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露天边坡的开挖过程中,由于开挖卸荷,在近坡面一定范围内的岩土体中发生应力重分布作用,边坡岩土体为适应这种应力重分布应力状态将发生变形或破坏。而在岩土体中进行井工开采,由于采空区上部岩土体失去支撑,巷道围岩中原有的的应力平衡随即遭到破坏,于是引起了巷道附近岩土体产生变形、位移,甚至破坏,直到出项新的应力平衡为止。
在露天矿边坡下方进行井工开采,必然会导致边坡岩体内部应力重新分布,引起岩土体移动。从空间对应关系上讲,两种采动效应相互作用和叠加,表现为一种采动效应对另一个平衡体系的干扰或破坏作用,使得两种开挖体系之间相互诱发或相互扰动,从而组成一个复合动态变化系统。
井工开采采动效应不仅使边坡岩土体结构发生破坏,物理力学强度降低;同时还会引起边坡岩土体中的应力发生重分布,从而对露天边坡的稳定性产生不利影响。在某些特定条件下井工开采甚至会导致露天边坡的失稳,给露天矿的正常运营带来不利,造成巨大经济损失。因此,揭示边坡下井采对边坡稳定性影响的内在规律及分析评价方法是一个非常重要和急待解决的问题。
本文在理论分析的基础上,结合工程实例研究井工开采影响下边坡的变形与破坏机理,总结出井采影响下露天边坡的稳定性的评价方法,为该类矿山的开采设计和安全生产提供科学依据,对提高矿山的生产能力,降低工程成本都有重要的经济价值和研究意义。
论文主要内容及研究成果如下:
(1)分析了在露天开采作用下边坡岩土体内部应力重分布特征、变形破坏特征及影响因素。
(2)分析了井工开采作用下围岩中应力重分布特征、围岩变形破坏特征及地表变形特征等。
(3)井工开采后,采空区顶板岩层在自重及上覆岩层的作用下,向下弯曲、移动而形成“上三带”,即冒落带、断裂带和弯曲带,不仅造成边坡岩土体结构破坏,物理力学特性发生改变:同时,由于边坡的存在,将在采空区两侧形成偏压,致使边坡向抗力较小的边坡倾向整体位移,从而对边坡的稳定性产生不利影响。文中对采动边坡的变形机理、位移模式及可能存在的破坏模式进行了分析。
(4)文中列举了边坡稳定性计算评价的一般方法,并分析了以往针对采动边坡稳定性分析方法的不足,充分考虑采动边坡的应力应变特征,提出了将极限平衡法与有限差分法相结合对采动边坡稳定性进行综合评价的方法,并给出了具体分析步骤。
(5)以山西省朔州市安太堡露天矿东帮边坡在B900井工开采工作面影响下边坡的位移及破坏规律为例,结合数值分析及工程实践监测资料,分析边坡在单一露天开采及露井联合开采下边坡应力应变规律,总结井工开采时边坡应力、应变分布规律及影响因素:井工开采诱使边坡位移明显,边坡整体向抗力较小的边坡倾向运动;上山方向侧边坡位移大小及范围明显增加,而在下山方向侧减小:地表位移速率总体上呈先增大后减小并趋于稳定的规律;受地表边坡存在的影响,倾向主断面上的张拉、压缩区呈非对称分布,张拉区在上山方向侧范围变大,而在下山方向侧减小;压缩区在两侧均减小。另外,下山方向侧一定范围内明显发育一个鼓胀变形区。
(6)结构面组合判断结果表明,边坡不会发生大规模的平面、楔形体等破坏,边坡整体稳定性较好,仅边坡表层受岩性及近垂直状产出节理裂隙面控制会发生局部的倾倒型崩塌破坏;而在井工开采的作用下,根据数值模拟计算成果可以判断,边坡中原有的应力状态发生重分布,在边坡顶部及边坡表层岩土体中产生水平拉伸区及压缩区,致使边坡地表产生大量裂缝及局部的边坡垮塌和孤石崩落,而不会出现大面积滑坡。该结论得到了现场监测资料及工程地质调绘成果的验证。