复杂工况条件下露天煤矿边坡变形机理与控制措施

1绪论1 1.1研究背景与意义1 1.1.1研究背景1 1.1.2研究意义2 1.2国内外研究现状2 1.2.1边坡潜在滑移面研究现状2 1.2.2软弱夹层边坡稳定性研究现状4 1.2.3散体边坡稳定性防护措施5 1.2.4岩质边坡稳定性防护措施7 1.3主要研究内容与研究思路8 1.3.1主要研究内容8 1.3.2研究思路8 1.4本章小结9 2边坡稳定性模拟与监测装置研发10 2.1全角度自动化边坡测斜监测装置的设计与研制10 2.1.1研发背景10 2.1.2研发思路10 2.1.3设备构成与原理11 2.1.4设备特点及功能13 2.1.5适用条件及实测方法13 2.2边坡失稳渐变效应模拟装置设计与研发14 2.2.1研发背景14 2.2.2研发思路14 2.2.3设备构成与原理15 2.2.4设备特点及功能17 2.2.5适用条件与测试方法17 2.3边坡模型试验的球形运动及应力监测仪器18 2.3.1研发背景18 2.3.2研发思路18 2.3.3设备构成与原理18 2.3.4设备特点及功能20 2.3.5适用条件与测试方法20 2.4全角度坡脚钻孔稳定性动态监测装置21 2.4.1研发背景21 2.4.2研发思路21 2.4.3设备构成原理22 2.4.4设备特点及功能23 2.4.5适用条件与测试方法23 3露天煤矿边坡稳定性分析方法25 3.1概述25 3.1.1滑移线法25 3.1.2极限平衡法26 3.1.3极限分析法26 3.1.4数值方法26 3.1.5概率方法27 3.1.6模糊和灰色理论28 3.1.7应用系统科学、人工智能、神经网络、进化计算28 3.2岩质边坡滑坡模式29 3.2.1顺倾滑动型破坏29 3.2.2反倾切断型破坏29 3.2.3局部台阶松动崩塌破坏29 3.2.4均质追踪节理滑动型破坏30 3.2.5楔体型破坏30 3.2.6圆弧及圆弧折线型破坏30 3.3散体边坡滑坡模式30 3.3.1排土场内部滑坡31 3.3.2沿地基接触面滑坡31 3.3.3软弱地基底鼓滑坡32 3.4极限平衡分析方法32 3.4.1安全系数定义32 3.4.2常用的极限平衡方法32 3.4.3稳定性分析中几个问题的处理37 3.5边坡随机分析基本原理41 3.5.1MonteCarlo模拟方法41 3.5.2罗森布鲁斯法44 3.5.3露天矿边坡破坏风险评估45 3.6数值模拟分析方法46 3.6.1强度折减法的原理47 3.6.2强度折减法与安全系数48 3.6.3破坏失稳标准的定义49 3.6.4屈服准则和计算软件49 4软弱夹层位置确定与端帮煤安全回采措施51 4.1露天矿工程背景51 4.1.1工程地质51 4.1.2揭露岩体现场测绘52 4.1.3边坡地层岩性57 4.1.4边坡水文地质条件58 4.1.5生产情况60 4.1.6地表裂缝60 4.2边坡岩体变形监测与分析61 4.2.1位移监测方案62 4.2.2边坡岩体变形规律分析63 4.3边坡关键单元识别方法与路径分析66 4.3.1数值计算软件介绍67 4.3.2数值计算模型建立70 4.3.3边坡潜在滑移面确定71 4.3.4边坡关键单元确定原理75 4.3.5边坡关键单元识别与动态破断路径76 4.4含软弱夹层边坡端帮煤安全回采措施80 4.4.1计算模型建立80 4.4.2计算结果分析80 4.4.3端帮煤安全回采方案研究81 4.4.4讨论83 4.5本章小结87 5软弱基底散体边坡变形监测与数值模拟验证89 5.1露天矿工程概况89 5.2现场监测与分析89 5.2.1现场钻孔与设备布设89 5.2.2钻孔数据采集91 5.2.3数据处理及现状边坡稳定性分析92 5.3边坡稳定性的极限平衡计算与分析98 5.3.1矿区地质条件与物理力学参数确定98 5.3.2考虑降雨影响的边坡稳定性分析103 5.3.3考虑振动影响的边坡稳定性分析114 5.4本章小结122 6振动作用下软弱基底散体边坡失稳试验研究与分析124 6.1试验装置研制124 6.1.1试验系统设计124 6.1.2监测设备的选择125 6.2相似模拟试验方案128 6.2.1试验区段选择128 6.2.2试验材料选取129 6.2.3试验方案131 6.3软弱基底排土场振动试验分析134 6.3.1模型的建立134 6.3.2振动数据监测137 6.3.3模拟试验与结果分析139 6.3.4讨论144 6.4本章小结145 7振动作用的时间效应对边坡稳定性影响的试验研究与分析146 7.1试验方案146 7.1.1试验材料146 7.1.2试验方案146 7.2振动时间效应的排土场稳定性试验146 7.2.1模型的建立146 7.2.2振动数据监测147 7.2.3模拟试验与结果分析148 7.3本章小结153 8露天矿边坡稳定性控制154 8.1露天矿边坡综合防治措施154 8.1.1边坡防护的一般性要求154 8.1.2完善防排水系统154 8.1.3完善边坡监测系统155 8.1.4完善边坡巡查制度155 8.1.5定期进行边坡稳定验算155 8.2削坡减载与内排压脚措施155 8.2.1削坡减载案例155 8.2.2内排压脚案例158 8.3防排水措施165 8.3.1水对边坡的危害165 8.3.2露天煤矿防排水案例165 8.4边坡加固168 8.4.1边坡加固的一般措施168 8.4.2露天煤矿破碎站边坡加固案例169 8.4.3露天煤矿地质公园沉陷区治理案例172 8.5边坡监测179 8.5.1边坡变形监测方法179 8.5.2露天煤矿边坡监测案例182 8.6本章小结189 9主要结论190 参考文献193