【摘要】：長(zhǎng)期以來(lái),邊坡滑坡災(zāi)害一直困擾著人類的安全生產(chǎn)活動(dòng)。由于露天礦山長(zhǎng)期大規(guī)模高強(qiáng)度的采礦活動(dòng)所形成的高邊坡,更是滑坡災(zāi)害的高發(fā)地,加上礦區(qū)人員和設(shè)備相對(duì)集中,邊坡災(zāi)害所造成的不良后果影響更是巨大。遼寧省本溪市南芬露天鐵礦區(qū)更是如此,尤其是礦山進(jìn)入深凹露天開采模式之后,礦區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過數(shù)次不同規(guī)模的滑坡災(zāi)害事件。因此,為了減小或避免礦區(qū)滑坡災(zāi)害帶來(lái)的損失,為安全生產(chǎn)和人員安全保駕護(hù)航,開展礦區(qū)邊坡災(zāi)害研究意義重大。本文在大量查閱分析邊坡滑坡災(zāi)害方面國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)成果的基礎(chǔ)上,采用跨學(xué)科相結(jié)合的研究方法,充分運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)、采礦科學(xué)、巖石力學(xué)、測(cè)試學(xué)、光學(xué)、信息科學(xué)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)綜合知識(shí),對(duì)南芬露天鐵礦區(qū)開展了現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、巖石樣品采集,對(duì)所采集的樣品進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。以礦區(qū)第十邊坡勘探剖面線資料為依據(jù),采用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件程序,詳細(xì)研究了含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的滑坡災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展、成災(zāi)機(jī)制,指出了第十勘探線位置下盤邊坡誘發(fā)邊坡災(zāi)害的主要因素在于軟弱結(jié)構(gòu)面巖體強(qiáng)度的下降。在上述研究成果基礎(chǔ)上,提出并在礦區(qū)下盤邊坡實(shí)施了邊坡災(zāi)害加固-控制-預(yù)警一體化工程應(yīng)對(duì)措施,并在現(xiàn)場(chǎng)工程中取得了良好的實(shí)踐應(yīng)用效果。為此,開展了如下相關(guān)研究工作,具體研究?jī)?nèi)容及成果主要包括以下幾個(gè)方面:(1)為了獲得南芬露天鐵礦高邊坡的第一手地質(zhì)資料,以查明滑坡地質(zhì)賦存情況,首先對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了全面的地質(zhì)情況調(diào)查。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn),礦區(qū)含鐵段屬于單斜構(gòu)造,當(dāng)前采礦和剝巖量巨大。礦區(qū)上盤邊坡以逆傾向巖體為主,下盤邊坡以順傾向?yàn)橹?板裂層狀特征顯著。地質(zhì)特點(diǎn)和巖體結(jié)構(gòu)決定了下盤邊坡是滑坡災(zāi)害的高發(fā)地,歷史上就曾經(jīng)發(fā)生過多次滑坡災(zāi)害,也進(jìn)行了多次治理,一直是礦區(qū)滑坡研究和治理的重點(diǎn)區(qū)域。針對(duì)南芬露天鐵礦下盤334 m平臺(tái)、346 m平臺(tái)和370 m平臺(tái)巖體松散破碎嚴(yán)重、小型滑坡災(zāi)害多發(fā)的特點(diǎn),利用不同物質(zhì)介質(zhì)介電常數(shù)不同所引起電磁波傳播特性不同的性質(zhì),同時(shí)考慮到工程可行性,經(jīng)過對(duì)不同方法的對(duì)比,最終使用地質(zhì)雷達(dá)和地面耦合方式的200 MHz低頻屏蔽天線,在下盤三個(gè)臺(tái)階各布置一條測(cè)線分別進(jìn)行十米以內(nèi)淺層破碎帶的探測(cè)。對(duì)每個(gè)臺(tái)階測(cè)線所輸出的剖面圖進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)三個(gè)平臺(tái)不同測(cè)點(diǎn)之間破碎帶分布不均,巖體完整性不強(qiáng),裂縫發(fā)育顯現(xiàn),地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆探結(jié)果一致。通過對(duì)以上三個(gè)臺(tái)階探測(cè)剖面圖特征的提取,繪制出邊坡斷面圖。斷面圖顯示,370 m平臺(tái)破碎帶埋深最大,達(dá)到6~9m。(2)為了研究南芬露天礦下盤邊坡巖體力學(xué)性質(zhì),采用深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)自主研發(fā)的tgq-q5淺部取樣鉆機(jī)在礦區(qū)下盤邊坡對(duì)綠簾角閃巖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)樣品采集,而后進(jìn)行了室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)以及礦物成分的分析。室內(nèi)樣品測(cè)試結(jié)果表明,綠簾角閃巖的室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度參考值為71.3mpa,彈性模量參考值為51.79gpa,泊松比參考值為0.23,內(nèi)摩擦角?為33.20°,粘聚力c為20.74mpa,樣品成分主要由云母、石英和粘土礦物組成,含量分別為39.4%、27.4%和20.1%,所取巖樣具有一定程度的分子吸水膨脹(ia)和膠體膨脹(ib)特性。(3)以相似基本原理為理論基礎(chǔ),在詳細(xì)分析南芬露天鐵礦地質(zhì)剖面資料基礎(chǔ)上,針對(duì)礦區(qū)第十勘探線地質(zhì)情況,設(shè)計(jì)了三步開挖試驗(yàn)和軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度軟化實(shí)驗(yàn)。坡底部位進(jìn)行的三步開挖試驗(yàn),每一步開挖時(shí)間間隔設(shè)定為300s。整個(gè)分步開挖試驗(yàn)過程均采用紅外熱成像儀實(shí)時(shí)記錄邊坡紅外能量輻射場(chǎng)。采用百分表實(shí)時(shí)記錄坡腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的水平方向位移和豎直方向位移變化情況,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的百分表測(cè)量滑坡體水平和豎向位移,監(jiān)測(cè)2處的百分表用以測(cè)量滑床巖體的水平和豎向位移。使用攝像機(jī)記錄開挖對(duì)邊坡造成的影響規(guī)律。位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,每一步開挖工作均會(huì)使監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的水平位移有所增加,三步開挖完畢時(shí)的最大水平方向位移為0.06mm,而監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的豎直方向位移變化范圍較小,最大位移達(dá)到0.01mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2兩處的水平和豎向位移均無(wú)明顯變化。三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明,坡腳開挖活動(dòng)對(duì)邊坡坡腳處巖體影響最大,且對(duì)坡腳處水平位移的影響大于豎直方向的影響。三次分步開挖及結(jié)果對(duì)比說明,開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有一定影響作用,且坡腳開挖區(qū)域附近影響更大。(4)為了研究軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成的影響,開挖試驗(yàn)結(jié)束后,進(jìn)行了軟弱面強(qiáng)度降低試驗(yàn)。利用熱敏材料力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)隨溫度升高而降低的特性,采用熱敏材料模擬軟弱結(jié)構(gòu)面,同時(shí)采用有限單元板模擬滑體和滑床巖體。試驗(yàn)以位移百分表、攝像機(jī)和紅外熱成像儀為主要測(cè)量手段,對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面弱化全過程的邊坡變化情況進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,熱敏材料的強(qiáng)度顯著開始下降的溫度為76.8℃。在對(duì)熱敏材料開始加熱后,滑體部分整體發(fā)生了水平向左和豎直沉降運(yùn)動(dòng),并且上部層狀巖體運(yùn)動(dòng)幅度較大,滑出滑床趨勢(shì)明顯。1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移由0逐漸增大,達(dá)到5.66mm之后,巖層位移持續(xù)增大。3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移表現(xiàn)出增大趨勢(shì),豎直位移出現(xiàn)先增大然后減小的趨勢(shì)。2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯變化。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)出如下規(guī)律:1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果說明弱層強(qiáng)度下降引起了上覆層狀巖體的水平向位移和豎直向位移增大顯著。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位于坡腳部位,監(jiān)測(cè)結(jié)果說明,軟弱夾層強(qiáng)度的弱化造成滑坡體的滑移,這種滑移也會(huì)對(duì)坡腳部位巖體水平位移和豎直位移產(chǎn)生影響作用。2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果說明,滑體的運(yùn)動(dòng)對(duì)滑床無(wú)影響�；掳l(fā)生過程中也伴隨有巖體破碎現(xiàn)象的發(fā)生。(5)采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序flac3d首先對(duì)不含軟弱結(jié)構(gòu)面和含有軟弱結(jié)構(gòu)面的一般邊坡進(jìn)行了強(qiáng)度折減下的對(duì)比計(jì)算。對(duì)于不含軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡,隨著折減系數(shù)的增大,邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽亢退苄詤^(qū)范圍逐漸擴(kuò)大直至貫通,最大位移出現(xiàn)在坡腳位置,邊坡最終破壞面呈現(xiàn)出圓弧狀破壞面。對(duì)于含有結(jié)構(gòu)面的邊坡,隨著折減系數(shù)的增大,剪應(yīng)變?cè)隽亢退苄詤^(qū)范圍逐漸變大,但剪應(yīng)變?cè)隽亢退苄詤^(qū)最先擴(kuò)大的位置出現(xiàn)在軟弱結(jié)構(gòu)面附近,且剪應(yīng)變?cè)隽亢退苄詤^(qū)的擴(kuò)大也是沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)展的,軟弱結(jié)構(gòu)面處位移較大。經(jīng)過對(duì)兩組長(zhǎng)度和位置不同的軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)比發(fā)現(xiàn),軟弱結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度越長(zhǎng),對(duì)邊坡所產(chǎn)生的不利影響作用越顯著。(6)針對(duì)南芬露天鐵礦下盤邊坡含有下部13°軟弱結(jié)構(gòu)面、上部含有48°兩組軟弱結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn),為了突出對(duì)比有無(wú)軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡的不同作用,建立了含有兩組軟弱結(jié)構(gòu)面的三維邊坡模型和不含軟弱結(jié)構(gòu)面的三維邊坡模型。開挖前,與不含軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡相比,含軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡具有如下特點(diǎn):x方向最大位移出現(xiàn)在下部軟弱斷層坡腳處,z方向位移數(shù)值和范圍均有所增大,說明該處邊坡在軟弱斷層作用下最大位移有所下降。剪應(yīng)變?cè)隽枯^大處出現(xiàn)在了下部13°弱面部位,沿著上部和下部?jī)蓚�(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面也產(chǎn)生了一定程度的塑性區(qū)貫通。因此,軟弱結(jié)構(gòu)面的存在改變了邊坡x和z方向位移、剪應(yīng)變?cè)隽俊⑺苄詤^(qū)分布狀況,使邊坡性質(zhì)變差,降低了邊坡穩(wěn)定性。隨著分步開挖的進(jìn)行,含有軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡x方向和z方向位移逐漸增大、范圍變大。x方向位移發(fā)生顯著變化的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于上部弱層和下部弱層所切割巖體的內(nèi)部,相比之下,x方向位移沒有發(fā)生明顯變化的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)都位于上部弱層和下部弱層所切割巖體的外部。剪應(yīng)變較大值最先出現(xiàn)在了位于滑體下部的13°傾角弱層區(qū)域,隨著進(jìn)一步開挖工程的進(jìn)行,剪應(yīng)變?cè)隽枯^大區(qū)域逐漸向上部48°軟弱巖層擴(kuò)展發(fā)育,并呈現(xiàn)出逐漸貫通的態(tài)勢(shì)。以上結(jié)果說明,相比于不含軟弱面邊坡,含有軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡對(duì)開挖更敏感,影響了邊坡的位移、剪應(yīng)變、塑性區(qū)分布規(guī)律,使邊坡更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。(7)基于邊坡下滑力大于抗滑力是滑坡發(fā)生的充分必要條件所研發(fā)的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),使用戶與邊坡工程現(xiàn)場(chǎng)形成了一個(gè)信息采集、傳輸、反饋的閉環(huán)功能系統(tǒng),為現(xiàn)場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)域工程安全提供了強(qiáng)有力的實(shí)時(shí)保障。同時(shí)由于恒阻大變形錨索的使用,對(duì)邊坡災(zāi)害形成了集加固-監(jiān)測(cè)-預(yù)警為一體的解決方案。邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由恒阻大變形錨索子系統(tǒng)、智能供電子系統(tǒng)、雙路數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)組成,這四個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)作,共同成為一個(gè)完整的有機(jī)體,保證了整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定有效運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡災(zāi)害的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。完善了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)曲線變化的穩(wěn)定、次穩(wěn)定、裂縫、滑移、擾動(dòng)五種監(jiān)測(cè)預(yù)警模式,使監(jiān)測(cè)預(yù)警工作更具可操作性,保證了滑坡預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在南芬露天鐵礦的應(yīng)用表明,恒阻大變形錨索能夠在滑坡裂縫寬度達(dá)到1.2 m時(shí)仍然保持不斷,確保了滑坡下滑力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的持續(xù)性。對(duì)采場(chǎng)下盤526 m平臺(tái)“10-0731滑坡”和“10-0805滑坡”的全程預(yù)警預(yù)報(bào)成功規(guī)避了重大災(zāi)害損失,驗(yàn)證了邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD854.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2256144