（工程力学专业论文）基于拉格朗日差分法的露天边坡稳定性研究.pdf

摘要 露天边坡工程是以岩体为工程材料和工程结构，以采矿作业为施 工手段而形成的大型岩体工程。其稳定性是保证矿山正常生产的先决 条件，露天矿山开挖后在一定程度上破坏和扰动原来较为稳定的岩体 而形成新的人工边坡，使岩体产生力学响应，可能会造成围岩失稳和 破坏。因此，对露天开采边坡进行稳定性分析尤为重要。 本文提出，针对多介质复杂条件下的岩体工程，可以通过建立完 全反映地质结构及岩性在空间上分布情况的三维地质模型，再利用三 维地学模拟与数值模拟的耦合集成技术，建立既“可信”又“可算 的力学模型，对露天边坡的稳定性进行数值模拟分析，确保生产的安 全。 本文以易门铜矿露天开采境界优化方案下的边坡为工程背景，通 过岩体构造调查，质量分类，室内力学试验，力学参数的工程处理。 建立铜厂露天开采边坡的三维地质模型，采用d i m i n e 数字矿山软件 的耦合集成技术四面体网格化将地质模型转换为力学模型，应用 基于拉格朗日法的有限差分( f l a c 3 d ) 大变形方法对铜厂露天开采 边坡的稳定性进行了数值模拟，分析了基于强度折减理论计算出的边 坡安全系数以及基于莫尔库伦屈服准则的边坡开采后的位移、应力等 的变化状况，得出了易门铜厂露天矿露天境界优化方案下的边坡的稳 定性状况。 通过对铜厂露天开采边坡稳定性的成功模拟，说明了采用三维地 质模型与数值模拟耦合方式能较快的建立数值模拟的前处理模型。这 种模型能准确的体现实际岩体的地质特征。此外通过数值模拟软件的 计算得出合理的结论可确定易门铜厂露天矿露天境界优化方案所确 定的边坡角是可行的，可以确保矿山安全生产，这为易门铜厂矿山设 计和生产提供了依据。 关键词：露天矿边坡：构造调查：室内岩石试验：三维地质模型：数值模 拟：稳定性 中南人学硕i ：学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t a sak i n do fl a r g e s c a l er o c km a s sp r o j e c t ，o p e np i ts l o p ee n g i n e e r i n g t a k e sr o c km a s sa st h ee n g i n e e r i n gm a t e r i a la n ds t r u c t u r e ，u s i n gm i n i n g o p e r a t i o na si t sc o n t r u c t i o nm e t h o d i t ss t a b i l i t yi st h ep r e r e q u i s i t ef o r m i n en o r m a lp r o d u c t i o n a f t e rt h ee x c a v a t i o no fo p e np i t m i n e ，t h e o r i g i n a lr o c km a s ss t a b i l i t yw i l lb ed a m a g e do rd i s t u r b e d a tt h es a m e t i m e ，a r t i f i c i a ls l o p ew i l lb ef o r m e da n dm e c h a n i c sw i l lb er e s p o n d e di n t h er o c k ，i tm a yc a u s et h ec o u n t r yr o c kt ol o s es t e a d i l ya n dd e s t r o y i n g t h e r e f o r e ，i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt oa n a l y s i st h eo p e np i ts l o p e s s t a b i l i t y t h i sa r t i c l ep r o p o s e s ，t om a n ym e d i u mr o c kp r o j e c to fc o m p l i c a t e d t e r m s ，c a nt h r o u g hs e tu p ，r e f l e c tg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dr o c kd i s t r i b u t e i d e n t i c a la c c u r a t et h r e e d i m e n s i o n g e o l o g i c a lm o d e la ts p a c et o t a l l y , u t i l i z et h eg e o l o g i c a lm o d e lo ft h r e e - d i m e n s i o na n di n t e g r a t e dt e c h n o l o g y o fc o u p l i n go ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s e tu pc a n b e l i e v e a sw e l la s r e l i a b l e c a l c u l a t i o n m o d e l ，c a r r y o nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no n m e c h a n i c s ，t h es e c u r i t yg u a r a n t e e i n gt ob ep r o d u c e dt o t h e d y n a m i c c o u r s eo fp r o d u c t i o n t h i sp a p e r ，w h i c ht a k e st h eo p e np i ts l o p ef o r m e db yt h eo p e nc u t m i n i n ga r e ai n y i m e nt o n g c h a n gc o p p e rm i n ea st h eb a c k g r o u n d ，h a sa s y s t e ms t u d yo fh o wt os i m u l a t et h es l o p es t a b i l i t y a r o u n dt h i so b j e c t i v e t h e i n v e s t i g a t i o n o fr o c ks t r u c t u r e ，r o c km a s sq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o n ， l a b o r a t o r y r o c kt e s ta n dt h e r e d u c i n g ，w h i c ha c c o r d i n g t os o m e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h er o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa r et a k e n t h e g e o l o g i c a lm o d e lo ft h r e e - d i m e n s i o nt ot h eo p e np i ts l o p ei ss e t e du p t h e n a d o p tt h ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g yo fc o u p l i n gt oc h a n g et h eg e o l o g i c a l m o d e li n t ot h em e c h a n i c sm o d e lb yt h et e t r a h e d r a l i z a t i o nw i t hd i m i n e s o f e w a r e ，a tt h e b a s eo fa b o v em e n t i o n e ds t u d y , t h es t a b i l i t ya f t e rt h eo p e n p i ts l o p ee x c a v a t i o na r ea n a l y s e dw i t hn o n l i n e a rl i m i te l e m e n tm e t h o d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) a n dl i m i te q u a t i o na n a l y s i s m e t h o d t h ef a c t o r - o f - s a f e t yc a l c u l a t e d b ys t r e n g t hr e d u c t i o nt h e o r y , d i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n t c h a r a c t e r sb a s e do n m o h r - c o u l o m by i e l dc r i t e r i o na r ea c q u i r e d o nt h eb a s i so fa l lt h ea b o v e h 塑塑堕型堕l 一 垒望! ! i 垦垒竺! 一 d ) 乙- w o r k , i ti so b t a i n e dt h a tt h eo p e np i ts l o p ef o r m e db yt h eo p e n c u tm i n i n g a r e ai ny i m e n t o n g c h a n gc o p p e rm i n ei ss t a b l e 1h r o u g ht h es u c c e s ss i m u l a t i o no ft h es t a b i l i t y o ft h eo p e np i ts l o p e p r o v e dt h a tc o u p l i n go ft h et h r e ed i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e la n dt h e m e c h a n i cs i m u l a t i o nc a n q u i c k e re s t a b l i s h m e n tm e c h a n i cs i m u l a t i o n p r e c u r s o rm o d e l t h i sk i n do fm o d e lc a na c c u r a t em a n i f e s tt h e a c t u a l g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c f u r t h e r m o r e t h e r e a s o n a b l e c o n c l u s i o n c o m p u t e dt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t e ss o f t w a r ep r o v et h a tt h es l o p e a n g l ed e t e r m i n e db yo p e n c u tm i n i n ga r e ai ny i m e nt o n g c h a n gc o p p e r m i n ei sf e a s i b l e ，a l s oi te n s u r et h em i n es a f e t y p r o d u c t i o na n dp r o v i d ea b a s i st b rd e s i g na n dm a n u f a c t u r et oy i m e n t o n g c h a n gc o p p e rm i n e k e y w o r d s ：o p e np i ts l o p e ；i n v e s t i g a t i o no fr o c k s t r u c t u r e ；l a b o r a t o 巧 r o c kt e s t ；t h r e e - d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e l ；n u m e r i c a l s i r e u l a t i o n ； s t a b i l i t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盈衄一日期：丝卫一年上月一2 l 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 盈如逢 导师签名岛d y 见, y 刀夸卜日期：珥年生月一 作者签名： 盈如逢 导师签名： 卜日期：珥年生月一 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 露天边坡工程是以岩体为工程材料和工程结构，以采矿作业为施工手段而形 成的大型岩体工程。露天矿山边坡的稳定是保证矿山正常生产的先决条件，正确 判断露天境界优化后所形成的的边坡的稳定性是保证安全生产的前提条件。露天 矿最终边坡角的大小对矿山安全生产影响重大。显然，从安全观点的角度出发， 要求边坡角越小越安全，但从经济方面看，却要求边坡具有较大的角度。因此， 露天开采边坡的稳定性是露天开采中的重要问题之一。随着国民经济的快速发 展，为了使资源开发适应经济建设高速发展的需要，新的大型露天矿山不断开发， 这在一定程度上破坏和扰动原来较为稳定的岩体而形成新的人工边坡，因而普遍 的存在着边坡稳定的问题需要解决。正确确定在新的条件下的边坡的稳定性，使 工程建设符合安全经济和合理原则，是十分重要的。 1 2 露天矿边坡稳定性研究概况及发展趋势 新中国成立以来，我国露天矿山经过几十年的开采，开采规模和能力不断 扩大，延伸速度不断加快，边坡工程问题逐渐暴露出来，则露天边坡设计，最终 边坡角的确定，边坡稳定性的评价等工作的重要性便日趋显示出来，使露天矿边 坡稳定性问题成为一项专门的研究课题，在我国进行了日益深入系统的研究1 。 ( 1 ) 边坡研究是从借助于连续介质力学理论开始的，把边坡岩体视作连续 介质来对待。6 0 年代初，对边坡岩体的认识和描述产生了质的飞跃，明确提出 岩体是在地质过程中形成的具有大量裂隙的地质体概念，认识到裂隙对边坡稳定 性的控制作用。此后发展成岩体结构的思想，开始从本质上揭示岩体结构对应力 场，渗流场，重力场及它们复合作用的效果。 ( 2 ) 在岩体结构原理发展中，自然地促进边坡岩体变形和破坏模式分析的 发展。从继承土力学中的圆弧形破坏分析开始，逐步扩展到对各种结构型式控制 的破坏模式的分析，包括简单平面剪切破坏，双滑面( 块) 平面剪切破坏，楔形 体破坏，倾倒破坏，弯折或溃屈破坏，复合型破坏等，并相应的建立起力学 数学模型。 ( 3 ) 随着计算机和计算技术的发展，分析方法在传统的极限平衡方法的基 础上，迅速地发展为数值分析法，包括有限元法，边界元法，离散元法等。以及 可靠性分析方法，包括蒙托卡洛模拟法，卢森帕路斯( r o s e n b l u e t h ) 法和可靠 中南人学颂j j 学化论义第一章绪论 性指标法。使得稳定性定黾评价的功能大大强化。 目自订，数值模拟计算方法已经成为现代工程技术分析、计算、预测预报工 呈 稳定性、可靠性的重要手段。近年来国内外学者在现有数值模拟的基础上，将数 值模拟方法与新丌发的软件相结合取得了重要的成果，尤其在岩体的稳定性研究 方面做出了巨大的贡献，为安全生产提供了科学的指导【2 9 1 。 虽然数值计算对于解决岩体工程稳定性问题是一个很好的方法，但是必须认 识到它的可靠性取决于对岩体工程地质特性的认识程度以及研究的深度。从根本 上来讲，数值计算的结果取决于对岩体基本性质的深入认识程度和对于各种地质 因素的合理简化，其关键技术问题在于对研究对象所进行的三维建模。一般来说 数值计算软件着重考虑的是计算过程，对于多介质复杂条件下的岩体工程建模能 力较差，无法体现其复杂的地质特征。在这种情况下就必须开发研究专业的构模 技术，并把所构建的三维地质模型应用到数值计算软件中，以满足岩体工程稳定 性分析的需要。 所谓三维地质模型，是指运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、 地质解析、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结 合起来，并用于地质分析的技术【i o i 。它是由地质勘探、数学地质、地球物理、矿 山测量、矿山地质、g i s 、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门 新兴学科。三维地质建模问题必须解决以下问题：一是开采环境( 如地形、岩层、 岩体、矿体、工程) 的空间位置与几何形态；二是反映丌采环境特征的相关参数 ( 如矿石的品位、岩体强度、岩体质量指标等) 的推估问题。目前主要有三种构 模方法：块段模型是最早采用的矿床开采环境建模的主要方法，这种构模方法建 立的模型不仅可以粗略地表示开采环境的几何形态，更为重要的是其符合开采环 境参数数学推估基本原理和假定的要求。然而，由于这种建模技术为了能够精确 表示丌采环境的几何形态，必须将单元块划分为非常小的尺寸，导致了对存储容 量、速度上的极高要求。线框模型和实体模型是表示矿床开采环境的另两种方法， 这两种方法或者是用一个表面表征丌采环境的外部轮廓，或者是采用标准的组件 填充封装的方式表征整个开采环境 1 l 1 3 1 。 c a s l s o ne 在1 9 8 7 年从地质学的角度提出了地下空间结构的三维概念模型， 开辟了地下三维数据模型的先河【】。随后，国外的c a r ly o u n g m a n n 、m o l e n a a r m a r i e n 、a a p e r j f 、t u r n e ra k 、t h o m a sr f i h s h e r 、r o n g x i n g l i 对三维地质模型 的表面模型结构、空问数据结构、三维矢量地图的数据结构、g i s 系统的三维地 质模型等方面进行了研究，提出了三维地质模型的数据结构和建模方法1 1 4 1 6 】。国 内对三维地质建模的研究较晚，进入9 0 年代以后才丌始对三维地质模型的实现 进行研究 1 7 - 2 1j ，李清泉提出了基于混合结构的三维g i s 数据模型，牛雪峰提出了 2 中南人学硕 j 学位论文 第一章绪论 面向对象的数据结构模式，龚健雅提出了矢量与栅格继承的三维数据模型，白世 伟提出了基于三棱柱体体元的三维地层建模方法及应用，张菊明对三维地质模型 的设计和显示进行了研究，采用空间平面、单值曲面和多值曲面建立三维数学模 型，对各种地质信息的空间分布进行描述。 随着对三维地质模型理论研究的深入，三维地学模拟被广泛应用于虚拟矿山 系统、石油、g i s 、地质、岩体边坡地质信息系统等领域。在矿业专门领域，西 方矿业界在2 0 世纪7 0 年代初就将c a d 技术应用于地质、矿业领域。2 0 世纪 8 0 年代末三维地质建模和可视化理论和技术的发展，推动了矿山计算机辅助地 质建模技术。一大批具有三维地质建模功能的地质采矿软件被开发应用。9 0 年 代中后期，三维地质采矿软件逐渐成为矿山专业软件的主流。国际著名的地质采 矿软件公司相继开发了专业三维软件，主要有m i c r o m i n e 、s u r p a c 、d a t a m i n e 、 l y n x ，v u l c a n ，m i n e s c a p e 、g e o c o m ，m i n e s o f t ，m e d s y s t e m m i n e s i g h t ， g o c a d 、w h i t t l e 等，近年来，国内矿山企业从国外引进了m i c r o m i n e 、s u r p a e 、 d a t a m i n e 等软件，推动了矿山企业的信息化和数字化建设。 随着应用的深入，三维地学软件开始从只具有“看”的功能，到具有一些力 学分析的能力。目前普遍采用的方法是根据各种影响因素建立评价指标体系，进 行定性分析，而使用三维地质模型对工程岩体进行力学稳定性定量分析与评价才 是最具有实用价值的研究方向，但从目前的三维地学软件功能上看，还没有出现 这样具有从力学计算上定量分析工程岩体稳定性的三维地学软件商业软件。 数值计算技术和三维建模技术在各自的领域独自发展，碰到了各自的难题。 数值模拟对复杂地质条件模型困难，而三维建模技术缺乏力学分析能力，如何将 两者结合起来，将三维建模技术应用到数值计算中，使现有数值软件突破构建复 杂多介质地质模型的难题，是个亟待解决的技术问题。 目前，国内对三维地质建模和数值模拟的结合方法有了初步的研究。三维地 学模拟与力学分析模型之间的集成模式主要有以下两种：紧密模式与松散模式 1 2 2 1 。松散联接只需要弄清软件的有关数据文件格式，编写相应的数据转换和公共 界面程序就可以实现。完全耦合却需要改写源程序，而用户一般无法知道这些源 程序，即使有了这些源程序，要读懂并完成改写任务也是非常困难的。因此，当 前比较可行的耦合方式就是松散联接。侯恩科，吴立新等人【2 3 】提出了利用三维地 学模拟与数值模拟的耦合来简化复杂数值模拟前处理的思路，并以地学模拟软 件m i c r o l y n x 与数值模拟软件r f p a 和f l a c 2 d 的耦合为例，提出了耦合的具体 模式和方法，这种耦合系统不仅使数值模拟的前处理得到简化，而且拓宽了地学 模拟的应用领域。王明华，白云等1 0 1 根据对层状岩体三维可视化网格与数值模拟 网格的特点进行剖析的基础上，提出了基于松散模式的三维规则格网与f l a c 3 d 3 中南人学f 【! j ! i j 学位论文第一章绪论 基本元素之问的转化方法，从理论上实现了“可视”与“可算”的结合，并将其应用 于我国某海底隧道的选线研究中。然而，三维数值模拟本身相当复杂，影响凶素 众多，比如硐室形态、地质结构和施工过程的影响等等，已进行的耦合研究都是 针对层状二维或三维地学模型。在采矿领域，由于涉及到矿体建模问题，这方面 的研究非常少，而且仅限于基于g i s 平台下的面元珊格单一层面模型，在地质表 现方面比较弱；另外在三维地学模拟软件中所产生的精确模型一般规模比较大， 现有的商业数值模拟软件和计算机运行速度也很难达到其要求。 1 3 露天矿边坡稳定性研究的程序与方法 露天矿边坡工程稳定性评价是极其复杂的岩体工程地质力学问题，涉及到 工程地质，岩石力学等相关学科。根据大量露天矿边坡稳定性评价的工程实践， 可以概括得出其研究程序与方法。由图1 1 可以看出，其研究内容主要包括四个 方面：即矿山的工程地质研究，水文地质研究，地应力场的研究及矿山岩体力学 研究。其中目前常用多种方法对岩体力学模型进行分析，其主要的分析方法是： 因素对比或类比分，块体稳定性分析，数值分析和数值模拟计算，物理模拟试验 研究等等诸多方面。因素对比或类比分析，虽然具有重要的实用价值，但一般仅 能进行定性评价，其主要困难在于很难或根本不可能找到完全类同的用于进行类 比的可资借鉴的工作实例；块体稳定性分析仅适用于特定的块体失稳破坏形式； 数值模拟及数值分析虽然可以进行定量的评价，但其可靠性密切相关；各种物理 模拟如地质力学模拟及光弹性模拟等原则主要进行变形，破坏机制的模拟。显然， 各种稳定性分析及稳定性评价方法得出的结论都不是唯一的，其主要原因不仅在 于各种分析评价方法的固有特点和局限性，更主要的是因为影响矿山稳定性的因 素非常复杂，且这些影响因素中很多都具有一定的模糊性。为此在矿山工程实践 中，常常根据各种分析评价的结果，相关因素的变化及其变化发展趋势，对其进 行动态综合评价，据此得出的结果一般更为可靠。 稳定性评价不外出现两种结果，即稳定或不稳定，如果稳定则研究工作便可 以结束，反之则必须修改原设计或对岩体进行加固处理。修改原设计包括改变工 程结构，参数，布置形式，乃至改变丌挖顺序及丌挖施工工艺和方法等。 应该指出的是，露天矿边坡工程的特点决定了边坡稳定性研究必须与边坡设 计及露天矿生产密切相结合，这就决定了边坡稳定性研究不但要为边坡设计及露 天矿生产提供科学依据，而且在露天矿的不同的设计及生产阶段，对边坡稳定性 研究的要求亦不相同，遵循着逐渐深化认识的过程。研究工作的任务在于根据不 同生产阶段揭露和提供的新的信息资料，进行相应的评价，指导矿山设计并用于 生产，使研究，设计及生产密切相结合。只有这样的结合，才是科学的，符合生 4 中南人学硕1 ：学位论文第一章绪论 产实际的解决露天矿边坡稳定性研究程序和方法。 图1 - 1 露天矿边坡稳定性研究的程序与方法 1 4 本文的主要内容和技术路线 本文围绕露天开采边坡稳定性的研究，介绍了露天矿边坡稳定性分析的基本 方法、以及应用于岩土工程问题中的数值计算方法，提出通过地质建模与数值计 算耦合对数值计算软件前处理进行简化的思路。以易门铜厂露天矿露天境界优化 方案下的边坡为工程背景，首先对易门铜厂岩体进行了构造调查和力学参数的获 取，其次应用d i m i n e 数字矿山软件建立了地质模型，并应用d i m i n e 软件的 耦合技术四面体网格化功能将其转换到f l a c 3 d 中作为力学计算模型，最 后对铜厂露天境界边坡进行了数值模拟，确定了边坡的稳定性状况。 论文共由八章节内容组成： 5 中南人学坝l ：学位论义第一章绪论 第一章绪论 简要闸述了本课题的研究意义，介绍了研究现状和目| ，j 存在的问题，说明了 本文的主要内容和技术路线。 第二章露天矿边坡工程地质概况 介绍了易门铜矿的工程地质环境、并对矿区岩体进行了构造调查分析，确定 了铜厂岩体的质量分类即r m r 值。 第三章边坡稳定性研究 阐述了边坡稳定性分析的理论研究方法以及边坡破坏的类型和影响边坡稳 定性研究的影响因素。 第四章岩石强度试验与参数的工程处理 阐述了用于边坡稳定性分析中的岩体力学参数的获取方法，应用常规岩石力 学室内试验，得出铜厂典型岩石的参数强度，并应用众多工程参数折减方法，获 得了铜厂典型岩体的力学参数。为数值模拟提供了计算参数。 第五章露天矿边坡三维地质实体模型的建立 创建了铜厂露天矿边坡三维地质模型。应用d i m i n e 软件建立了可以反映 边坡基本形态的简化的实体模型。 第六章三维地质建模与数值模拟的耦合 提出了地质建模软件与数值模拟软件的耦合方法，对d i m i n e 软件输出的 文件格式进行了分析，应用其四面体化功能将其转化为f l a c 3 d 软件的网格输 入文件格式。 第七章铜厂露天境界边坡数值模拟分析及稳定性分析 阐述了应用于岩土工程计算中数值计算方法有限差分法的拉格朗日元 法，应用f l a c 3 d 软件模拟了铜厂露天境界边坡的稳定性。 第八章结论与展望 对本文所做的工作进行总结，并对进一步研究提出了设想。 1 5 本章小节 本章首先概述了露天矿边坡稳定性研究的概况和程序，方法，介绍了国内外 对该课题的研究现状和发展趋势，提出了文章研究的目的和意义，最后对文章的 章节内容安排进行了概述。本论文的主要内容、研究目标、技术路线及论文的 主要工作和组织结构，如图1 2 所示。 6 中南人学硕i ：学位论文 第一章绪论 图1 - 2 本文技术路线图 7 中南人学f 吹i j 学位论义第一二章露天矿边坡t 程地质概况 2 1 矿区概况 第二章露天矿边坡工程地质概况 2 1 1 自然地理条件 铜厂铜矿位于易门县铜厂乡境内，距易门县城2 6 k m ，距狮子山铜矿2 8 k m ， 距绿汁镇3 4 k m ，距昆明1 2 2 k m ，交通方便。 矿区属云贵高原山区地形，海拔一般在2 0 0 0 m 左右，山脉呈南北走向。绿 汁江由北向南纵贯全区，切割剧烈，形成陡壁狭谷，两岸坡度一般为3 0 0 - - 5 0 0 ， 高差达8 0 0 , - 一1 2 0 0 m 。三家厂、起乍、一都厂、峨腊厂等矿区( 点) 位于绿汁江 两岸。区内主要河流为元江支流的绿汁江，由北向南纵贯全区，支流一般为东西 向，或先南北向，后折为东西向流入主流，构成近似方格形的水系。绿汁江终年 有水，可作为工业用水，唯雨季期间含砂量较大，使用时需经处理，洪水时期最 大流量达1 0 0 0 m 3 s ，冬春枯水时期最小流量仅有3 - - - 5 m 3 s ，流速0 1 5 , - - , 4 8 m s 。 本区属中亚热带气候，铜厂矿区年内极端最高气温3 2 4 c ，极端最低气温 8 2 ，全年平均气温1 7 3 。本区降雨量全年在7 0 0 m m 左右，雨量集中于夏 秋。春季及冬季雨量较少，有时甚至全月无雨。矿区地震基本烈度为8 度。 2 1 2 矿区以往勘探情况 1 9 5 1 年5 月，西南地质局第二调查队开始在易门铜矿进行地质工作。1 9 5 3 年初，冶金工业部地质局成立昆明地质勘探公司3 0 3 队，在易门铜矿丌展找矿和 勘探工作，于1 9 5 6 年4 月提交易门铜矿储量计算报告书。勘探揭露矿体走向 长大于2 0 0 0 m ，延深大于3 0 0 m ，矿体厚度介于lo - - - - 9 0 m ，矿体较稳定，品位变 化不大，矿床划为第一、二过渡类勘查类型。采用5 0 m 间距的地表槽探、1 0 0 m ( 走 向) 1 0 0 m ( 倾斜方向水平距) 的地表钻探、辅以少量检查性的坑探工程对矿体 进行控制。勘探期间，铜厂矿区累计完成工程量：水平坑道4 8 1 2 m ，钻探1 5 3 7 5 m ， 槽探5 0 0 2 1 m 3 ，斜井及浅井2 4 8 3 m ，旧洞清理1 4 2 8 m 。探获c 1 + c 2 ( 3 3 2 + 3 3 3 + 3 3 4 ) 级资源储量4 6 9 9 7 2 万吨。 1 9 5 4 年在铜厂进行1 ：2 0 0 0 等高线f b j 距_ l o m 的地质测量( 易门独立坐标系) ， 2 0 0 7 年4 月对铜厂进行了l ：2 0 0 0 等高线问距2 m 的地质测量( 北京五四坐标系) 。 中南人学硕i j 学位论文 第一二章露天矿边坡t 程地质概况 2 2 矿区地质特征 2 2 1 矿区地层 本区出露的地层主要为昆阳群鹅头厂组、落雪组、因民组。 l 、鹅头厂组( p t k n e ) ：上部为深灰至绿灰色板岩，夹灰岩透镜体，局部为 板岩粉砂岩互层。下部为灰黑黑色炭质板岩夹薄至中厚层深灰色白云岩或泥质 白云岩透镜体。 2 、落雪组( p t k n l ) 分为三段： ( 1 ) 青灰色白云岩( p t k n l 3 ) ：青灰色厚一中厚层状白云岩，厚1 2 0 m 1 6 0 m 。 该层下部为主要的含矿层位，铜厂铜矿号矿体即赋存于此层中。 ( 2 ) 白色层( p t k n l 2 ) ：浅灰、灰白色中厚层状白云岩，厚8 0 m - 、- 1 0 0 m 。为 主要含矿层，铜厂铜矿、矿体即赋在于此层中。 ( 3 ) 过渡层( p t k n l l ) ：浅灰、灰白色、浅肉红色薄至中厚层状泥质白云岩 夹深灰、灰色板岩薄层。此层在本区出露较少。 3 、因民组( p t k n y ) ：灰紫、紫色白云岩、板岩互层及砂板岩互层，此层中 有火成胶结角砾岩，出现于断层附近。本层为铜厂铜矿矿体下盘围岩。 2 2 2 构造 易门铜矿区位于康滇地轴南部。昆阳群地层经晋宁运动形成强烈褶曲。本区 位于其中的复背斜的西翼。在此西翼上除小褶曲较多和倾角经常变化( 由2 0 0 直立，甚至倒转) 外，断裂尤其发育，可分下列两组：即南北向纵断层及东西向 或北西向横断层，都为成矿前断层。 南北向断裂带为本区主要断裂。由西至东有绿汁江逆断层、铜厂j 下断层及河 尾逆断层。 铜厂正断层作为本区矿液通路，在主要断裂附近的其他纵断层、横断层、层 间裂隙、节理及层面等，为矿液分散道路与沉淀地点。但另一方面因岩石破碎， 裂隙多，给氧化作用造成了条件。 裂隙有下列几组： ( 1 ) n e 、n w 组：为n 3 0 0 5 0 0 w 及n 3 0 0 - - 一5 0 0 e ，大体与岩层倾斜或走向 一致。系张力或压力生成，为成矿裂隙。在1 8 号钻孔附近最明显。 ( 2 ) 层面羽毛状裂隙：在坑道中可见与层面交角为7 0 0 8 0 0 ，宽0 1 n u n 的 矿脉，为成矿裂隙。 ( 3 ) s n 、e w 组裂隙：一组走向为n 7 0 0 - - - 8 0 0 e 或n 7 0 0 8 0 0 w ；一组为 n 2 0 e 到n 2 0 。w ，与走向斜交。系受剪力所造成。尚未发现有含矿现象，应为成 9 中南人学坝i j 学位论文 第一二章露天矿边坡t 程地赝 i 【况 矿后裂隙。 矿床主要分自j 在铜厂正断层的e 、下盘，此正断层应属矿液通路。金属矿物 的交代与沉淀是沿着各种小构造形成：在铜厂主要是沿层面及层面羽毛状裂隙浸 染交代，其次是沿纵节理与横节理形成小脉。本区矿床一般距矿液上升通路的纵 断层较远。而矿床内部，迄今尚未发现有成矿自仃的有利于矿液分散与沉淀的规模 较小的纵横断层。成矿作用仅赖小裂隙系统与层面进行微弱的充填与交代，因之 形成舰模虽大，但品位不高的矿床。 2 3 矿区岩体构造调查特征分析 2 3 1 工程地质调查的意义 岩体构造调查可以掌握该矿区岩体构造空间分布规律，确定优势结构面组 及产状参数，特别是确定矿体下盘正断层的分布形态和力学性质参数；同时可 将调查结果用于边坡稳定性分析研究中。 目前的研究表明：岩石的单轴抗压强度、r q d 指标、节理面的几何参数、 节理表面条件、节理面的强度特征、节理产状与工程结构之间的相互关系、地 下水条件及地应力状态等众多因素对边坡稳定性均有不同程度的影响。因此， 这些参数的现场收集对边坡角优化和边坡稳定性分析至关重要。 此外工程地质调查是研究岩体力学特性的基础，对工程岩体的力学特性来 讲，就显得更为重要。因此，必须制定严格的调查规范，认真组织施工，力求 数据完备准确。 2 3 2 工程地质调查的方法与内容 为详尽地获得用铜厂露天开采边坡参数优化研究的工程地质信息，结合现 有坑道和钻孔工程，采用两种调查手段钻孔岩芯调查和井下开拓工程岩体 暴露面现场调查。调查中涉及的收集指标规范是在结合国际岩石力学学会1 9 7 8 年发表的( ( s u g g e s t e dm e t h o d sf o rd e s c r i p t i o no f d i s c o n t i n u i t i e si nr o c km a s s ) ) 及 我国中条山铜矿峪矿岩体构造调查实际工作的基础上制定而成的，其中主要由 钻孔岩芯调查和岩体原位观测两部分组成。 结合铜厂实际情况共设计与施工了9 个钻孔，z k 7 4 ，z k 7 5 ，z k l 0 - 2 ， z k l 0 3 ，z k l 0 - 4 ，z k 0 5 ，z k 0 6 ，z k 6 2 ，z k l 4 2 进行了岩芯调查；以及4 个 坑道：5 号导线点坑道，6 号线1 2 号坑道，8 号线1 1 号坑道，1 0 号线l o 号坑道 进行了暴露面构造调查。调查内容根据研究所涉及到的指标来确定，具体包括： 岩体质量指标r q d 、结构面的产状、间距、节理面的粗糙度、节理面间的充填 物、岩体和节理的风化蚀变程度、地下水条件、所属的岩石类型等【2 引。 1 0 中南人学顾 ：学位论义 第二章露天矿边坡t 程地质概况 ( 1 ) 结构面产状 一般情况下，某一地区岩体裂隙结构面的发育、分布是有规律性的，成组发 育，因此可以采用统计学的方法首先统计出研究区域岩体结构面的发育、分布规 律，即求得裂隙结构面的分布函数及空间几何参数的统计值。通过对岩体结构面 的调查，对岩体结构面的产状进行统计分析，选择一些模型进行对比检验，从而 确定其函数分布形式【2 5 2 7 】。通过钻孔分析得知，铜厂的节理倾角均符合正态分 御，从全部钻孔揭露到的节理的倾角分布直方图及其正态分布拟合曲线图2 1 来 看，倾角整体上是符合正态分布的，其具体参数如表2 1 所示，倾角一般在3 3 0 左 右，结构面相对较为平缓。 图2 - 1 全部倾角分布直方图及拟合曲线图2 2 全部r q d 值分布直方图及其参数 表2 - 1 铜厂节理倾角分布参数详表 中南人学坝l j 学位论义 第- 二章露天矿边坡t 程地质概i | ! ( 2 ) r q d 值 r q d 值的统计方法主要是先对每回次岩芯的r q d 值进行计算，计算钻孔每 回次岩芯的r q d 值，并对其进行统计分析。由直方图2 2 分析可知，所有钻孔的 r q d 指标均值约为2 8 左右。此外从钻孔数据记录表中可以看出，所有车i i ：f l 在丌 口阶段r q d 值较低，这是因为此段离地表很近，岩石风化较为严重，有较厚的 覆盖层。此后，r q d 值丌始增大，并在平均值之问小幅波动，因此可以判断， 铜厂矿区矿岩的r q d 值较低。 ( 3 ) 节理问距统计 自然界中岩体的结构面问距受岩性、构造以及风化等因素影响，因而同一岩 体( 或同一岩体结构单元) 中结构面间距应具有某种共同特点，已有统计研究表 明，结构面间距( 或完整岩石长度) 大多服从指数分布、负指数分布和对数正念 分布【2 8 q 。根据钻孔岩芯或现场测线详细连续测量完整岩石长度或结构面p 1 t e ， 对测量值进行统计，作出结构面间距分布直方图，拟合出最佳分布函数曲线，计 算间距的平均值和标准差，即得到间距统计符合指数分布。各钻孔节理间距参数 分布表见表2 2 。全部钻孔节理间距的分布直方图、指数分布q q 检验图见图2 3 和图2 4 。 表2 - 2 各钻孔节理间距分布参数详表 1 2 中南人学顾 ：学位论文 第二章露天矿边坡t 程地质概况 0 0 0 0 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 节理问距 实际累积概率 图2 - 3 全部节理间距分布直方图图2 - 4 全部节理间距指数分布检验q - q 曲线 ( 4 ) 结构面表面粗糙度 图2 5 为全部钻孔的结构面表面粗糙度分析直方图。 ( 注：图中横坐标1 - 9 分别代表i 、i i 、i i i 、v 、九种粗糙度类型。) 统计表明， 台阶、波浪及平面型等3 大类粗糙度中，i 、，类的比例较大，其他 类型均不超过2 0 。大范围粗糙度中，台阶型占1 4 6 、波浪型占1 4 1 、平面 型占7 1 3 。小范围粗糙度中，粗糙型占5 5 3 、平坦型占3 6 5 、光滑型占9 2 。 因此，9 个工程地质钻孔揭露情况表明，铜厂大多数节理表面属于平面粗糙型。 粗糙度类型 图2 - 5 全部粗糙度类型直方图图2 - 6 全部节理张开度类型直方图 ( 5 ) 结构面张开度 图2 - 6 为基于钻孔的结构面表面张开度分析直方图。 ( 注：下图中横坐标 l 5 依次代表紧闭的( 0 5 m m ) 5 种张开度类 中南人学坝l ：学位论艾 笫_ 二市露人矿边坡t 程地质概况 型。) 节理的张丌度一般与岩性、节理面的粗糙度、充填程度以及所经历的变 形历史等因素有关。由图2 6 可知，5 类张丌度类型中，很紧闭的，张j i ：的还有 张，1 ：很大的占的比例较小，均不超过2 5 ，而其他类型占的比例则相对较大， 尤以张丌的为多。在统计范围内，很紧闭的占2 1 、紧闭的占3 8 4 、中等张 丌的占5 9 1 、张丌的占o 3 8 、张开很大的占0 0 2 。铜厂矿岩节理以紧闭型 和中等张开型节理为主，两者总和占9 7 5 。具体统计情况见表2 3 。 表2 - 3 铜厂矿岩节理张开度类型 注释：i 一很紧闭的( o 5 m m ) 。 2 4 岩体质量分类 岩体质量分类及综合分区是对影响岩体工程设计，施工和维护的各种因素建 立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的类别并综合分区。它 是对岩体的综合质量的定性评价，是在岩体综合调查的基础上进行的，是解决岩 体工程中各种力学问题的一项基础性工作，直接服务于岩体工程设计和施工的。 因此我们为了进一步了解整个矿区的工程地质条件现状，对铜厂露天矿进行了岩 体质量分类。根据相关的钻孔柱状图，算出矿区岩体的r m r 值，来方便后续岩体 力学参数的折减。 1 4 中南人学形ii ：学位论文第- 二章露天矿边坡t 程地质概况 2 4 1r m r 法概述 r m r 法又称为岩体权值系统分类法或地质力学分类法。是宾尼奥夫斯基根 据土木工程实录拟定的并于1 9 7 4 年提出的，对于采矿工程来说有点保守，为使 其更适用采矿工程的岩体划分，宾氏已于1 9 8 9 年对其进行修正。该方法给出了 表2 - 4 岩体地质力学分类表 分类参数数