武汉理工大学露天采矿第10章__露天矿边坡稳定性分析与

矿床露天开采第10章露天矿边坡稳定性分析与维护10.1概述露天矿边坡与其他岩土工程边坡相比，具有如下特点：1）露天矿边坡的规模较大，边坡高度一般为200～300m，最高可达500～700m，边坡走向延伸可达数公里，因而边坡揭露地层多，边坡各部分的地质条件差异大，变化复杂。2）露天矿边坡一般不维护，故易受风化作用的影响。3）露天矿场频繁的爆破作业和车辆运行，使边坡经常受到动荷载的作用。同时随着采掘、运输及其他设备日益大型化，边坡台阶的负荷有日益增大的趋势。4）露天矿的最终边坡由上至下逐渐形成，上部边坡服务期长，下部边坡服务期则相对较短。5）露天矿边坡的不同地段要求有不同的稳定程度。边坡上部地表有重要建筑物不允许变形时，要求的稳定程度高。边坡上有站场、运输线路，下部有采矿作业时，要求的稳定程度较高。对生产影响不大的地段，稳定程度可要求低一些。露天矿边坡稳定性分析与维护涉及岩体工程地质、岩体力学性质试验、边坡稳定性分析与计算、边坡治理和监测、维护等工作。10.2影响露天矿边坡稳定性的主要因素和边坡破坏形式10.2.1影响露天矿边坡稳定性的主要因素影响露天矿边坡稳定的因素较多，其中岩体的岩石组成、岩体构造和地下水是最主要的因素，此外，爆破和地震、边坡形状等也有一定影响。现将其主要影响因素介绍如下：1）岩石的组成岩石的矿物成分和结构构造对岩石的工程地质性质起主要作用，通常，强度高的岩石边坡稳定性也高，片理、层理发育的岩石边坡稳定性相对较差。2）岩体结构边坡岩体的破坏主要受岩体中不连续面（结构面）的控制。影响边坡稳定的岩体结构因素主要包括下列几方面：结构面的倾向和倾角一般来说，同向缓倾边坡（结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾角小于坡角）的稳定性较反向坡差。同向缓倾坡中，岩层倾角愈陡，稳定性愈差；水平岩层稳定性较好。结构面的走向当倾向不利的结构面走向和坡面平行时，整个坡面都具有临空自由滑动的条件，对边坡的稳定不利。结构面走向与坡面走向夹角愈大，对边坡的稳定愈有利。结构面的组数和数量当边坡受多组相交的结构面切割时，整个边坡岩体自由变形的余地大，切割面、滑动面和临空面多，易于形成滑动的块体，而且为地下水活动提供了较好的条件，对边坡稳定不利。其次，结构面的数量直接影响到被切割的岩块的大小，它不仅影响边坡的稳定性，也影响边坡变形破坏的形式。岩体严重破碎的边坡，甚至会出现类似土质边坡那样的圆弧形滑动破坏。结构面的不连续性在边坡稳定计算中，通常假定结构面是连续的，实际并非如此。因此，在解决实际工程问题时，认真研究结构面的不连续性，具有现实意义。结构面的起伏差和表面性质结构面的光滑程度对结构面的力学性质影响极大。边坡岩体沿起伏不平的结构面滑动时，可能出现两种情况；如果上覆压力不大，则除了要克服面上的摩擦阻力外，还必须克服因表面起伏所带来的爬坡角的阻力，因此，在低正应力情况下，起伏差将使有效摩擦角增大。另一种情况是当结构面上的正应力过大，在滑动过程中不允许因为爬坡而产生岩体的隆胀时，则出现滑动的条件必须是剪断结构面上互相咬合的起伏岩石，因而结构面的抗剪性能大为提高。如果结构面上充填的软弱物质的厚度大于起伏差的高度时，就应当以软弱充填物的抗剪强度为计算依据，不应再把起伏差的影响考虑在内。3）地下水露天矿的滑坡多发生在雨季或解冻期间，说明地下水对边坡稳定性的影响是很显著的。在边坡稳定性研究中，对岩体中地下水的赋存情况、动态变化、对边坡稳定性的影响，以及防治措施等都要进行详细研究并做出定量评价。地下水对边坡稳定性的影响主要表现在以下几方面：静水压力和浮托力当地下水赋存于岩石裂隙中时，水对裂隙两壁产生静水压力，如下图所示。当由于边坡岩体位移而产生的张裂隙充水时，则沿裂隙壁产生的静水压力为：静水压力作用方向垂直于裂隙壁，作用点在Zw的下三分之一处。此静水压力厂是促使边坡破坏的推动力。当张裂隙中的水沿破坏面继续向下流动，流至坡脚逸出坡面时，则沿AB面（上图）的总浮托力为：LZUww21221wwZV此力和沿AB面作用的正应力方向相反，抵消一部分正应力的作用，从而减小了沿该面的摩擦力，对边坡稳定不利。当岩体比较破碎，地下水在岩体中比较均匀地渗透，并形成如下图所示的统一的潜水面，而且当滑动面为平面时，则作用于滑面上的浮托力可用滑面下所画的三角形水压分布来表示。总浮托力可用下式计算：csc21动水压力（或渗透力）当地下水在土体或碎裂岩体中流动时，受到土颗粒或岩石碎块的阻力，水要流动就得对它们施加作用力以克服它们对水的阻力，这种作用力称为动水压力或渗透力。动水压力作用方向与渗透方向一致。动水压力用D表示：动水压力是一种体积力，其方向与水流方向一致。在计算土边坡和散体结构的岩石边坡时，要考虑动水压力的作用。IDw水对某些岩石的软化作用某些粘土质岩石浸水后发生软化作用，岩石强度显著降低，如含有大量蒙脱石粘土矿物岩体或边坡中的泥质软弱夹层等。对于主要是由坚硬的岩浆岩、变质岩构成的边坡岩体，水的软化作用一般不显著，但这些边坡的断层破碎带中常有大量粘十质充填物存在，在研究这些断裂而的强度和稳定性时，要特别注意水对这些岩石的软化作用。4）爆破震动露天矿爆破产生的地震波，给潜在破坏面施以额外的动应力，可使岩石节理面张开，甚至使岩石破碎，促使边坡破坏，在边坡稳定分析中必须考虑此附加外应力。专门研究表明，爆破震动对岩体造成的损害取决于岩体质点振动速度的大小。质点振动速度的影响可用下列临界速度估计：≤25.4cm/s——完整岩体不破坏25.4~2～61cm/s——岩体出现少量剥落61～254cm/s——发牛强烈拉伸和径向裂隙＞254cm/s——岩体完全破碎对于爆破造成的岩体质点振动速度，目前研究尚不充分，通常采用下列经验公式确定：利用上述公式计算v值时，必须先通过爆破试验确定系数K和a。在边坡稳定性计算时，一般不直接引用v值，而要将其转换为振动力。转换的程序是取爆破地震的实测图谱，把爆破波的主振相作为正弦波处理，根据谐振公式求出爆破地震造成的质点加速度：)(3RQKvfva2分析边坡稳定性，为了安全起见，将上式计算所得的a值视为水平加速度。考虑到作用在岩石质点上的振动力属于体积力，故已知水平加速度a值后，即确定各质点振动的水平力。为了简化计算，取此水平力为岩体重力的Ka倍，即F=KaW，Ka=a/g。式中F为指向矿坑的水平振动力，W为滑体重力，g为重力加速度。考虑到爆破震动频率高和作用时问短，在边坡稳定分析中，一般还要将此动荷载通过下式转变为等效静荷载P，即：天然地震和爆破震动一样也会给边坡稳定造成危害，在边坡稳定性分析中也必须考虑，一般按与爆破震动相同的方法处理，其加速度可按预计的地震烈度选取。gWaP/5）其他因素边坡几何形状当边坡向采场凸出时，岩体侧向受拉力，由于岩体抗拉能力淮低，此时边坡稳定条件差；当边坡向采场凹进时，边坡岩体侧向受压，边坡比较稳定。风化作用风化作用可使边坡岩体随时间推移不断产生破坏而失稳。通常，风化速度与岩石本身的矿物成分、结构构造和后期蚀变有关，同时也与湿度、温度、降雨、地下水以及爆破震动等因素有关。人为因素由于对影响边坡稳定的因素认识不足，在生产中往往人为地促使边坡破坏。如在边坡上堆积废石和设备以及建筑房屋等，加大了边坡上的承重，增加了岩体的下滑力；或挖掘坡脚，减小了岩体的抗滑力，这些都会使边坡稳定条件恶化，甚至导致边坡破坏。10.2.2露天矿边坡破坏类型露天矿边坡破坏类型，主要是受岩体的工程地质条件特别是岩体结构面的控制。常见的破坏形式有以下四种：平面破坏边坡沿一主要结构面如层面、节理、断层或层间错动面发生滑动（下图a）。边坡中如有一组结构面与边坡倾向相近，且其倾角小于边坡角而大于其摩擦角时，容易发生这类破坏。楔体破坏一般发生在边坡中有两组结构面与边坡斜交，且相互交成楔形休。当两结构面的组合交线倾向与边坡倾向相近，倾角小于坡面角而大于其摩擦角时，容易发生这类破坏（下图b）。坚硬岩体中露天矿台阶大多是以这种形式破坏的。圆弧形破坏滑动面为圆弧形。土体滑坡一般是此种形式，散体结构岩体或坡高很大的碎裂岩体边坡也可以此种形式破坏（下图c）。以上三种形式破坏的机理主要是剪切破坏。倾倒破坏当岩体中结构面或层面很陡时，岩体发生倾倒破坏（下图d）。其破坏机理与以上三种不同，它是在重力作用下岩块向外向下弯曲塌落。10.3边坡稳定性分析与计算露天矿边坡稳定性分析方法，大体上可分为岩体结构分析法、数学模型分析法和工程参数类比法。这里仅简单介绍露天矿边坡平面滑动和楔形滑动的稳定性极限平衡法。极限平衡法是一种基于平衡理论的数学模型计算分析方法。主要根据边坡破坏面上抵抗破坏的阻力与破坏力的比值n进行判定。当n＜l时，边坡为不稳定状态；当n=I时，边坡处于极限平衡状态：当n＞1时，边坡才处于稳定状态，n值越大，边坡愈稳定。n值称为边坡稳定系数。这种计算方法是结合岩体结构特征进行的。10.3.1层状结构或单滑面边坡的计算在结构面走向、倾向与边坡走向、倾向基本一致的情况下，其稳定性计算可沿滑面走向取一单宽剖面，按平面问题讨论，见下图。滑动岩体在自重力作用下的稳定，决定于滑动破坏的下滑力S与滑面上抗滑力T的关系。其稳定系数公式为：sintgcosWCLWSTn将上式化简后得：当n1时，层状结构或单滑面边坡是稳定的。从上式可看出：在这类边坡稳定性评价中，滑动破坏面AB的长度影响不大，而与滑动岩体高度h、滑动破坏面倾角a关系较大，即h和a值愈大，则边坡的稳定性愈低。2sin4tgtghCn除此之外，滑动破坏面的性质也有影响，若滑动破坏面软弱，或为泥质层、泥化夹层，且光滑平整，结构面上的内聚力很小或接近于零，则滑动岩体的稳定性主要决定于内摩擦角的大小，即：在此情况下，当滑动破坏面的倾角a大于内摩擦角时，边坡不稳定。凡能降低值的因素，如地下水的作用、爆破震动等，都会促使露天矿边坡失稳。tgtgn10.3.2楔形滑体或双滑面边坡的计算当边坡岩体中出现两组结构面与边坡斜交，两着倾向相反，其交线与边坡走向接近直交，则岩体可能呈楔形滑动，如下图所示。图中的ABD面BCD面为两个可能的滑动破坏，其面积分别为A和A’，两个面的交线（BD）方向为可能滑动方向。设两个面的交线与边坡走向直交．交线倾向与边坡倾向基本一致，倾角为，两个面的C、值是相近似的，楔形体（ABCD）自重力为W，则滑动破坏力S=Wsin，抗滑动力T=Wcostg+C(A+A’)。稳定系数公式为：从上式可以看出，角愈大则边坡愈不稳定。当滑动破坏面为软弱面时，即C0，则边坡的稳定性决定于角与角的相互关系。极限平衡分析计算在实际应用中必须具备两个条件：一是基础资料的完整性；二是各种参数要相对准确。因为参数的变化可能对稳定件系数的计算结果带来较大影响。我国露天矿山在对边坡稳定性分析与维护中，常采用极限平衡分析法来确定边坡的稳定性。一般取稳定性系数n1.2为稳定型边坡。sin)'(tgtgsin)'(tgcosWAACWAACWSTn10.4露大矿边坡治理不稳定边坡给露天矿生产带来的危害与影响是巨大的。因此，矿山应十分重视不稳定边坡的监控，并及时研究采取合适的工程技木治理措施，从而确保生产人员和设备的安全。10.4.1露天矿边坡治理方法分类、适用条件及考虑顺序不稳定边坡的治理措施可分为三大类，其具体措施、作用原理及适用条件见课本表10－1。不稳定边坡的治理工作应按一定程序进行，它反映了各治理措施的轻重缓急次序。不稳定边坡治理工程的考虑顺序是：1）截住并排出流入不稳定边坡区的地表水；2）尽量采取疏干措施，降低地下水位；3）采取削坡减载措施；4）采取人工加固工程。10.4.2常用具体方法简介1)对地表水和地下水的治理治理地表水和地下水的原则是：防止地