新疆东戈壁钼矿露天坑边坡岩体质量评价与稳定性研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯． UDC ⋯⋯⋯⋯⋯ 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯． 十I 轫大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R SI T Y 硕士学位论文 论文题目 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 分类号⋯⋯．．j ⋯． UDC ⋯⋯⋯⋯⋯ ㈣9 ㈣9 9 1 眦9 蛐 Y 2 1 密级二．．二．．_ - ⋯．． 编号⋯⋯⋯⋯⋯． 硕士学位论文 新疆东戈壁钼矿露天坑边坡岩体质量评价 与稳定性研究 R o c km a s sq u a l i t ye v a l u a t i o na n d s t a b i l i t y ’ ‘o fo p e n ．p i ts l o p ef o rX i n j i a n gEastanalysis rX t n i | a n 2a s t - G o b im o l y b d e n u mm i n e 作者姓名 学科、专业 学院 系、所 指导老师 张新光 矿业工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期如f 盖霎蔓一 答辩委员会主 中南大学 2 0 1 2 年3 月 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 日期诬] 年S 月旦日 厂、 √ 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≤墨导师 日期盈丝年_ ￡月丝日 硕士学位论文摘要 摘要 新疆洛钼东戈壁矿是一个特大型钼矿床，矿体厚大，品位较高， 表土覆盖层薄，适宜大规模露天开采。该项目的开发建设将使资源优 势转化为经济优势，企业、地方、国家多方受益。露天矿最终边坡参 数，尤其是最终边坡角的优化是露天矿开采的一个重要环节，也是矿 山安全的保证。边坡参数的科学与合理性，不仅关乎露天矿边坡的稳 定性与生产安全，而且对资源的回收与企业经济效益都将产生重大影 响。开展露天坑边坡岩体质量评价以及边坡稳定性研究对东戈壁钼矿 的安全生产等具有重大现实意义。 本文在回顾和总结国内外岩体分级方法与露天边坡工程研究现 状的基础上，采用工程类比、数值模拟相结合的手段，对东戈壁钼矿 露天坑边坡进行稳定性研究。其主要研究成果如下 1 ．使用R M R 、Q 、C S M R 和R Q D 法对东戈壁露天矿边坡岩体 进行了评价，评价结果显示其露天边坡的稳定性一般，局部地段要求 采取加固措施。最后，利用R M R 和G S I 以及霍克一布朗准则，确定 了东戈壁露天矿露天边坡抗剪强度参数。 2 ．通过大量收集国内外露天矿开采资料，借助先进的机器学习 算法和多元非线性分析方法，从工程经验类比的角度研究了新疆洛钼 东戈壁露天矿岩体参数与矿山终了边坡角。若要保证新疆洛钼东戈壁 露天矿边坡的长期安全可靠，终了边坡角应控制在4 5 - - - 4 7 0 以内。 3 ．对东戈壁露天矿边坡稳定性进行数值分析，研究表明 1 露天坑边坡最容易破坏的区域在距离坡顶2 4 0 m 左右，开挖 时，此区域台阶角要放缓。 2 工程类比的计算结果更合理，其饱和和天然状态下安全系数 分别为1 ．3 8 和1 ．5 5 。从破坏形式和破坏程度方面来讲，饱和状态下 主要的破坏形式为倾覆破坏、平面破坏与拉破坏，而天然状态则为平 面破坏与拉破坏，潜在破坏面倾角较饱和状态缓，程度也弱。 3 最终边坡角为4 8 0 时，天然状态下的安全系数在1 ．5 左右，尽 管边坡整体处于稳定状态，但实际上某些部位极限平衡状态，潜在的 破坏模式为剪切、张拉、滑移组合型破坏。建议减缓边坡坡度。 关键词岩体质量评价，工程类比，边坡稳定性，数值模拟 硕士学位论文 A b s t r a c t A B S T R A C T X i n ji a n gL u o m uE a s tG o b im i n ei sa ne x t r al a r g em o l y b d e n u m d e p o s i tw i t hl a r g ea n dt h i c ko r eb o d i e s ，h i 曲g r a d e ，w h i c hi ss u i t a b l ef o r l a r g e - s c a l eo p e n p i tm i n i n gc o n s i d e r i n gt h et h i nt o p s o i lc o v e r i n g ．T h e d e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o no f E a s tG o b im o l y b d e n u mm i n ew i l l t r a n s f o r mt h er e s o u r c ea d v a n t a g e st oe c o n o m i ca d v a n t a g e s ，b e n e f i t e dt h e e n t e r p r i s e ，l o c a la n dn a t i o n a l ．T h eu l t i m a t eo p e np i ts l o p ep a r a m e t e r s ， e s p e c i a l l yt h eu l t i m a t es l o p ea n g l e ，i sa ni m p o r t a n tp a r to ft h eo p e n - p i t m i n i n ga n dm i n es a f e t ya s s u r a n c e ．T h es c i e n c ea n dr a t i o n a l i t yo fs l o p e p a r a m e t e r ，w i l ln o to n l yi n f l u e n c et h es t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fo p e n - p i t m i n es l o p e ，b u ta l s oh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to nr e s o u r c er e c o v e r ya n d e c o n o m i cb e n e f i t ．T h er o c km a s sq u a l i t ye v a l u a t i o na n ds t a b i l i t yr e s e a r c h o no p e np i ts l o p ei so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oE a s tG o b i m o l y b d e n u mm i n e ． I nt h eP a p e r ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr o c km a s sc l a s s i f i c a t i o n m e t h o d si nb o t ha th o m ea n da b r o a da n do p e n - p i ts l o p ee n g i n e e r i n g r e s e a r c hi sr e v i e w e da n ds u m m a r i z e d ，t h es t a b i l i t yo fE a s tG o b i m o l y b I d e n u mm i n eo p e n - p i ts l o p ei ss t u d i e db yc o m b i b i n ge n g i n e e r i n g a n a l o g ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h ec o n t e n t so f t h i sp a p e ra r eo u t l i n e d i nd e t a i l sa sf o l l o w i n g 1 ．E a s tG o b io p e n ．p i ts l o p er o c km a s sw e r ee v a l u a t e du s i n gR M R ， Q ，C S M R a n dR Q D ，t h er e s u l t ss h o w st h a tt h es t a b i l i t yo fo p e n p i t s l o p ei so fg e n e r a la n dp a r t so f a na r e a lc a l l sf o rr e i n f o r c e m e n t ．F i n a l l y ， t h es h e a r i n gs t r e n g t hp a r a m e t e r so fE a s tG o b io p e np i ts l o p ea r e i d e n t i f i e dw i t ht h eRM R ，G S Ia n dH a w k - B r o w nc r i t e r i o n ． 2 ．T h r o u g ht h em a s s i v eo p e n p i tm i n i n gi n f o r m a t i o na th o m ea n d a b r o a d ，w i t ha d v a n c e dm a c h i n el e a r n i n ga l g o r i t h m sa n d m u l t i n o n l i n e a r a n a l y s i sm e t h o d ，t h eX i n ji a n gL u o m u E a s tG o b io p e n - p i tr o c km a s s p a r a m e t e r sa n dt h eu l t i m a t es l o p ea n g l ea r es t u d i e df r o m t h ep e r s p e c t i v e o fe n g i n e e r i n ga n a l o g y ． I I 硕士学位论文 A b s t r a c t 3 ．T h er e s e a r c ho nE a s tG o b io p e n - p i ts l o p es t a b i l i t yw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s h o w i n g 1 T h em o s te a s i l yd a m a g e d a r e a so f o p e n - p i ts l o p ea r ea tad i s t a n c e o fa b o u t2 4 0 mf r o mt h et o po fs l o p e ，t h es t e pa n g l ei nt h i sa r e as h o u l dt o s l o wd o w nw h e ne x c a v a t i o n ． 2 T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h ee n g i n e e r i n ga n a l o g ya r em o r e r e a s o n a b l e ，t h es a f e t yf a c t o rf o rs a t u r a t e da n d n a t u r a ls t a t eb e i n go f1 ．38 a n d1 ．5 5 ，r e s p e c t i v e l y ．I nt e r m so fd e s t r u c t i o nf o r ma n de x t e n to f t h e d a m a g e ，t h em a i nf o r m so f d e s t r u c t i o nf o rs a t u r a t e ds t a t ea r eo v e r t u m i n g d a m a g e ，p l a n ed a m a g ea n d t e n s i l ef a i l u r e ，a sp l a n ed a m a g ea n dt e n s i l e f a i l u r ef o rt h en a t u r a ls t a t e ．t h ep o t e n t i a lf a i l u r es u r f a c ei n c l i n a t i o ni s s l o w e rt h a nt h es a t u r a t e ds t a t e ，t h ee x t e n to ft h ed a m a g ef o rt h es a m e ． 3 A st h eu l t i m a t es l o p ea n g l ei s4 8 。, s a f e t yf a c t o rf o rn a t u r a ls t a t e 1 ．5 ，s o m ep a r t sa r ei nl i m i t i n ge q u i l i b r i u ms t a t ea sa m a t t e ro ff a c t ，a n dt h e p o t e n t i a lf a i l u r em o d e i ss h e a r ，t e n s i o n ，s l i pc o m b i n e d ，a l t h o u g ht h es l o p e o v e r a l li si ns t a b i l i t y ．T h ea d v i c et h a tt h eg r a d eo fs l o p es h o u l dt os l o w d o w ni Sp u tf o r w a r d ． K e y w o r d s r o c km a s sq u a l i t ye v a l u a t i o n ，e n g i n e e r i n ga n a l o g y ，s l o p e s t a b i l i t y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n I I I 硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外岩体分级方法及其评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国内现行岩体分级方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 国外岩体分级方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．3 岩体分级的意义与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．4 岩体分级研究趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 露天边坡工程研究状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 露天矿边坡稳定性评价方法研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．2 边坡稳定性评价存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 研究内容及思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．2 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 第二章边坡岩体质量评价及岩体力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 岩体分级研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1 岩体分级方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2 露天矿岩体分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 岩体结构对东戈壁露天矿边坡稳定性影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 边坡质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．3 ．1 东边坡岩体质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．3 ．2 边坡稳定性分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 岩体力学参数研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．4 ．1 岩石物理力学参数试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．2 基于霍克一布朗准则和R M R 的岩体强度参数⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．4 ．3 基于E ．H o e k 法和G S I 的岩体抗剪强度参数⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 第三章边坡角的工程类比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 国外露天矿典型开采实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．1A l f o n 铜矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 ．2B r e n d a 露天矿．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．3 智利C h u q u i c a m a t a 露天矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．1 ．4 美国K e n n e c o t t 铜矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯2 8 3 ．1 ．5 澳大利亚C a d i aH i l lP i t 露天矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 硕士学位论文 目录 3 ．2 国内露天矿山开采实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 边坡岩体参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．3 ．1 边坡岩体抗剪强度的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．3 ．2 边坡岩体抗剪强度参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．4 终了边坡角与安全系数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．4 ．1 影响因素及分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．4 ．2 边坡角的优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 3 ．4 ．3 基于工程类比分析的终了边坡角建议值⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 第四章露天矿岩体边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 4 ．1 高陡岩体边坡工程设计与研究的基本特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．2 高陡岩体边坡工程稳定性分析的主要方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．2 ．1 极限平衡法及安全系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．2 ．2 总应力与有效应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．2 ．3 强度折减法基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．2 ．4 数值分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．3 新疆洛钼东戈壁钼矿露天坑边坡稳定性计算方法选择⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．3 ．1F L A C 使用的主要特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．3 ．2F L A C ／F L A C 3 D 求解流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 ．3A N S Y S 建模与F L A E 后处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 露天矿边坡关键计算剖面选定及三维模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．1 关键剖面及计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 4 ．4 ．1 ．1 关键区域及剖面确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．1 ．2 计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 ．2 三维模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．5 露天矿边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 4 ．5 ．1 第一种计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．5 ．2 第二种计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．5 ．3 第三种计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 4 ．5 ．4 第四种计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 4 ．6 各计算方案的比较与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 第五章全文结论和研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 攻读学位期间科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 课题来源 第一章绪论 2 0 0 6 年1 2 月～2 0 0 9 年1 2 月河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院对 新疆哈密东戈壁钼矿区进行了预查、普查，采用地质填图、地形测量、物探、化 探、槽探、钻探等方法和手段，系统采集和化验分析了样品，于2 0 0 9 年1 2 月提 交了新疆哈密市东戈壁矿区钼矿普查报告；2 0 1 0 年3 月“ - - 2 0 1 0 年8 月河南 省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院继续对新疆哈密东戈壁钼矿区进行详查， 于2 0 1 0 年8 月提交了新疆哈密市东戈壁矿区钼矿详查报告 送审稿 。共 提交钼资源总量 3 3 2 3 3 3 矿石量3 5 0 2 3 6 ．8 k t ，金属量3 9 6 1 9 1 ．5 t ，M o 平均 品位0 ．1 1 3 ％。 地质资源储量表明，东戈壁钼矿是一个特大型钼矿床，矿体厚大，品位较高， 表土覆盖层薄，适宜大规模露天开采。显然，该项目的开发建设将使资源优势转 化为经济优势，企业、地方、国家多方受益。 以此为背景，2 0 1 0 年8 月，河南省地质矿产勘查开发局和洛阳栾川钼业集 团股份有限公司签订合作合同，共同开发哈密东戈壁钼矿，采用露天开采方法。 露天矿最终边坡参数，尤其是台阶与最终边坡角的优化是露天矿开采的一 个重要环节，也是矿山安全的保证u3 。边坡参数的科学与合理性，直接影响露天 矿边坡的稳定性与生产安全，同时也影响资源的回收与企业经济效益的好坏口1 。 有研究表明，对于大型露天矿，最终边坡角提高1 度，其境界内废石剥离量可减 少1 亿t 甚至更多，经济效益十分显著若最终边坡角选择过大，有可能导致整 个露天境界边坡失稳，边坡维护工作量极大，作业极度不安全，由此导致露天矿 报废和重大人员与财产损失∞’5 。。 因此，在露天矿开采设计前，只有通过基础试验、理论分析和数值模拟计 算，选择确定出合理的边坡参数，才能满足矿山设计要求，制订合理的投资与开 采计划，其意义十分重大。 有鉴于此，本文针对新疆洛钼矿业有限公司新疆哈密市东戈壁钼矿露天开采 条件，通过工程地质调查、矿岩物理力学性质试验等确定矿区岩石力学参数、岩 体力学参数，并运用边坡稳定性计算与分析理论，结合先进的数值模拟和试验测 试等手段，进行岩体质量分级并开展露天坑边坡稳定性研究，为矿山边坡参数设 计提供理论依据与技术支撑。 硕士学位论文 第一章绪论 1 ．2 国内外岩体分级方法及其评述 1 ．2 ．1 国内现行岩体分级方法 目前国内比较流行的岩体分级方法№3 有国标分级法、“岩石动态分级法p T 法 “ 、岩体质量系数Z 分级法、强度分级法等。其分级原理及使用领域见表卜1 。 表1 - 1 国内工程岩体分级方法表 注地下硐室的分级标准较多，规格不一，应根据工程特点进行选取各自标准。 1 ．2 ．2 国外岩体分级方法 国外岩体力学研究订吲开始较早，水平更高，岩体分级方法更细致。目前使 用较广较普及的方法有R M R R o c kM a s sR a t i n g 法、Q R o c kT u n n e l i n gQ u a l i t y I n d e x 法、G S I G e o l o g i c a lS t r e n g t hI n d e x 法、R D A R o c k s l o p eD e t e r i o r a t i o n A s s e s s m e n t 法、S M R S l o p eM a s sR a t i n g 和R Q D R o c kQ u a l i t yD e s i g n a t i o n 法等。除此之外，还有上述几种方法的修正法，如，应用于边坡工程的S R M R S l o p eR o c kM a s sR a t i n g 法，应用于矿山工程的M R M R M i n i n gR o c kM a s s R a t i n g 法、M ．R M R 法 M o d i f i e dR o c kM a s sR a t i n g 等。国外主要岩体分级方 法及其使用范围、分级指标、优缺点比较见表1 ．2 。 硕士学位论文第一章绪论 表1 - 2 国外岩体分级方法一览表 分级方法代表人物分级指标使用范围方法评述 E M R B i e n i a w s k i 零囊蒿墓善重鼢土木工T 程g l l 、采矿羹曩薯曩冀囊霉戛娑磊 节理间距、节理条件和地下一叫’一1 一卅获得分级结果，考虑了结 水 一1 ‘ 构面的影响。 R Q D 、节理组数、节理面粗 Q B a r t o n 等糙度、节理面蚀变程度、裂隧道工程 隙水及地应力 G S I H o e k 等块体结构、不连续面条件通用 s M R 如m } a 等凝燃臻霁戛边坡工程 八 方法 S R M RR o b e r t s o n 同上地下工程 M ．R M R u 蹦犟簧需嘉岩石质量指标、采矿工程 如AN i 竺竺翥篡尧籍毛纂徽边坡工程 多用于隧道工程、极其软 弱的岩层分类，计算出Q 值进行分级。 在眦的基础上提出 的，适用于无结构坡坏的 岩体。 在I 啪己的基础上提出 的，其值为眦和各评 价指标的组合值。 基于眦提出的，针对 于软弱岩体。 I 咖乇分级系统针对采矿 工程的修订版 适用于浅层风化岩质边 坡 咖～岩石质量指棚煦。 通用需_ 是霉怎嚣羹纂囊 岩体条件、不连续面条件、 M R M RL a u b s c h e r 边坡几何形态、地下水条件采矿工程基于R _ M R 提出。 等 岩石强度、岩体结构、地质 R S RW i c k h a m 构造影响、节理条件、地下小型隧道工程第一个岩体分级系统 水 普氏系数普罗脱亚克 f 分级诺夫 岩体强度S e l b y 、 分级 M o o n a n d 普氏系数f 岩体强度 通用 釜兰易行’分级考虑指标 边坡工程同上 1 ．2 ．3 岩体分级的意义与方法 综合国内外资料可知，岩体分级的意义主要在于一直接为工程岩体提供稳 定性评价；二提供岩体物理力学参数，在工程勘察、可研报告阶段，为选点 选 线 、断面选择、开挖线和开挖方法选择、投资预算等方面提供基本依据。 迄今为止，国内外百余种岩体分级方法中，大多属于一种单纯的“聚类”， 缺乏明确目的性，也没有提出供设计、施工使用的参数，因此缺乏实用性，难以 硕士学位论文 第一章绪论 为工程设计所采用。一个完整的工程岩体分级方法，应该包括3 个部分，即分级 因素 输入部分 、分级标准 判断部分 和工作指标 输出部分 ，见下图卜1 。 图卜1 岩体分级基本结构 分级因素为分级方法的输入部分，即确定岩体级别必须事先知道的定性或定 量指标，通常分为基本分级因素和修正因素。分级标准为确定岩体级别的具体规 定，可以归结为经验分级法、数值分级法和经验分级与数值分级相结合的方法。 工作指标为岩体分级的输出部分，包括岩体物理力学参数、岩体自稳能力即岩体 在不支护条件下保持其形状和尺寸不变的能力、岩体强度、岩体加固支护措施和 支护参数等。 1 ．2 ．4 岩体分级研究趋势 综合各类文献n 0 。1 3 ] 可知，一方面，岩体分级研究趋向于精细化，即从研究适 用于各种岩体情况的分级方法向根据不同工程条件，修正现有分级方法的方向发 展。另一方面，从不同角度对岩体进行分级，即使用其他领域的处理方法，对岩 体进行分级。该类方法有神经网络法、支持向量机法、遗传算法等。岩体分级的 总发展趋势为 ①采用多因素综合指标进行岩体分类； ②向定性和定量相结合的方向发展； ③利用简易力学测试测得岩体特性； ④使用新理论新方法； ⑤强调与工程实际相结合。 1 ．3 露天边坡工程研究状况 1 ．3 ．1 露天矿边坡稳定性评价方法研究进展 边坡稳定性分析评价方法经历了三个阶段，即传统的定量分析评价方法阶 段、数值方法分析阶段和目前的综合评价方法阶段n } 1 6 3 。 硕士学位论文 第一章绪论 第一阶段采用的主要方法是工程地质类比分析法和极限平衡法。前者实质上 是一种经验法。后者通过潜在滑体的受力分析，引入摩尔一库伦强度准则，根据 滑体的力 力矩 平衡，建立边坡安全系数表达式，进行定量评价分析，这种方法 由于安全系数的直观性至今仍被广泛采用。 第二阶段始于上世纪6 0 年代，将数值方法被引入到边坡稳定性分析中。数 值分析方法包括有限差分法 F i n i t eD i f f e r e n c eM e t h o d 、有限单元法 F i n i t e E l e m e n tM e t h o d 、边界单元法 B o u n d a r yE l e m e n tM e t h o d 及近些年出现的主要 针对岩土介质的离散元法 D is c r e t eE l e m e n tM e t h o d 、关键块体理论 K e y B l o c kT h e o r y 、非连续变形分析 D i s c o n t i n u o u sD e f o r m a t i o nA n a l y s i s 、 刚体有限元法 R i g i dF i n i t eE l e m e n tM e t h o d 、快速拉格朗日分析法 F a s t L a g r a n g i a nA n a l y s is ，F L A C 、无网格伽辽金法 E l e m e n t F r e eG a l e k i n g M e t h o d 、数值流形方法 N u m e r i c a l M a n i f o l dM e t h o d 。数值方法能从较大范围 考虑介质的复杂性，全面分析边坡的应力应变状态，有助于对边坡变形和破坏机 理的认识。数值方法较极限平衡法有很大的改进和补充。边坡与滑坡研究中的数 值分析得到了较大的发展。如有限元数值计算方法己由线性发展到高度非线性和 大变形问题，由二维发展到三维，同时可考虑粘性流变，渗流，温度，热导与应 力场耦合，损伤，断裂以及波动和动力效应。不同数值方法的结合和耦合，目前 正显示其互补功能，如有限元与边界元的混合，有限元与离散元的混合，有限元 与无限元及有限元与块体元的混合等。 第三阶段始于上世纪7 0 年代，一些新理论和现代评价方法在边坡分析中得 到应用，如可靠性理论、模糊数学、随机过程、概率论与统计、灰色预测理论、 混沌、分形等非线性理论，以及人工智能与神经网络、损伤力学等，显示了良好 的应用前景。在边坡稳定性的非线性动力学理论模型、滑坡系统的自组织特性、 边坡变形的分形特征、边坡失稳的分岔与突变模型、边坡失稳判别的灰色系统理 论等方面取得了若干成果。这些新理论和方法大大推动了边坡稳定研究的进展， 但由于仍处于探索阶段，仍然存在很多不足，如滑坡系统参数的选择往往受到 实际监测资料的限制，资料自身的误差影响滑坡过程中的非线性方程的建立对 于滑坡的自组织特征，由于边坡系统内部和外部之间的相互作用和耦合机制不清 楚，难以建立模型来分析和研究，只能通过系统的一些宏观参数 如嫡、分维数、 L y a p n o v 指数等 的数值分析来研究系统的复杂性；对于分形理论，尺度的选择 对无标度域规律性会有一定的影响，滑坡系统并非简单的分维等。 新理论和新方法的出现反映出岩土工程正由传统的正向思维向不确定方向， 即系统思维、反馈思维、全方位思维发展。将新技术、新方法、新理论引入传统 评价方法并耦合仍是目前边坡稳定性评价发展的总趋势。 硕士学位论文 第一章绪论 1 ．3 ．2 边坡稳定性评价存在的问题 近几十年来，虽然边坡稳定性计算理论和计算技术日臻完美，但在工程实践 中，又是计算结果与边坡实际情况相差甚远，问题的根源是对现场工程地质资料 掌握不足和认识不够、现场工程地质资料的研究工作严重滞后，这些严重制约了 理论和计算成果的应用n J ”。 众所周知，岩体是一种具有复杂结构的多相介质体，天然状态下存在着地应 力、地下水和温度等。边坡处于复杂的岩体力学环境下，其稳定性涉及面很广， 是一个高度非线性、开放性和复杂性的大系统 n o n l i n e a ro p e nc o m p l e xg i a n t s y s t e m ，要对它的力学行为进行控制和预测，必须以地质条件和地质背景为基 础，用系统论的原则、不确定性和非线性研究方法，采用多种手段从多方面进行 分析、处理，并且与智能的定性、定量研究方法综合集成 m e t a - s y n t h e s i s ， 建立适合于边坡工程特点的岩石非线性静力与动力系统理论，以提高问题的求解 精度和可靠性。 1 ．4 研究内容及思路 1 ．4 ．1 研究内容 本文首先通过现场取样进行岩石相关物理力学参数性质试验，获得边坡岩体 质量评价、国内外同类矿山边坡参数的类比分析及数值分析计算等方面开展，主 要研究内容包括 1 边坡岩体质量评价及岩体力学参数 针对露天矿边坡情况与地质地形条件，进行边坡区域 包括首采区边坡和 最终露天边坡 矿岩力学参数性质试验，获得全面岩石性质参数资料，包括岩石 密度、波速、单轴抗压强度、单轴抗拉强度及三轴抗压强度。开展岩体质量评价， 对边坡岩体质量、稳定性以及岩石力学参数进行研究。 2 国内外同类矿山边坡参数的类比分析 收集与调研国内外同类矿山，特别是调研了解与该矿工程地质条件类似的 露天矿山的开采情况与边坡参数，通过岩体抗剪参数的确定，完成边坡参数的类 比分析，针对边坡角和台阶高度，提交相应的工程类比分析结论。 3 露天矿建模与数值分析计算 依据矿山地质地形与露天矿开采设计资料，建立三维数字化模型，据此进 行边坡稳定性与不同平台边坡角的分析计算，获得最优的边坡参数。研究中，结 合矿区特点一区域降雨稀少，空气干燥，年蒸发量大，地下水缺乏，属于干边坡， 硕士学位论文第一章绪论 并考虑风蚀作用