离子型稀土矿山边坡稳定性分析及防护研究

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近年来,为满足发展需求,风化淋积型稀土矿作为稀土主要赋存对象,开采规模较大,而原地浸矿在提取中占有主导地位,但在使用原地浸矿工艺的稀土矿山采场中,存在滑坡等边坡地质灾害隐患。原因在于矿山采场中周期内持续不断的注液及降雨作用,使其土壤水土流失严重,含水率、抗剪强度指标等岩土体性质、结构发生变化,植被破坏,导致边坡失稳从而造成滑坡及崩塌等边坡地质灾害。稀土矿山滑坡等边坡灾害多发,对矿区工作人员、矿区及矿区周边环境造成巨大的影响,部分矿区仍然在进行生产,区域内已经发生过滑坡的边坡以及存在滑坡隐患的边坡都存在一定的危险,所以对稀土矿山进行边坡稳定性分析、边坡有效支护措施设计模拟意义重大。本文以龙南稀土矿山为研究对象,在对研究区进行野外实地地质调查获取地质调查资料并取样进行土体实验,分别测得稀土矿山浸矿后,稀土矿山边坡岩土体中含水率、容重、粒度等物理化学及力学参数,在获得地质调查资料及实验数据后,利用Midas GTS NX软件对边坡稳定性进行分析研究,确定边坡安全系数。同时,对边坡土体进行性质测试、微观结构及粒度实验,分析研究浸矿及降雨渗流对岩土体性质的影响程度。在此基础上提出稀土矿山边坡支护措施,并分析其支护效果,得出下列结论:(1)利用研究区土样配成不同浓度泥浆并测定其旋转粘度,结果表明,粘度η与剪应力是呈正相关关系,粘度越大,剪应力越大,土体在流动过程中对周边土体所产生的剪应力越强。宏观表现为泥浆被降雨等其他水动力条件下作用下发生运动,其流体剪应力发生增大,加剧了水对周边饱水岩土体的冲刷、剪切和入渗作用,使岩土体结构发生变化,从而降低了边坡稳定性。(2)在观察对比土样浸泡前后微观结构可视化图后结果表明,在浸泡之后,粒间孔隙受孔隙水压力影响发生明显变化且变大,部分颗粒与颗粒间的胶结物形态与成分含量发生变化且粘土矿物成分受影响流失严重,土颗粒间联系减弱,团聚体稳定性也相应减弱,胶结物成分含量、胶结程度、胶结方式等越随之发生变化,土体内部结构和有效应力发生变化,从而造成宏观土体理化性质发生变化,表现为土体密实程度减弱,c、φ等值减弱,对研究区边坡岩土体的稳定性造成较大的恶性影响。(3)在分析土样各级粒度分配后发现,研究区中土体中多为粘土矿物,颗粒较小,粉粒及粘粒多粘结于较粗粒之间,风化作用明显,在浸矿及降雨入渗作用后,岩土体中部分颗粒流失严重,土体结构发生变化。全风化土层中粉粒含量较少,中、粗粒含量较多,其所在的土层风化作用相对更弱,渗透系数较大,能够为浸矿液和雨水的入渗提供可靠通道,加剧降雨及浸矿入渗对边坡岩土体结构的影响,从而影响边坡稳定性。(4)利用Midas GTS NX软件对天然工况下的边坡模拟分析后发现,安全系数为2.4,边坡处于较稳定阶段;在浸矿-降雨入渗条件下,边坡安全系数分别为1.27656、1.05469,浸矿条件后,安全系数发生大幅度下降,边坡基本处于临界滑坡边缘;在暴雨条件影响下,安全系数继续下降达到危险值,滑坡可能已经发生。(5)针对稀土矿山原地浸矿采场边坡复杂条件,并结合研究区内边坡失稳机制、支护工程造价、生态环保等多种因素,提出一种利用以竹子为主要材料,将竹子制作成的竹子格构框架与竹子加筋体组成的生态护坡结构。(6)利用Midas GTS NX软件对支护边坡模拟研究后发现,支护边坡在自然工况下,安全系数达到2.93125,在浸矿-降雨后的边坡安全系数1.775,边坡稳定性在支护后得到长足的提升并基本处于稳定状态,且生态护坡结构材料简单、成本较低、实施容易。
摘要第4-6页
Abstract第6-8页
第一章 绪论第12-20页
    1.1 选题依据第12-14页
        1.1.1 选题背景及意义第12-13页
        1.1.2 课题来源第13-14页
    1.2 研究现状及发展趋势第14-17页
        1.2.1 边坡稳定性分析研究现状第14-15页
        1.2.2 稀土矿采场边坡稳定性研究现状第15-16页
        1.2.3 Midas GTS NX软件在矿山边坡稳定性分析及支护应用研究现状第16页
        1.2.4 微观结构演化分析现状第16-17页
    1.3 研究方案第17-20页
        1.3.1 研究目标第17-18页
        1.3.2 研究内容第18页
        1.3.3 拟采取的研究方法第18-19页
        1.3.4 技术路线图第19-20页
第二章 研究区工程地质与水文地质条件概况第20-25页
    2.1 自然环境概况第20-23页
        2.1.1 地理位置第20-21页
        2.1.2 气象水文第21-22页
        2.1.3 土壤与植被第22-23页
    2.2 地质环境概况第23-25页
        2.2.1 地形地貌及岩性构造第23页
        2.2.2 离子型稀土矿成矿背景及矿物特征变化第23-25页
第三章 土样测试及性质分析第25-40页
    3.1 野外调研及样品采集第25页
    3.2 土体容重、含水率测定第25-27页
    3.3 内摩擦角、粘聚力测定第27-28页
    3.4 泥浆性能测试分析第28-31页
    3.5 微观结构演化分析第31-37页
        3.5.1 制样第31页
        3.5.2 电镜扫描实验第31-33页
        3.5.3 微观结构图像分析第33-37页
    3.6 颗粒级配实验第37-39页
    3.7 本章小结第39-40页
第四章 基于Midas GTS NX边坡稳定性数值模拟分析第40-65页
    4.1 Midas GTS NX简介第40页
    4.2 分析模型第40-47页
        4.2.1 植入式桁架单元第41-43页
        4.2.2 板单元与土工栅格单元第43页
        4.2.3 实体单元第43-45页
        4.2.4 边坡建模条件及分析方法第45-47页
    4.3 Midas GTS NX稀土矿山边坡建模第47-53页
    4.4 Midas GTS NX的结果对比分析第53-64页
        4.4.1 边坡土体应力分布第55-58页
        4.4.2 边坡土体孔隙水压力分布第58-60页
        4.4.3 边坡应变分析第60-64页
    4.5 本章小结第64-65页
第五章 边坡支护及支护结果模拟分析第65-75页
    5.1 边坡支护设计第65-71页
        5.1.1 稀土矿山边坡支护现状第65-66页
        5.1.2 稀土矿山边坡支护设计第66-70页
        5.1.3 生态护坡结构特点第70-71页
    5.2 边坡支护效果模拟第71-74页
    5.3 本章小结第74-75页
第六章 结论与展望第75-77页
    6.1 结论第75-76页
    6.2 展望第76-77页
参考文献第77-80页
致谢第80-81页
个人简历、攻读学位期间发表论文及参与项目第81-82页
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