非煤礦山巖層控制與邊坡穩(wěn)定教學

非煤礦山巖層控制與邊坡穩(wěn)定金屬礦床開采與煤礦開采相比，主要特點是：（1）礦體及圍巖堅硬：（2）礦床賦存條件不穩(wěn)定，礦體厚度、傾角及形狀變化大，這就要求有多種采礦方法；（3）在礦床中經(jīng)常有斷層、褶皺、穿入礦體中的巖脈、斷層破碎帶等地質(zhì)構造，給采礦和探礦工作帶來很大困難[1]。這些特點就使金屬礦山的巖層控制與煤礦相比具有自身的規(guī)律。在金屬礦山中通常將礦壓稱為地壓，本章統(tǒng)稱為礦壓。第一節(jié)金屬礦的采場礦壓金屬礦回采過程中，礦壓活動與采礦方法密切相關。采用房柱采礦法時，一般表現(xiàn)為頂柱、間柱塌落，進而導致上盤巖石崩落，造成大規(guī)模礦壓活動；崩落采礦法主要表現(xiàn)在出礦水平巷道（耙巷、近路）的破壞。一、開采水平礦床時頂板中應力分布的彈性力學解開采具有穩(wěn)定圍巖及礦石的水平或傾斜礦體時，根據(jù)礦體厚度及規(guī)模，廣泛采用全面法、房柱法。此時，通過限制回采空間暴露面積來維護回采空間的穩(wěn)定性，憑借巖體自身強度支撐采場空間結(jié)構，并根據(jù)巖體、結(jié)構的具體情況，可配合錨桿、金屬網(wǎng)、錨索等輔助支護，提高頂板圍巖穩(wěn)定性。通過合理確定采場的結(jié)構參數(shù)，使頂板中不出現(xiàn)拉應力，或使出現(xiàn)的拉應力低于頂板巖體的抗拉強度。同時，亦應使頂板與礦柱銜接處壓應力、剪應力低于其抗壓、抗剪強度。頂板中出現(xiàn)拉應力與跨度及高度關系表示于表11－1。表11－1矩形采場頂板中拉應力集中系數(shù)Kt1/41/21481200.20.30.40.50.6二、傾斜、急傾斜礦體開采的礦壓活動圖11-1是有限元計算得出的傾斜礦床圍巖及礦柱中的應力分布，從圖中看出：（1）在回采空間（礦房）下盤上角和上盤下角發(fā)生應力集中；（2）在階段礦柱中，應力集中發(fā)生在上盤存在拉應力區(qū)（圖11－2a），階段高度適中上盤的拉應力區(qū)消失；（3）距回采空間附近上、下盤圍巖中應力低，為應力降低區(qū)；階段礦柱附近為應力升高區(qū)（支承壓力區(qū)）。在目前廣泛采用的階段高度條件下（40m~60m），分布于回采空間周圍巖體中應力值遠低于構成上、下盤巖石強度，因此應是穩(wěn)定的，但從湘贛地區(qū)和遼寧地區(qū)礦山所發(fā)生的礦壓活動看出，采空區(qū)周圍巖體破壞，主要屬于構造控制破壞類型。我國金屬礦山當前在有利于采用房式采礦法的圍巖條件下，所出現(xiàn)的礦壓活動幾乎都歸因于采空區(qū)周圍巖體受構造控制破壞。圖11-1傾斜礦床的圍巖及礦柱中的應力分布圖11-2已采空間上盤拉應力區(qū)與階段高度關系(a)階段高度大時，上、下盤應力分布圖（虛線范圍內(nèi)為拉應力區(qū)）(b)階段高度小時，上下盤應力分布圖三、崩落采礦法的礦壓活動由于崩落采礦法礦石隨回采放出，上覆巖層崩落補充原礦石所占據(jù)的位置充滿采空區(qū)，因此崩落采礦法礦壓活動有其自身特點。（一）有底柱崩落采礦法底柱出礦巷道所承受壓力有底柱崩落采礦法的礦石是通過底柱放礦巷道放出。在回采過程中，往往由于底柱承壓過大，耙道遭到破壞而影響回采工作正常進行。所以這種采礦方法的礦壓控制主要表現(xiàn)在維持底柱出礦巷道（耙道）的穩(wěn)定性上。在回采期間，回采工作不同階段底柱所承受壓力是不同的，一般可分為三個階段：第一階段：采場進行切割拉底后（未進行崩礦），此時電耙巷道上部是實體。雖然此時也有壓力作用于下部，但因未采動礦石本身對周圍巖體有一定的承載能力，故此時底部所承受壓力比較??；第二階段：采場崩礦之后，受礦巷道上部堆積著崩下的松散礦石，它對圍巖的承載能力甚微。因此，此時底柱不僅要承受崩下礦石自重造成的壓力，還要承受上覆崩落巖石傳遞給底柱的壓力，比第一階段承受壓力明顯增大。第三階段：隨放礦進行，作用在底柱上的壓力降低。這是因為隨放礦進行，漏斗上部礦石發(fā)生二次松散，在每個放礦漏斗上部形成一個橢球狀松動空間。處于松動橢球體內(nèi)部礦石不再承受上部傳遞下來的荷載，于其上部形成免壓拱。拱上部松散礦石荷載被傳遞給附近漏斗上部礦石，從而在放礦過程中，處于放礦的漏斗中心壓力降低，出現(xiàn)降壓帶。降壓帶發(fā)生在松散橢球體范圍內(nèi)，距放礦漏斗軸線越近，壓力值降低越大。（二）無底柱分段崩落法進路周圍巖體中應力分布無底柱分段崩落法較有底柱崩落法結(jié)構簡單，整個回采過程—鑿巖、崩礦、出礦都在同一條回采巷道（進路）中完成。為了維護回采巷道（進路）的穩(wěn)定性必須了解進路周圍巖體中應力分布，以及回采順序?qū)λ挠绊?，以便采取相應維護措施。從圖11-3看出，在進路兩側(cè)礦柱中形成應力升高區(qū)，而在巷道頂板上方形成應力降低區(qū)。圖11-3進路周圍巖體中應力分布圖第二節(jié)邊坡穩(wěn)定分析與控制一、露天礦邊坡工程特點露天礦邊坡是開采礦石后遺留下來的開采邊界，從經(jīng)濟開采角度講，露天礦邊坡的角度越大（越陡）開采效益越好，可以少剝離巖石，降低開采成本。但過大的邊坡角必然導致邊坡滑坡等破壞的風險增大。見圖11-4所示，露天礦邊坡是指由露天采場四周的臺階等構成的傾向采場的巖體。露天礦邊坡分為工作幫邊坡和非工作幫邊坡。工作幫邊坡是指正在進行采礦或剝巖作業(yè)的邊坡，如圖11－4中的GCD。非工作幫邊坡是指由露天礦境界臺階（永久臺階）組成的不進行采礦或剝巖作業(yè)的邊坡，如圖11－4中的FG和BD兩部分。非工作幫邊坡上有許多臺階，這些臺階是采礦作業(yè)和維持邊坡穩(wěn)定所必須的。邊坡穩(wěn)定研究對象是指非工作幫邊坡。隨著露天開采的進行，露天礦場必然逐漸延深，最終達到露天礦的設計境界FEAB。FEAB也稱露天礦最終境界，F(xiàn)E和BA稱為露天礦最終邊坡，其邊坡角稱為露天礦最終邊坡角，見圖11－4中的和。圖11-4露天礦邊坡及構成露天礦邊坡即是露天開采的邊界，同時也是露天開采作業(yè)的對象，還擔負著提供下部礦石、巖石運輸?shù)耐ǖ雷饔?，因此與其它巖土邊坡相比，具有許多自身特點。（1）露天礦邊坡的形成是一動態(tài)開挖過程露天礦邊坡是隨著采礦工程的延深而逐漸形成的。在露天礦開采初期，由于邊坡高度較小，因此邊坡問題并不嚴重，但對有些礦山，由于巖層賦存條件、巖體結(jié)構等原因，即使是較小的邊坡也會時常發(fā)生一些局部破壞。因此，有些露天礦山自從開采初期就遇到了邊坡失穩(wěn)問題，一直持續(xù)在露天開采的整個過程。（2）邊坡工程地質(zhì)條件的不可選擇性露天礦邊坡是露天礦場的邊界，它的形成只能根據(jù)礦體賦存條件、相關的國家礦產(chǎn)需求、相關行業(yè)的經(jīng)濟水平、開采的技術條件等進行設計和開挖，尤其是邊坡的形成位置不具有可選擇性，只能是在開采的礦體周圍形成，亦即邊坡的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、巖層條件等不具有選擇性，無法避開不良的工程地質(zhì)區(qū)域，無法從根本上調(diào)整邊坡的方位。（3）邊坡高大且受到日常爆破震動的影響露天礦邊坡是目前各類人工形成的巖土邊坡中高度最大的，走向長達數(shù)公里。因而露天礦邊坡揭露的巖層多，邊坡各部分地質(zhì)條件差異大，邊坡陡立，一般的最終邊坡角都在400～500之間，甚至更大，這種高大陡立的巖體邊坡，對于下部安全開采形成了一定威脅。同時采礦的日常生產(chǎn)爆破作業(yè)、靠幫爆破等也影響到了邊坡的穩(wěn)定。盡管廣泛采用微差爆破技術，但對邊坡形成的震動影響仍然是巨大的，導致邊坡表面巖體進一步破碎，爆破震動誘發(fā)邊坡滑動、坡面巖石滾落、臺階局部崩塌等。二、露天礦邊坡常見的破壞類型（1）臺階下沉（2）滑動指邊坡巖體在自重或其他外部荷載作用下，在較大范圍內(nèi)沿某一平面或曲面整體向下移動的現(xiàn)象。這一平面或曲面稱為滑動面，整體向下移動的巖體稱為滑體。其破壞機理是由于滑面上的剪力大于抗剪強度所致。一般滑體的生成至整個滑動的時間較長，從數(shù)日至數(shù)年不等。有些滑動前具有明顯的變形特征，有些滑動前則變形量較小，滑動跡象不明顯。按滑動面形狀又將滑動分為平面滑動、楔體滑動和圓弧滑動等。平面滑動。當?shù)刭|(zhì)結(jié)構面的走向平行邊坡坡面，傾向和邊坡坡面一致，其傾角小于邊坡角而大于摩擦角時，邊坡巖體易于發(fā)生沿結(jié)構面的平面滑動。圓弧滑動?；瑒用鏋閳A弧形，當巖土非常軟弱（土體），或者邊坡巖體的裂隙發(fā)育，或者巖體已經(jīng)破碎（廢石堆）時，邊坡易于發(fā)生圓弧滑動。楔體滑動。當兩個結(jié)構面斜交邊坡坡面，其交線在邊坡坡面出露時，如果此交線的傾角大于結(jié)構面的摩擦角而小于邊坡角時，則容易發(fā)生楔體滑動。堅硬巖體中的露天礦臺階很多是這種形式破壞的。由于地質(zhì)條件的復雜性，露天礦邊坡的滑動面又常表現(xiàn)為多種滑面的組合。三、露天礦邊坡工程分析的主要內(nèi)容與程序（一）影響露天礦邊坡穩(wěn)定的因素影響露天礦邊坡穩(wěn)定的因素很多，主要有如下因素：（1）巖體的物理力學性質(zhì)。如巖石抗壓強度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比、縱波波速、重度、空隙率、透水性、吸水性、抗凍性等。重度、縱波波速大的巖石，通常有較高的力學強度，有利于邊坡穩(wěn)定。巖石的空隙率大、吸水性強、抗凍性差，則力學性能弱化，不利于邊坡穩(wěn)定。（2）巖體結(jié)構面。大部分巖體邊坡破壞都是沿結(jié)構面和弱層發(fā)生的。規(guī)模大的結(jié)構面會控制邊坡的破壞模式，與坡面同傾向的結(jié)構面會形成邊坡滑動破壞的滑動面。與邊坡反傾向的結(jié)構面對邊坡穩(wěn)定影響較小。小規(guī)模結(jié)構面，常稱為節(jié)理面（延展長度在數(shù)米以內(nèi)的）會切割巖體，破壞巖體的完整性，宏觀上降低巖體強度。當這些節(jié)理具有明顯不利的優(yōu)勢方位時，它們也可控制邊坡的破壞模式。（3）地下水。地下水、地表水、大氣降水對邊坡穩(wěn)定都有明顯影響，露天礦邊坡等大量滑坡事例都發(fā)生在雨季或春季解凍時期，或因排水不利。水對邊坡穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)為：一是軟化巖石，降低其強度，同時增加邊坡巖體重度，尤其對于親水性巖石，如頁巖、泥巖等巖石，飽水后，強度急劇下降；二是靜水壓力的浮托作用降低了巖體的有效抗剪強度；三是地下水的滲透與流動，對邊坡體產(chǎn)生不利的滲透壓力，同時會帶走邊坡巖體結(jié)構面中的細小顆粒，進一步降低結(jié)構面強度。（4）爆破震動。露天礦日常爆破和靠幫爆破都影響著邊坡穩(wěn)定。目前采用如下經(jīng)驗公式反映爆破震動的影響。（5）幾何形狀。露天礦邊坡由于受礦體形態(tài)、地形地質(zhì)條件、開采技術條件多方面因素的影響，其幾何形狀往往是不規(guī)則的幾何圖形。但總體而言，都可以看成由凹形邊坡、直線形邊坡和凸形邊坡所組成，見圖11-5。（二）露天礦邊坡工程穩(wěn)定性分析與評價的程序露天礦邊坡穩(wěn)定分析與評價的目的就是設計并形成一個使露天礦生產(chǎn)既安全又經(jīng)濟的最佳邊坡。進行邊坡穩(wěn)定分析與評價時一般遵從如下程序：（1）邊坡工程地質(zhì)條件、水文條件與影響邊坡穩(wěn)定因素的調(diào)查與分析評價;（2）邊坡巖體及結(jié)構面等相關物理力學參數(shù)的測試與確定，如抗拉強度、抗壓強度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、對水的敏感性等;（3）根據(jù)地質(zhì)等調(diào)查與分析的結(jié)果，以及模擬實驗結(jié)果確定邊坡可能的破壞模式;（4）針對各種可能的破壞模式，選擇不同的計算方法進行邊坡的穩(wěn)定性計算，以及各種影響因素的敏感性分析;（5）根據(jù)穩(wěn)定計算與分析結(jié)果，對研究區(qū)域的邊坡進行綜合性的穩(wěn)定評價;（6）對局部不穩(wěn)定邊坡給出工程穩(wěn)定措施以及加固治理等措施，給出邊坡維護方案;（7）給出最佳邊坡設計與施工方案。1.邊坡工程地質(zhì)工作程序(1)區(qū)域地質(zhì)背景;(2)礦區(qū)地質(zhì)構造;(3)露天礦當前采場邊坡工程與水文地質(zhì)條件;(4)露天礦最終采場邊坡工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件;(5)露天礦邊坡工程地質(zhì)分區(qū)2.邊坡巖體強度測試3.確定邊坡可能的破壞模式4.邊坡的穩(wěn)定性計算5.加固治理方案與措施6.總體邊坡穩(wěn)定評價及最優(yōu)邊坡設計方案7.邊坡穩(wěn)定監(jiān)測方案四、邊坡穩(wěn)定計算（一）計算方法分類理論研究和工程應用中涉及到的各種方法可分為三大類。（1）極限平衡法極限平衡法是工程應用的最基本方法，它的基本原理就是分析當滑體處于極限平衡狀態(tài)時，比較滑體上的抗滑力(矩)與滑動力(矩)的大小，從而確定滑體是否產(chǎn)生滑動，如果抗滑力(矩)大于滑動力(矩)，邊坡穩(wěn)定，否則，邊坡失穩(wěn)。該方法不考慮滑體的變形，即將滑體視為剛體，并認為滑體的滑動是由于滑面上實際存在的剪應力大于該面的抗剪強度所致，所以應用莫爾-庫侖強度準則。（2）數(shù)值計算法數(shù)值計算法是隨著計算機的出現(xiàn)后而產(chǎn)生的，它通常包括有限單元法、有限差分法、邊界單元法、離散單元法等。這種方法的實質(zhì)是將連續(xù)的彈性體化為離散的結(jié)構體，利用彈性力學原理用數(shù)值模擬方法求解邊坡體內(nèi)各點的應力、應變值，判斷邊坡體內(nèi)的不穩(wěn)定區(qū)。（3）概率分析法概率分析法應用于巖體邊坡工程始于20世紀70年代，鑒于決定邊坡穩(wěn)定性的諸因素，如巖性、結(jié)構面、巖體強度、地下水位等具有不確定性，故均可視為隨機變量，通過現(xiàn)場實測，可以求出它們的分布函數(shù)，求出它們在一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的概率值。而邊坡的穩(wěn)定性是依這些隨機變量分布函數(shù)而變化的函數(shù)，計算邊坡的滑動力（矩）大于抗滑力（矩）的概率值，即邊坡的破壞概率，當邊坡的破壞概率小于邊坡允許的破壞概率時，認為邊坡是概率意義上的穩(wěn)定邊坡。這種方法用于邊坡維護方案的決策選擇及邊坡優(yōu)化設計時是十分有效的。（二）平面滑動計算巖體邊坡發(fā)生平面滑動的條件為：結(jié)構面走向與邊坡走向平行或近于平行（兩走向相差20o以內(nèi)）；結(jié)構面出露在邊坡面上，即結(jié)構面傾角β小于邊坡角α。滿足這些條件時，結(jié)構面就可能成為平面滑動的滑面，并對滑坡起到控制作用。穩(wěn)定計算時，認為滑體沿坡肩方向很長，可取單位長度的邊坡進行分析。見圖`11-6，邊坡內(nèi)有一貫通的結(jié)構面AE，上部有一由于邊坡蠕動變形形成的直立拉裂隙CE，深為Z0.由于降雨直立裂隙內(nèi)填水深度為Zw，然后水從結(jié)構面AE的底部流出，設巖體重度為γ。水壓力滑面長滑體ADCE的重量：面積滑體ADCE的重量W為：抗滑力，由莫爾—庫侖強度準則：滑動力穩(wěn)定系數(shù)若C、U、V＝0，則即K只與β和φ有關，與坡高H無關。（三）圓弧滑動計算當邊坡巖體為均質(zhì)或由不規(guī)則的密集節(jié)理、裂隙切割呈偽均質(zhì)時，邊坡常常表現(xiàn)為圓弧滑動破壞，如均質(zhì)土坡、露天礦排土場邊坡、地下礦的矸石山邊坡等，或結(jié)構面與邊坡面反傾向的巖體邊坡等。通常認為滑體沿坡肩方向很長，取一單位長度的邊坡研究，所以從斷面上看，滑面呈圓弧形。目前常用的計算圓弧滑坡的方法有費勒紐斯和畢紹普(Bishop)法。1.費勒紐斯(Fellenius)法費勒紐斯法，也稱瑞典圓弧法。該法適用于圓弧滑面，它首先將滑體分成許多直立的條帶(一般為10~20條)，并認為條帶間沒有相互作用力?，F(xiàn)假設將滑體分成n個條帶，取第i條分析其受力情況，第i條的滑面用連接兩端點的弦代替，與水平面的夾角為。則第i分條的力為：底部滑面的抗剪力Ti、正壓力Ni由庫侖準則，i分條抗滑力：滑動力：對滑面圓心O的力矩平衡：抗滑力矩：滑動力矩：穩(wěn)定系數(shù)一般情況下，按有效應力原理：ui—稱為i條滑面單位面積上的靜水壓力。2.畢紹普(Bishop)法。為了消除費勒紐斯法沒有考慮分條間作用力帶來的誤差，Bishop于1955年提出了適用于圓弧滑動，并同時考慮到條帶間作用力的計算方法。該法認為分條間的作用力分為法向力E和剪力S，其具體分條與費勒紐斯法相同?，F(xiàn)以第i分條分析其受力情況，見圖11-8。i分條的參數(shù)有：—i條滑面的傾角；—i條滑面的長度；—i條滑面上的有效法向力，；—全法向力；—單位面積上的孔隙水壓力；—為了維持i分條平衡所需的抗滑力；、—i分條兩側(cè)的法向力；、—i分條兩側(cè)的剪切力。滑體中每個條帶處于極限平衡狀態(tài)，則整個滑體也處于極限平衡狀態(tài)。取滑體對滑面圓心O的矩平衡，由于分條間的作用力對O點的矩之和為零，不予考慮。則矩平衡有：由于滑面為圓弧，所以兩側(cè)R相同，可約去。（a）穩(wěn)定系數(shù)K定義為抗剪強度的儲備系數(shù)，即極限抗滑力與為了使i條平衡所需的抗滑力之比，并且每個分條都有相同的穩(wěn)定系數(shù)。則：（b）由庫侖準則，得：（c）畢紹普法分為精確法與簡化法兩種。精確法中考慮了分條間的法向作用力（、）及剪切力（、）。求解非常繁瑣。簡化法只考慮了分條間的法向力、的作用，不考慮剪切力，這樣簡化法與精確法相比，其誤差通常在2％以內(nèi)，且目前廣泛使用的都是簡化法。不計、，在垂直方向上建立力的平衡方程：從中解出，有（d）將（d）式代入（c）式，有：經(jīng)整理得：（e）(d)式代入（a）式，注意到，并記，有：各分條具有相同的穩(wěn)定系數(shù)，將F提出，整理后有：（f）五、露天礦邊坡的治理露天礦邊坡治理與監(jiān)測，是礦山邊坡研究和日常邊坡管理的重要組成部分，一般包括對地表水和地下水的治理、控制爆破、邊坡人工加固、對可能和已發(fā)生邊坡位移的地段進行地面和巖體內(nèi)的位移監(jiān)測。（一）對地表水和地下水的治理（1）在邊坡巖體外面修筑排水溝排除地面水，防止其流入邊坡表面張裂隙中。對已有張裂隙應以適當材料及時充填。（2）鉆水平排水孔，降低張裂隙或破壞面附近的水壓。（3）在邊坡巖體外圍打疏干井，裝配深井泵或潛水泵進行排水，降低地下水位；疏干高邊坡可設置兩個或兩