莫阿蒂泽露天矿采场边坡稳定性分析

摘要

大型露天煤矿边坡稳定性是关乎生产安全的关键技术问题,也是岩土工程领域长期研究的重要课题,本文对莫阿蒂泽露天煤矿地质概况进行了调查分析,查明了地层结构并获得了不同岩性的物理力学参数及边坡中的水位赋存情况,对露天矿的工程地质条件进行了综合评价，根据莫阿蒂泽露天矿的边坡结构和不同岩性的物理力学参数。 结合地质条件，经分析确定，对于莫阿蒂泽露天煤矿端帮边坡，边坡形状和暴露时间是影响其稳定性的外部因素，岩石力学性质是影响边坡稳定性的内部因素。分析边坡稳定性的前提是判断边坡潜在的滑坡模式，并合适的边坡稳定性分析方法。莫阿蒂泽露天煤矿开采至第一采区，目前南侧边坡基底位置为逆倾，北侧边坡基底接近水平。通过对该矿工程地质条件的分析，发现该矿端坡主要成分为煤、泥岩、砂岩，厚度大，层数多，渗透性好，强度高。初步判断潜在滑坡模式为圆弧滑动。 一般来说，边坡变形是边坡破坏的前兆。边坡破坏不是瞬间发生的，只有当边坡变形累积到一定程度时，才会导致最终的破坏。露天煤矿边坡的变形破坏主要包括剥落、崩落、滑动、沉降、流动等，根据具体的产状而定。同一边坡的变形破坏可能是其中的一种或几种，破坏模式之间存在一定程度的转换。滑动变形是露天矿边坡最常见、最严重的破坏形式之一。 影响软岩边坡稳定性的因素很多，如岩体本身的性质：岩体的矿物组成、岩体的结构面、岩体的外部条件：水、振动、构造应力、工程活动、风化和温差变化等，都将影响软岩边坡的稳定性。Y在边坡稳定性中起着更大甚至决定性的作用。这些因素将在下面单独分析。 (1)岩石矿物成分的影响 边坡岩体中各种岩石的矿物组成不同，矿物强度的变化往往导致岩体强度的差异。例如，在现代矿产开发的深度，岩浆岩中的矿物通常非常坚硬，在地应力作用下不易被破坏。有些岩石含有由钠、钾、钙和镁等元素生成的化合物。水的作用非常敏感，岩石的强度由于风化而逐渐降低。然而，当矿物坚硬时，岩石的强度不一定很大。矿物的结晶度、粒度、矿物在岩石中的空间排列组合对岩石的强度也有重要影响。综上所述，岩石强度往往取决于其矿物组成、矿物组合和环境。 (2)岩体结构域中结构面的影响 岩体中的强度削弱面一般称为结构面。影响边坡的主要结构面有：1)软弱夹层；2)岩层和层理；3)断层；4)节理和裂缝；5)片理和页岩。 构造面按成因可分为沉积构造面、火成岩构造面、变质构造面、构造面和次级构造面。 根据结构面宏观力学特性，可分为硬结构面和弱结构面。其中，软弱结构面往往是软岩边坡失稳的主要途径。边坡变形失稳的外部表现与软弱结构面的发育程度和组合密切相关。 结构面的力学性能主要取决于结构面的材料组成、结构特点和环境因素，尤其是水的作用。 结构面力学效应实质上是结构面的存在对岩体力学性质的影响。结构面对岩体力学性质的影响主要表现在：a)结构面作为岩体中较薄弱的部分，广泛存在于大小、产状和性质不同的岩体中，造成岩体的不连续性和多样性。岩体的各向异性和非线性特征、介质特性和力学性质在很大程度上取决于结构面特征；b)岩体结构面在一定荷载作用下对控制岩体的变形破坏模式和强度特性起着重要作用c条件；c)近地表岩体的结构面不仅显示了岩体受外力的转化程度，而且还显示出风化作用。地下水和其他外力相对活跃的区域，是岩体内部进一步改造活动的重要渠道。 (3)地震影响 一般认为，地震对岩质边坡稳定性影响的主要原因是地震惯性力导致边坡整体下滑力增大，从而降低了边坡的安全系数。边坡的破坏模式、分布和规模取决于地震烈度和边坡的物理力学特性。地震造成的破坏是巨大的，往往造成大量的人身和财产损失。为此，国内外学者数十年来对各种边坡工程在地震作用下的稳定性进行了收集、调查和分析。 (4)地应力的影响 边坡任一点的地应力是自重、构造作用、水、振动和温度变化共同作用产生的合力。自重应力和结构残余应力是影响地应力大小的主要因素。地应力与深度近似呈线性关系。随着深度的增加，地应力也相应增加。边坡的构造应力会使岩体向空方向变形，引起边坡岩体卸荷裂隙，或使原裂隙扩大，从而降低边坡岩体的强度，从而降低边坡的稳定性。 (5)其他因素的影响 影响露天矿边坡稳定性的因素很多。除了前面介绍的岩石矿物组成、岩体结构面、水、振动和地应力外，还有一些因素，如边坡的使用寿命、边坡形状、矿山活动等，这些因素对边坡的稳定性有很大的影响，应在边坡设计、维护和支护过程中予以考虑。治疗的适当考虑。 (6)边坡使用年限 边坡暴露时间越长，自然风化或爆破的影响越大，岩体强度减弱越明显，导致边坡稳定性下降。莫阿蒂泽露天矿由于连续暴露时间的影响，其端部边坡具有明显的时效性。 (7)边坡形态 边坡形状对边坡稳定性有明显影响。例如，当其它条件相同时，凸形边坡的稳定性优于凹形边坡。 (8)工程活动 采矿工程在开挖下边坡岩层及软弱地层、下采良好的山羊等时，会影响边坡的稳定性，降低边坡的稳定性。 根据破坏机理，滑动变形可分为平面滑动、圆弧滑动、楔块滑动和倾倒破坏。其中，圆弧滑动是边坡最常见的破坏形式。 现场研究是边坡稳定性分析的起点。从岩土钻探中获取样本，用于测试土壤或岩石单元。划分了主要岩类和土壤单元，研究了水文地质条件。 本研究分为五章，每章内容简述如下： (1)第一章提供了选题的文献背景和研究意义，介绍了国内外研究现状、主要研究内容、研究目标、研究方法和技术路线。 (2)第二章《区域地质》、《滑坡工程地质》、《边坡稳定性影响因素分类》介绍了影响边坡稳定性的因素及滑坡模式分析。 (3)第三章介绍了莫阿蒂泽露天矿边坡稳定性分析，岩体力学参数的计算方法选择和确定，计算剖面和安全系数的选择。 (4)本章提出了基于FLAC3D的优化治理方案、模型构建、临时和永久边坡稳定性分析。 (5)第5章总结了本研究的结果，本章给出了本研究的结论和未来研究的建议。 根据地层类型，五个岩土钻孔通过使用谢尔比管采集原状土样来进行土壤力学测试。SK-1、SK-3、SK-5、SK-6、SK-11是这五个钻孔的名称。 分析了西南、西北永久边坡的1至7号剖面边坡。确定永久性边坡的安全系数为1.50，以满足规划的地下水位。分析了7个具有21°全坡角、5个台阶的断面。检测到安全系数最低的滑动面，截面3的安全系数最低，为1.47。 采用FLAC3D有限差分法对莫阿蒂泽断裂进行了分析，在安全系数的安全范围内，尽可能陡地设计了临时边坡和永久边坡。 为了观察边坡位移，确定边坡和生产边坡的稳定性，对临时边坡进行了有限差分分析和极限平衡分析，并将其视为安全的，得出了不同水位边坡的安全分析系数。通过极限分析，采用Flac3D软件对模型中最薄弱部位的安全系数进行了分析，分析结果为1.73。事实上，对于整体失稳情况，安全系数更高。 通过求解FS命令，在Flac3D中实现了确定安全系数的强度折减方法。Flac3D发现，对于最终边坡角度为21°的永久性边坡，安全系数为1.22，与发现的相同值(1.20)。对不同坡角的有限差分模型进行了修正，研究了坡角变陡时的影响。模拟了21°、27°、35°和36°的最终边坡角。当模型的最终边坡角为35°时，仍然稳定，并以36°作为稳定边界。当角度升高到36°时，不稳定性急剧增加，并可预测坍塌。据了解，当总坡角在35°和36°之间时，安全系数为1.00。在确定稳定性失稳边界时，一些图形输出被认为是有益的。 采用Flac3D软件计算了35°和36°全坡角边坡的安全系数。对于35°和0.96的安全系数，Flac3D计算出36°最终边坡角的安全系数为1.13。图4-39使用安全计算特性的Flac3D系数总结了21°、35°和36°坡度角的安全系数。在35°和36°的最终边坡角之间也会发生剧烈变化。 Flac3D/滑片的安全系数结果比为1.26。通过极限平衡分析和有限差分分析，发现滑坡计算结果低于Flac3D计算结果，在永久性边坡中，采用三种不同水位对安全系数进行了分析。 根据有限差分分析的剪切应变率等值线和Janbu简化方法，分析如下： 对于构成局部薄弱部分(如工作台)的条件，Flac3D上的抗剪强度折减原则将导致找到一个专门用于整体稳定性的安全系数。此外，考虑到这种特殊情况，可针对不同的安全系数选择升级Flac3D。 如果建立了一个21°角的最终边坡角度，并且不能满足排水目标，则必须预见这种情况。因此，在模型的基础上建立了一个距地表50米深的地下水位和一个地表水位，并进行了循环破坏分析。在两种不同的脱水条件下检测出安全系数最低的滑动面。在滑动软件图形输出中，对地下水位低于地表50米的永久性边坡进行了极限平衡分析。 当地下水位升至85m并保持坡角时，安全失稳系数急剧增大，可预测崩塌。据了解，当最终边坡角为1.474时，安全系数为1.474。 端部边坡的稳定性与坡角密切相关，各断面的稳定系数随坡角的增大呈线性减小。当S段坡角陡于28°时，边坡稳定系数为1.127，N段坡角陡于26°时，边坡稳定系数为1.109。二者均能满足压前安全储备系数1.1的要求，兼顾端到端陡坡开采的安全性和经济性。

目录

声明

致谢

List of Variables(变量注释表)

1 Introduction(绪论)

1.1 Background of Topic Selection and Research Significance (论文选题背景和意义)

1.2.1 Domestic Research Status

1.2.2 Overseas Research Status

1.3 Main Research Contents(主要研究内容)

1.4 Research Objectives(研究目标)

1.5 Research Method and Technique Routes(研究方法与技术路线)

1.6 Chapter Summary(本章小结)

2 Factors Affecting Slope Stability and Analysis of Landslide Mode(边坡稳定性影响因素与滑坡模式分析)

2.1 Regional geology(区域地质)

2.2 Landslide Engineering Geology(滑坡区工程地质）

2.3 Classification of Influencing Factors of Slope Stability(边坡稳定性影响因素分类)

2.4 Chapter Summary(本章小结)

3 Slope Stability Analysis of Moatize Open-Pit Mine(莫阿蒂泽露天矿边坡稳定性分析)

3.1.1 Geotechnical Drilling

3.1.2 Input Parameters for Design

3.2 Calculated Profile and Safety Factor Selection(计算剖面与安全系数选取)

3.2.1 Cross Sections

3.3 Calculation Method Selection and Slope Stability Analysis(计算方法的选择与边坡稳定性分析)

3.3.1 Calculation Method Selection

3.3.2 Limit Equilibrium Analysis in 2D

3.4 Chapter Summary(本章小结)

4 Slope Stability Analysis Based on Flac3D(基于Flac3D的边坡稳定性分析)

4.1 Flac3D Introduction(Flac3D简介）

4.2 Model Building(模型结构)

4.2.1 Temporary Slopes in 3D

4.2.2 Permanent Slopes in 3D

4.3.1 Analysis of Black Clay

4.3.2 Analysis of Gyttja and Lignite

4.3.3 Finite Difference Analysis of Temporary Slopes in 3D

4.3.4 Finite Difference Analysis of Permanent Slopes in 3D

4.3.3 Comparison of the Numerical Analysis with Limit Equilibrium Analysis

4.4 Optimizing Governance Scheme(优化治理方案)

4.5 Chapter Summary(本章小结)

5 Conclusion and Prospects(结论与展望)

5.1 Conclusion(结论)

5.2 Prospects(展望)

参考文献

Author’s Resume(作者简历)

Declaration of Thesis Originality(学位论文原创性声明)

Thesis Data Collection(学位论文数据集)