露天礦邊坡穩(wěn)定分析與控制

露天礦邊坡穩(wěn)定分析與控制一、露天礦邊坡工程特點(diǎn)露天礦邊坡是開采礦石后遺留下來(lái)的開采邊界，從經(jīng)濟(jì)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(guò)大的邊坡角必然導(dǎo)致邊坡滑坡等破壞的風(fēng)險(xiǎn)增大。見圖11-4所示，露天礦邊坡是指由露天采場(chǎng)四周的臺(tái)階等構(gòu)成的傾向采場(chǎng)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(jìn)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(tái)階（永久臺(tái)階）組成的不進(jìn)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(tái)階，這些臺(tái)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(duì)象是指非工作幫邊坡。隨著露天開采的進(jìn)行，露天礦場(chǎng)必然逐漸延深，最終達(dá)到露天礦的設(shè)計(jì)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(gòu)成露天礦邊坡即是露天開采的邊界，同時(shí)也是露天開采作業(yè)的對(duì)象，還擔(dān)負(fù)著提供下部礦石、巖石運(yùn)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(diǎn)。（1）露天礦邊坡的形成是一動(dòng)態(tài)開挖過(guò)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(wèn)題并不嚴(yán)重，但對(duì)有些礦山，由于巖層賦存條件、巖體結(jié)構(gòu)等原因，即使是較小的邊坡也會(huì)時(shí)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(wèn)題，一直持續(xù)在露天開采的整個(gè)過(guò)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(chǎng)的邊界，它的形成只能根據(jù)礦體賦存條件、相關(guān)的國(guó)家礦產(chǎn)需求、相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)水平、開采的技術(shù)條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)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(wú)法避開不良的工程地質(zhì)區(qū)域，無(wú)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(dòng)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(zhǎng)達(dá)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(duì)于下部安全開采形成了一定威脅。同時(shí)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(shù)，但對(duì)邊坡形成的震動(dòng)影響仍然是巨大的，導(dǎo)致邊坡表面巖體進(jìn)一步破碎，爆破震動(dòng)誘發(fā)邊坡滑動(dòng)、坡面巖石滾落、臺(tái)階局部崩塌等。二、露天礦邊坡常見的破壞類型（1）臺(tái)階下沉（2）滑動(dòng)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(dòng)的現(xiàn)象。這一平面或曲面稱為滑動(dòng)面，整體向下移動(dòng)的巖體稱為滑體。其破壞機(jī)理是由于滑面上的剪力大于抗剪強(qiáng)度所致。一般滑體的生成至整個(gè)滑動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，從數(shù)日至數(shù)年不等。有些滑動(dòng)前具有明顯的變形特征，有些滑動(dòng)前則變形量較小，滑動(dòng)跡象不明顯。按滑動(dòng)面形狀又將滑動(dòng)分為平面滑動(dòng)、楔體滑動(dòng)和圓弧滑動(dòng)等。平面滑動(dòng)。當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)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(shí)，邊坡巖體易于發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的平面滑動(dòng)。圓弧滑動(dòng)?；瑒?dòng)面為圓弧形，當(dāng)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(shí)，邊坡易于發(fā)生圓弧滑動(dòng)。楔體滑動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)面斜交邊坡坡面，其交線在邊坡坡面出露時(shí)，如果此交線的傾角大于結(jié)構(gòu)面的摩擦角而小于邊坡角時(shí)，則容易發(fā)生楔體滑動(dòng)。堅(jiān)硬巖體中的露天礦臺(tái)階很多是這種形式破壞的。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，露天礦邊坡的滑動(dòng)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(xué)性質(zhì)。如巖石抗壓強(qiáng)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(xué)強(qiáng)度，有利于邊坡穩(wěn)定。巖石的空隙率大、吸水性強(qiáng)、抗凍性差，則力學(xué)性能弱化，不利于邊坡穩(wěn)定。（2）巖體結(jié)構(gòu)面。大部分巖體邊坡破壞都是沿結(jié)構(gòu)面和弱層發(fā)生的。規(guī)模大的結(jié)構(gòu)面會(huì)控制邊坡的破壞模式，與坡面同傾向的結(jié)構(gòu)面會(huì)形成邊坡滑動(dòng)破壞的滑動(dòng)面。與邊坡反傾向的結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較小。小規(guī)模結(jié)構(gòu)面，常稱為節(jié)理面（延展長(zhǎng)度在數(shù)米以內(nèi)的）會(huì)切割巖體，破壞巖體的完整性，宏觀上降低巖體強(qiáng)度。當(dāng)這些節(jié)理具有明顯不利的優(yōu)勢(shì)方位時(shí)，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(duì)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(shí)期，或因排水不利。水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)為：一是軟化巖石，降低其強(qiáng)度，同時(shí)增加邊坡巖體重度，尤其對(duì)于親水性巖石，如頁(yè)巖、泥巖等巖石，飽水后，強(qiáng)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(qiáng)度；三是地下水的滲透與流動(dòng)，對(duì)邊坡體產(chǎn)生不利的滲透壓力，同時(shí)會(huì)帶走邊坡巖體結(jié)構(gòu)面中的細(xì)小顆粒，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。（4）爆破震動(dòng)。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(yàn)公式反映爆破震動(dòng)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(shù)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(píng)價(jià)的程序露天礦邊坡穩(wěn)定分析與評(píng)價(jià)的目的就是設(shè)計(jì)并形成一個(gè)使露天礦生產(chǎn)既安全又經(jīng)濟(jì)的最佳邊坡。進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析與評(píng)價(jià)時(shí)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(píng)價(jià);（2）邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面等相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試與確定，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果確定邊坡可能的破壞模式;（4）針對(duì)各種可能的破壞模式，選擇不同的計(jì)算方法進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，以及各種影響因素的敏感性分析;（5）根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算與分析結(jié)果，對(duì)研究區(qū)域的邊坡進(jìn)行綜合性的穩(wěn)定評(píng)價(jià);（6）對(duì)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(hù)方案;（7）給出最佳邊坡設(shè)計(jì)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(gòu)造;(3)露天礦當(dāng)前采場(chǎng)邊坡工程與水文地質(zhì)條件;(4)露天礦最終采場(chǎng)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(qiáng)度測(cè)試3.確定邊坡可能的破壞模式4.邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算5.加固治理方案與措施6.總體邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)及最優(yōu)邊坡設(shè)計(jì)方案7.邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)方案四、邊坡穩(wěn)定計(jì)算（一）計(jì)算方法分類理論研究和工程應(yīng)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(yīng)用的最基本方法，它的基本原理就是分析當(dāng)滑體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，比較滑體上的抗滑力(矩)與滑動(dòng)力(矩)的大小，從而確定滑體是否產(chǎn)生滑動(dòng)，如果抗滑力(矩)大于滑動(dòng)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(rèn)為滑體的滑動(dòng)是由于滑面上實(shí)際存在的剪應(yīng)力大于該面的抗剪強(qiáng)度所致，所以應(yīng)用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。（2）數(shù)值計(jì)算法數(shù)值計(jì)算法是隨著計(jì)算機(jī)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(shí)質(zhì)是將連續(xù)的彈性體化為離散的結(jié)構(gòu)體，利用彈性力學(xué)原理用數(shù)值模擬方法求解邊坡體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)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(yīng)用于巖體邊坡工程始于20世紀(jì)70年代，鑒于決定邊坡穩(wěn)定性的諸因素，如巖性、結(jié)構(gòu)面、巖體強(qiáng)度、地下水位等具有不確定性，故均可視為隨機(jī)變量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，可以求出它們的分布函數(shù)，求出它們?cè)谝欢▍^(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(jī)變量分布函數(shù)而變化的函數(shù)，計(jì)算邊坡的滑動(dòng)力（矩）大于抗滑力（矩）的概率值，即邊坡的破壞概率，當(dāng)邊坡的破壞概率小于邊坡允許的破壞概率時(shí)，認(rèn)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(hù)方案的決策選擇及邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)是十分有效的。（二）平面滑動(dòng)計(jì)算巖體邊坡發(fā)生平面滑動(dòng)的條件為：結(jié)構(gòu)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(gòu)面出露在邊坡面上，即結(jié)構(gòu)面傾角β小于邊坡角α。滿足這些條件時(shí)，結(jié)構(gòu)面就可能成為平面滑動(dòng)的滑面，并對(duì)滑坡起到控制作用。穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，認(rèn)為滑體沿坡肩方向很長(zhǎng)，可取單位長(zhǎng)度的邊坡進(jìn)行分析。見圖`11-6，邊坡內(nèi)有一貫通的結(jié)構(gòu)面AE，上部有一由于邊坡蠕動(dòng)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(gòu)面AE的底部流出，設(shè)巖體重度為γ。水壓力滑面長(zhǎng)滑體ADCE的重量：面積滑體ADCE的重量W為：抗滑力，由莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則：滑動(dòng)力穩(wěn)定系數(shù)若C、U、V＝0，則即K只與β和φ有關(guān)，與坡高H無(wú)關(guān)。（三）圓弧滑動(dòng)計(jì)算當(dāng)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(shí)，邊坡常常表現(xiàn)為圓弧滑動(dòng)破壞，如均質(zhì)土坡、露天礦排土場(chǎng)邊坡、地下礦的矸石山邊坡等，或結(jié)構(gòu)面與邊坡面反傾向的巖體邊坡等。通常認(rèn)為滑體沿坡肩方向很長(zhǎng)，取一單位長(zhǎng)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(jì)算圓弧滑坡的方法有費(fèi)勒紐斯和畢紹普(Bishop)法。1.費(fèi)勒紐斯(Fellenius)法費(fèi)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(rèn)為條帶間沒(méi)有相互作用力。現(xiàn)假設(shè)將滑體分成n個(gè)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(diǎn)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(kù)侖準(zhǔn)則，i分條抗滑力：滑動(dòng)力：對(duì)滑面圓心O的力矩平衡：抗滑力矩：滑動(dòng)力矩：穩(wěn)定系數(shù)一般情況下，按有效應(yīng)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(fèi)勒紐斯法沒(méi)有考慮分條間作用力帶來(lái)的誤差，Bishop于1955年提出了適用于圓弧滑動(dòng)，并同時(shí)考慮到條帶間作用力的計(jì)算方法。該法認(rèn)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(fèi)勒紐斯法相同。現(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(zhǎng)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(gè)條帶處于極限平衡狀態(tài)，則整個(gè)滑體也處于極限平衡狀態(tài)。取滑體對(duì)滑面圓心O的矩平衡，由于分條間的作用力對(duì)O點(diǎn)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(qiáng)度的儲(chǔ)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(gè)分條都有相同的穩(wěn)定系數(shù)。則：（b）由庫(kù)侖準(zhǔn)則，得：（c）畢紹普法分為精確法與簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)化法。不計(jì)、，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(cè)，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(duì)地表水和地下水的治理、控制爆破、邊坡人工加固、對(duì)可能和已發(fā)生邊坡位移的地段進(jìn)行地面和巖體內(nèi)的位移監(jiān)測(cè)。（一）對(duì)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(duì)已有張裂隙應(yīng)以適當(dāng)材料及時(shí)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(jìn)行排水，降低地下水位；疏干高邊坡可設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上排水水平。（4）地下巷道疏干。可用于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的重要邊坡巖體的疏干，在巷道內(nèi)可打扇形排水孔，以提高疏干效果。（二）控制爆破（1）減少每次延發(fā)爆破的炸藥量，使沖擊波的振幅保持在盡可能小范圍內(nèi)；每次延發(fā)爆破的最優(yōu)炸藥量應(yīng)根據(jù)具體礦山條件試驗(yàn)確定。（2）預(yù)裂爆破，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的用以改善礦山最終邊坡狀況的最好辦法。該法是在最終邊坡面鉆一排傾斜小直徑炮