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本文基于“工程地质学、矿山地质学、土力学、岩体力学、计算机科学”等学科理论与方法对内蒙古自治区白音乌拉煤田苏尼特左旗芒来露天煤矿露天边坡工程稳定性进行了分析与研究,在现场进行详细工程地质调查的基础上,通过现场和室内试验、分析计算、数值模拟等多种技术手段和方法,对露天煤矿岩质边坡稳定性进行分析和研究,并提出了防止边坡变形破坏的防治措施。主要内容如下:
(1)从世界范围内介绍了露天矿边坡的发展研究历程,概述了该领域内已有的研究成果,并进行了相应的综合评述；在此基础上,给出了论文的写作目的、意义、主要研究内容及所采取的研究方法和技术路线:描述了论文的整体结构与框架体系。
(2)介绍了芒来露天煤矿的基本情况,包括项目背景、露天矿境界及资源储量、设计规模和服务年限、首采区及拉钩位置、采区的划分及开采顺序、开采工艺与开采方法、疏干防排水工程以及露天矿的总平面布置等相关内容；从总体上对芒来露天煤矿的采剥计划和方法、生产运营状况与建设情况有了清醒的认识和了解。
(3)介绍了研究区的工程概况,分析了其气象气候、地层、构造等自然地质条件；矿区地震烈度、矿床开采环境地质、矿床开采放射性、瓦斯、煤尘和煤的自然倾向及地温等工程地质条件；以及影响露天矿边坡稳定性的因素。
(4)介绍了露天矿边坡矿岩的物理力学试验(包括通过岩体的单轴压缩试验来确定岩体的抗压强度、弹性模量及泊松比、通过岩体的三轴压缩试验来确定岩体的抗剪强度、粘聚力及内摩擦角),并对其试验结果进行了分析；在现场工程地质调查的基础上,对其进行了工程地质岩组的划分,得出该矿山边坡主要有第四纪松散层、泥岩组、砂岩组和煤层等结构层组成；综合评述:本区含煤地层无论砂岩、泥岩,抗压强度均低于煤层,除钙质胶结的砂岩以外,抗压强度均小于20MPa,按《工程岩体分级标准》进行分类,属于软岩类；按露天煤矿剥离岩性和物理力学性质分类,泥岩组属于软岩类,砂岩组属软岩类-硬岩类,煤层属于硬岩类。
(5)进行边坡稳定性自动搜索最危险滑动面条分法分析,采用简化BISHOP法对矿区的西部边帮计算剖面P0边坡稳定性进行分析,分别考虑边坡岩体的自重和岩体自重+地震共同作用两种工况,计算得到:
①在仅考虑自重的情况下,矿区的西部边帮计算剖面P0其安全系数为1.688,考虑到受地震的影响下,边坡的安全系数为1.659,满足边坡的容许安全系数1.25。
②当台阶坡角为75°,整体边坡角为60°的情况下,其稳定性在安全方面是满足要求的。
(6)选用Mohr—Coufomb本构模型、利用FLAC3D对典型坡面的应力应变进行数值分析,验证其边坡角度的稳定性,综合确定了经济安全合理的边坡角。得到如下结论:
①坡体内的水平方向的应力和竖直方向的应力变化不明显,从下至上逐渐变小,说明此应力分布状况符合岩体自重应力场的正态分布。坡体内的剪切应力的方向表现为向下,越向坡面主应力发生明显偏转,表现为愈接近坡面,最大主应力愈与之平行,而最小主应力与之近乎正交,向坡体内逐渐恢复初始状态。说明边坡处于十分稳定的状态。
②水平方向的位移变化不明显,只是在坡角附近的变化稍大一些,竖直方向的位移变化也不大,说明边坡处于比较稳定的状态。
③最大不平衡力在18.45—13110N之间,从峰值回落逐渐减小最终趋近于零,随着时间的推移,不平衡力逐渐消散均化到岩体中去,使岩体的扰动逐渐减小,最终趋于平衡。
④弹塑性数值计算得到的边坡安全系数为1.70,其计算结果与极限平衡法计算得到的安全系数值1.688较为相近,说明当台阶坡角为750,整体边坡角为60°时,边坡处于稳定状态,按照此角度进行采剥施工是满足安全规范要求的。因此,可确定为是最优的边坡角度。
(7)阐述了边坡的防治措施,包括监测因子与布点、监测方法、监测时段和频率；地下水控制的方法和措施；采掘场排水包括对排水量进行估算、排水方案进行设计；地面排水包括地面防排水系统的设计、地面防排水工程的实施等措施和方案,为露天矿边坡采掘工程的安全生产提供了有力的保障。