复杂断层带露天矿高边坡开挖稳定性研究——以白云鄂博铁矿主矿E区为例

摘要

露天矿边坡具有高度大、总体边坡角度陡、服务时间长、失稳危害严重等特点，而矿区的工程地质条件通常极为复杂，并且在不同边坡区域呈现出的特点差异较大，边坡稳定性随开采过程动态变化，其稳定性问题较为突出。随着开采作业的持续进行，边坡稳定性将处于持续降低的状态，如不及时进行合理的治理可能会导致滑坡、崩塌等地质灾害，严重影响采矿作业及边坡维护工作的安全性。本文以包钢白云鄂博铁矿主矿采场 E区高边坡（含多条断层）作为研究背景，在现场调查和勘察资料分析基础上，采用地质分析、数值模拟（FLAC3D，有限差分法）及极限平衡计算方法，研究了边坡在未加固条件下及加固条件下开挖的变形特征及稳定状态，主要研究工作及成果如下：
　　①明确了边坡地质结构特征及其潜在破坏模式。在对于E区现开采阶段边坡详细现场调查的基础上结合原始勘察资料，确定了不同区域边坡岩土体岩性及岩体结构特征及水文地质条件，结合赤平投影分析法阐述了断层和节理发育对边坡稳定性的影响及其潜在破坏模式。
　　②模拟研究了无加固条件下开采至坑底边坡的变形及稳定性发展趋势。根据E区现阶段工程地质条件和开挖方案对整个 E区边坡建立三维地质模型，对未加固情况下从原始地表至坑底的整个开挖过程进行模拟，从应力场、位移量、塑性区三个方面分析了整个开挖过程中边坡稳定性，以及不同开挖阶段对于边坡稳定性影响的大小，进而识别整个开挖过程中发生破坏可能性较大的区域，为进一步的稳定性分析和治理方案设计提供依据。
　　③结合稳定性预测结果对现开采阶段边坡的稳定进行极限平衡计算，并提出了在考虑后续开挖的情况下设计现阶段边坡治理方案的设计思路。根据数值模拟结果及极限平衡计算，对现开采阶段边坡进行稳定性分析，判断现阶段 E区边坡（1514m-1654m）潜在破坏区域及破坏模式，结合后续开挖过程中稳定性变形发展趋势，确定现阶段 E区边坡（1514m-1654m）需要治理区域和治理方案，然后并通过极限平衡法和数值模拟方法对治理方案进行设计及效果验证。
　　④研究了现阶段边坡加固后，后续开挖边坡的变形稳定性，并提出了建议治理区域。在保证现阶段治理方案效果可靠的前提下，对后续开挖边坡的变形稳定性进行分析，预测在后续开挖过程中可能发生破坏的区域，进而提出建议的治理区域及方案，并对开挖全过程治理区域及阶段进行总结。

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主要符号

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

2 工程概况及研究区工程地质条件

2.1 工程概况

2.2 研究区工程地质条件

2.3 本章小节

3 未加固条件下开挖边坡变形稳定性演化规律

3.1 边坡演化规律分析目的及方法

3.2 FLAC3D软件简述

3.3 三维地质模型建立

3.4 边坡演化规律分析

3.5 本章小结

4 现开采阶段1514m以上边坡稳定性分析及治理

4.1 现开采阶段1514m以上边坡稳定性

4.2 未加固开挖至下一台阶1514m以上边坡稳定性

4.3 治理区域及方案设计

4.4 现开采阶段治理方案效果分析

4.5 本章小节

5 现开采阶段加固后边坡开挖稳定性分析

5.1开挖至1402m后现开采边坡变形及塑性区

5.2 开挖至1402m后1402-1514m段边坡稳定性

5.3 1402m开挖至坑底边坡稳定性

5.4 本章小结

6 主要结论与展望

6.1 全文总结

6.2 今后研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间申请发明专利

B. 作者在攻读学位期间参加科研项目