本文關鍵詞：黃山石灰石礦露采高邊坡結構面特性及破壞機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：結構面的存在是造成巖體非連續(xù)、各向異性的主要因素。結構面不僅影響了巖體的完整性,還降低了巖體的力學強度。因此對結構面特性的研究對于分析礦山邊坡的破壞模式、破壞機理及其穩(wěn)定性都有重要的意義。黃山石灰石礦露采高邊坡斷層、層面、節(jié)理裂隙等發(fā)育,這些原生或次生的結構面在很大程度上控制著邊坡的穩(wěn)定性。由于礦山邊坡大多為為順層邊坡,且礦層中存在軟弱夾層,歷史上曾因此發(fā)生過多次順層滑坡,加之開采規(guī)模較大、采深較高以及受露天爆破作業(yè)、降雨等因素影響,需在礦山設計和技改建設階段進行邊坡的穩(wěn)定性的論證與優(yōu)化工作,以提升礦山開采的安全性、經(jīng)濟性、科學性和合理性,為礦山安全生產(chǎn)提供保障。本文對礦山已發(fā)生滑坡情況、結構面發(fā)育情況、水文地質與工程地質情況等做了詳細的調查,通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)礦山在開挖過程中的工作臺階邊坡最可能的破壞模式為平面滑動破壞、楔形體破壞和傾倒破壞。對結構面的分布、規(guī)模、力學特征做了詳細的研究,由結構面的分布及排列組合特征及其力學性質,分析邊坡的破壞機理,給出導致其破壞的邊界條件、力學條件和相關的影響因素。建立相應破壞模式下的計算模型,求解其穩(wěn)定性系數(shù),從而指導工程的安全施工和正常運行。主要研究內容及研究成果如下：(1)分析黃山石灰石礦山已有的工作資料和現(xiàn)場調查成果,得到礦區(qū)的地質構造、工程地質和水文地質條件、礦山工作臺階及最終臺階設計參數(shù),礦區(qū)已發(fā)生破壞情況等。調查礦區(qū)及周邊區(qū)域內的斷層、軟弱夾層、層間錯動、節(jié)理裂隙等結構面的發(fā)育情況,依據(jù)結構面的延伸長度、切割深度、破碎帶寬度及其力學效應對測得的結構面進行分級,初步判斷各類型結構面對邊坡穩(wěn)定性的影響。采用赤平投影法對礦區(qū)測得的結構面進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)工作臺階邊坡常見的破壞模式為平面滑動破壞、楔形體破壞和傾倒破壞。結合室內試驗和現(xiàn)場大剪試驗成果,分別確定結構面在天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的力學強度值,為后文計算提供依據(jù)。(2)礦區(qū)邊坡巖體由多個地層構成,根據(jù)巖石的單軸飽和抗壓強度將邊坡巖體分為堅硬巖組、較硬巖組、較軟巖組、軟硬相間巖組、軟質巖組、松散巖組6個巖組。黃山石灰石礦山邊坡坡體結構中硬質巖夾軟巖的類型,易發(fā)生順層滑動破壞。在不考慮外界因素的影響及軟弱夾層內聚力的情況下,定性的闡述了邊坡發(fā)生順層滑動所需的三個破壞條件。分析了影響邊坡穩(wěn)定的主要因素為地層巖性、地質構造、巖體結構及水的作用等。建立了邊坡有無后緣張裂縫兩種情況下順層滑動穩(wěn)定性計算模型,考慮降雨和爆破震動兩個因素的影響,分別計算了當軟弱夾層為15°、21°、24°、28°四種情況下邊坡的穩(wěn)定性情況。通過計算發(fā)現(xiàn)：邊坡在天然工況和天然+爆破震動工況下,不管θ取何值,邊坡都是穩(wěn)定的。在天然+爆破震動工況下,本文采用的是擬靜力法,爆破地震波的頻譜結構差異、相位差等因素均包含在折減系數(shù)Bb中。這種處理方式雖操作簡便,但對爆破震動的慣性力作了過多的簡化,引入了一些不確定因素,計算可能產(chǎn)生一定的誤差。在天然+暴雨工況下,除0=15°時能保持穩(wěn)定外,隨著θ的逐漸變陡,邊坡逐漸不能滿足安全系數(shù)的要求甚至發(fā)生破壞。在θ不變的情況下,水位Zw及后緣裂縫深度z的影響也較為明顯,然而Z與Zw大小的選取,受人為因素的影響,不能代表可能出現(xiàn)的所有情況,但是其反映了一定的規(guī)律,基本能夠評價礦區(qū)工作臺階邊坡的穩(wěn)定情況。在該工況下,除了需考慮靜水壓力的作用外,還需考慮水對軟弱夾層力學強度的軟化作用,本文采用飽水狀態(tài)下的軟弱夾層力學參數(shù)來模擬該工況。計算發(fā)現(xiàn)影響邊坡最主要的外在因素是水的作用,在礦山開采過程中,應采取合理的措施防止雨水下滲。(3)介紹了常見的兩種楔形體類型,建立了典型的楔形體破壞計算模型。分析了楔形體破壞需同時滿足的邊界條件和力學條件。通過一個算例進行了大量的試算發(fā)現(xiàn)：在不考慮結構面內聚力的情況下,結構面組合交線的傾角對楔形體穩(wěn)定性影響較大。采用楔形體計算軟件S wedge,考慮降雨和爆破震動的作用,對潛在楔形體進行了計算。礦區(qū)在天然工況和天然+爆破震動工況下同樣不會發(fā)生楔形體破壞,但是當遇到強降雨時,楔形體1、4、5、6、9、10穩(wěn)定性系數(shù)顯著降低,邊坡會發(fā)生楔形體破壞,而其他楔形體都是穩(wěn)定的。綜上所述,降雨同樣是影響楔形體穩(wěn)定的最主要因素。(4)描述了礦區(qū)內發(fā)生的傾倒破壞現(xiàn)象,由于礦山開采及滑坡,為傾倒破壞提供了新的臨空面,潛在傾倒巖塊主要在重力作用下發(fā)生彎曲,拉裂面不斷向深部擴展且?guī)r塊底滑面漸漸貫通,直至發(fā)生傾倒破壞。采用傳遞系數(shù)法對礦區(qū)邊坡進行了傾倒破壞計算,傾倒破壞的影響范圍受m的影響,而m又隨著H的減小及θ的增大而減小。當θ增大到一定程度時,邊坡更易發(fā)生平面滑動破壞。為了驗證傳遞系數(shù)法的計算結果,采用離散元軟件3DEC對邊坡傾倒破壞進行了計算。在初始參數(shù)下,各巖塊位移較小,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。為了探討邊坡的傾倒破壞機理,對結構面參數(shù)進行折減直至發(fā)生破壞。當內摩擦角折減為初始值的65%,內聚力及抗拉強度折減為初始值的30%時,邊坡將逐步發(fā)生滑動-傾倒破壞。其計算結果與傳遞系數(shù)法較為吻合,邊坡分為剪出口位置的滑動區(qū),中間的傾倒破壞區(qū)以及上部的穩(wěn)定區(qū),且潛在傾倒破壞范圍也較為接近,證明了傳遞系數(shù)法的可靠性。
【關鍵詞】：露采邊坡 結構面特征 順層滑動 楔形體破壞 傾倒破壞
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD872.5
【目錄】：

• 作者簡介6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 第一章 緒論14-20
• §1.1 選題背景及研究意義14
• §1.2 結構面特征的研究現(xiàn)狀14-15
• §1.3 巖質邊坡變形破壞模式研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3.1 平面滑動破壞15-16
• 1.3.2 楔形體滑動破壞16
• 1.3.3 傾倒破壞16
• §1.4 邊坡穩(wěn)定性的研究方法16-18
• 1.4.1 確定性分析方法17
• 1.4.2 可靠度分析方法17-18
• §1.5 研究內容與技術路線18-20
• 1.5.1 研究內容18-19
• 1.5.2 技術路線19-20
• 第二章 礦區(qū)自然地理與地質背景20-26
• §2.1 礦區(qū)自然地理及水文氣象20-21
• 2.1.1 礦區(qū)自然地理20-21
• 2.1.2 礦區(qū)水文氣象條件21
• §2.2 礦區(qū)工程地質背景21-24
• 2.2.1 礦區(qū)地層巖性21-23
• 2.2.2 巖體結構類型23
• 2.2.3 工程地質巖組23-24
• §2.3 礦區(qū)巖溶分布24
• 2.3.1 地表巖溶24
• 2.3.2 深部巖溶24
• §2.4 礦山開采技術條件24-26
• 第三章 礦區(qū)結構面特性26-38
• §3.1 結構面的分類與分級26-27
• §3.2 結構面的分布特征27-35
• 3.2.1 斷層27-28
• 3.2.2 軟弱夾層28-29
• 3.2.3 層間錯動29-30
• 3.2.4 節(jié)理裂隙30-35
• §3.3 結構面的力學性質35-37
• 3.3.1 現(xiàn)場大剪試驗35
• 3.3.2 軟弱層結構面室內剪切試驗35-37
• 3.3.3 計算參數(shù)的綜合選取37
• §3.4 本章小結37-38
• 第四章 露采邊坡平面滑動破壞分析38-52
• §4.1 順層巖質邊坡破壞模式38-40
• §4.2 順層巖質邊坡滑動破壞機理40-41
• §4.3 礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性影響因素41-42
• 4.3.1 地層巖性41
• 4.3.2 地質構造41
• 4.3.3 巖體結構41-42
• 4.3.4 水的作用42
• 4.3.5 其他因素42
• §4.4 露采邊坡穩(wěn)定性計算42-51
• 4.4.1 相關計算參數(shù)的確定42-43
• 4.4.2 無后緣裂縫邊坡43-47
• 4.4.3 存在后緣裂縫邊坡47-51
• §4.5 本章小結51-52
• 第五章 露采邊坡楔形體破壞分析52-61
• §5.1 楔形體破壞模式與穩(wěn)定性計算52-55
• 5.1.1 楔形體破壞類型52-53
• 5.1.2 典型楔形體穩(wěn)定性計算53-55
• §5.2 楔形體的破壞機理55-56
• §5.3 礦區(qū)楔形體穩(wěn)定性分析56-60
• 5.3.1 P_1~7及以上巖層楔形體穩(wěn)定性分析56-58
• 5.3.2 P_1~6巖層楔形體穩(wěn)定性分析58-59
• 5.3.3 P_1~(1～3)巖層楔形體穩(wěn)定性分析59-60
• §5.4 本章小結60-61
• 第六章 露采邊坡傾倒破壞分析61-72
• §6.1 傾倒破壞穩(wěn)定性計算方法61-65
• 6.1.1 傳遞系數(shù)法62-64
• 6.1.2 離散元法64-65
• §6.2 礦區(qū)邊坡傾倒破壞分析65-71
• 6.2.1 傳遞系數(shù)計算結果分析65-67
• 6.2.2 3DEC計算結果分析67-71
• §6.3 本章小結71-72
• 第七章 結論與展望72-74
• §7.1 結論72-73
• §7.2 展望73-74
• 致謝74-75
• 參考文獻75-78

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