黄山石灰石矿露采高边坡结构面特性及破坏机理研究

发布时间：2017-06-29 13:10

  本文关键词：黄山石灰石矿露采高边坡结构面特性及破坏机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：结构面的存在是造成岩体非连续、各向异性的主要因素。结构面不仅影响了岩体的完整性,还降低了岩体的力学强度。因此对结构面特性的研究对于分析矿山边坡的破坏模式、破坏机理及其稳定性都有重要的意义。黄山石灰石矿露采高边坡断层、层面、节理裂隙等发育,这些原生或次生的结构面在很大程度上控制着边坡的稳定性。由于矿山边坡大多为为顺层边坡,且矿层中存在软弱夹层,历史上曾因此发生过多次顺层滑坡,加之开采规模较大、采深较高以及受露天爆破作业、降雨等因素影响,需在矿山设计和技改建设阶段进行边坡的稳定性的论证与优化工作,以提升矿山开采的安全性、经济性、科学性和合理性,为矿山安全生产提供保障。本文对矿山已发生滑坡情况、结构面发育情况、水文地质与工程地质情况等做了详细的调查,通过统计分析发现矿山在开挖过程中的工作台阶边坡最可能的破坏模式为平面滑动破坏、楔形体破坏和倾倒破坏。对结构面的分布、规模、力学特征做了详细的研究,由结构面的分布及排列组合特征及其力学性质,分析边坡的破坏机理,给出导致其破坏的边界条件、力学条件和相关的影响因素。建立相应破坏模式下的计算模型,求解其稳定性系数,从而指导工程的安全施工和正常运行。主要研究内容及研究成果如下：(1)分析黄山石灰石矿山已有的工作资料和现场调查成果,得到矿区的地质构造、工程地质和水文地质条件、矿山工作台阶及最终台阶设计参数,矿区已发生破坏情况等。调查矿区及周边区域内的断层、软弱夹层、层间错动、节理裂隙等结构面的发育情况,依据结构面的延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应对测得的结构面进行分级,初步判断各类型结构面对边坡稳定性的影响。采用赤平投影法对矿区测得的结构面进行统计分析,发现工作台阶边坡常见的破坏模式为平面滑动破坏、楔形体破坏和倾倒破坏。结合室内试验和现场大剪试验成果,分别确定结构面在天然状态和饱水状态下的力学强度值,为后文计算提供依据。(2)矿区边坡岩体由多个地层构成,根据岩石的单轴饱和抗压强度将边坡岩体分为坚硬岩组、较硬岩组、较软岩组、软硬相间岩组、软质岩组、松散岩组6个岩组。黄山石灰石矿山边坡坡体结构中硬质岩夹软岩的类型,易发生顺层滑动破坏。在不考虑外界因素的影响及软弱夹层内聚力的情况下,定性的阐述了边坡发生顺层滑动所需的三个破坏条件。分析了影响边坡稳定的主要因素为地层岩性、地质构造、岩体结构及水的作用等。建立了边坡有无后缘张裂缝两种情况下顺层滑动稳定性计算模型,考虑降雨和爆破震动两个因素的影响,分别计算了当软弱夹层为15°、21°、24°、28°四种情况下边坡的稳定性情况。通过计算发现：边坡在天然工况和天然+爆破震动工况下,不管θ取何值,边坡都是稳定的。在天然+爆破震动工况下,本文采用的是拟静力法,爆破地震波的频谱结构差异、相位差等因素均包含在折减系数Bb中。这种处理方式虽操作简便,但对爆破震动的惯性力作了过多的简化,引入了一些不确定因素,计算可能产生一定的误差。在天然+暴雨工况下,除0=15°时能保持稳定外,随着θ的逐渐变陡,边坡逐渐不能满足安全系数的要求甚至发生破坏。在θ不变的情况下,水位Zw及后缘裂缝深度z的影响也较为明显,然而Z与Zw大小的选取,受人为因素的影响,不能代表可能出现的所有情况,但是其反映了一定的规律,基本能够评价矿区工作台阶边坡的稳定情况。在该工况下,除了需考虑静水压力的作用外,还需考虑水对软弱夹层力学强度的软化作用,本文采用饱水状态下的软弱夹层力学参数来模拟该工况。计算发现影响边坡最主要的外在因素是水的作用,在矿山开采过程中,应采取合理的措施防止雨水下渗。(3)介绍了常见的两种楔形体类型,建立了典型的楔形体破坏计算模型。分析了楔形体破坏需同时满足的边界条件和力学条件。通过一个算例进行了大量的试算发现：在不考虑结构面内聚力的情况下,结构面组合交线的倾角对楔形体稳定性影响较大。采用楔形体计算软件S wedge,考虑降雨和爆破震动的作用,对潜在楔形体进行了计算。矿区在天然工况和天然+爆破震动工况下同样不会发生楔形体破坏,但是当遇到强降雨时,楔形体1、4、5、6、9、10稳定性系数显著降低,边坡会发生楔形体破坏,而其他楔形体都是稳定的。综上所述,降雨同样是影响楔形体稳定的最主要因素。(4)描述了矿区内发生的倾倒破坏现象,由于矿山开采及滑坡,为倾倒破坏提供了新的临空面,潜在倾倒岩块主要在重力作用下发生弯曲,拉裂面不断向深部扩展且岩块底滑面渐渐贯通,直至发生倾倒破坏。采用传递系数法对矿区边坡进行了倾倒破坏计算,倾倒破坏的影响范围受m的影响,而m又随着H的减小及θ的增大而减小。当θ增大到一定程度时,边坡更易发生平面滑动破坏。为了验证传递系数法的计算结果,采用离散元软件3DEC对边坡倾倒破坏进行了计算。在初始参数下,各岩块位移较小,边坡处于稳定状态。为了探讨边坡的倾倒破坏机理,对结构面参数进行折减直至发生破坏。当内摩擦角折减为初始值的65%,内聚力及抗拉强度折减为初始值的30%时,边坡将逐步发生滑动-倾倒破坏。其计算结果与传递系数法较为吻合,边坡分为剪出口位置的滑动区,中间的倾倒破坏区以及上部的稳定区,且潜在倾倒破坏范围也较为接近,证明了传递系数法的可靠性。
【关键词】：露采边坡 结构面特征 顺层滑动 楔形体破坏 倾倒破坏
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD872.5
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 第一章 绪论14-20
• §1.1 选题背景及研究意义14
• §1.2 结构面特征的研究现状14-15
• §1.3 岩质边坡变形破坏模式研究现状15-16
• 1.3.1 平面滑动破坏15-16
• 1.3.2 楔形体滑动破坏16
• 1.3.3 倾倒破坏16
• §1.4 边坡稳定性的研究方法16-18
• 1.4.1 确定性分析方法17
• 1.4.2 可靠度分析方法17-18
• §1.5 研究内容与技术路线18-20
• 1.5.1 研究内容18-19
• 1.5.2 技术路线19-20
• 第二章 矿区自然地理与地质背景20-26
• §2.1 矿区自然地理及水文气象20-21
• 2.1.1 矿区自然地理20-21
• 2.1.2 矿区水文气象条件21
• §2.2 矿区工程地质背景21-24
• 2.2.1 矿区地层岩性21-23
• 2.2.2 岩体结构类型23
• 2.2.3 工程地质岩组23-24
• §2.3 矿区岩溶分布24
• 2.3.1 地表岩溶24
• 2.3.2 深部岩溶24
• §2.4 矿山开采技术条件24-26
• 第三章 矿区结构面特性26-38
• §3.1 结构面的分类与分级26-27
• §3.2 结构面的分布特征27-35
• 3.2.1 断层27-28
• 3.2.2 软弱夹层28-29
• 3.2.3 层间错动29-30
• 3.2.4 节理裂隙30-35
• §3.3 结构面的力学性质35-37
• 3.3.1 现场大剪试验35
• 3.3.2 软弱层结构面室内剪切试验35-37
• 3.3.3 计算参数的综合选取37
• §3.4 本章小结37-38
• 第四章 露采边坡平面滑动破坏分析38-52
• §4.1 顺层岩质边坡破坏模式38-40
• §4.2 顺层岩质边坡滑动破坏机理40-41
• §4.3 矿区边坡稳定性影响因素41-42
• 4.3.1 地层岩性41
• 4.3.2 地质构造41
• 4.3.3 岩体结构41-42
• 4.3.4 水的作用42
• 4.3.5 其他因素42
• §4.4 露采边坡稳定性计算42-51
• 4.4.1 相关计算参数的确定42-43
• 4.4.2 无后缘裂缝边坡43-47
• 4.4.3 存在后缘裂缝边坡47-51
• §4.5 本章小结51-52
• 第五章 露采边坡楔形体破坏分析52-61
• §5.1 楔形体破坏模式与稳定性计算52-55
• 5.1.1 楔形体破坏类型52-53
• 5.1.2 典型楔形体稳定性计算53-55
• §5.2 楔形体的破坏机理55-56
• §5.3 矿区楔形体稳定性分析56-60
• 5.3.1 P_1~7及以上岩层楔形体稳定性分析56-58
• 5.3.2 P_1~6岩层楔形体稳定性分析58-59
• 5.3.3 P_1~(1～3)岩层楔形体稳定性分析59-60
• §5.4 本章小结60-61
• 第六章 露采边坡倾倒破坏分析61-72
• §6.1 倾倒破坏稳定性计算方法61-65
• 6.1.1 传递系数法62-64
• 6.1.2 离散元法64-65
• §6.2 矿区边坡倾倒破坏分析65-71
• 6.2.1 传递系数计算结果分析65-67
• 6.2.2 3DEC计算结果分析67-71
• §6.3 本章小结71-72
• 第七章 结论与展望72-74
• §7.1 结论72-73
• §7.2 展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-78

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