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露天矿大型排土场稳定性及安全控制关键技术研究

王莉  
【摘要】:排土场滑坡、泥石流等灾害的防控与治理,既关系到矿山的安全生产,又关系到人民生命财产安全和环境保护。排土场失稳滑坡作为一种常见的工程灾害类型,对矿产资源的高效开采与安全运营造成了巨大威胁。因此,深入开展排土场边坡稳定性及滑坡防治技术的研究,具有重要的科学研究意义及工程应用价值。本文以江西省九江市城门山铜矿二期排土场为工程背景,针对现有排土场稳定性研究方法,采用现场调研、室内试验、数值模拟和理论分析相结合的手段,基于极限平衡、可靠度、有限差分、离散元等理论,建立了一套有效的从宏-细观角度开展排土场稳定性分析方法及滑坡防治措施,实现排土场稳定高效排放和生产运营安全。主要研究结论如下: (1)影响排土场边坡整体稳定性的敏感因素,按强弱划分依次为:排弃土内摩擦角、地震影响系数、混合排弃土粘聚力、混合排弃土重度。 (2)极限平衡及可靠度分析表明,排土终了时刻,特征剖面E-E边坡在静力条件下安全系数为1.050、破坏概率为14.460%,而在7度地震烈度作用下,安全系数为0.946、破坏概率为53.160%。采用强度折减计算获得的静力条件下边坡安全系数为1.07。因此,计算表明排土终了时刻边坡基本处于稳定状态,但缺乏足够的安全系数储备,极易在静力条件下发生滑坡事故。 (3)基于颗粒流理论的局部强度折减计算表明,在静力条件下排土场边坡安全系数为1.12。在滑坡破坏过程中,微破裂先沿着坡体中部产生,逐渐贯通至坡顶处,然后再向第二台阶坡脚处扩展,并最终形成贯通坡体内部的由微破裂组成的滑动带。在此过程中,张拉型微破裂始终占主导优势,滑坡产生的声发射事件破裂强度分布范围为-2.47至-4.24。 (4)持续强降雨和短时特大暴雨等不同降雨入渗条件下,排土场边坡稳定性明显降低,且在无其它优化治理措施的情况下,各特征部位的安全系数普遍低于规范要求。在持续强降雨条件下,降雨入渗主要对边坡上部后期排弃的土石混合体部分的总水头分布有所影响,对前期排弃土石混合体影响并不明显。在短时特大暴雨条件下,降雨在开始阶段就对边坡上部排土料部分的总水头分布有所影响,但随着降雨持时推进变化并不明显,这是由于短时间内降雨量过大,大部分降雨随坡面流失,并未渗透深入坡体。 (5)采用“抗滑钢轨桩”+“分级分类排放”稳定安全综合处治措施,可明显提高排土场边坡的稳定性,静力条件下,极限平衡计算获取安全系数为1.18,强度折减计算获取安全系数为1.31。 针对排土场稳定性分析及安全处治措施,本文在研究过程中,取得了以下创新性成果:(1)建立了一种采用拉丁超立方抽样进行排土场边坡稳定性的可靠度分析方法;(2)建立了一套基于颗粒流理论的局部强度折减法和基于矩张量理论的声发射模拟法,从细观尺度上研究了排土场边坡失稳破坏的时空演化过程及破裂机制:(3)基于饱和-非饱和渗流理论及其边坡稳定性分析理论,对传统极限平衡公式进行修正,使之适用于饱和-非饱和土体的抗滑分析,实现了对持续强降雨和短时暴雨等不同降雨入渗条件下排土场边坡稳定性的分析,揭示了降雨入渗对排土场边坡稳定性的影响规律;(4)提出了“抗滑钢轨桩”+“分级分类排放”的排土场边坡稳定安全综合处治措施。 本文研究方法及相关成果,可弥补现有排土场边坡稳定性研究及安全处治措施的不足,具有一定的理论研究意义及工程应用价值。


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