南芬露天矿滑坡机理及其加固控制预警一体化对策

发布时间：2018-10-08 08:45

【摘要】：长期以来,边坡滑坡灾害一直困扰着人类的安全生产活动。由于露天矿山长期大规模高强度的采矿活动所形成的高边坡,更是滑坡灾害的高发地,加上矿区人员和设备相对集中,边坡灾害所造成的不良后果影响更是巨大。辽宁省本溪市南芬露天铁矿区更是如此,尤其是矿山进入深凹露天开采模式之后,矿区曾经发生过数次不同规模的滑坡灾害事件。因此,为了减小或避免矿区滑坡灾害带来的损失,为安全生产和人员安全保驾护航,开展矿区边坡灾害研究意义重大。本文在大量查阅分析边坡滑坡灾害方面国内外文献成果的基础上,采用跨学科相结合的研究方法,充分运用工程地质学、采矿科学、岩石力学、测试学、光学、信息科学、现代通讯技术、计算机科学等众多学科领域的相关综合知识,对南芬露天铁矿区开展了现场地质调查、岩石样品采集,对所采集的样品进行了室内实验测试。以矿区第十边坡勘探剖面线资料为依据,采用室内物理模型试验和三维有限差分数值计算软件程序,详细研究了含软弱结构面边坡的滑坡灾害发生、发展、成灾机制,指出了第十勘探线位置下盘边坡诱发边坡灾害的主要因素在于软弱结构面岩体强度的下降。在上述研究成果基础上,提出并在矿区下盘边坡实施了边坡灾害加固-控制-预警一体化工程应对措施,并在现场工程中取得了良好的实践应用效果。为此,开展了如下相关研究工作,具体研究内容及成果主要包括以下几个方面:(1)为了获得南芬露天铁矿高边坡的第一手地质资料,以查明滑坡地质赋存情况,首先对矿区进行了全面的地质情况调查。经过现场勘查发现,矿区含铁段属于单斜构造,当前采矿和剥岩量巨大。矿区上盘边坡以逆倾向岩体为主,下盘边坡以顺倾向为主,板裂层状特征显著。地质特点和岩体结构决定了下盘边坡是滑坡灾害的高发地,历史上就曾经发生过多次滑坡灾害,也进行了多次治理,一直是矿区滑坡研究和治理的重点区域。针对南芬露天铁矿下盘334 m平台、346 m平台和370 m平台岩体松散破碎严重、小型滑坡灾害多发的特点,利用不同物质介质介电常数不同所引起电磁波传播特性不同的性质,同时考虑到工程可行性,经过对不同方法的对比,最终使用地质雷达和地面耦合方式的200 MHz低频屏蔽天线,在下盘三个台阶各布置一条测线分别进行十米以内浅层破碎带的探测。对每个台阶测线所输出的剖面图进行分析,发现三个平台不同测点之间破碎带分布不均,岩体完整性不强,裂缝发育显现,地质雷达探测结果与现场地质钻探结果一致。通过对以上三个台阶探测剖面图特征的提取,绘制出边坡断面图。断面图显示,370 m平台破碎带埋深最大,达到6~9m。(2)为了研究南芬露天矿下盘边坡岩体力学性质,采用深部岩土力学与地下工程国家重点实验室(北京)自主研发的tgq-q5浅部取样钻机在矿区下盘边坡对绿帘角闪岩进行了现场样品采集,而后进行了室内单轴抗压强度实验、三轴抗压强度实验、抗拉强度实验以及矿物成分的分析。室内样品测试结果表明,绿帘角闪岩的室内单轴抗压强度参考值为71.3mpa,弹性模量参考值为51.79gpa,泊松比参考值为0.23,内摩擦角?为33.20°,粘聚力c为20.74mpa,样品成分主要由云母、石英和粘土矿物组成,含量分别为39.4%、27.4%和20.1%,所取岩样具有一定程度的分子吸水膨胀(ia)和胶体膨胀(ib)特性。(3)以相似基本原理为理论基础,在详细分析南芬露天铁矿地质剖面资料基础上,针对矿区第十勘探线地质情况,设计了三步开挖试验和软弱结构面强度软化实验。坡底部位进行的三步开挖试验,每一步开挖时间间隔设定为300s。整个分步开挖试验过程均采用红外热成像仪实时记录边坡红外能量辐射场。采用百分表实时记录坡脚监测点3处的水平方向位移和竖直方向位移变化情况,监测点1处的百分表测量滑坡体水平和竖向位移,监测2处的百分表用以测量滑床岩体的水平和竖向位移。使用摄像机记录开挖对边坡造成的影响规律。位移监测结果表明,每一步开挖工作均会使监测点3处的水平位移有所增加,三步开挖完毕时的最大水平方向位移为0.06mm,而监测点3处的竖直方向位移变化范围较小,最大位移达到0.01mm。监测点1和监测点2两处的水平和竖向位移均无明显变化。三个监测点位移监测结果对比表明,坡脚开挖活动对边坡坡脚处岩体影响最大,且对坡脚处水平位移的影响大于竖直方向的影响。三次分步开挖及结果对比说明,开挖对边坡稳定性具有一定影响作用,且坡脚开挖区域附近影响更大。(4)为了研究软弱结构面强度下降对边坡稳定性造成的影响,开挖试验结束后,进行了软弱面强度降低试验。利用热敏材料力学强度参数随温度升高而降低的特性,采用热敏材料模拟软弱结构面,同时采用有限单元板模拟滑体和滑床岩体。试验以位移百分表、摄像机和红外热成像仪为主要测量手段,对软弱结构面弱化全过程的边坡变化情况进行测量。实验测试表明,热敏材料的强度显著开始下降的温度为76.8℃。在对热敏材料开始加热后,滑体部分整体发生了水平向左和竖直沉降运动,并且上部层状岩体运动幅度较大,滑出滑床趋势明显。1号监测点位移由0逐渐增大,达到5.66mm之后,岩层位移持续增大。3号监测点水平位移表现出增大趋势,竖直位移出现先增大然后减小的趋势。2号监测点无明显变化。根据以上试验结果,总结出如下规律:1号监测点结果说明弱层强度下降引起了上覆层状岩体的水平向位移和竖直向位移增大显著。监测点3位于坡脚部位,监测结果说明,软弱夹层强度的弱化造成滑坡体的滑移,这种滑移也会对坡脚部位岩体水平位移和竖直位移产生影响作用。2号监测点结果说明,滑体的运动对滑床无影响。滑坡发生过程中也伴随有岩体破碎现象的发生。(5)采用三维有限差分数值计算程序flac3d首先对不含软弱结构面和含有软弱结构面的一般边坡进行了强度折减下的对比计算。对于不含软弱结构面的边坡,随着折减系数的增大,边坡的剪应变增量和塑性区范围逐渐扩大直至贯通,最大位移出现在坡脚位置,边坡最终破坏面呈现出圆弧状破坏面。对于含有结构面的边坡,随着折减系数的增大,剪应变增量和塑性区范围逐渐变大,但剪应变增量和塑性区最先扩大的位置出现在软弱结构面附近,且剪应变增量和塑性区的扩大也是沿着软弱结构面发展的,软弱结构面处位移较大。经过对两组长度和位置不同的软弱结构面对比发现,软弱结构面长度越长,对边坡所产生的不利影响作用越显著。(6)针对南芬露天铁矿下盘边坡含有下部13°软弱结构面、上部含有48°两组软弱结构面的特点,为了突出对比有无软弱结构面对边坡的不同作用,建立了含有两组软弱结构面的三维边坡模型和不含软弱结构面的三维边坡模型。开挖前,与不含软弱结构面的边坡相比,含软弱结构面的边坡具有如下特点:x方向最大位移出现在下部软弱断层坡脚处,z方向位移数值和范围均有所增大,说明该处边坡在软弱断层作用下最大位移有所下降。剪应变增量较大处出现在了下部13°弱面部位,沿着上部和下部两个软弱结构面也产生了一定程度的塑性区贯通。因此,软弱结构面的存在改变了边坡x和z方向位移、剪应变增量、塑性区分布状况,使边坡性质变差,降低了边坡稳定性。随着分步开挖的进行,含有软弱结构面的边坡x方向和z方向位移逐渐增大、范围变大。x方向位移发生显著变化的各个监测点均位于上部弱层和下部弱层所切割岩体的内部,相比之下,x方向位移没有发生明显变化的所有监测点都位于上部弱层和下部弱层所切割岩体的外部。剪应变较大值最先出现在了位于滑体下部的13°倾角弱层区域,随着进一步开挖工程的进行,剪应变增量较大区域逐渐向上部48°软弱岩层扩展发育,并呈现出逐渐贯通的态势。以上结果说明,相比于不含软弱面边坡,含有软弱结构面边坡对开挖更敏感,影响了边坡的位移、剪应变、塑性区分布规律,使边坡更容易发生失稳破坏现象。(7)基于边坡下滑力大于抗滑力是滑坡发生的充分必要条件所研发的边坡监测预警系统,使用户与边坡工程现场形成了一个信息采集、传输、反馈的闭环功能系统,为现场边坡监测区域工程安全提供了强有力的实时保障。同时由于恒阻大变形锚索的使用,对边坡灾害形成了集加固-监测-预警为一体的解决方案。边坡灾害监测预警物联网系统由恒阻大变形锚索子系统、智能供电子系统、双路数据通讯子系统、数据接收处理子系统四个子系统组成,这四个子系统相互协作,共同成为一个完整的有机体,保证了整个系统的长期稳定有效运行,实现了对滑坡灾害的远程实时智能监测。完善了监测系统曲线变化的稳定、次稳定、裂缝、滑移、扰动五种监测预警模式,使监测预警工作更具可操作性,保证了滑坡预报的准确性和科学性。边坡灾害监测预警物联网系统在南芬露天铁矿的应用表明,恒阻大变形锚索能够在滑坡裂缝宽度达到1.2 m时仍然保持不断,确保了滑坡下滑力监测数据的持续性。对采场下盘526 m平台“10-0731滑坡”和“10-0805滑坡”的全程预警预报成功规避了重大灾害损失,验证了边坡灾害监测预警物联网系统的实用性和有效性。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD854.6

【参考文献】