文摘

为了揭示露天矿边坡的失稳规律在盛和高海拔地区。首先,边坡结构面扫描的三维(3 d)激光扫描技术,和获得的点云数据实现智能识别岩体结构面。岩体的几何参数计算,物理结构模型建立。然后,我们对花岗岩进行冻融循环测试来获取相应的力学参数。最后,根据获得的力学参数,我们平日使用有限元软件计算的结构面抗剪强度和关节广义Hoek-Brown判据和Barton-Bandis准则,分别建立了地质模型,利用折减强度有限元法计算边坡的安全系数,判断边坡的不稳定。结果表明,花岗岩的物理和力学性能恶化的增加,冻融循环。冻融循环作用下,岩体的孔隙水冻结,形成冻胀现象的力量。量的扩张导致节理裂隙的进一步发展。岩石边坡的强度与冻融循环次数的增加,逐渐降低,边坡的安全系数不断减小。这表明重复冻结和解冻交替使矿山边坡的稳定性越来越差。 The research results are helpful to prevent the occurrence of slope disasters in advance and are of great significance to effectively and safely manage the stability of slope, the treatment of open pit, and environmental treatment.

1。介绍

随着科学技术的发展,三维激光扫描技术和有限元软件广泛应用于岩石边坡稳定性的分析1- - - - - -3]。同时,为了满足日益增长的生产需求,中国的矿产资源开发已逐渐转移到西北地区,矿产资源丰富,但为自然环境差,基础设施薄弱,生态环境差,非常寒冷的冬天。温度变化和季节变化引起的昼夜交替将有一个伟大的对岩体的力学性能的影响。反复冻融循环将扩大和增加岩石裂缝,岩石的物理力学性质恶化,并降低边坡岩体的强度,导致边坡岩体的滑动(4- - - - - -6]。这些问题变得越来越突出。因此,本文提出了研究露天矿边坡的安全性和稳定性评价基于3 d激光扫描和数值模拟。

三维激光扫描是地质填图的最新发展7),已被证明是一种有效的非接触的工具。它是用来收集岩体信息。其应用领域包括表面地质数据采集(8,9),边坡稳定和位移监测(10,11),和三维岩体模型创建12,13]。它具有高密度,可操作性,精度高、非接触。目前,许多专家和学者进行了一系列扫描分析岩石边坡工程在这项技术的帮助。陈等人。14)相比,三维激光扫描技术的区别与传统窗口映射技术。结果表明,平均下降/倾斜方向这两种方法之间的差异是1.5°/ 16°,这是由于大量的收集的数据通过三维激光扫描技术。这是证明了三维激光扫描技术具有更高的效率和准确性在地下矿山。王等人。15)使用三维激光扫描技术扫描爆炸垃圾成堆的碎片为计算BFMP提供了高精度点云数据。他们提出了一种改进的基于离散的电流算法特点。结果表明,当压块的大小是0.1米~ 0.5米,约为80%,计算结果的准确性,当断块的大小超过0.5,几乎所有bfmp可以正确计算。krom et al。16)利用地面三维激光扫描技术测试Sechiienne滑坡在法国六周检测流程,位移,prefailure变形的离散崩溃事件。然后,他们提出了一个自动地面激光扫描系统实时自动变化检测和处理功能。马等。17]介绍了三维激光扫描技术在边坡表面的整体变形监测滑坡物理模型试验,全面分析了滑坡的变形特性在不同演化阶段滑坡物理模型试验的例子。结果表明,在保证高精度的前提下特征点监控,整个模型的变形和位移斜率可以获得三维激光扫描技术的帮助。

同样,平日软件可以进行流体结构耦合分析和动态分析,可以自动生成有限元网格,如三角形,和材料模型的优势多元化类型。它也广泛应用于数值模拟循环载荷作用下(18]。为了分析产生故障的露天矿在米纳斯吉拉斯,巴西,佩雷拉和拉娜19]建立了许多代表坡假说模型卢比有限元软件,通过使用弹性和塑料进行模拟,评估产生破坏机理。刘等人。20.)利用数值模拟软件研究煤矿顶板事故的主要原因。结果表明,随着煤层继续进步,最大沉降位移仍然基本持平,沉降位移曲线提出了一种非对称平底分布和应力集中在煤壁支承压力的来源。席尔瓦和拉娜(21]平日使用软件的失效机理发生的屈曲保罗布兰科,Vallourec Mannesman集团,2002年。通过破坏机理的分析,他们获得的代表值原位应力状态,正常的劲度模量,剪切刚度模量绿叶的结构。结果具有重要意义,进一步分析保罗·布兰科的千枚岩斜坡的稳定性。亚斯兰等。22]平日使用有限元软件分析大理石在静态和动态条件下采场的稳定性,建立了剪切强度降低(SSR)技术的软件来确定失效机理,并提出了建议和实施必要的控制,以确保边坡的稳定性。Adach-Pawelus [23]平日使用有限元软件进行数值模拟在平面变形状态,结合地震活动分析和数值模拟的方法来说明我的残留影响地震的可能性。结果表明,原状岩屑对地震和可能有负面影响在矿区岩爆灾害。

即使3 d激光扫描技术和平日有限元软件和应用取得了很大的进步,很少有研究盛和高海拔地区的帮助下,这两种技术的结合。针对这一点,本文使用Optech北极星LR三维激光扫描仪扫描的露天边坡在寒冷地区,获得点云数据,实现智能识别和信息提取的岩体结构面,获得通过冻融循环测试岩石力学参数,并建立了边坡力学模型结合平日有限元软件计算边坡的安全系数在不同次冻融循环的存在。这对深入理解有重要指导意义的露天矿山边坡不稳定的法律在盛和高海拔地区和提前预防边坡灾害和事故24]。

2。识别和提取的岩石结构面

2.1。研究区域

本文的研究对象是位于北展Hejing县铁矿库尔勒,西北部的新疆,中国。永久山麓冰川位于南部和西部矿区,和矿体的高度是3450 - 3723。矿区位于常年积雪的高山地区,气候极度寒冷。每月平均温度从1月到4月,从9月到12月低于零,和最低温度可以达到-40°C。温度上升从5月到8月,一般5 - 15°C,和最大上升20°C。晚上的温度通常是低至3°C,所以昼夜温差在矿区大。矿区有频繁的雨和雪。这是当地的雨季从7月到8月,和10月初开始下雪。因此,它只适用于执行适当的字段操作每年从5月到9月。矿床位于河谷,矿区的地形有利于自然排水。 The overall strike of the ore body is 97°, and the dip angle is 47°-74°. According to the prediction of landform, meteorology and hydrology, geological structure, human activities, and other conditions in the mining area, the risk of geological disasters such as landslide and debris flow is small, but the risk of collapse geological disasters caused by local high and steep mountains is high. The study area is shown in Figure1。

2.2。三维激光扫描技术

Optech北极星LR使用三维激光扫描仪进行全面扫描,扫描的研究区,分别。仪器符合长途好项目的测试需求,如图2。参数如表所示1。

2.3。岩石结构面几何特征

为了有一个初步的了解整个矿区,11进行了三维激光扫描,覆盖整个采矿坑,如图3(一个)。进行3 d激光扫描获取每个点每个点的点云数据。拼接和包装后,一个完整的3 d几何模型,如图3 (b)。同时,细矿区进行扫描。扫描点S8坐落在东坑,包括399020点。扫描范围是2044.0957米²,扫描区域的最大大小 m。结合三维激光扫描技术的数码相机,照片的像素点与点云匹配,和灰色信息和颜色信息的可获得的点云数据。颜色信息有助于显示扫描结果,结果如图所示3 (c)。

2.3.1。点云数据的处理

的点云数据量三维激光扫描获得的结构面密度很大,将严重影响运行速度。因此,为了实现算法的编程,需要将点云数据划分为空间和网格点云数据。在这项研究中,点云数据的扫描精度高,采用3 d差分法。这种方法对精度的影响很小,可以忽略的影响。结果如图所示4。

为了获得最优阈值,有必要选择指数的结构面智能识别的歧视。摘要点的法向量作为歧视指数。下一步是确定点云的平面度检测阈值。按照规定,当的价值越小,越点都包含在边境矩阵,这意味着更多的点被认为是边界点和不参与接下来的图像分割算法。相反,当的价值太大,边界点矩阵的数量减少,这意味着边缘识别效果减弱,表明一些有效边界点不会被认可。因此,根据矿区的实际情况,平面度检测阈值设置为20°。

2.3.2。选择最优阈值

区域增长的阈值5°,大约40°之间,间隔是5°的价值。区域阈值仍然维持在0.5米²。当地区经济增长的价值阈值太小,增长标准相对严重,和许多点云数据不确定结构面,使区域部门过于分散,结构面确定的数量。当地区经济增长的价值阈值太大,增长标准过于宽松,导致部分点云数据位于不均匀的地区也将分为结构面,结构面确定的数量太大,所以不可能区分相邻结构面。根据视觉判断,当区域增长20°和30°之间的阈值,识别效果则更为现实。结构面认识的结果如图5(一个)- - - - - -5 (c)。

同样,使区域阈值0.1米之间²和大约10米²,价值区间是0.1米²。区域增长20°阈值保持不变。当面积阈值大于0.1米²,识别效果更加实用。当面积阈值太大,更多的结构面消除,导致剩余的结构面和太少不利于后来的结构面信息提取。结构面识别的结果如图5 (d)。总之,生长阈值20°,面积阈值是0.1米²。

2.4。岩体结构面信息的提取

2.4.1。收购结构面发生信息

最小二乘法用于适合所有节点的岩体结构面之前获得的。通过这种方式,可以获得准平面形状的平面方程。飞机方程所示

假设的空间坐标点结构面 , ,…, ,分别可以表示为矩阵方程

让

所以,我们需要找到向量并使 最小值。最后,法向量和飞机结构面方程得到完成的装配结构面。

本研究主要计算倾斜和倾角结构面发生信息。如果结构平面的法向量坐标 。根据激光发射的工作原理在三维激光扫描技术,它只能扫描边坡结构面具有良好的接触,所以 。大地坐标系统,由于东部和北部被定义为由于积极的方向轴和轴,分别轴指向垂直方向。因此,发生倾斜的信息和倾角岩体的结构面可以表示由以下方程:

发生信息的点云数据的岩体结构面图所示6。

2.4.2。分组基于事件的岩体结构面信息

然后, - - - - - -意味着集群分析方法用于集团这些事件信息并结合现场调查地质信息。获得,在矿区边坡的结构面可以分为三组,其中一组轻轻急剧倾斜的斜面和两组关节。智能识别主要发现两组陡峭的关节。最后,集群计算中心和平均发生。两组的平均发生岩体结构的飞机 和 ,分别。结果如图所示7。

在这项研究中,结构面发生基于经验概率分布的建模方法采用真正反映实际结构面发生然后获得两组的相对频率分布的岩体结构面发生。结果如图所示8。

2.4.3。计算岩石结构面之间的间距

为了获得相邻结构面之间的空间,它是根据图所示的方法计算9。图中的虚线是同一组结构的初始状态飞机,实线的理想状态是飞机结构转换根据上述方法,和结构的飞机在同一组相互平行。垂直距离计算公式用于计算相邻结构面之间的距离。

在哪里飞机1方程,是飞机2方程,两个相邻结构之间的垂直距离是飞机。

根据方程,间距的分布特征信息的计算两组岩体结构面,如图10。

2.4.4。计算岩体结构的等效长度跟踪飞机

因为图像分割方法获得的数据点云数据,投影的方法用于计算区域的结构面,如图所示

在哪里之间的角度吗平面和结构面,的面积是所需的结构面,然后呢节点的投影面积在结构面投射到吗飞机。

因此,接触面积计算岩体结构面。为了方便,结构面可以取代一个等效圆面积相等。半径是表达

两组的等效长度跟踪岩体结构面特征本文可以通过获得的等效半径方程(11)。结果如图所示11。

2.4.5。岩体的结构面统计信息

基于数理统计理论,根据点云数据S8的岩石边坡,几何参数的概率分布类型和统计参数如上面计算的岩体结构面发生数,如表所示2。

3所示。数值模拟分析

摘要平日使用弹塑性有限元软件进行数值模拟分析。平日的一个重要功能是计算边坡稳定安全系数的折减强度基于有限元法。通过使用Hoek-Brown强度准则,系统可以自动降低强度和获得边坡的安全系数。在这个软件,岩体的本构模型包括广义Hoek-Brown模型,Mohr-Coulomb模型,和剑桥模型。同时,基于统计模型,用户可以输入相关的联合参数根据实际情况构建边坡模型时,系统将自动生成联合断裂网络。

3.1。建立模型和参数的选择

为了获得岩石边坡的相关力学参数,建立一个完整的地质模型,从网站上采集标本,并分为6组,每组2个样品。每组的样本受到0,20、40、60、80和100次冻融循环,分别进行了物理力学测试。最后,参数见表3被计算。

我们截获的剖面线西边坡矿区的自动生成的截面图西斜坡,卢比的软件,将其导入和生成模型边界。岩体的结构面是基于广义Hoek-Brown标准,和联合是一个基于Barton-Bandis标准的本构模型。根据先前的研究,斜率是主要受两组关节表面。上面的物理力学参数输入到平日的软件,和三个节点三角形元素被用来生成有限元网格。该模型包含17207个节点和29427个元素。我们考虑现场的实际边界条件,得到最终结果,如图12。最后,五个监视点安排后续的研究。

3.2。数值模拟结果

3.2.1之上。分析边坡的最大主应力和最大剪切应变模型

根据主应力的定义,在相同的外力下,主应力随埋深的增加。为了研究最大主应力的变化在不同冻融循环的时候,云计算图表的最大主应力如图13。它可以从图发现底部的最大主应力大于的边坡模型,在其他领域,虽然是最小的。同时,最大主应力的值范围的增加并不能改变的次冻融循环和一般显示了一个轻微的上升趋势,但它是在-0.75 MPa之间和14.25 MPa。这表明次冻融循环的增加几乎没有影响的最大主应力的斜率。

为了反映不同时期的影响边坡冻融循环的失败和不稳定,云表的相应数值模拟获得的最大剪切应变,如图14。从图可以看出,安全系数降低,增加次冻融循环的。同时,最大剪切应变反映了边坡破坏的相对变形。失败的图也表明,相对变形逐渐增加而增加的次冻融循环。因为本文研究岩石边坡,它不会形成一个完整的滑带土土壤边坡。然而,局部岩体剥落和不稳定故障发生冻融剪切区域内的斜坡。结果表明,冻融循环的时间有很大影响边坡岩体的强度和稳定性。冻融循环的次数越多,越严重的恶化岩体内部性能和较低的斜坡的稳定性。

3.2.2。分析边坡模型的总位移

图15显示总位移的变化云图的不同时间下的边坡岩体冻融循环。也可以从图发现的安全系数降低逐渐增加的次冻融循环。与此同时,由于上覆岩体的自重和机械开挖,总位移达到最大的前两个步骤。

根据数值模拟结果,强度换算系数随时间的增加,冻融循环。为了进一步反映强度换算系数之间的关系和斜率的总位移曲线如图16是画的。从图可以清楚地看到,在同一次冻融循环的初始斜率最大总位移的增加并不明显,然后连续增加的强度折减系数,最大总位移变化突然大幅增加。这表明斜率明显受损当强度换算系数达到这个值。当次冻融循环的增加,强度降低系数逐渐降低,减少范围越来越大。这表明,冻融循环有很大的削弱影响边坡岩体的力学性能。

3.2.3。产量要素和产量分析边坡模型的关节

收益率元素的数量,产生关节,和他们的分布可以显示特定的失败程度和区域的岩石。根据之前的测试结果,边坡岩体的物理力学性质恶化由于冻融损伤,和岩体的强度减少。从数值模拟的结果,可以发现,与冻融循环的时间的增加,元素的斜率增加,收益率及其分布传播从上面风化步骤下面的步骤。收益率分布的关节变得越来越密集,他们主要分布在坡面像收益率元素。为了清楚地反映收益率元素的数量和产量的变化关节,曲线的斜率的产量要素和产量的关节数倍的冻融循环,如图17。他们都逐渐增加,冻融循环的时间的增加,和增加率增加,然后降低。

3.2.4。分析水平位移和强度降低的节点

图12显示五所选节点的位置在边坡模型中。通过分析水平位移之间的关系,减少次冻融循环的每个节点在不同的时间,我们可以进一步了解边坡的不稳定和失败。从图可以看出18节点的水平位移变化略一开始,然后,突然的位移变化,表明斜率发生了明显的不稳定和失败。从节点5节点1,节点的高度降低,水平位移的节点也逐渐减少。此外,每个节点的总位移变化和阶段对应于突变的数量的增加逐渐减少的次冻融循环。这一结果表明,发生故障时逐渐提前,边坡稳定变得更糟。

3.2.5。分析边坡安全系数的模型

根据上面的分析,当次冻融循环的0,20岁,40岁,60岁,80年和100年,边坡的安全系数是1.86,1.79,1.7,1.57,1.42,和1.18,分别和安全因素正变得越来越小。同时,发现降低安全系数的范围是3.76%,5.03%,7.65%,9.55%,和16.9%,分别。逐渐增加减少范围进一步表明,冻融循环越多,越边坡稳定。本法也可以发现从曲线的趋势图19。这是由于岩体的孔隙水结冰形成冻胀现象力,和体积膨胀导致节理裂隙的进一步发展。与冻融循环的增加,岩石边坡的强度逐渐降低。冻融疲劳损伤降低了岩石的物理力学性质,和岩石和关节更容易产生不稳定。因此,我们可以理解的冻融机理,岩石边坡岩石冻融损伤的累积过程。

4所示。结论

摘要冻融循环对露天矿的边坡稳定性研究三维激光扫描技术的帮助下,平日有限元软件。得到以下三个结论:(1)的3 d激光扫描得到的点云数据,首先,3 d网格差分法用于处理。在选择指数的歧视,所有节点都扫描平面度检测。简化的数据后,使用改进的图像分割算法完成区域分工结构面,和合理的平面度检测阈值,区域增长的阈值,完成智能识别和面积阈值选择的岩体结构面(2)岩体不连续面几何参数和其他信息的提取,岩体不连续的平面方程是拟合的最小二乘法,和岩体不连续面倾角的计算。结构面是除以 - - - - - -意味着基于事件信息的聚类分析方法,和结构面间距和等效长度跟踪计算。计算结果基本符合实际矿区的调查(3)根据力学参数获得的冻融循环试验和联合分布的表面通过三维激光扫描测量技术,建立了边坡力学模型。折减强度有限元法进行数值模拟和分析边坡结构面和坡的安全系数在不同次冻融循环的计算。结果表明,随着冻融周期的增加,主应力、体积应变和位移逐渐增加。关节产生元素的数量和产量逐渐增加,安全系数不断降低,和边坡的稳定性变得更糟的是,这表明高空矿区的岩石冻融循环。冻融的疲劳损伤降低岩石的物理力学性质、岩石和关节更容易产生不稳定

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

李Juzhou执行实验和数据分析。长虹李和李国庆的方法论和概念化。Yongyue胡锦涛和雪峰易建联的可视化和数据管理和获得资源。于王的监督,资金收购,和项目管理;

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(52174069)、北京自然科学基金(8202033)和国家关键技术研究与开发项目(2018 yfc0808402)。