大冶铁矿是武汉钢铁集团公司一个重要的矿产资源基地,经过百余年的发展形成了大型深凹露天采坑以及超高陡变坡。本文的研究课题——东露天边坡岩体力学参数取值,是国家自然科学基金项目“超高陡边坡与崩落法地下开采相互影响机理研究”中的重要研究内容之一。由于大冶铁矿东露天采区工程地质条件的特殊性与复杂性:露天边坡高且陡,东露天采区的规模和范围非常巨大,地质情况复杂多变等,决定了该区域各相关研究中所选取岩体力学参数分布的离散性、多样性。而且在采矿巷道设计施工、矿区边坡稳定性分析等过程中,需要根据精确的力学参数来进行理论验证计算。为了获取该研究区域较准确的力学参数,本文主要研究方法为:通过数理统计方法对已有研究成果进行归纳统计,并根据极大似然思想得出参数建议值;基于结构面网络模拟分析岩体分类指标,结合胡克布朗等准则对岩体力学参数取值进行经验估算;通过构建数值模型与BP神经网络相结合的方法进行位移反分析,反演出力学参数值。最后对不同方法对比分析给出不同地质分区、不同岩体类别的力学参数建议值范围。该课题的研究不仅对矿区安全高效生产具有重要的实际意义,而且对其他同样赋存于复杂多变地质环境中的岩体力学参数选取都有一定的参考价值。本文主要研究内容和成果如下:1. 工程地质性质研究。在实地调查的基础上分析研究区域地形地貌、地层岩性、地质构造、岩体变形及风化程度、水文地质条件和岩体地应力特征等工程地质条件。整体上为了便于分析与后续的数值建模,概化处理后将该区域岩体划分为:北帮闪长岩、南帮大理岩、铁矿体、断层破碎带以及回填体;另外该区域地质构造发育较复杂,选取最有代表性两条大断层F9、F25进行研究,分别穿越南北帮边坡。另外根据对已有资料的整理,习惯上根据边坡稳定性将南北帮划分为三个区域:即Ⅰ区-南帮大理岩边坡(稳定区);Ⅱ区-北帮西部闪长岩边坡(较稳定区);Ⅲ区-北帮东部闪长岩边坡(不稳定区)。2. 基于数理统计方法对东露天边坡岩体力学参数取值进行研究。大冶铁矿东采区研究历史比较久远,研究资料也非常丰富,本文首先分析近年来各科研生产单位研究成果中所采用的岩体力学参数值;然后按各岩体类别的不同力学参数,对大量文献资料进行了整理统计,归纳出各力学参数的特征值(均值、方差),并绘出各力学参数的统计直方图,从图中观察到各力学参数的选取情况整体比较离散,不排除其中有与真实情况偏差较大的数据,若取用统计加权平均值可能会导致参数失真,因此本文根据极大似然法思想,按照统计图选取使用频度最高的数据为参考数据,给出基于数理统计的力学参数建议值。3. 基于岩体结构面三维网络模拟的力学参数取值研究。首先根据本区域工程地质性质将现场边坡划分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区,分区域选择良好的露头采集节理裂隙参数,对结构面数据按产状运用相应软件进行分组处理,结果显示按优势产状分组结果,Ⅰ区结构面3组、Ⅱ区结构面3组、Ⅲ区结构面2组;计算各组结构面内的裂隙间距,然后分组对结构面数据进行数理统计,计算其特征值并得出各参数的概率分布形式。然后将统计出的概率分布形式和特征值代入计算机程序进行结构面三维网络模拟,得出各区域岩体结构面三维分布情况,输出相应的岩体结构参数(结构体密度、裂隙率)。再根据模拟结果对岩体广义RQD指标进行研究,结合拟合经验关系式与结构体密度可确定各区域岩体RQD指标的合理阈值,并据此得出整体等效RQD指标,避免了各向异性造成的RQD不确定性。最后根据以上研究结果确定现场岩体的RMR、Q、BQ等指标,进而确定GSI值。运用Hoek-Brown准则等经验公式,根据GSI指标并查阅图表得出D、mb、s、a等参数值,即可估算出岩体弹性模量、抗压抗拉强度、抗剪强度等力学参数建议值。4. 运用课题组已建好的Flac3D数值模型作为研究基础,结合数值分析工具,通过位移反分析得出相应的力学参数值。根据敏感性分析相关理论,通过合理的正交试验方案设计,对各类岩体岩性及其力学参数的敏感度进行分析。多因素敏感性分析中按照岩体类别来划分,单因素敏感性分析中按照各类岩体力学参数来划分。依据敏感性大小选定14个待反演参数。根据正交试验方案的设计原理,合理组织数值模拟试验并计算出各组试验的模拟位移值,由正交试验设计参数水平与数值计算结果共同构成BP网络的数据样本。最后构建BP神经网络并运用经验方法确定好网络参数值,选定传递、训练函数,再将训练样本代入网络进行训练。查阅现场位移监测资料,找出与数值模型中所追踪测点相对应实测点位移变形量,将其作为输入向量代入网络进行仿真计算,所输出结果即为要求的力学参数反演值。5. 整合汇总各方法所得岩体力学参数值,对比三种研究方法所得结果的异同点,分析造成各方法结果差异的原因。根据各类岩体力学参数的取值分布情况,综合考虑以给出最终的力学参数建议值。