研山铁矿顺倾含水岩质边坡稳定性与生态修复技术研究

顺倾边坡是矿区生态修复与重建的重点与难点区域,为实现顺倾含水岩质边坡的安全稳定与快速复绿,以研山铁矿东帮边坡为研究对象,在对不同饱水时间条件下边坡稳定性分析的基础上,提出适宜的技术进行生态修复。结果表明:长期饱水对岩体的抗剪强度参数和边坡稳定性均产生显著影响,黑云变粒岩、白云母片岩的黏聚力由天然状态时的221.2 k Pa、92.2 k Pa下降到饱水90 d时的192.3 k Pa和66.4 k Pa,内摩擦角由38.3°、37.1°下降到33.2°和31.2°;饱水15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d后,在安全系数为1.25的情况下,最终边坡角分别为37.5°、36.8°、36.1°、35.7°、35.4°和35.2°。根据边坡稳定性分析结果,结合坡面岩体结构特征,提出适宜于顺倾含水岩质边坡的生态修复技术——钻孔-钢管植藤生态修复技术。

围岩强度弱化对堵水帷幕稳定性影响的数值模拟研究

为保护地下水资源,合理开发矿产资源,采用全封闭的注浆堵水帷幕堵截地下水,是保证大水矿山正常开采的一种有效技术措施。受开采扰动的围岩在地下水长期作用下,其强度势必会发生弱化作用。为探究围岩强度弱化对堵水帷幕稳定性的影响规律,以中关铁矿堵水帷幕为研究对象,在详细分析矿区工程地质、水文地质资料的基础上,建立堵水帷幕三维地质、数值计算模型。根据不同饱水时间岩石物理、力学参数,结合岩体结构面空间几何信息,采用Hoek-Brown强度准则,计算不同饱水时间岩体单轴抗压强度、弹性模量等物理、力学参数。利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件,分析围岩强度弱化对堵水帷幕稳定性的影响。结果表明:闪长岩、奥灰岩的强度参数均随饱水时间的延长而降低,饱水90 d后,闪长岩的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角较天然状态分别降低40.84%,24.51%,22.81%和13.55%,奥灰岩对应的强度参数较天然状态分别降低45.96%,16.01%,25.44%和18.70%;堵水帷幕与围岩接触区域应力集中程度随深度的增加而增大,在堵水帷幕与强渗透性围岩接触区域、堵水帷幕刚度与围岩刚度差异较大区域,易形成高应力集中区;随堵水帷幕内围岩强度的持续降低,帷幕内外应力差及帷幕与围岩接触区域应力集中值也呈增大趋势;帷幕内围岩在饱水时间小于14 d的情况下,堵水帷幕内外应力差及应力集中值增加速率较大,当饱水时间大于30 d后,应力集中值增加速率逐渐减小并趋于定值;为降低围岩强度弱化对堵水帷幕稳定性产生的不利影响,提出丛状放水孔与放水硐室相结合的疏干排水方案,为监测帷幕的堵水效果和帷幕内破碎带与围岩的水力联系,提出在帷幕内外和地下水径流的上、下游及破碎带发育区域布置水位观测孔。研究结果为中关铁矿堵水帷幕稳定性监测、疏干排水方案设计及帷幕内外水位观测孔设计提供依据。

冻融循环对饱水岩石纵波波速影响的试验研究

为探究冻融作用对饱水岩石纵波波速与损伤变量的影响规律,在冻结温度为-20℃、融解温度为20℃的条件下,对饱水砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩开展了40次的冻融循环试验。结果表明:在相同的冻融条件下,岩石的矿物成分、胶结类型、孔隙特征、矿物颗粒的排列方式对岩石的纵波波速和损伤变量均产生重要影响;经历40次冻融后,砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩的纵波波速较饱水岩样分别降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%;纵波波速和损伤变量降低幅度在前5个冻融周期降低较为明显,随冻融次数的增加,纵波波速与损伤变量的降低幅度逐渐减小并趋于稳定。

层理倾角对岩石抗剪强度参数影响的试验研究

为探究层理倾角对岩石抗剪强度参数与裂纹长度的影响规律,对层理倾角为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的岩样进行直剪试验,试验结果表明:层理倾角对岩样的抗剪强度、破坏模式和破坏后裂纹长度具有显著影响,0°时,岩样粘聚力和内摩擦角最小,90°时,岩样的粘聚力最大,15°和75°时,岩样的粘聚力和内摩擦角接近;裂纹均值长度的最大值和最小值对应的层理倾角分别为0°和90°,其值分别为86 mm和118.5 mm;试验过程中,抗剪强度出现两个极值,一个出现在层理倾角为45°时,此时对应的裂纹长度约80 mm,另一个出现在层理倾角为60°时,此时裂纹的长度约140 mm。研究成果为研山铁矿顺倾边坡稳定性分析提供了基础数据。

层理倾角对黑云变粒岩强度与纵波波速影响的试验研究

为探究层理倾角对岩石强度、变形及纵波波速的影响规律,以研山铁矿东帮边坡层状黑云变粒岩为研究对象,对层理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的岩样进行单轴压缩、巴西劈裂、直剪和纵波波速测试试验。结果表明:单轴抗压强度均值的最大值和最小值对应的层理倾角分别为0°和60°;倾角为45°时弹性模量最小,60°时次之,0°时最大;层理倾角为60°时泊松比最大,15°时最小;随层理倾角的增加,抗拉强度逐渐减小;黏聚力和内摩擦角最大值和最小值对应的层理倾角分别为90°和0°;平行层理方向的波速大于垂直层理方向的波速,纵波在岩样中的传播速度与层理倾角呈线性增加关系。研究成果为研山铁矿顺倾边坡稳定性分析提供基础数据。

白砺滩煤矿饱水砂质泥岩弱层长期强度计算与边坡稳定性分析

以白砺滩露天煤矿二采区边坡7-7勘探线剖面为研究对象,开展了饱水砂质泥岩的剪切蠕变试验。结果表明:在法向应力为0.05、0.15、0.25、0.30 MPa时,饱水砂质泥岩的长期强度分别为0.05、0.09、0.12、0.14 MPa;在法向应力为0.20、0.40、0.60、0.80 MPa时,饱水砂质泥岩的长期强度分别为0.09、0.12、0.17、0.22 MPa,据此确定饱水砂质泥岩的黏聚力为40 kPa、内摩擦角为12°;在疏干排水工程施工后,可将最终边坡角由最初设计的36°放缓为32°。

开采扰动对中关铁矿堵水帷幕稳定性影响的数值模拟研究

注浆堵水帷幕技术在矿山基建和生产期可有效地堵截地下水而被众多大水矿山采用,矿山开采的同时需疏干堵水帷幕内围岩中的地下水,为探究疏干排水后开采扰动对堵水帷幕稳定性的影响规律,以中关铁矿堵水帷幕为研究对象,在详细分析矿区地质资料、帷幕内外水位变化规律的基础上,建立堵水帷幕三维地质、力学模型,采用数值模拟方法,分析疏干排水与开采扰动联合作用对堵水帷幕稳定性的影响。结果表明,堵水帷幕与强渗透性围岩接触区域及刚度与围岩差异较大区域,易形成高应力集中区;疏干排水与开采扰动联合作用对堵水帷幕、堵水帷幕与围岩接触区域应力场分布具有显著影响,矿床开采边界距帷幕越近,影响越显著。研究结果可为堵水帷幕稳定性监测提供依据。

饱水时间对含黏土矿物岩石声发射特性影响的试验研究

为研究饱水时间对含黏土矿物岩石力学行为与声发射特性的影响,对含蒙脱石的砂岩开展干燥、饱水及不同浸水时间条件下的单轴压缩力学和声发射试验,重点分析浸水时间对岩石各受力阶段声发射计数率、能率等时域参数的影响.结果表明:饱水时间对含泥质矿物岩石的强度、声发射参数均产生显著影响,饱水岩样的强度由干燥时的53.52 MPa下降到49.51 MPa,浸水超30 d,水岩耦合作用逐渐减小;岩样在破裂前存在微裂隙快速发育阶段,声发射信号开始活跃并迅速增长,随浸水时间的增加,信号活跃增长期的应变量逐渐减少,浸水90 d后,岩样破裂前能率增长期基本消失,表现为失稳破坏时的骤然释放;饱水岩样声发射累积计数和累积能量分别为干燥岩样的20.8%和30.9%;岩石在破裂过程中的声发射信号总数随浸水时间的增加持续减少,浸水120 d后,声发射累积数和累积能量分别为干燥岩样的0.24%和0.39%.

水岩耦合作用下研山铁矿东帮顺倾边坡稳定性研究

为全面了解地下水长期作用对含层理顺倾岩质边坡稳定性的影响规律,以研山铁矿东帮边坡N26勘探线所在边坡剖面为研究对象,结合不同饱水时间岩体抗剪强度参数弱化规律,对不同饱水时间作用下顺倾边坡稳定性进行分析。结果表明:饱水时间对岩体抗剪强度参数和边坡稳定性均具有显著影响,随饱水时间的增加,岩体抗剪强度参数和边坡安全系数均呈降低趋势,当边坡岩体饱水15,30,45,60,75d和90d后,边坡在安全系数为1.25的情况下,最终边坡角分别为37.5°,36.8°,36.1°,35.7°,35.4°和35.2°,研究成果为制定研山铁矿东帮边坡滑坡防治措施提供了依据。