结构面 的空间展布规律及其对岩体工程的影响程度，通常将结构面分为五级，对于级( 展布 在2 0 3 0 m ) 以及v 级小结构面( 也称为裂隙或节理) 而言，由于其数量、密度都较大， 无法定量描述，且其空间分布具有明显的随机性，目前的工程勘探无法确定它们的精确 空间分布状态，而只能借助于统计数学加以描述和分析。例如，h u d s o n 和p r i e s t 9 4 1 等人 对岩体节理面几何参数的统计特征进行了详细的分析研究，建立了野外统计节理面几何 参数的侧线法，应用该法可以确定某组节理面倾角，倾向，间距，迹长和隙宽的概率密 度分布形式和相应的统计参数( 均值和方差) 。大量的实际工作经验表明，节理面倾角 和倾向大多符合均匀或正态分布规律，而迹长和隙宽则大多符合负指数或对数正态分布 规律。表2 1 为某实例节理面几何参数。 表2 - l 某两组节理面几何参数9 5 1 节 倾向n倾角n间距( m )迹长( m ) 理概均标概均标概型均标概型均标 型值准型值准值准值准 差差差差 j a正9 05 o均3 06 o对数1 5o 7对数2 o0 5 态匀正态正态 j b均9 05 0正6 08 0负指1 o1 0对数3 2 5 0 ，8 7 匀态数正态 正是由于岩体中裂踉分布存在不确定性，使得岩石与岩体性质参数大相径庭，岩石 与岩体性质参数之间的转换关系至今仍没有得到解决，莫衷一是 g s j 。 ( 2 ) 岩体力学性质的非确定性 岩体是非均质的各向异性体，各点问的性质往往有较大差异，同一试样在相同试验 条件下测定其强度，结果也表现出一定的离散性。据研究表明，同一组粘土试样，在同 一实验室、同一试验仪器、同一试验条件下测定抗剪强度，结果也有一定离散，其中内 摩擦角的测定值可能离散2 5 ，粘聚力可能离散5 0 ，给定正应力条件下的抗剪强 度值变化约为4 - 3 0 口”。岩体性质还表现为空间位置的变异。由于岩体是三维空间实 体，在进行取样时，无法在精确的同一点获得多于一块的试样，只能在剔的位置再获得 试样，这样统计出的岩体性质变异性结果中更大程度上包含有空间变异性的成分。表2 - 2 和表2 - 3 分别表示g o n d i t e 、s c h i s t 和g n e i s s 的单轴抗压强度的积累分布函数。可以看出 它们的单轴抗压强度并非是象传统定值分析法所采用的那样是确定的一个值，而是呈一 定的概率分布。 9 表2 - 2g o n d i t e 单轴抗压强度的积累分布函数9 町 u c s * i o k n 4 1