北极极端气候条件下的采矿和永冻岩的力学性质(permafrost rock)

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1 引言

在地球的最北部---北极地区和亚北极地区存在着许多探明或未探明的矿床，其中一些矿床已经开采，另一些矿床待开采。例如位于加拿大北部的两个有名的钻石矿Diavik【深部露天矿边坡稳定性---迪亚维克钻石矿(Diavik Diamond Mine)】和Ekati。Ekati目前已经转入地下开采，如下图所示的地下布置。

在北极地区采矿会遇到许多不可预测的挑战。本文首先讨论了位于萨哈(Sakha)西雅库特(Western Yakutia)钻石矿遇到的岩石力学问题，然后根据GeotechSet数据集对永冻岩的研究(permafrost rock)进行了总的文献回顾。

2 西雅库特钻石矿

西雅库特(Western Yakutia)钻石矿床露天开采的一个特点是在零度以下进行开采，岩石为厚的永久冻土岩体(permafrost rock mass)，低温过程对矿坑的台阶变形产生了非常复杂的影响。本文对冰冻和解冻岩石的强度特性进行了比较，分析了开采过程中台阶的稳定性，确定了超深露天钻石矿非开采帮和台阶的参数。优化参数主要基于最大限度地利用冷冻岩石的强度特性，并结合开发新的方法、计算方案，以评估非常规设计的露天矿帮和台阶的稳定性，包括非采矿的垂直台阶。决定露天矿帮参数的主要设计指标是构造松弛系数(structural relaxation coefficient)，它限定了岩体的粘聚力。结构松弛系数通过一系列的现场测试和反分析计算而得。在地下矿和露天矿的勘探作业中进行了全面的测试，最后确定出结构松弛系数值为0.085-0.11，用于一个385~640m深的非采矿帮，矿坑的整体边坡角为38-55°，较陡帮的下部的边坡角高达70°，岩石平均强度为7.85-11.84MPa，内部摩擦角为28.1°-37.4°。设计充分利用了岩体的天然承载力，优化了边坡设计参数，最大限度地减少了剥离量。

3 永冻岩的研究

据我所知，至少在加拿大的大学和工程咨询公司，对永久冻土(permafrost soil)进行了很多现场试验和实验室研究，但对永冻岩的研究很少(permafrost rock)。根据目前的文献资料，大部分永冻岩的研究集中在阿尔卑斯山附近的滑坡，很少有专门的采矿边坡研究(permafrost rock.txt)。

来源：计算岩土力学