露天矿边坡稳定及检测（共6篇）
概论
1.1概述
一、边坡的重要性
1、节省成本
2、安全生产
二、国内外露天矿边坡概述
1、露天矿开采现状及发展趋势
2、列举优化边坡的实例
1.2基本概念
一、采场边坡
（一）露天矿边坡
1、山坡露天矿
2、凹陷露天矿
（二）、边坡
1、底帮边坡
2、顶帮边坡
3、端帮边坡
三）边坡角
1、工作帮坡角
2、非工作帮坡角（废正角）
二、排土场边坡
1、外排土场建立条件
2、内排土场建立条件
3、排土场台阶高度、坡面角
4、排土排弃物的性质
5、稳定性分析
1.3滑坡概论及研究意义
一、边坡变形种类
1、剥离（振动、风化）
2、崩落（陡立柱状岩体突然倒塌滚动）
3、滑动（沿一定的面或带缓慢移动）→滑坡
4、流动（指饱和水的松软岩体沿4度－6度甚至更缓的斜面流动）
5、沉陷变形、垂直下沉
排土场管理主因
所以规范规定排土场到边坡一定距离范围内有2－5％的反坡
如图2所示
三、滑坡危害
1、阻断运输线路（铁道、公路、胶带）
2、推倒、掩埋采掘运输设备
3、破坏地面工业民用建筑物
总体规划不合格
地面建筑物安全距离采场
0－200m，>200m即按200米设置。
排土场造成周边地面地形变形滑坡危害较大。如神华准能黑岱沟储煤仓、铁路地面、胶带走廊等案例。
四、优化边坡角
同时考虑两个问题
1、剥离费
2、边坡维护费
1.4露天矿边坡的特点
与水库岸坡、坝肩、引水渠道、铁路、公路路堑和路堤、山区挖方工程的的边坡相比有以下特点：
一、边坡较高
几米到600米，走向长，揭露的岩层多，岩体结构复杂
二、煤矿边坡岩体主要是沉积岩：层理明显，弱夹层较多，岩石强度低。稳定边坡
角大约40度以下。
金属矿主要是岩浆岩、变质岩，强度高，但断层、节理发育，不利于边坡稳定。稳定边坡
角大约50度以下。
三、主要是滑动变形
四、露天矿边坡是人工机械开挖边坡,边坡岩体较破碎，边坡一般不加维护，易受风化作用影响。
五、露天矿场每日受爆破、机车行走等因素，边坡受振动影响大，受到的设备自身载荷及冲击载荷较大。
六、露天矿服务年限长。
内排有利于防治边坡滑坡；陡帮开采配合内排效果较好，如平装西露天煤矿。
七、不同地段边坡稳定程度是不同的。
重要的建（构）筑物、高压线和铁路等一级建筑物要求稳定性高1.5
研究内容及步骤
一、研究内容
1、边坡岩体中各种结构面
如断层、层面、节理、裂隙分布状态
2、结构面的物理力学性质
3、水
4、开采工艺、河流、爆破、构造应力
5、设计边坡
6、提出防滑措施
7、边坡监测
二、研究步骤
1、矿山勘探，设计阶段必须开始边坡工作；
2、矿山投产后，做大量的边坡实验研究，校核边坡稳定角；
3、长期性工作，直到露天矿寿命结束
4、最后评价
第二章
影响边坡稳定性的因素
引言：因素分类
1、内因：岩石的矿物组成及地质结构
2、外因：水、震动、构造应力、采矿活动、风化及温差
2.1
岩石矿物组成的影响
1、不同矿物的强度不同
（1）、Na、K、Ca、Mg等化合物易溶于水，为不稳定矿物
（2）、蒙脱石[(OH)4Al4SiO8O20]吸水性强而透水性差，易导致滑坡
2、岩石是矿物的集合体
3、岩石有晶质>非晶质>碎屑质
硅质胶结>钙质胶结>泥质胶结
粒度<0.005mm时，粒度增加时，内摩擦角减小
4、岩石的构造有定向与非定向之别
2.2岩体结构面、结构体、岩体结构
定义：结构面：岩体中这些自然生成的强度减弱面统称为结构面
结构体：这些结构面将岩体切割成不同规模和几何形态的块体
工程岩体：有结构面和结构体组成的具有一定结构的地质体的一部分
一、结构面（I－V级）
煤矿中主要5种面：
1、软弱夹层：粘土层、碳质页岩层、泥岩、薄煤层、页岩层
2、岩层面、节理
3、断层
4、节理、裂隙
节理是构造裂隙
裂隙是原生裂隙
5、片理、页理：压应力作用下动力变质的结果
二、结构体
I－V级
三、岩体、结构
2.3水的影响
露天矿采场及排土场边坡防水便等于防滑。雨后、雨季、解冻时期
现场防治水办法介绍。
一、水在岩石中存在的的形态
（一）、气态水
是结晶水及化学水，对岩体稳定性影响不大
（二）、结合水
1、吸附水（或强结合水）强结合水，70000倍重力加速度不能使其分离。
2、薄膜水（或弱结合水）弱结合水，长期荷载可能被挤出
结合水是在岩石中颗粒表面与水分子的吸引力（静电引力）而结合的水
吸附水：是颗粒表层或离子的吸附层内的水分子，在分子力作用下，不能移动。
薄膜水：是离子扩散层内的水分子，若在分子力作用下可能移动，在长期荷载作用下可能部分被挤出
（三）、自由水：是土岩颗粒水化膜以外的水，受重力影响，分毛细水和重力水
1、毛细水
①、孔隙角水
②、悬浮水
③、毛细孔水
毛细孔水是岩石毛细孔内的水（结合水除外）
它与重力水相同，可以传递静压力
2、重力水
①、渗流水
②、地下水
（四）、固态水（冰）
体积增大、扩大裂隙、减弱岩体强度（融冰期边坡易滑原因）。
总之，边坡岩体内的水主要是结合水和自由水
二、水对边坡的不利影响主要表现
1、软化岩体，降低其强度；
2、静水压力
3、动水压力：自由水在重力作用下流动，对岩石产生动水压力
三、地下水在边坡内的分布
1、在松软土岩中水位变化
2、坚硬岩石中裂隙水无定向
坚硬岩石的水文地质条件不易掌握全貌，水位差异很大
四、静水压力作用
露天矿上部风化带岩层受水浸润后容重增加
岩石饱和水容重
γ0:干容重
n:空隙比
γw:水容重
d:岩石比重
饱水重量：
干重量
孔隙水重量
浮重量：
则岩柱所受浮力：
静水压力就是水压三角形乘积：
中点水压强度：
实践中，当坡底处断裂面无渗流时，则该处的水的压强不等于零，并可达到高峰值。
五、动水压力作用：动水压力是指渗流水
在流通过程中作用于岩石颗粒上的渗流力，它是体积力
实验表明：多孔隙（或裂隙）水相互贯通，因而产生渗流水，动水压力
圆管内的水流运动时需要克服阻力
1、与管径大小成反比
2、与两端压差成正比
3、岩石介质中水的渗流阻力与孔隙率成反比
动水压力：
计入
P浮力，静动压力为矢量和
滑面上切向法向分力
N（指向滑面）
结论：稳定渗流边坡的水压，包括静压与动压，可近似按滑面上各点水的压强乘以该处滑面面积计算即近似等于滑面上的静水压力值
2.4爆破作业、振动影响
一、影响因素
1、爆破震动增加了边坡的滑动力
2、爆破作用破坏边坡岩体
降低了岩体强度，使雨水地下水易于沿爆破后岩石裂隙渗透，加速岩体风化
3、穿、采、运设备作业时，使饱和水岩土液化
二、破坏主因
震波在岩石中传播有纵波，横波，主要是纵波
三、减震措施
1、控制一次爆破药量
2、微差爆破最佳时间，不使各次震波峰值叠
加而达到最高值
3、采用预裂爆破、缓冲爆破
1.地形地貌与地质构造因素。
边坡破面的形状为凹形时较凸形对边坡稳定更有利, 平面斜坡稳定性居中;地表面的不同形状则对重力分布产生影响。地质构造主要指破碎带、断层、节理裂隙和层理面等形成的弱面, 包括弱面的朝向、强度、充填性质等;朝向与坡面一致、且倾角小于坡面的弱面朝向是其最不利朝向;边坡中含有不稳定且与水膨胀的软岩夹层时, 也会对边坡稳定造成重要影响。
2.水文地质因素。
地下水的静水压力、水软化岩石、地下水活动对岩层稳定性的影响等
3.岩石性质因素。
主要是岩石物理力学性质及其矿物组成, 岩石的硬度、致密程度、奉化能力、凝聚力和内摩擦角等。
4.工程施工因素。
施工影响包括开挖影响和其他施工动力作用的影响, 施工、开挖改变了原有地层的力学平衡和工程水文地质条件的平衡状态, 从而引起边坡失稳。如开挖时坡角增大、开挖卸荷作用引起裂隙进一步恶化等。
5.其他因素。
包括服务年限长的露天矿应充分考虑岩石时效影响;地震诱发的边坡失稳;天气、环境恶化造成的边坡失稳等影响。
二、边坡失稳防治措施
1. 留置安全煤壁。在非工作帮回采过程中, 为减少煤炭损失, 煤壁可在最后回采, 所以留置一定厚度的安全煤壁至关重要。在稳定状况较差的区段, 采取控制开采强度的办法, 使岩体回弹变形缓慢释放。
2.重点部位临时岩移监测。对重点部位设置临时观测点, 按周期进行观测, 监视局部变形, 及时做出变形或滑坡预报。配合地面岩移监测, 安排专业人员分区域进行巡视, 查看地表裂隙或建筑物的变形状况, 以便随时发现变形异常情况, 并及时采取对策。
3.控制合理的边坡角。对岩质边坡根据岩性、构造、岩石力学强度参数等确定合理稳定的工作帮坡角和最终帮坡角。对内排土场松散物料边坡, 两个以上组合台阶和整体帮坡角不超过18°～20°。合理调整采区。通过边坡稳定分析计算, 使采区安排科学合理。
4. 加强露天边坡分析, 对已有边坡的稳定性验算, 并提出必要的防护或加固措施;以及根据开采需要设计露天矿边坡坡角。平价稳性大小采用稳定性系数表示, 一般取1.1～1.5.
5.为维护边坡完整, 防止边坡滑落。禁止任何单位及个人在到界边坡上乱挖乱采, 如遇因此而发生的边坡滑落, 要追究当事者个人责任。对局部不稳定的边坡, 必须采取弱层爆破、削坡减载、边坡加固 (护坡、挡墙、抗滑桩、表面喷水泥砂浆) 等措施, 或采取不切弱层、预留防滑煤壁的方法进行处理。对于地下水威胁边坡稳定的区域, 需进行必要的疏干工作, 如开挖疏水沟或拦截水沟, 钻孔放水及群孔抽水等。在采场、排土场周围, 建立完整的防排水系统。
6. 降低动载荷。因物体动载荷是静载荷的9～11倍, 所以对稳定性较差的局部地段, 采用限速的办法, 来减少电机车和内燃设备运动对边坡产生的动载荷。
7.规范煤矿企业的制度建设。强化管理力度、规范建设制度是企业安全化得以实现的本质保证。要确保煤矿得到规范化的运作, 就必须要建立起完整的激励机制、安全检查, 将检查活动日常化、规范化, 并有效利用经济这一杠杆促使责任追究制度和风险抵押制度得到健全, 从而提高事故及违章的代价。只有这样才能够促使煤矿企业整个的管理制度体系规范运作。
结语
露天矿的边坡是煤矿开采作业的伴随工程, 从开始施工起一直要经历几十年的开采工程, 它受采矿作业条件的约束, 要求边坡工程满足于采矿工程的要求、服务于采矿工艺, 同时边坡工程的自身安全性要求又在很大程度上约束着采矿作业。因此, 对露天矿的边坡进行稳定性研究就显得十分必要。
摘要：随着科学技术发展, 露天采煤技术日益先进, 开采越来越深, 随之而来的是边坡高度的逐渐增大, 边坡稳定性问题已日益突出, 如今边坡稳定已经成为影响矿山安全生产的重要问题。因此, 边坡稳定问题在露天矿生产与安全工作中非常重要。
关键词：露天矿,边坡,稳定,安全
参考文献
关键词：瓮福磷矿；露天开采；长锚索加固
中图分类号：TD853 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0104-02
贵州省瓮福磷矿的英坪矿段是一个大型的海相沉积磷块岩矿床。矿段位于高坪背斜东翼南段，岩层倾向东，呈单斜产出。矿段内岩层总体倾向东，倾角平均29°。从1990年起对英坪矿段B矿层采用露天开采。目前正回采0线～6线的2#采场，采场的最低标高是+1170m，西翼已经形成250m的层面边坡，其中上半部边坡坡度平均为32°。随着开采的进行，西翼下盘边坡裂缝越来越多，最大达250m左右。在滑坡体下采矿，安全性没法保障，因此，滑坡体的治理成为矿区研究的重点。
1 计算模型的建立
本次数值计算模型根据英坪矿段现状边坡状况及其边坡的岩体力学性能指标（如表1所示），提出了排土场削坡+毛石混凝土压+1260m+长锚索加固的综合治理方案。
2 边坡开挖后不支护结果分析
由图2至图5的计算结果得知，开挖后的边坡率比自然边坡角大，边坡稳定性变差，总位移主要在边坡的自然面；开挖后边坡上主要显现成压应力，然后开挖坡面与边坡的自然表面连通成拉应力区，边坡的最大主应力值变大，稳定性变差；开挖后边坡原始的应力平衡已经破坏，应力集中于边坡的坡脚处，此时，边坡的安全系数是1.39，边坡此时比较安全。
3 长锚索综合加固结果分析
采用排土场削坡+毛石混凝土压+1260m+长锚索加固的综合治理方案后的数值计算模型如图6所示，数值计算结果如图7至图9所示。
由位移图可知，边坡施工长锚索后总位移显著减少，位移量范围从-100～-40mm减少到-20～-10mm，位移带不影响整体稳定性。边坡面的最大位移从44.5mm减小到22mm。最大剪切应变增值从-3.42×10-4减小到了-2.28×10-4，边坡稳定性增加。
4 结语
从计算结果分析可知综合治理边坡的方案效果明显，然而长锚索的寿命有限。一般英坪矿段边坡治理先对泥土层进行削坡，在矿山的开采服务年限内，采用排土场削坡+毛石混凝土压+1260m+长锚索加固的综合治理方案，能够使矿段边坡的安全性得到保证。
参考文献
[1]孙树海.露天矿边坡稳定性的模糊综合评判[J].辽宁工程技术大学学报，2007，26（2）：177-179.
[2]林跃忠.三峡工程高边坡的稳定性分析[J].天津大学学报，2005，8（10）：936-940.
[3]钟登华.库岸滑坡体失稳三维动态模拟与分析研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（2）：361-367.
[4]孟达.露天矿边坡损伤与可靠性变化规律的数值分析[J].辽宁工程技术大学学报，2007，26（4）：538-540.
[5]彭康，李夕兵.基于响应面法的海下框架式采场结构优化[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（8）：2417-2423.
[6]彭康，李夕兵.海底下框架式分层充填法开采中矿岩稳定性分析[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（11）：3452-3457.
作者简介：折文丰（1985—），男，陕西子长人，供职于贵州瓮福（集团）有限责任公司，工程硕士，研究方向：矿山设计。
1 内蒙古鄂尔多斯露天矿区概况
某露天矿位于内蒙古鄂尔多斯, 该矿区属于黄河流域, 由于东西向延伸的东胜分水岭的存在, 区内各沟谷分属北部支流和南部支流。北部支流有罕台川、哈什拉川、大木花沟;南部支流有东西乌兰木伦河及其上游支沟铜匠川、困铁龙川、吉鲁庆沟、阿布亥沟等, 还有悖牛川上游支沟店沟、阿会沟、神山沟、四道柳川。区内沟谷均为各沟谷的发源地和上游。
该矿采掘场边坡地层主要由砂、砾石、冲洪积砂及黏土、砂岩、砂质泥岩、泥岩等组成。通过对该露天煤矿地质资料进行收集、整理并结合其地质勘查结果进行分析, 认为该矿滑坡模式可能为张裂缝—圆弧型滑坡或圆弧—直线型滑坡。
2 露天矿山边坡稳定性监测技术
2.1 监测方法
露天矿边坡监测技术主要是位移监测技术, 按照监测内容和侧重点的不同大致可分为位移监测、岩体破裂监测、水的监测和日常巡检4种类型。其中, 位移监测是根据边坡地表和内部的重要部分岩体在不同情况下所产生的位移量和位移方向的动态变化, 最终确定边坡的变形模式及可能存在的滑面位置。
位移监测主要包括地面位移监测、深部位移监测和人工监控。
2.1.1 地面位移监测
1) 矿坑地表岩移监测。在露天采掘场矿坑周边的地面上建立地表岩层移动监测点, 采用常规测量法实施周期性观测, 掌握矿坑边坡变形信息。
2) 采场内平盘岩移监测。在矿坑主要工作平盘上布置岩层移动监测点, 该监测点与地表监测点一起构成矿坑采场监测网, 采用常规测量法进行周期性观测, 随时掌握采场内平盘岩层移动变形信息。
3) 重点部位临时性岩移监测。对重点部位设置临时岩层移动监测点, 按周期进行观测, 监视局部变形信息, 对异常变形情况及时做出边坡失稳预警, 确保采掘场、矿山安全。
2.1.2 深部位移监测
为了掌握深部岩体的变形动态, 建立地下岩体位移变形监测孔。钻机成孔后, 在孔内安装刻有滑道槽的聚乙烯管, 用移动式测斜仪进行定期监测, 从而实现对深部岩体变形动态的观测, 并及时做出变形预测。
2.1.3 人工监控
配合矿山地表岩层移动监测, 安排专业人员对矿山区域进行分区巡查, 重点查看是否有地裂缝、地面沉陷坑, 并了解矿区内建筑物的变形状况, 以便能在第一时间发现变形异常情况, 供矿方及时采取防治措施, 避免不必要的危害或灾难。
2.2 边坡稳定性监测网建立
2.2.1 监测网的建立
针对边坡稳定性建立监测网, 按照所使用仪器的不同, 可采用方格网、十字基线网、星形网和基线交点网等布置形式。而具体工作究竟采用何种监测网, 则要根据变形区的具体地形条件和仪器状况等综合考虑确定。
监测网的建立不但应体现在平面上, 更应体现在空间上, 而且监测网的建立可能是一次完成, 也可按不同时期和不同的要求分阶段完成[1]。在边坡工程监测过程中, 监测方案也必须随时调整, 并能有效地监测边坡工程的岩土变形动态和发展趋势, 具体了解和掌握其演变过程, 同时还应及时捕捉崩滑灾害的特征信息, 预报崩滑险情, 防灾于未然, 为危岩的稳定性评价和防治提供可靠依据[2]。
2.2.2 监测设备
监测边坡稳定性的设备主要包括地表位移变形、边坡应力和地下水监测设备等。
1) 地表位移变形监测设备主要有两类:一是只能定期对地表位移进行监测的常规测量仪器, 包括电子经纬仪、全站仪、水准仪、静态GPS、激光跟踪仪等;二是能连续监测地表位移变化的专门用于边坡变形监测的设备, 如裂缝计、钢带和标桩、地表位移伸长计和全自动无线边坡监测系统、光纤应变监测系统等。
2) 边坡应力监测设备主要有边坡内部应力、支护结构应力和锚杆 (索) 预应力监测仪器等。
3) 地下水监测设备常用简易水位计、万用表、WLT1020地下水位动态监测仪、孔隙水压力仪等。
3 边坡稳定性监测系统的建立
针对该露天煤矿的实际情况, 对边坡地表位移的监测设计了监测方案并建立监测网。
3.1 监测点的布设与监测
根据影响生产范围内的边缘和地貌特征, 在采掘场布置相应数量的变形监测点, 用来反映露天开采引起的平面位移与沉降变形, 掌握边坡移动状况。
露天矿建设初期主要以地表位移监测为主。地表位移监测点布设在首采区采场边坡、平盘、排土场及地表等所有地方。边坡监测采用机器人测量, 其具有自动识别目标的ATR功能, 能够自动搜索、照准目标, 实现角度和距离的全自动化测量, 从而实现对边坡的远距离、全天候、自动化监测。
采用徕卡TM30全站仪与Geo Mos监测软件组成自动化监测系统对采掘场、排土场边坡的沉降及变形进行监测。监测基准点的数量为2个, 其中一个监测基准点上建造测量观测房, 需满足全天候作业的要求。同时, 监测目标点要安置与测量机器人配套的监测棱镜。
Geo Mo S监测软件是徕卡专门针对监测应用设计的现代化大型多传感器自动监测系统, 可以全天候不间断地监测传感器的控制管理和数据集成。该系统还可以实时显示监测点的位移情况, 实现可视化和数字分析[3]。
配备一个GPRS通信模块, 测量机器人在进行自动监测作业时实时地将监测成果传输到数据中心, 而数据中心则可以通过Geo Mo S监测系统实时地对数据进行接收、展示、入库和管理。
在采掘场和排土场边坡上方各建造一个测量机器人观测站房, 设置测量机器人观测站, 内部包括1个仪器观测墩台、1个仪器柜、1个气象传感器、1个GPRS通信模块、1个GPRS数据通信卡和仪器安置绝缘面板。在采掘场和排土场边坡上方各设置2个观测墩台 (1个测站观测墩和1个后视观测墩) , 观测墩采用圆钢、钢板、角钢、槽钢等材料加工的方式建造。观测墩台定期采用GPS静态联测的方法进行稳定性观测。
测量机器人作业方式主要有以下步骤:第一, 在Geo Mo S系统中进行点、点组、剖面和测量周期设置;第二, 将测量机器人安置在测站点, 连接电源并对中整平;第三, 将测量机器人瞄准设定的后视点, 在Geo Mo S系统中选择与后视点对应的点进行机器人定向测量;第四, 运行Geo Mo S系统中的分析软件, 对返回到数据库中的监测结果进行查询分析。
3.2 监测点的布设与监测
采场非工作帮上的观测线均为临时观测线, 每条观测线地表的两个监测点为永久性监测点, 其余为临时监测点。临时监测点采用木桩结构, 永久监测点采用钢针式混凝土结构。需要注意的是, 涉及到第三系和第四系的监测点, 其底部须打入冻土以下, 防止冻土引起桩基沉降带来的影响, 岩石监测点须在每个台阶上的打桩基上布设。
3.3 边坡监测周期与频率
正常情况下, 边坡工程爆破阶段完成后以监测地表及地下位移为主。在爆破阶段, 监测周期为1~2 d/次, 每次爆破后监测1次;施工阶段为1~2次/周;运营阶段为1次/2月, 雨季为1次/2月。而在大雨过后、变形量增大和变形速率加快时加大监测频次[4]。
4 结束语
随着露天矿山基建工程的开展和煤炭资源的开采, 矿区内地表岩体的力学平衡遭到破坏, 形成采掘场和排土场多个高大边坡, 可能发生边坡失稳, 诱发地表滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象。通过对露天矿边坡进行监测, 加强对露天矿边坡的管理, 可防止边坡发生累计破坏性变形产生不良后果, 保障露天矿山的安全生产。
参考文献
[1]李奎, 秦岩宾, 李春, 等.滑坡监测监测网布设方案[J].地理空间信息, 2009, 7 (5) :133-134.
[2]刘东.滑坡地质灾害监测方法综述[J].采矿技术, 2009, 9 (3) :63-65.
[3]徐广翔, 丁峰.地表形变监测预警预报系统在平朔生产矿区中的应用研究[J].测绘科学, 2012, 37 (1) :77-79.
在现代化的建设中, 包括自然环境在内的建设工程中, 为了满足工程建设的需要, 或多或少的都涉及到边坡工程。滑坡是边坡失稳的一种外现, 会给水利、铁路、公路、和矿山建设带来巨大的损失[1]。国内外许多的学者一直都在寻求预防及治理滑坡的方法, 通过借助于先前的理论经验的基础上, 通过各方面的努力进一步完善定性和定量分析方法在边坡工程中的应用, 从而使人们在滑坡防治中取到很好的效果。
目前在露天矿的开发和开采过程中, 边坡的稳定与否直接关系到矿山生产的经济效益和人们的生命安全。边坡问题的出现, 就需要借助于一些边坡稳定性分析方法的支持, 最终根据现场的实际情况采取相应的方案和措施来保证矿山边坡的稳定性。但是, 边坡的稳定性分析方法种类很多, 各有各的优缺点, 如极限平衡法能够通过力学平衡计算可以很快算出所对应的安全系数, 其根据室内外试验和设计规范来确定的。其缺点是不能够表示岩体的应变情况以及岩体发生蠕变等的边坡。数值分析法能够通过数值计算得到边坡的应力场、应变场等, 可以仿真模拟边坡的分布开挖, 在分析时可以考虑地下水等因素的影响。其缺点是计算结果认为因素起到了很大的制约作用;另外, 不同的边坡岩体本构模型的选择对安全系数的计算结果影响很大[2,3,4,5]。赤平投影图解法能够根据现场的测量得出边坡的稳定性情况及破坏模型。其缺点是不能对应力及应变关系进行描述等。本文采用综合三类方法, 即复合法, 对白云鄂博铁矿的边坡的稳定性进行一个客观评价。
1 工程概况
赋存主矿矿体的白云鄂博山巍然屹立于矿区中心, 矿体呈一巨大不规则透镜体产出, 东西长约1250m, 南北宽415m, 矿体出露标高为1670-1780m, 向下延伸的最大深度为1030m。矿体走向近东西, 倾向南东或南西, 倾角45-60°。根据鞍山矿山设计研究院87年提交的主矿扩建设计, 采场地表境界长1620m、宽1140m, 坑底标高1230m, 采场最大边坡高度485m。设计矿石开采能力为700万吨/年。
1.1 工程地质岩组
该矿山工程地质岩组由白云岩岩组、铁矿石岩组、板岩岩组、云母片岩岩组构成, 分别位于采场的北部、中部, 采场的南帮及东西帮。构成边坡的主要岩石由白云岩、磁铁石英岩、中角闪岩及云母片岩组成。
1.2 地质构造
本次断层调查在前人工作的基础上, 重点对靠界边坡出露的断层进行了调查及工程地质测绘, 并对测量结果进行记录。基于断层的空间展布方向, 可将其归纳为近东西向、北东向、北西向和南北向四组。
节理指整个采场内所有Ⅳ级结构面。在本次研究区域的现有台阶坡布设不连续面详细测线及测站进行测量, 测量内容包括岩石类型、节理类型、产状、粗糙度、开合度、迹线长、充填物类型及厚度、水文情况等。此次测量在D区共布置测线31条, 测站26站, 取得数据1060组, 节理组的划分及其优势产状的确定主要由极点密度图完成。
2 赤平投影图解法[6,7,8,9]
2.1 方法原理
首先, 已一定半径R画一个基圆, 在其上面标出E、S、W、N四个位置方向;其次, 按照坡面和结构面的走向描绘出过圆心的直线, 并根据其反倾向绘制过圆心的射线;再次, 根据公式r=Rtan (45°-θ/2) 计算出小圆半径, 其中θ为结构面倾角, 随后以r为半径, O为圆心画圆, 相交反倾向线于一点O’;最后, 绘制过O’和与基圆相交的两点绘制圆弧, 所绘制的圆弧即为所要求的坡面、结构面的投影弧。最终绘制成赤平投影图。
2.2 绘制赤平投影图
本文因篇幅问题就以采场的上盘中部 (D区) 的边坡研究为例, 坡面产状011/42, 边帮岩体主要是由板岩岩组及白云岩岩组 (透镜体) 组成。岩体结构类型为层状碎裂结构。靠界边坡发育节理:J2 (204/74) 、J4 (006/34) 、J13 (046/58) 、J11 (322/37) 、J6 (298/82) 。该区出露两条产状于边坡稳定不利的断层F10 (005/64) 、F14 (005/69) , 另外, 还出露断层F11 (330/55) , F12 (345/86) , F13 (243/64) , F15 (252/50) , 这些断层的破碎带及影响带较宽, 对局部边坡破坏有较大影响。D区赤平投影分析见图1。
经赤平投影分析, J2与J4组合可能构成双平面型破坏, 板理J2倾向与坡面倾向相近, 倾角很陡, 发育极强, 又可能沿其产生台阶规模的倾倒型变形或破坏, J4、J11和J13、J11的交线均落于产状大圆与摩擦圆组成的新月形中, 说明可能发生由J4、J11或由J13、J11组合而成的楔形破坏。
主要露出的断层与坡面交角均不大, 断层破碎带及影响带较宽, 与节理的组合关系可产生各种形式的破坏。
3 极限平衡法
极限平衡法是把边坡的岩体分成许多个小刚体, 在不考虑应力与应变关系的前提下, 只对每一刚体的平衡力学分析。极限平衡法有bishop法、Sarma法、Janbu法等方法[10]。经上面分析可知, D区边坡的破坏以双平面破坏和楔形破坏为主, 符合Sarma法的特点, 故针对于该矿山边坡的实际情况选用的是Sarma[11,12]极限平衡法。该方法是借助于极限加速度系数K来分析边坡的稳定性的, 由于它是的条块形状不受垂直限制, 可以是任意形状的, 所以它可以分析各种破坏形式的边坡。Sarma法对边坡稳定性系数的人工求解是复杂的, 需要大量的迭代运算, 所以需用Matlab等计算软件来完成。其计算力学模型如图2所示。
其中:Wi为块体重量;KWi表示为地震水平力;PWi、PWi+1表示为刚体侧面的孔隙水压力;Ui表示为刚体小表面的水压力;Ei、Ei+1表示为刚体侧面的法向力;Xi、Xi+1表示刚体侧面所承受的的总剪力;Ni表示块体下表面上的法向力;Si表示为块体下面上的总剪力。
根据X、Y方向的平衡方程和库伦破坏准则推导出极限平衡加速系数K为:
当K为正时, 水平加速度方向为面向坡外, 相反, K为负时, 面向坡内。首先, 假设边坡的安全系数F为1, 利用上述公式求出Ka (临界水平加速度) 。根据所计算出的K值的正负情况假设一个F值, 再代入公式中进行计算求出K1, 将计算出的K1与Ka进行比较看是否满足精度要求, 否则, 从新赋值K进行迭代运算, 直至|Ki-Ka|≤ε, 即Fi值为所求的边坡稳定性系数。
经Matlab迭代计算得, 边坡的安全系数为0.7。
4 数值模拟分析
4.1 三维模型的建立
根据矿山的实际情况选用的是FLAC3D[13,14,15]数值模拟分析方法, 来弥补极限平衡法的缺陷。根据研究的现场实际的边坡的高度和走向长度, 选择模拟的三维模型的高度为70m, 东西和南北的长度分别为320m、300m;根据网格的密集程度设置该模型的单元体个数为7000个, 所对应的网格节点数为81000个。建立的不加断层和加断层的三维数值模型如图3、图4所示。
4.2 岩体力学参数的确定
极限平衡的计算和数值模拟的计算均需要先确定岩体力学参数, 对于岩体力学参数的确定如果通过原位试验来确定是不现实的, 常用的方法是通过室内试验和一些经验公式来确定的。首先从该矿山取相对应的钻心岩石, 通过室内试验测出岩石试件的抗压强度、抗拉强度、抗剪试验及其相关的其他岩石力学参数。最后通过Hoek-brown准则转换, 转换后的岩体力学参数如表1所示。
4.3 FLAC3D数值模拟计算
将所计算好的岩体力学参数添加到建好的边坡三维模型的程序中, 随后导入到FLAC3D软件中进行计算。该数值计算基于强度折减法, 每一次的应力变化都会伴随着相应的位移变化, 即能显现出应力-应变所对应的关系。可以对整个数值计算过程进行计算, 并能提取。根据我们研究的内容, 只需考虑计算平衡后的情况即可。计算后的竖直方向的应力、位移云图分别如图5、图6所示。
从图5中可以看出竖直方向的应力随着边坡深度的增加呈现递增的趋势, 符合地层埋藏规律, 另在表面出现了拉应力, 说明边坡有滑坡破坏的趋势, 符合实际。从图6中可以看出竖直方向的位移最大值位于坡顶处, 即在边坡的顶端下沉量最大。总之, 从上图中既可以看出边坡具有下滑的趋势, 又能反映出应力与应变的关系, 符合边坡岩层实际移动规律。
数值模拟来研究边坡的稳定性基于对安全系数的求解, 数值模拟的求解是基于强度折减法。在计算应力、位移的基础上, 输入命令对边坡的安全系数进行求解, 平衡计算后输出得到的速度矢量图、剪切应变率图及安全系数如图7所示。
从FLAC数值模拟软件的计算结果中可以看出该边坡总的边坡稳定系数为0.75, 此值小于1, 另在加上从图7中可以看得出, 该边坡在整体上是基本稳定, 但是局部已发生向下移动, 出现了滑移破坏。
另从赤平投影图中可以看出, 有几个位置出现边坡失稳的可能性比较大, 选其中两个位置对其进行剖开运算, 计算来分析滑坡的可能性。分别通过数值模拟计算得到两个剖面的安全系数、速度矢量云图及剪切应变率云图, 如图8所示。
从图7中可以读出, 边坡的稳定性系数分别为0.5和0.6, 其数值均小于1。能够看出两个剖面存在的滑移面, 该现象是基于边坡岩体发生塑性变化后出现了贯通。另从速度矢量图可以看出, 边坡岩体外侧的移动速度较大于内侧的岩体, 出现了滑移破坏。总的结果来看与赤平投影分析的结果相吻合。
赤平投影图解法、极限平衡法和FLAC数值分析法计算出的结果均能反映出现场的实际情况, 赤平投影图解法能很好的根据现场的实测情况反映出问题, 其余两种方法在此基础上不仅进一步验证了赤平投影图解法的合理性, 又进一步的分析了D区边坡的稳定性上及可能发生滑移的位置, 它们互相弥补各自的优缺点, 并能互相验证与现场的吻合情况。对于计算结果的差异性, 这是由于极限平衡法只是考虑了块与块之间的作用问题, 忽略了弱势结构面的问题, 而FLAC软件把断层结构面考虑进去了, 所以使计算的稳定性系数结果偏小。
5 结论
(1) 边坡的稳定性分析方法有很多种, 各有各的优缺点, 本文根据白云鄂博矿山边坡的实际情况, 选择由赤平投影图、Sarma极限平衡法及FLAC3D数值模拟法组成的复合法来研究边坡的稳定性, 通过对比分析出边坡的稳定性情况。
(2) 通过对现场节理详细线的测量, 通过赤平投影图可以判断出采场中部有滑坡破坏的可能, 并能看出J2、J4、J11、J13不同的组合位置破坏的可能性较大。
(3) 对根据赤平投影图分析出可能发生破坏的位置进行Sarma法迭代计算边坡的稳定性计算, 计算后的结果为0.75, 小于1, 说明边坡发生失稳的可能性是存在的, 与 (2) 中的结论是一致的。
(4) 基于赤平投影图对可能发生滑坡位置的确定, 对其进行建模, 计算其赋值后的应力-应变云图, 能够更加直观的看出应力及应变的变化情况。另选取发生滑坡可能性的位置进行剖面数值计算, 计算后的稳定性系数为0.5、0.6, 均小于1, 且更能形象、直观的看出滑坡的趋势。
(5) 基于上述的分析可知, 该矿山的采场中部 (D区) 有发生滑坡破坏的可能, 需对其进行加强管理, 建议是采用锚固、注浆等方法对其进行加固, 另外对其进行监测, 从而保证矿山的安全。
摘要：边坡的稳定性问题关系到人们的生命安全, 对其进行研究是非常有必要的。以白云鄂博铁矿的D区边坡稳定性分析为例, 采用复合法进行研究, 首先通过对其边坡进行现场节理的详细线测量绘制赤平投影图, 来判断出可能发生破坏的位置;其次通过Sarma法进行平衡理论计算, 稳定性系数结果为0.75;最后通过FLAC3D进行数值模拟计算, 得出应力、应变云图, 另对分析出可能破坏的两个位置进行剖面计算, 计算后的稳定性系数结果分别为0.5、0.6。总之, 边坡稳定性系数均小于1, 可能发生失稳, 需对其进行加固, 保证矿山安全开采。
从20世纪70年代以来, 很多露天开采的矿山都面临着一个共同的问题, 即随着露天开采的延伸, 剥离费用不断增加, 所形成的高陡边坡将给矿山带来严重威胁, 造成露天开采成本不断增加, 多座露天矿相继开始转入地下开采阶段, 如:凤凰山铜矿, 铜官山铁矿等[1]。
抚顺西露天矿是多年风化的岩质边坡, 岩体由岩块和一系列的不连续面组成的, 这些不连续面包括:断面、节理裂隙和软弱夹层等, 而岩体的强度取决于岩体强度、不连续面的分布形态和力学特征。在大多数情况下, 不连续面的变形能力是岩块的几个数量级。因此, 在研究时忽略岩块的变形, 把岩块视为刚体, 去研究受不同力学性质的不连续面控制的岩体运动规律, 在本次研究中主要用到离散单元法, 应用软件为UDEC2D3.10。
西露天矿北帮的地质构造特征主要有褶曲构造、断层构造和节理构造, 构成北帮的始新世地层都具有相似的节理破坏类型, 其层理和两组较发育的节理通常都呈直立[2]。
2 沿工作面走向开挖的动态过程模拟
2.1 模拟方案
数值模拟软件为UDEC2D3.10[3]。设计的计算模型如图1所示 (黑色体为煤) 。模型的走向长度600 m, 垂直高度300 m, 开采深度-280 m。煤层假设为水平煤层, 厚度40 m。距煤层底板80 m处是40 m厚的油母页岩, 其上部为厚160 m至20 m不等的回填材料, 材料的力学性能见表1。
本次模拟采用采放高为20 m的方案, 模拟开挖长度为200 m, 开挖推进步距为10m。
2.2.1 位移场特征
1) 监测线上的位移特征
模型从开切眼 (W1000处) 自西向东开始推进, 分别在-220 m标高煤层顶面、-180 m标高油母页岩顶面、-160 m标高回填材料中设置了三条监测线, 分别监测竖向下沉位移。每条监测线上取60个监测点, 对应三条监测线下沉曲线如图所示。
由图2可知:当工作面沿开采方向推进100 m时, 上覆煤层下沉位移发生明显增加, 由推进到90 m时1.61 m的下沉量增加到3.40 m, 煤层发生破断。当推进至140 m时, 位移下沉量由130 m处的5.07 m增加到7.24 m, 上覆煤层发生周期破断。工作面继续推进到180 m, 岩层发生第二次周期破断, 位移下沉量较前两次稍小, 达到0.5 m。
由图3可知, 初次破断、第一次周期破断和第二次周期破断仍然分别发生在工作面推进至100 m、140 m、180 m处。值得注意的是, 位移下沉量较-220 m标高监测线上的位移下沉量有所减小。当工作面沿开采方向推进100 m时, 上覆煤层位移下沉量发生明显增加, 由推进到90m下沉1.13 m增加到下沉2.30 m, 煤层发生初次破断。当推进至140 m时, 位移下沉量由130 m处的2.95 m增加到4.41 m, 上覆煤层发生第一次周期破断。工作面继续推进到180 m, 岩层发生第二次周期破断, 位移下沉量较前两次稍小, 最大达到0.9 m。最大竖向位移下沉量由11 m减小到5.98 m。这也说明:油母页岩强度大, 有效控制了开采扰动引起竖向位移的向上传递。
从图4可知, 当工作面沿开采方向推进100 m时, 上覆煤层位移下沉量发生明显增加, 由推进到90 m下沉0.88 m增加到下沉1.81 m, 煤层发生初次破断。当推进至140 m时, 位移下沉量由130 m处的2.49 m增加到3.29 m, 上覆煤层发生第一次周期破断。工作面继续推进到180 m, 岩层发生第二次周期破断, 位移下沉量较前两次稍小, 最大达到0.75 m。回填材料与油母页岩和煤层同步协调变形。油母页岩顶面的最大下沉量减小为4.5 m。
2) 上层覆岩的变形特征
模型从开切眼 (W1000 m处) 开始推进, 推进步距为10 m。当工作面推进到70 m时, 采空区顶板弯曲下沉较为明显, 采空区直接顶在重力应力场及其上覆岩层的作用下, 产生向下的移动缓沉带和弯曲、断裂直至垮落, 但老顶未发生破断。当工作面推进到100 m时, 岩层局部破坏与冒落, 顶板的弯曲下沉更为明显。老顶以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向运动, 产生断裂、离层。裂隙带由于岩层运动引起采场周围岩体内的应力重新分布, 成层状弯曲岩层的下沉, 使垮落破碎的岩块逐渐被压实。当工作面推进至140 m和180 m时, 破断连续发生, 并伴随冒落。当开采范围足够大时, 成层状弯曲岩层将传至地表, 在地表形成引起地表沉陷变形盆地。
2.2.2 上层覆岩的应力场特征
从工作面开切眼开始, 采场围岩的最大主应力分布随着开采的推进发生不同的变化。当工作面推进30 m时, 扰动影响的范围不大, 此时除局部应力重分布以外, 对上覆岩层影响不大。当工作面推进70 m时, 顶板围岩发生破坏, 形成围岩松动区, 此时的围岩应力显示出层状拱形结构, 拱高大约为33 m, 上覆岩层的荷载通过拱形结构传递到采空区两帮。当工作面推进100 m时, 由于顶板发生了破断, 说明直接顶已经发生冒落并在较小范围内形成拱形“小结构”。但此时在上层覆岩弯曲带中仍然存在一个拱形“大结构”传递上覆岩层荷载, 从而形成围岩的自平衡结构。此时拱形大结构的拱高大约为65 m。工作面继续推进至140 m, 随着跨度的增加, 拱内岩体的自重增加, 单个拱形结构体无法承担上覆岩层荷载和自重, 产生应力重分布形成了两个拱形小结构。影响上层覆岩范围分别达到60 m和22 m。拱内岩体应力降低, 并在重力作用下垮落形成垫层。当工作面推进到180 m时, 左侧的拱形结构体内垮落比较完全, 影响到上层覆岩55m范围, 右侧拱形结构体应力处于重新调整中, 并有逐步增加的趋势。
3 结论
通过对沿工作面走向的综放面及围岩的离散元分析, 得出以下结论:
1) 由不同监测线位移下沉曲线可知:当工作面推进到100 m、140 m、180 m时, 下沉量发生明显增加, 说明上覆岩层在工作面推进过程中产生了破断;
2) 上层覆岩的移动是非线形的, 距顶板的距离越近, 下沉量越大, 其余监测点也出现整体下沉的现象。且各条监测点间存在一定程度的离层;
3) 随着工作面的不断推进, 覆岩运动范围逐渐扩大。采场上方的裂隙拱由小到大逐渐向上方岩层扩展, 并呈现周期性跳跃发展;
4) 从工作面开切眼开始, 采场围岩的最大主应力分布随着开采的推进发生不同的变化。并形成“拱形”的大结构和小结构以传递上层覆岩荷载和自重。拱内岩体在重力作用下垮落形成垫层。
摘要：由于受煤炭资源和开采成本限制, 国内有许多露天矿在进入深部开采以后, 由露天开采转为露天与地下联合开采。在此过程中, 露天与地下联合开采过程对边坡的扰动相互叠加, 使边坡岩体受到两次扰动。本文以抚顺西露天矿为工程背景, 对沿工作面走向的综放面进行了模拟研究, 沿工作面走向建立综放开采过程的离散元数值模型, 得到上覆岩层的位移场特征和应力场特征和破断特征, 以及传递上层覆岩荷载和自重的“拱形”的大结构体和小结构体。
关键词：露天转地下,扰动岩体,数值模拟,覆岩
参考文献
[1]徐长佑.露天转地下开采[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1989, 3.
[2]抚顺矿务局西露天矿北帮边坡稳定性研究[M].煤炭科学研究总院抚顺分院, 1990, 12.
