露天矿山边坡稳定性影响因素及分析方法研究

６　湖南有色金属　ＨＵＮＡＮ　Ｎ０ＮＦＥＲＲ０ＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　第３２卷第６期　２０１６年１２月　露天矿山边坡稳定性影响因素及分析方法研究　岳　明　（河南建泰化工工程设计有限公司，河南三门峡摘４７２０００）　要：对露天矿山边坡稳定性影响因素从内外因两个方面进行分析，总结了极限平衡法、基于　ＦＬＡＣ　强度折减的有限差分法和基于强度折减的有限元法等３种常用的边坡稳定性分析方法，提　出了加强地质勘查、做好安全监测、合理确定台阶要素和选择爆破方法、削坡减压和减重压脚、加强　边坡检查与管理等治理边坡滑动灾害的控制措施。研究结果对露天矿山的安全生产及预防和控制　边坡失稳具有一定的指导意义。　关键词：露天矿山；影响因素；边坡稳定性分析方法；滑动灾害防治措施　中图分类号：ＴＤ８５４　．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５５４０（２０１６）０６—０００６—０３　露天矿山经过长时间的开采，边坡高度日益增　加，一旦发生滑坡事故，将会造成重大人身伤亡与财　产损失。因此，对边坡稳定性进行分析，制定针对性　岩体结构：岩体自身的结构稳定性也会影响到　边坡的稳定。边坡的滑动通常沿着岩体内部的结构　面发生，当坡向与结构面交线的倾角一致时，便会发　的防治措施，保障人们的生命安全，降低矿山的运营　维护成本，具有重要的安全与经济意义。　生滑动；岩体结构面中的黏粒含量越少、粗碎屑含量　越多、表面颗粒问越粗糙、泥质充填物越薄，则边坡　稳定性越好。　１．２．２人类工程活动作用　１边坡稳定性影响因素　１．１露天矿山边坡简介　爆破震动荷载：露天矿山爆破期间，边坡岩体应　力场会受到爆破震动荷载的作用，当应力集中区扩　露天矿山边坡是经剥离及采矿作业后形成的一　种特殊的安全构筑物，其主要成分为岩体。边坡形　成临空面后，原岩的应力状态便发生了改变［１１。边　坡开挖前，应力场处于相对平衡状态，经过开挖，会　大到一定程度，边坡便会发生破坏。爆破震动对边　坡的破坏由岩体振动速度大小决定，主要涉及岩石　性质、地质条件、爆破炸药量、爆破中心至边坡的距　在坡顶交线位置处出现应力集中区。当应力集中区　扩大到一定程度，边坡便会发生破坏。　１．２边坡稳定性影响因素分析　离等因素。岩体振动速度＇／３的大小为：　：　ｆ＼Ｒ／　　露天矿山边坡经常受到自身岩体结构、人类工　程活动、自然力作用等因素影响而发生失稳，主要有　以下四个方面。　１．２．１　岩性特征及岩体结构　式中：Ｑ为炸药量／ｔ；Ｒ为爆破中心至边坡的距离／　Ｉｎ；Ｋ为爆破系数；Ｏｔ为衰减系数。　附加荷载：人为在坡顶堆积设备、废石产生的自　重荷载；钻车、挖掘机等大型设备本身的自重及作业　产生的震动荷载等附加荷载都会影响到边坡的　稳定。　岩性特征：岩体自重、孔隙度、内聚力、内摩擦　角、抗剪强度和抗压强度等物理力学特性都会影响　到边坡的稳定，而抗剪强度的大小则直接决定边坡　是否发生滑动。一般情况下，岩体本身的抗剪强度　越高越有助于边坡的稳定。　作者简介：岳明（１９８９一），男，助理工程师，主要从事采矿设计及安　开采顺序和推进方向：开采顺序和推进方向也　会影响到边坡的整体性和稳定性　Ｊ。实际生产中，　如果采用的开采顺序不合理，或在边坡底部进行掏　采，产生的浮石、伞檐和空洞，将严重影响到边坡的　稳定。　全评价工作。　第６期　岳明：露天矿山边坡稳定性影响因素及分析方法研究　７　１．２．３地表水及地下水作用　地表水作用：地表水的影响主要体现在对边坡　岩体的侵蚀，特别是在降雨季节和冰雪解冻期，雨雪　通过坡顶或坡面的张裂隙渗入边坡岩体。一方面，　裂隙充水产生水平推力使岩体失去约束；另一方面，　裂隙充水造成边坡岩体软化，从而降低了岩体的强　度和摩擦力，引起边坡失稳。　地下水作用：地下水的影响主要体现在潜在破　坏面抗剪强度的降低。地下水通过与岩体的物理力　学作用和化学作用等，降低了岩体的抗剪强度，引起　边坡破坏。　１．２．４构造力、风化及植被作用　构造力作用：构造力主要为地质构造运动过程　中产生的应力，表现为触发效应和累积效应两个方　面。前者因振动使边坡中的软弱层触变液化，引发　临界状态下的边坡瞬间失稳　；后者则引起边坡岩　体结构的松动变形、破裂面扩大和孑Ｌ隙水压力累积　上升等，使边坡发生破坏。　岩体的风化及植被作用：风化作用主要由温湿　度变化、降雨、积雪和蚀变等因素引起，会扩大岩体　原生结构面和构造结构面的范围，增加岩体裂隙。　一方面，风化作用使边坡形成地表水易于侵入的形　状；另一方面，沿裂隙风化时，会使岩体脱落或沿裂　隙崩塌、滑移。植被作用会根据边坡类型的不同产　生完全相反的作用。对于土质边坡，植被根系可吸　收地下水保持边坡的干燥，并固结土壤，从而增强稳　定性；而对于岩质边坡，生长在裂隙中的根系则会使　裂隙扩大，导致边坡崩塌。　２边坡稳定性分析的主要方法　露天开采边坡稳定性分析的目的是在确保安全　的前提下，提出剥离量小、采矿量大、边坡维护费用　低的设计方案　Ｊ。通过合理确定边坡角，在安全条　件下，增加剥采比，提高矿山经济效益。经分析，主　要有以下３种方法。　２．１极限平衡法　极限平衡法是将滑动范围内的岩土体按规则划　分为小块体，通过分析块体的受力平衡条件来构建　平衡方程，以安全系数表示其稳定程度。　对于直线型滑动，安全系数定义为抗滑力与下　滑力之比；对于曲线型滑动，安全系数则为抗滑力矩　与下滑力矩之比　。其评判标准为：安全系数大于１　时呈稳定状态；等于１时处于临界状态；小于１时为　失稳状态。　瑞典条分法是极限平衡法中常用的一种方法。　该法首先假定滑动面为圆弧面，且忽略条块间的作　用力对边坡的影响。如图１所示，对条块进行分析，　滑弧面上的极限平衡条件满足下式：　Ｔｆｉ＝　＝　（２）　式中：　为条块ｉ在滑动面上的抗剪强度／ＭＰａ；Ｆ　为　滑动圆弧的安全系数。　对所有条块均进行如上分析，则得出边坡的安　全系数公式：　Ｗｉｓｉｎ　（３）　．式中：Ｃｉ为岩体的内聚力／ＭＰａ；ｆｉ为条块的弧长／ｍ；　为条块的重量／ｋｇ；Ｏｉ为角度／（。）。０ｉ如图１所示。　图１　瑞典条分法图　由于边坡结构常常比较复杂、影响因素多种多　样，常有安全系数大于１发生破坏，而小于１反而稳　定的矛盾现象。因此，极限平衡法还需要进一步的　发展和完善。　２．２基于ＦＬＡＣ　强度折减的有限差分法　ＦＬＡＣ　强度折减法是一种新起的针对性比较强　的分析方法，通过折减岩土体抗剪强度参数，代入有　限差分软件一直计算到不收敛为止，使边坡处于破　坏状态而得到滑动破坏面。这种方法不需事先假定　滑移面的形式和位置，可直接得到安全系数，并判断　边坡是否处于安全状态和可能发生滑坡的区域。　根据图２所示的网格剖分图＿５　Ｊ，以Ａ为例进行　点的应力分析，假设岩体抗剪强度以折减系数Ｆ　进　行折减，当逐渐增加折减系数，岩体的抗剪强度会逐　渐降低，边坡的塑性区范围会逐渐扩大，当折减系数　增加到一定程度时，塑性区形成连通区域，则认为边　坡已发生破坏。此时的强度折减系数即为边坡的整　体安全系数，滑裂面的位置可根据位移等值线和剪　８　湖南有色金属　第３２卷　应力等值线的疏密程度以及塑形区的范围来确定。　／／／｜　／　｜　㈠　｜　图２　网格剖分图　２．３基于强度折减的有限元法　有限元法是将岩土体分割成不同大小和种类的　小区域，然后分析每一个单元的受力情况，再组合成　整个系统并构成系统方程组，然后求解。这种方法　主要依据弹塑性理论，得出完整的应力、应变结果，　再折减所有单元的强度指标直至失去平衡，以此来　评价边坡的稳定。该方法具有如下优点：　１．可分析任何形状的结构体，对于几何条件、荷　载条件和材料分区较为复杂的问题，也能够解决。　２．理论体系更为严密，除线性分析外，还可进行　非线性分析，并考虑边坡内部的应力、应变问题，满　足变形协调条件。　３．无需预先假定滑裂面的位置和形状，就可自　动找出潜在滑裂面并计算安全系数。　４．可根据塑性区的扩展调整荷载分布。　３露天矿山边坡滑动灾害的防治措施　１．加强对边坡区域的地质勘查。掌握岩体特　征、岩体结构面分布、边坡滑落情况和水文地质情况　等信息，根据地质构造的复杂程度，建立相关管理与　运作制度，进行评级管理。　２．查明地下水源。根据地下水源位置，采取疏　干降压、注浆堵水、挖沟排（截）洪、整治河道等措施，　减小地表水及地下水对边坡稳定的影响。　３．对边坡进行监’狈０。建立边坡状态监测系统和　参数数据库，通过微震监测技术、ＡＥ声发射技术进　行监测，了解软弱结构面的变形规律与破坏类型，并　及时采取有效治理手段。　４．采用削坡减压、减重压脚等边坡治理措施。　严重滑坡地段可采用挡墙、抗滑桩、锚杆（索）及注浆　等方式对边坡进行加固，抑制滑坡体的进一步发展。　５．合理确定台阶要素。按照设计要求确定台阶　高度、最小平台宽度、台阶坡面角、开采顺序和推进　方向等要素，确保开采的安全性与合理性。　６．合理选择爆破方法。严格按照规程要求进行　规划和设计，禁止“掏采”现象发生，并避免一次性大　药量爆破，尽量采用预裂爆破、光面爆破、减震爆破　和控制爆破等爆破技术，减少震动对边坡的影响。　７．加强检查。经常对边坡进行检查，及时处理　边坡浮石、伞檐，在每年汛期及春融季节，要增加检　查次数。　８．加强管理、重视制度。建立健全安全管理机　构；建立边坡检查制度，制定可靠的边坡防护措施；　定期对从业人员进行安全培训，提高员工安全意识。　４结论　１．边坡发生失稳实质是内外因共同作用的结　果。内因主要是边坡自身的岩性特征及岩体结构等　因素；而外因则包括人类工程活动、地表水及地下水　作用、构造力、风化及植被作用等。　２．边坡稳定性分析方法主要有３种：极限平衡　法、基于ＦＬＡＣ如强度折减的有限差分法和基于强度　折减的有限元法。　３．通过加强地质勘查、做好安全监测、合理确定　台阶要素、合理选择爆破方法、削坡减压、减重压脚、　加强边坡检查与管理等措施可以避免边坡灾害的　发生。　参考文献：　［１］张飞，黄垄，刘德峰．ＦＬＡＣ～（３Ｄ）强度折减法在露天煤矿安全　评价中的运用［Ｊ］．露天采矿技术，２０１４，（３）：２１—２３，２７．　［２］　于庭安，戴兴国．露天矿边坡稳定性的安全因素分析［Ｊ］．矿　业安全与环保，２００８，３５（１）：７３—７６．　［３］　张丽，黄英，任磊，等．边坡稳定影响因素及稳定分析方法探讨　［Ｊ］．云南水力发电，２００７，２３（４）：２２—２６．　［４］刘树杰，徐贵娃，王勇，等．安太堡露天煤矿储煤场破碎站滑坡　分析及治理设计［Ｊ］．露天采矿技术，２０１０，（５）：６５—６８．　［５］李全明，付士根，王云海．露天开采边坡稳定性分析方法及灾　害防治措施研究［Ｊ］．中国安全科学学报，２００７，１７（２）：５５—　６０．　收稿日期：２０１６—１１—２８　（下转第２５页）　第６期　张勇：钨钼分离技术的最新研究进展　Ｌａｔｅｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ａｎｄ　Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｏｎｇ　（Ｃｈｏｎｇｙｉ　Ｚｈａｎｇｙｕａｎ　Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　Ｃｏ　Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｙｉ　３４１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ａｎｄ　ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａ　ｄｉｉｆｃｕｌｔ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ａｎｄ　ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ　ｔｉｍｅ．Ｍｅｔａｌｌａｒｇｉｓｔ　ｈａｄ　ｍａｎｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｆｉｅｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ａｎｄ　ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｅｒｉｏｄｓ　ｈａｄ　ｔｈｅｉｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ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