据自然资源部网站资料显示,仅1969年至2022年期间,由于爆破振动诱发的大型滑坡多达60余处,其中露天转地下开采导致的滑坡占比就有百分之八十以上。随着深凹露天矿的不断开采,露天边坡不断加高、加陡,其稳定性不断降低,采矿成本也不断攀升,越来越多的矿山必将在超高陡边坡条件下转入地下开采,而经历露天转地下开采的含顺层断层岩质边坡,在多次的爆破动力和开采活动扰动下,其应力状态更为复杂,特别是露天转崩落法地下开采爆破,是在高陡边坡底部封闭的地下采场内反复多次进行,爆源空间位置集中、爆破规模大,开采爆破累积作用下,含顺层断层带的高陡边坡动力失稳的可能性更大。高陡边坡一旦失稳,其滑体或崩塌量大、冲击力强,不仅直接威胁地下采场的安全,且会带来严重的地质灾害。因此,开展露天转地下开采断层带爆破累积损伤特征及边坡稳定性研究,对揭示露天转地下开采边坡爆破动力失稳机理、控制边坡稳定,具有重要的研究价值。本文以大冶铁矿露天超高陡边坡转地下开采工程为依托和示范,采用现场试验、室内模型试验、理论分析、数值模拟综合研究方法,对露天转地下开采边坡爆破振动特性、爆破累积作用下顺层边坡断层带损伤特征及其边坡动力失稳特征进行了研究。论文主要研究内容和成果如下:（1）高陡边坡露天转地下开采地质特征与边坡爆破振动特性研究。依托大冶铁矿东露天采场地下开采工程背景,综合考虑了矿区边坡工程地质特征,选取了高陡露天边坡中的典型顺层边坡断层——F9断层为研究对象,在多年科研资料统计分析基础上,分析得出了边坡滑带、滑体和矿体围岩的物理力学参数,同时结合大冶铁矿露天转地下开采过程中地下开采爆破试验与多次边坡振动监测结果,分析了现场高陡边坡的质点振动速度与频率等爆破振动参量特征。（2）断层带爆破累积损伤强度劣化特征模型试验研究。结合大冶铁矿东露天采场地下开采工程实际,基于相似理论分析原理和现场测试获得的爆破振动参量,采用振动台加载的模型试验方法,对顺层岩质边坡断层带相似材料施加了多次爆破振动荷载,研究了爆破振动强度、爆破振动次数、断层带厚度和含水量对断层带强度力学参数的影响。结果表明:（a）当爆破振动强度小于等于1.5cm/s时,断层带抗剪强度参数以累积弱化作用为主。当爆破振动强度大于（包括）2.2cm/s时,断层带力学参数以附加荷载的惯性作用为主。（b）随着爆破振动强度和振动次数的增加,断层带抗剪强度参数逐渐弱化,且其抗剪强度参数弱化幅度随振动次数的增加呈现先增大后减小的变化趋势。断层带厚度的变化对爆破累积作用下断层带粘聚力弱化的影响有限,对内摩擦角的弱化影响显著。（c）随着断层带含水量的增加,断层带的抗剪强度逐渐弱化,且随着爆破累积荷载次数的增加,含水量对断层带内摩擦角的损伤贡献率逐渐大于断层带粘聚力。（3）断层带爆破累积损伤变形特征理论分析。基于传统岩土体应力应变强度理论,结合上述爆破累积作用下的断层带强度衰减特征模型试验结果,推导并建立了考虑爆破振动荷载累积损伤因子的断层带动力损伤模型,研究了断层带在爆破累积作用下的损伤变形机理,结果表明:（a）在爆破振动荷载和围岩压力的共同作用下,提出的损伤本构模型,能够较好地描述断层带爆破累积损伤变形的全过程,同时断层带损伤变量演化曲线均在爆破振动加载初期单调递增,且在爆破振动加载后期趋于平缓并逐渐收敛;（b）随着爆破振动强度的增加,断层带强度的初始损伤值逐渐增大,而随着爆破振动次数的增加,断层带强度的损伤变化率先增加后减小,围岩压力的增加可以减缓断层带强度的损伤劣化。（4）断层带爆破累积损伤裂纹演化特征数值模拟分析。基于离散元数值模拟软件PFC3D,结合爆破累积作用下断层带强度衰减特征模型试验结果,分析了断层带在爆破累积作用下的裂纹扩展特征,得到了不同爆破振动次数、不同振动强度和不同围岩压力对于断层带损伤细观劣化特征的影响。结果表明:（a）数值模型中断层带在受到爆破累积作用时,其细观劣化特征主要以剪切裂纹增加为主,且随着爆破振动次数的增加,裂纹的增长速率均表现出先减小后趋于平稳的变化趋势。（b）在爆破振动加载后期,数值模型中裂纹扩展类型逐渐由剪切裂纹向张拉裂纹转化,围岩压力的增加是导致断层带中裂纹扩展速率减缓的关键因素。（5）爆破累积作用下顺层边坡失稳演化特征研究。结合依托工程,选取典型边坡地质剖面,建立全尺寸的边坡数值模型,对大冶铁矿F9断层顺层岩质边坡在爆破累积作用下失稳至滑坡的演化过程中,滑体位移场、应力场、能量场和坡体表观破坏形式及裂纹分布规律进行了研究,得到了顺层岩质边坡在爆破累积作用下的滑动面形成过程及边坡失稳模式。研究表明:（a）滑体位移场特征:边坡在爆破累积作用下主要是发生牵引式破坏,边坡坡体的累积永久位移随着爆破振动次数的增加而逐渐增大,且坡体中部的位移在不同爆破振动强度和次数作用下表现出一定的“滞后效应”。运用分形理论R/S分析法,确定了滑坡位移时序分形动力学参数位移Hurst指数,同时结合滑坡位移矢量角判据,揭示了仅依靠位移确定的滑坡演化过程中的三个阶段特征:即初始蠕变阶段、等速变形阶段和加速变形阶段。（b）坡体裂纹及应力场特征:当爆破振动强度小于等于1.5cm/s时,滑带区域为拉剪混合破坏为主,在滑坡体区域为拉裂破坏为主,且当滑面形成后,坡体后端滑面呈现出滑移-拉裂的破坏模式,沿坡面前端呈现出蠕滑-压致拉裂破坏特点;当爆破振动强度大于（包括）2.2cm/s时,边坡的破坏形式是从滑坡前缘到滑坡后缘依次发生破坏,且破坏形式为拉剪混合破坏,同时在整个爆破累积过程中,边坡符合拉裂-滑移-剪断三段式破坏过程的发展规律。（c）滑坡能量场特征:在滑坡演化初期,滑体仅靠近滑带附近出现部分应变能集中区域,随着爆破振动次数的增加,滑体内应变能集中且数值较大区域逐渐增加,随着爆破振动强度的增加,滑体的弹性应变能密度数值在逐渐增大,整个演化过程中弹性应变能呈现由后部向前端逐渐运移的规律。（6）基于能量概率熵的滑坡演化阶段判识及爆破振动安全判据研究。基于爆破累积作用下顺层岩质滑坡演化特征研究成果,开展了滑坡系统能量耗散研究,得到了滑坡系统的能量概率熵变化率。结合爆破累积作用下的滑坡位移、边坡稳定性系数、能量概率熵及能量概率熵变化率等参量变化特征,综合分析了顺层岩质滑坡的演化阶段,研究并提出了大冶铁矿顺层岩质边坡的累积爆破振动作用安全判据与控制阈值。结果表明:（a）边坡稳定性变化特征:爆破振动次数对边坡稳定系数的影响大于单次爆破振动强度的影响。随着爆破振动强度的增加,决定边坡稳定性的关键影响参量由滑带的粘聚力逐渐向滑带的内摩擦角转化,这反映了边坡的损伤累积程度随爆破振动强度的增加而加大,且滑带的内摩擦角在边坡累积爆破动力作用失稳中起着关键的影响作用。（b）基于边坡稳定性系数判别方法,提出了当爆破振动强度分别为0.5cm/s、0.9cm/s、1.5cm/s和2.2cm/s时,大冶铁矿F9断层边坡失稳所对应的爆破次数依次为14060次、9712次、6203次和2882次的边坡爆破累积作用次数稳定性控制阈值。基于能量耗散理论综合判据,确定的临界边坡失稳时对应的爆破振动作用次数依次为11500次、7500次、6000次和3000次,故地下开采过程中,可根据基于能量耗散理论的综合判据模型,来判断边坡临近失稳状态。（c）区别于仅依靠位移确定的滑坡演化阶段特征,基于能量耗散理论综合判据,得到滑坡模型的演化划分为四个阶段:初始蠕变阶段、等速变形阶段、加速变形阶段和整体滑移阶段。（d）根据上述研究成果,在进行滑坡演化阶段判识研究时,应将滑坡位移数据、分形参数中Hurst指数、边坡稳定性系数与滑坡的能量概率熵变化率等作为联合预警判据指标。在考虑滑坡临滑预警时,应严格监控露天转地下开采过程中边坡位移及爆破振动强度,同时建议将滑坡进入整体滑移阶段作为预报预警时刻。