岩土工程学报论文格式样板.pdf
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1、基于混沌优化的高阶段充填体可靠性分析 刘志祥,李夕兵,张义平 ( 中南大学,湖南长沙 410083) 摘要: 对高阶段充填体进行了力学分析,推导了分层充填力学计算公式,用可靠性理论研究了高阶段充填体稳定性。 考虑高阶段充填体可靠性分析的状态函数求导困难,提出了基于混沌优化的可靠性计算方法,为工程中复杂函数计算 可靠性指标提供了一种新的方法。高阶段充填体力学研究表明:缩短采场长度和增大采场宽度有利于充填体稳定性和 降低充填成本。为了评价高阶段充填体稳定性,分别在实验室配制充填料浆和采场取样试验了尾砂胶结充填体强度, 分析了采场原位充填体强度与实验室试验强度的差异。研究认为:采用实验室力学参数进行
2、充填设计,最小设计安全 系数为 1.6 1.8 ,最小可靠性指标为1.8 2.0 比较合理。 用本文方法对安庆铜矿3 号高阶段采场充填体进行了可靠性 分析,并评价了充填设计的可行性。 关键词: 尾砂胶结充填体;分层充填;可靠性;混沌优化 中图分类号 :TD853.34 文献标识码: A 文章编号: 10004548(2006)03034805 作者简介: 刘志祥 (1967 ),男,湖南宁乡人,中南大学博士后,从事采矿与岩石力学研究。 Reliability analysis of high level backfill based on chaotic optimization LIU Zh
3、i-xiang, LI Xi-bing, ZHANG Yi-ping (Central South University, Changsha 410083, China) Abstract: Through the mechanical analysis of high backfill, the calculation formulae of the stratified backfill practice were deduced and reliability analysis of their stabilities were studied. In reliability analy
4、sis of high backfill, because the differential of status function was difficult to be obtained, a calculating method of reliability based on chaotic optimization was proposed, which was a new method of reliability analysis for complex status function in engineering practice. The mechanical researche
5、s showed that reducing length or increasing width of stope were propitious to improve stability of backfill and to lower filling cost. In order to evaluate the stability of backfill, a series of strength experiments of cemented tailings backfill both in the laboratory and under filling stope conditi
6、ons were done, and their differences of strength were analyzed, as well as a conclusion was drawn that if the mechanical parameters in lab were used as the basis of filling design, the minimum safety factor should be 1.6 to 1.8, and the minimum index of reliability should be 1.8 to 2.0. Using the pr
7、esent method, the reliable indexes of backfill in stope No. 3 in Anqing copper mine, Anhui province, were calculated, and the feasibility of filling design were evaluated. Key words: consolidated tailings backfill; stratified filling; reliability; chaotic optimization 0 引言 高阶段采矿是一高效采矿技术 1 ,大都采用尾砂 嗣后
8、充填 (矿房胶结充填、矿柱非胶结充填) 。采矿过 程中,胶结充填体垂直暴露高度达60140 m,侧向 暴露面积在30007000 m2。对高阶段充填体稳定性 研究通常采用确定性方法(即定值法) ,该方法得到的 安全系数指标体现了充填体稳定性的一个重要方面, 但尾砂充填体是一种复杂的非线性力学介质 2,3 ,实 践表明 4-7 ,有诸多因素影响胶结充填体强度,充填体 力学参数存在不确定性与随机性,因此用可靠性理论 研究高阶段充填体稳定性更符合客观实际。 为了评价高阶段充填体稳定性,笔者分别在实验 室配制充填料浆和采场取样试验了尾砂胶结充填体强 度,研究了采场原位充填体强度与实验室试验强度的 差异
9、,提出了采用实验室力学参数进行充填设计的合 理安全系数与可靠性指标。 1 高阶段充填体力学分析 1.1 高阶段充填体上部受力分析 基金项目: xxxxxxxxxxxxxxxx(编号 xxxxxxxx ) 收稿日期 : xxxxxxxx 高阶段采场(矿房)采后用不同配比的尾砂胶结 充填,充填接顶后,充填体与围岩形成力学相互作用 系统。根据自然平衡拱理论,充填体上部承受自然平 衡拱内矿岩自重压应力(如图 1 所示) 。设矿体上下盘 围岩内摩擦角为,则上下盘围岩移动角为45o+ /2。 图 1 高阶段充填体力学分析 Fig. 1 Mechanical analysis of high backfil
10、l 顶板岩石自然平衡拱跨度L1为 1 2cotLLH,(1) 式中L 为矿房长度; H 为矿房高度。 自然平衡拱高度b1为 8 11/(2 )(/ 2cot) /bLfLHf,(2) 式中f 为顶板岩石的普氏系数。 作用于充填体上部的顶压近似等于矩形岩柱 ABCD 的重力,其压应力0为 01(/2cot) /gbg LHf,(3) 式中为顶板岩体的体重;g 为重力加速度。 1.2 高阶段充填体力学分析 如图 2 所示的高阶段胶结充填体,前面一侧全部 暴露,后面一侧为非胶结尾砂充填体,左右两侧与围 岩接触。设胶结充填体长度为L,宽度为B,暴露高 度为 H。 图 2 高阶段充填体力学分析 Fig.
11、 2 Mechanical analysis of high backfill 充填体上部受力为 0 F,自重为G,在水平方向 上有来自非胶结尾砂一侧的侧压力 1 F,与围岩接触两 侧有抗剪切阻力 1 T,在滑移面上充填体产生下滑力 2 F,抗滑力为T,其中: 12 Ggh BL,(4) 00 FBL,(5) 2 121 0.5Fh L,(6) 20 ()sinFGF,(7) 120 0.5()tanTBh cK,(8) (costan)/ cosTBL c,(9) 1 tanhHB,(10) 2 0.5tanhHB。(11) 式中 1为胶结充填体容重 (有多种配比充填时, 1 为各配比充填体
12、容重 i与其高度的加权平均值) ; 为胶结充填体滑移角,45/ 2; 2为非胶结 尾砂容重;c、为胶结充填体与上下盘围岩作用的 粘聚力和内摩擦角(有多种配比充填时,c、为各 配比充填体粘聚力 i c 、内摩擦角 i与其高度的加权平 均值);c、为滑移经过区各配比充填体粘聚力和 内摩擦角 (有多种配比充填时,c、为滑移经过区 各配比胶结充填体 i c 、 i与其高度的加权平均值) ; K为胶结充填体侧压系数(有多种配比充填时,K为 各配比充填体侧压系数 i K 与其高度的加权平均值)。 充填体稳定的条件是 211 cos2FFTT。(12) 将式( 4)( 9)代入式(12) ,并解的不等 式,
13、有 2 12021 2 2sin(45)cos(45) 22 2tan2tan BLghh Bh KBL 20 2 2 2(2tan) cos(45/2) 2tan2tan BLc BhcK Bh KBL 。(13) 取安庆铜矿岩体参数(= 4.05g/cm 3、f = 12、 = 45.5o) ,用式( 3)计算充填体上部受力 0。取配 比 1:8 的尾砂胶结充填体力学参数: 1= 1.80 g/cm 3、 c = 0.171 MPa、= 38.7o、K = 0.20、 2=1.63 g/cm 3, = 0.23,用式( 13)计算,当矿房宽度为15 m,采 场长度分别为60、80 和 10
14、0 m 时,充填体所要求的 强度与暴露高度关系曲线如图3 所示;当采场长度为 70 m,矿房宽度分别为5、15 和 30 m 时,充填体所 要求的强度与暴露高度关系曲线如图4 所示。 图 3 不同采场长度充填体强度与暴露高度关系曲线 Fig. 3 Curves between required strength 0,1) nin in ii zuzznN z,(17) 得到 m个不同轨迹的混沌变量,置 N为一较大的整数。 式( 17)中, u 为控制参量, u=4 时, Logistic 映射为 0,1区间的满映射,且系统处于完全混沌状态。 (b) 标准化变量的取值空间为-1,1,根据 1,1
15、, 12 nini xz,(18) 将混沌变量映射到其取值空间。 (c) 采用混沌变量( 1,ni z)进行迭代搜索, 并计算每 一步迭代的( )g x 值 (设其为F, 第一步迭代 1 ( )g xF) 。 (d) 如果 1 FF ,置 1 F F , * 1,ini xx,转( c) 步,继续进行迭代;如果 1 FF ,放弃 1,ni x,转( c) 步,继续迭代。 (e) 如果 1 F 达到规定精度 min F,计算结束;如果 迭代到一定的次数后, 1 F 保持不变, 把 * i x 作为当前次 优解,将模拟退火策略引入混沌动力学 12 : * 1,1, ( )() niini xxy
16、kz,(19) (1)(1) ( )y ky k,(20) 式中为 y(k)的衰减因子;、为调节参数。 (f) 与步骤 cd 相同,采用混沌变量进行迭代, 同时加入k 循环,并逐步缩小搜索区域。找到目标函 数的最小值即为满足( )0Fg x的全局最优解, 并记 下此时的 * i x 值。 (4) 根据 * i x 值,用 *2 1 () m i i x(21) 计算可靠性指标。 根据以上步骤,编制了Matlab 计算程序。 为了检验上述算法的准确性,分析如下算例 9 : 设系统状态方程F 12 (, )tang XXcc ,式中: X1、X2对应 、,c = 50 kN/m 2,X 1、X2的
17、均值分别 为 100 kPa 和 35o,标准差分别为20 kPa 和 5o,采用 Fissler 法得出系统可靠性指标= 1.1560,用本文方 法计算可靠性指标=1.1538(计算中N = 400,k = 150,= 0.01, y(0)= 0.95 ,= 0.1,= 0.2,Fmin= 0.0001) 。 以上分析可见, 采用 Fissler 法与混沌优化相结合 方法求解可靠性指标不用得出状态函数的导数,而是 直接用混沌变量搜索最优解,适合于复杂函数求解可 靠性指标。该方法的缺点是迭代次数较多,但借助计 算机可以很方便地求解,而且编程比较方便。 表 1 不同配比充填体力学参数 Table
18、 1 Mechanical parameters of backfill with different tailing-cement ratios 试验 地点 配比 试块容重 /(gcm -3) 抗压强度 /MPa 粘结力 /kPa 内摩擦角 /度 各试块值 均值 ? 标准差 s ? 均值 ? 标准差 s ? 均值 ? 标准差 s ? 室内 试验 14 1.84 3.55, 4.33, 4.88, 3.85, 4.75, 4.15 4.2517 0.5125 280 38.4 41.5 5.89 18 1.82 2.11, 1.68, 1.45, 1.58, 1.96, 1.73 1.7517
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