创新点 以南芬露天铁矿Ⅱ号全段高排土场为研究对象，采用电镜扫描、相似比物理模型实验、数值模拟和光纤传感测试技术，开展了Ⅱ号排土场不同堆载与降雨条件下的边坡稳定性物理模型实验研究，揭示了“山谷型”全段高排土边坡的稳定性主控因素、时空变形规律、破坏模式及滑动机制，为光纤传感技术在排土场边坡稳定性监测领域的应用和推广奠定了理论和实践基础。
作 者
陶志刚1,2,李华鑫1,2,曹 辉3,庞仕辉1,2,王 贺3
2单 位
1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室；2. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院；3. 北京矿冶科技集团有限公司 矿山工程研究设计所
3研究背景
全国有113000多个矿山,其中有8457个矿山对矿区的整体环境影响比较大,而我国又是一个多露天矿的国家,露天矿主要的地质灾害问题中滑坡和泥石流是最突出的,这类地质灾害的发生往往会造成非常严重的损失。滑坡和泥石流灾害会严重影响排土场排土作业安全,排土场的边坡的稳定性进而会影响露天矿安全生产作业与开采进度,所以排土场边坡稳定性的研究对于矿山的安全和经济效益来说都具有重要的意义。
排土场的变形量远超普通岩质边坡的变形量,所以传统岩质边坡的监测系统无法在排土场边坡中广泛应用。例如通过立桩和全站仪经纬仪等进行监测,排土场滚石会对监测设施造成破坏,难以实现长期监测;排土工作过程中地表位移无时无刻不随排土施工的进行而发生变化,会造成地表位移变形扫描监测法预警频繁。排土场大多由碎石颗粒组成,通过根管钻孔的方法来施工不现实,利用高压注浆的方法成本过高。目前使用最多的点状监测无法实现长距离大面积监测,存在监测盲区;增加监测点数虽然可靠性有所提高,但工作量倍增,况且监测点数的增加也会影响岩土体的整体性和结构安全。
4摘 要
露天矿排土场主要面临着滑坡和泥石流的严重威胁,排土场稳定性问题不仅是一个安全问题也是一个经济问题。堆载和降雨是影响排土场稳定性最重要的2个因素,但目前精准、高效的排土场滑坡监测预警一直是一大难题,亟待开展相关方面的研究。
针对以上问题,以辽宁本溪南芬露天铁矿Ⅱ号全段高排土场为研究对象,以监测光纤组成监控网对Ⅱ号全段高排土场的相似物理模型开展堆载及降雨模拟实验。
结合不同堆载条件下排土场变形的数值模拟和降雨影响下模型材料的电镜扫描结果,以物理、数值模拟及宏观、微观多重手段相交叉融合的方式进行不同堆载和不同降雨条件下排土场不同位置的变形分析,得出排土场变形与堆载增量呈正相关,但深度的增加使边坡变形敏感度降低；与单位降雨时长呈正相关,但随着降雨总时长推移排土场发生排水固结,变形量减小使得二者呈负相关的时空演化规律。数值模拟计算结果显示堆载作用下排土场边坡形成贯通滑动面的过程;微观分析结果表明排土场边坡在降雨影响下泥质胶结材料冲刷流失,颗粒间接触力减小,排弃物间隙变大形成潜在滑动面。
堆载增加使降雨在边坡内部产生的潜在滑动面扩大最终形成贯通的滑动面。结合物理模型实验结果对滑动面进行精准定位,最后依据室内物理模型实验和数值分析结果,建议使用光纤传感技术作为排土场边坡变形失稳的监测手段。
5部分图片
排土场边坡相似模型尺寸
传感光纤布置
光纤分布间距
降雨及堆载设置
不同加载条件下X向光纤应变
不同加载条件下Y向光纤应变
不同加载条件下Z向光纤应变
X向光纤降雨3d综合应变
Y向光纤降雨3d综合应变
Z向光纤降雨3d综合应变
Z向光纤应变突变位置
降雨前后样品电镜扫描
边坡滑动面形成过程
滑动面
模型尺寸
弹性计算应力场结果
加载20,50kg后竖向位移场及剪切应变场
加载70,100,140kg后竖向位移场及剪切应变场
边坡变形监测位置示意
6作者简介
陶志刚，男，博士，1981年6月生，河北邯郸人，中共党员，副教授，博士生导师。中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室执委会副主任、深地空间科学与工程研究院副院长。获省部级科技奖励10余项，以第一作者或通讯作者在行业权威期刊发表学术论文60余篇（SCI收录31篇，EI收录17篇），授权国际发明专利3项，中国发明专利24项，实用新型和软件著作权34项。独立出版专著2部，参编中英文专著/教材5部。获“第二十一届中国专利金奖”，2018年被评为中国能源研究会首届优秀青年能源科技工作者，2019年获得中国产学研合作创新奖，同年入选中国矿业大学（北京）越崎青年学者。
研究方向
滑坡地质灾害监测及临滑预警、软岩隧道围岩大变形控制
主要成果
致力于NPR巨型锚索研制、超常力学特性试验研究、双体灾变力学理论深化和拓展、滑坡全过程力学监测及临滑预警、高应力软岩巷道（隧道）大变形控制等方面取得了多项创新性成果。研究成果已被200余家矿业集团、地质灾害防治中心、地震局和文物保护单位大量应用。目前，已在全国20个省（自治区）建立了543个地质灾害空地监测台站，获取了数以亿计的科学数据，先后成功预报滑坡灾害16次，均提前4-20小时发出临滑预警信息，累计撤出人员240余名，挽救了百余人生命和数以亿计的财产损失，经济和社会效益显著，为矿山安全可持续生产提供了有力的技术保障。
陶志刚,李华鑫,曹辉,等.降雨条件下全段高排土场边坡稳定性实验研究[J].煤炭学报,2020,45(11):3793-3805.
责任编辑：黄小雨 编辑整理：郭晓炜 审核：常 琛
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