露天矿复合边坡形成和变形失稳机理及关键因素优化研究

摘要

本文对露天矿复合边坡的形成与变形机理进行了研究。边坡变形主要由岩体自重的竖向作用和堆载引起的附加荷载效应引起。研究认为，露天开采过程中开挖堆载引起的不平衡应力和位移是影响露天矿产资源安全开采的关键。
　　根据复合边坡的形成特点，开采深度的不断增大和外排高度的协同增加造成复合边坡结构一直处于动态发展的过程。复合边坡的时效稳定性是影响露天矿安全生产的重要条件，因此，在采场开挖和外排堆载的工程计划基础上，结合所有的因素建立复合边坡角计算公式，根据排土场堆载高度建立附加荷载计算公式，并对排土场堆载之后产生的主动楔排在复合边坡深度上的分布规律进行了建模分析。从分析结果可以看出，复合边坡的整体角度由排土场高度、开采深度和外排位置这几个关键参数决定，并且在外排附加荷载产生的主动压力楔的滑移面逐渐偏转至边坡的边缘。
　　通过分析和数值模拟，进一步建立了露天矿边坡荷载条件和几何参数对复合边坡应力场和安全系数的影响关系。数值模拟结果表明，增大边坡开挖深度和角度会导致复合边坡的地质应力场应力增加，外排堆载造成的边坡沉降量增大和外排安全范围减小。数值模拟分析的过程中突出了外排堆载位置对于边坡稳定性影响的敏感性，在采用极限平衡法进行二维分析的时候经常被忽略的外排堆载产生的附加应力。
　　通过理论分析建立了复合边坡关键几何参数对安全系数的影响规律。这些关键参数间的相互作用和耦合效应对复合边坡的稳定性的影响极为显著，合理的参数选取可以提高边坡的安全系数，如果选择不当则会大大降低边坡的安全系数。从分析结果可以看出，单独增大边坡高度和角度所形成的复合边坡稳定性比同时增大边坡高度和角度时的稳定系数要高。采场边坡角和开挖深度与排土场堆载产生的耦合作用会进一步降低边坡安全系数，但合理的进行排土场位置选择会进一步提高边坡稳定性。造成这种现象的主要原因有降低排土场高度、增大排土场与采场的距离可以有效的降低排土场下部应力楔的大小，并且拉长滑移面的长度。
　　此外，结果表明还表明，排土场堆载位置增大对于复合边坡安全系数的提升机理在于增长了潜在最危险滑动面和应力楔的面积。因此，排土场边坡的位置在复合边坡形成的过程中，对于提高其稳定性起着直观重要的作用。
　　反复开挖和排弃导致软弱层内部应力重新分布，形成不均衡载荷，从而加剧了软弱层的变形和破坏。论文根据软弱层的力学模型和强度参数，通过数值模拟确定软弱层角和厚度对软岩边坡的影响，进而揭示软弱层对软岩边坡发育的影响规律。结果表明，软弱层倾角和厚度是影响边坡稳定性的关键因素。在弱层影响规律的基础上，对胜利露天煤矿的排土条件进行了综合分析，并在数值模拟的基础上，根据分析不同排土位置复合边坡的稳定系数，得出排土边缘距采场的临界安全距离。该研究对于了解复合边坡关键几何参数对露天矿边坡安全系数和应力场的影响具有指导作用。论文形成的科学高效的复合边坡参数设计理论和方法，对降低露天矿开采成本，提高生产安全性具有重要意义。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 选题背景与研究意义(Research Background and Significance)

1.2 文献综述（Literature Review）

1.3 研究内容和方法（Methodology and Technical route）

1.4 创新点（Innovation Points）

2 复合边坡形成特点及破坏机理

2.1 复合边坡的形成机理及特点（ Formation Mechanism and Characteristics of Composite Slope）

2.2 复合边坡破坏机理及几何特征（ Failure Mechanism and Geometrical Characteristics of Composite Slope）

2.3 排土位置与复合斜坡关键几何参数的几何关系（Geometrical Relationship between Dump Position and Composite Slope Key Geometrical Parameters）

2.4 本章小结（Summary）

3 露天矿复合边坡变形机理及应力分布

3.1 复合边坡二维应力状态及滑移线分析（ Two Dimensional Stress State and Slip Lines Analysis for Composite Slope）

3.2 基于弹性理论的无限条上三角形加载（Triangular Loading on an Infinite Strip Based on the Theory of Elasticity）

3.3 在半无限大空间中排土场的应力（ Stresses Due to Waste Dump Loading in a Semi-Infinite Mass）

3.4 倾倒位置对复合边坡应力场的影响（ Effect of the Dump Position on the Stress Field of Composite Slope）

3.5 露天开采中渐进加载引起的变形机制（ Deformation Mechanisms Due to Progressive Loading in Surface Mining）

3.6 露天矿几何参数的应力分布规律（Stress Distribution Rule of Surface Mines Geometrical Parameters）

3.7 加载表面下的应力变化规律（Stress Variation Rule Beneath a Loaded Surface）

3.8 本章小结（Summary）

4 复合边坡几何参数的影响

4.1 露天矿边坡倾角对复合边坡稳定性的影响(Effect of Surface Mines Slope Angle on the Stability of Composite Slope)

4.2 露天矿边坡高度对复合边坡稳定性的影响(Effect of Surface Mines Slope Height on the Stability of Composite Slope)

4.3 露天矿排土场高度对复合边坡稳定性的影响 (Effect of Surface mines Waste Dump Height on composite slope Stability)

4.4 露天矿排土位置对复合边坡稳定性的影响(Effect of Surface Mines Waste Dump Position on Composite Slope Stability)

4.5 露天矿排土场角度对复合边坡稳定性的影响（ Effect of Surface Mines Waste Dump Angle on Composite Slope Stability）

4.6 本章小结（Summary）

5 复合边坡几何参数耦合效应研究

5.1 露天矿几何参数与复合边坡稳定性的耦合作用（ Coupling Effect between Surface Mines Geometrical Parameters on Composite Slope Stability）

5.2 排土场几何参数与复合边坡稳定性的耦合作用（ Coupling Effect between Waste Dump Geometrical Parameters on Composite Slope Stability）

5.3 排土高度与露天矿几何参数的耦合效应（ Coupling Effect between Dump Height and Surface Mines Geometrical Parameters）

5.4 排土场位置与复合边坡几何参数的耦合效应分析（Coupling Effect of Dump Position and Dump Geometrical Parameters on Composite Slope）

5.5 排土位置与露天矿几何参数对复合边坡的耦合作用（ Coupling Effect of Dump Position and Surface Mines Geometrical Parameters on Composite）

5.6 计算复合边坡稳定性的一般性表述（General Expression for Computing the Stability of a Composite Slope）

5.7 本章小结（Summary）

6 大唐软岩复合边坡变形机制及稳定条件

6.1 胜利露天矿工程地质特征及水文地质条件（ Engineering Geology and Hydrogeological condition of Shengli Surface Coal Mine）

6.2 弱层变形机理和滑坡模式（ Deformation Mechanism and Landslide Model of Weak Layer）

6.3 近水平矿床沿帮外排位置对边坡稳定性的影响分析（Influence of Outer Dump Position on Slope Stability of Near Horizontal Deposit）

6.4 胜利东 2 号露天矿复合边坡失稳分析（ Composite Slope Stability Analysis of Shengli No. 2 Surface Coal mine）

6.5 本章小结（Summary）

7 结论和建议

7.1 结论（Conclusion）

7.2 建议（Recommendations）

参考文献

作者简介

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