（矿业工程专业论文）铜山口矿露天地下联合开采边坡稳定性研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：亟磁日期：卫丝：堕! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) e t 期：一- z , i , 二l i 删渊嬲 摘要 露天地下联合开采条件下，边坡会受到数个应力场作用，地下采动影响下 边坡岩体破坏规律变得复杂。随着越来越多矿山转入地下开采以及缺乏联采作用 下边坡移动规律认识，由地下采动引起的露天边坡滑塌、地表塌陷、排土场滑坡 等灾害事故频繁发生，增加了露天边坡及排土场的维护费用，带来巨大经济损失 的同时又直接影响矿山正常安全生产。因此，对露天地下联采作用边坡稳定性研 究十分必要。论文以铜山口矿露天转地下工程为背景，采用理论分析，数学计算 和数值模拟的方法探讨了不同倾角矿体丌挖对露天边坡影响一般规律，对重点边 坡段进行稳定性分析。论文的主要成果有： ( 1 ) 露天边坡在两种采动效应的联合作用下将整体出现两种典型的滑动现 象，一是岩体沿坡面下滑，二为岩体向深部采空区下滑。 ( 2 ) 地下工程开挖，矿体为缓倾斜时，对边坡体产生的影响大；矿体倾角 较大时，对边坡影响程度相对较小，并且随着矿体倾角的增大，变化趋势不明显； ( 3 ) 铜山口9 号勘探线上下盘边坡，在工程开挖之后处于稳定状态，但上 盘高陡边坡有发生局部破坏趋势，下盘边坡有发生整体滑动趋势，采用有限元强 度折减法计算上盘边坡安全系数为2 3 ，下盘边坡安全系数为4 3 ，为边坡稳定 性评价提供依据； ( 4 ) 基于工程现状以及可能出现的破坏形式，综合采用压脚回填、削坡减 载等措施，保证边坡稳定。建议铜山口矿山转入地下开采后，对重点边坡段实施 位移监测。 关键字：露天地下联采矿体倾角边坡稳定性强度折减 a b s t r a c t i i lt h ec o n d i t i o no fu n d e r g r o u n dm i n i n gc o m b i n e dw i t ho p e n - p i tm i n i n g ，m i n i n g e f l e e tw i l lb es u p e r p o s e d m i n i n gs l o p ew i l lr e c e i v es e v e r a li n d u c e ds t r e s sf i e l d sa n d d e f o n n a t i o nl a wo fs l o p er o c km a s sw i l lb em o r ec o m p l i c a t e d w i t hm o r ea n dm o r e m i n e st r a n s f o r m i n gi n t ou n d e r g r o u n dm i n i n ga n dd u et ol a c ko fa w a r e n e s so nn g w m o v 锄e n tl a w , a c c i d e n t so fo p e np i ts l o p ec o l l a p s ea n ds u r f a c es u b s i d e n c e ，l a n d s l i d e s a n do t h e rd i s a s t e r sd u m pc a u s e db yu n d e r g r o u n dm i n i n go c c u r r e df r e q u e n t l y , l e a d i n g t oa ni n c r e a s ec o s t so fo p e ns l o p ea n dd u m pm a i n t e n a n c e ，w h i c hn o to n l yb r i n g sh u g e e c o n o m i cl o s s e s ，b u ta l s om a k et h e d i r e c t i m p a c t0 1 1m i n es a f e t y p r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ns l o p es t a b i l i t yu n d e rt h e c o m b i n a t i o n a la c t i o no ft w o m i n i n ga p p r o a c h e si sn e c e s s a r y t h i sp a p e r , t a k i n gt o n g s h a n k o um i n e a se n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d , a d o p t sm e t h o d s a n dm e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i e l dg e o l o g i c a l s u r v e ya n di n d o o rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt oe x p l o r ee f f e c tr u l e so np i ts l o p eu n d e r e x c a v a t i o nc o n d i t i o no fd i f f e r e n to r e b o d i e sd i pa n dt h e nm a k er e s e a r c ho nk e ys l o p e t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa le ： ( 1 ) s l o p em a s sw i l le m e r g et w ot y p i c a ls l i d i n gp h e n o m e n o n w i t hj o i n te f f e c t s ：t h e o n ei sr o c km a s ss l i d i n ga l o n gt h es l o p e ，a n dt h eo t h e rd r o p p i n gt ot h ed e e pm i n i n g g o b ( 2 ) u n d e r g r o u n d e x c a v a t i o nc o n d i t i o n s ，t h es m a l ld i po r eb o d i e sm a k em o r eg r e a t l y i m p a c t o no p e n - p i ts l o p et h a nl a r g ed i po n e sa n dw i t ht h ea n g l e sg r o w i n gt h e i n f l u e n c ed e g r e ec h a n g e sl i t t l e ( 3 ) s l o p ea tn o 9p r o s p e c t i n gl i n ep r o f i l em a pi nt o n g s h a n k o um i n e i si ns t a b l e s t a t ea r e re x c a v a t i o nb u th a n g i n gw a l ls t e e ps l o p em a yo c c u rp a r t i a ld a m a g ea n d f o o t w a l ls l o p ei sl i k e l ys l i d i n go v e r a l l ；t h es a f e t yf a c t o ro fh a n g i n g w a l ls l o p ei s2 3 a n df o o t w a us l o p e4 3 ( 4 ) b a s e do np r o j e c ts t a t u sa n dt h ep o s s i b l ef a i l u r em o d e s ，t h em e a s u r e m e n t sl i k e f i l l i n gb a c ko ff o o ts l o p ea n dc u ts o m et o po fs l o p et o r e d u c el o a da l ea d o p t e dt o m a k es l o p es t a b l e i ti ss u g g e s t e dt oi m p l e m e n td i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g t ok e ys l o p e s a f t e rt h em i n et r a n s f e r r i n gi n t ou n d e r g r o u n dm i n i n g k e y w o r d s ：c o m b i n a t i o no fu n d e r g r o u n d a n do p e n p i tm i n i n g , o r eb o d yd i p ，p i t s l o p es t a b i l i t y , s t r e n g t hr e d u e t i o l l t t 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究的意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 边坡稳定性定性分析方法。l 1 2 2 边坡稳定性定量分析法一3 1 2 3 边坡稳定性非确定性模型分析法。5 1 2 4 边坡稳定性工程研究6 1 3 存在问题：。6 1 4 论文的主要研究内容7 第二章露天转地下开采边坡稳定性分析8 2 1 影响边坡稳定性因素8 2 2 单一边坡变形机制8 2 3 单一边坡破坏形式9 2 4 地下开采对边坡稳定性影响分析1 0 2 5 露天地下联采边坡变形机制1 l 2 6 露天地下联采边坡破坏形式12 2 7 本章小结1 3 第三章不同倾角矿体开挖对边坡影响规律1 4 3 1 地下矿体分类1 4 3 2 不同倾角矿体开挖对露天边坡影响规律1 5 3 3 数值模拟16 3 3 1 建模1 6 3 3 2 结果分析18 3 4 本章小结2 7 第四章铜山口露天转地下开采边坡稳定性研究2 8 4 1 铜山口矿区概况2 8 4 2 矿床地质特征2 8 4 3 矿区地质特征3 0 4 3 1 地层3 0 4 3 。2j 龟遭3 q 4 4 矿区工程地质3 1 4 5 开采现状3 2 4 6 确定研究对象3 3 4 7 数值模拟3 6 4 7 1 建模3 6 4 7 2 结果分析4 4 4 8 本章小结4 8 第五章边坡稳定性预测与防护措施4 9 5 1 露天地下联合开采边坡稳定性预测4 9 5 1 1 边坡失稳空间预测4 9 5 1 2 边坡失稳时间预测4 9 5 。2 铜山口矿山边坡稳定性预测5 1 5 3 边坡灾害防治技术5 2 5 3 1 边坡监测技术5 2 5 3 2 边坡防护措施5 2 5 4 本章小结5 3 第六章结论与展望5 4 6 1 结论5 4 6 2 展望5 5 致谢5 6 参考文献。5 7 武汉理上大学硕士学位论文 1 1 研究的意义 第一章绪论 随着浅部矿产资源的消耗，矿山开采深度正不断增加，露天剥离成本也骤然 上升。为确保矿山可持续发展，创造良好的经济效益，越来越多露天矿山已经转 入地下开采，或者正准备转入地下开采。露天边坡稳定性一直是矿山安全生产的 重中之重，地下工程开挖，使得原岩应力重新分布，在相互扰动的影响下，边坡 受到数个应力场作用，破坏形式变得更加复杂。露天边坡失稳问题已经越来越突 出。由于地下工程开挖导致边坡失稳事故时有发生并造成重大损失。湖北远安县 盐池河磷矿，曾因在高陡边坡下采矿引起岩体崩塌，瞬间掩埋了矿山建筑群，使 2 8 3 人不幸遇难；陕西韩城电厂因邻近的韩城煤矿采空区塌陷，引起电厂地面持 续数年隆起变形，使电厂厂房及邻近建筑物产生不同程度破坏；金华山煤矿西侧 露天边坡因地下开采影响发生大面积崩塌性滑坡，使得附近西应村被淹没，摧毁 大量农田。 露天转地下开采边坡稳定性问题已严重威胁矿区人民生命财产安全，给农业 生产、交通、经济、环境等带来了一系列需要正视并解决的问题。露天转地下边 坡稳定性问题是越来越被关注的课题。研究不同条件下边坡稳定性规律，对指导 矿山安全生产有重要意义。 1 2 国内外研究现状 论文主要研究露天边坡在地下开采的影响下的稳定性问题。关于边坡稳定性 的研究理论与工程经验都比较多。理论研究方面主要总结为定性分析法、定量分 析法以及非确定性模型分析法。工程方面的研究主要以实际矿山为背景，采用相 应理论知识与手段，也取得大量成果，为此类矿山安全生产积累丰富经验。 1 2 1 边坡稳定性定性分析方法 定性分析方法是根据影响边坡稳定的主要因素、通过分析其可能的破坏形式 和失稳的力学机制等，对边坡的稳定性以及可能的变化趋势做出判断。定性分析 武汉理工大学硕士学位论文 是定量分析的基础，在边坡工程中得到广泛的应用。定性分析法主要包括：历史 分析法、工程类比法、图解法、专家系统法和r m r - s m r 法。 1 、历史分析法 历时分析法是根据对边坡工程地质条件、水文地质条件、各种变形破坏迹象 与发展规律以及影响因素等的综合分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性 的总体状况、趋势和区域性特征作出定性评价和预测，对已发生滑坡的边坡，判 断其是否能复活或转化，主要是依靠经验和定性分析进行边坡稳定性评价。该 方法主要用于天然斜坡的稳定性分析【。 2 、工程类比法 在进行边坡稳定性分析时，很难建立多维空间工程岩土体的精确模型，常常 将模型简化进行力学分析或者根据工程经验进行类比分析与评价【2 1 。工程类比法 就是把已有边坡稳定性状况和有关设计等方面的经验应用到类似的所要研究边 坡的稳定性评价和设计中去的一种方法。在工程实践中，既可以进行自然边坡间 的类比，也可以进行人工边坡间的类比，还可以在自然边坡和人工边坡之间类比。 3 、图解法、 图解法在边坡稳定性分析应用中主要有两种类型：一是利用图解求边坡变形 破坏的边界条件，分析软弱结构面的组合关系，分析滑体的形态，滑动方向，评 价边坡稳定程度，为力学计算创造条件【3 1 。另一类型是用一定的曲线和诺谟图来 表征边坡稳定性相关参数间的定量关系，由此求出边坡稳定安全系数或己知稳定 安全系数及其它参数仅一个参数未知的情况下，求稳定坡角或极限高度。图解法 使用方便，结果直观，应用广泛。 4 、专家系统法 边坡稳定性分析专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计 算机程序。自1 9 6 8 年来，专家系统技术应用到岩土工程等许多领域，获得了巨 大的社会经济效益。我国在“八五”国家科技攻关期间，已初步建立了“水电工 程高边坡数据库”。专家系统可以提高技术人员的决策水平，降低工程费用、节 省时间，达到更加优化的目的和效果，所以，对于边坡稳定性分析专家系统的研 制也是十分的活跃。 5 、r 卜s m r 法 岩体分类的目的是对各种类型岩体的承载力及稳定性作出分析评价。对岩体 进行分类的方法中，较著名的有：巴顿( n b a d o n ) 等人提的q 值分类法( 主要用 2 武汉理工大学硕士学位论文 于隧道支护设计的岩体工程分类) ；r m r 值分类法：s m r 分类方法。s m r 分类方法 是从r m r 方法演变而来的。利用s m r 方法来评价边坡岩体质量的稳定性，方便快 捷，且能够综合反映各种因素对边坡稳定性的影响。r m r - s m r 体系既具有一定的 实际应用背景，又是在国际上获得较广泛应用的方法。在我国工程界对此体系的 研究也是十分活跃的。 1 2 2 边坡稳定性定量分析法 从某种意义来说，边坡稳定性分析只能算是种半定量的分析方法。边坡稳 定性分析定量分析方法主要达到两个目的：一是计算已知滑动面上的稳定安全系 数；二是搜索对应最小稳定安全系数的临界滑动面。因此，整个稳定性定量评价 方法的发展主要体现在上述两个方面。 l 、极限平衡法 极限平衡法的基本思想是，以摩尔一库伦抗剪强度理论为基础，将边坡体划 分成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。 这种计算方法遵循下列基本假设 ( 1 ) 遵循库伦定律或由此引申的准则 ( 2 ) 将滑体作为均质刚性体考虑，认为滑体本身不变形，且可以传递应力。 因此只研究滑动面上的受力大小，不研究滑体及滑体内部的应力状态。 ( 3 ) 将滑体边界条件大大简化。如将复杂的滑体型态简化为简单的几何型态； 将滑面简化成圆弧面、平面或者折面；将立体问题简化成平面问题，取沿滑动方 向的代表性剖面，以表征滑体的基本型态；将均布力简化为集中力，有时还将力 的作用点简化为通过滑体重心。 1 9 1 6 年，瑞典人彼得森首先提出对均质边坡圆弧形滑动面的分析方法；1 9 2 7 年f e l l e n i u s 进一步发展了该方法。由于瑞典圆弧法存在着明显的缺陷，许多学 者对此法作了改进，使整个边坡稳定性分析的水平得到了进一步发展和提高。 1 9 5 0 年b i s h o p 对传统的f e l l e n i u s 法作了重要改进，建立了b i s h o p 法；1 9 5 4 瑞典人j a n b u 提出了“普遍条分法 的概念，并建立了j a n b u 法。随着计算机技 术的发展与应用，随后建立了许多数学上更为严格的计算方法。1 9 6 5 年 m o r g e n s t e r n 和p r i c e 提出了m o r g e n s t e m - p r i c e 法；1 9 6 7 年s p e n c e r 提出了 s p e n c e r 法；1 9 8 5 年s a r m a 提出了s a r m a 法。经过长期的工程实践应用，条分法 已经成为边坡稳定分析的十分重要的方法，不断有学者对其进行发展和完善，主 武汉理工人学硕士学位论文 要包括： 瑞典圆弧滑动法 简化逼肖普法 简布普通分条发 摩根斯坦普赖斯法 不平衡推力传递法 极限平衡法的关键是对滑体的体型和滑面的形态进行分析、正确选用滑面的 计算参数，以及正确引用滑体的载荷条件等。 2 、塑性极限分析法 d r u c k e r 和p r a g e r 两位学者在1 9 5 2 年提出塑性极限分析法。该方法考虑完 全塑性应力一应变关系，假定坡体是刚塑性体，不考虑边坡变形的全过程。边坡 体失稳判定标准是当坡体局部或全部进入塑性状态，就丧失了稳定性。 3 、数值分析方法 边坡稳定性的数值分析主要包括以下几种： ( 1 ) 有限元法 有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用最早的方法，也是目前使 用最广泛的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、黏弹塑性、黏塑性问题。 目前用有限元法求解边坡稳定性主要有如下两种方法： 有限元滑面搜索法 有限元折减法 ( 2 ) 自适应理论 自2 0 世纪7 0 年代，有限元计算中引入自适应理论，其主要目的是减少前处 理工作量和实现网格离散的客观控制。目前基本建立了一般流体力学、弹性力学、 渗流分析等方面的平面自适分析系统，大大增加的计算的速度与准确性1 4 1 。 离散单元法 离散单元法的突出功能是它反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位 移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。离散元法在模拟过程中考虑了 边坡失稳破坏的动态过程，允许岩土体存在滑动、平移、转动和岩体的断裂及松 散等复杂过程，具有宏观上的不连续性和单个岩块题运动随机性，可以较真实、 动态地模拟边坡在开挖过程中的应力、位移和状态变化，预测边坡的稳定性，在 岩质高边坡稳定性的研究中得到广泛的应用 5 1 。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 拉格朗日法 2 0 世纪8 0 年代，c u n d a l1 从流体力学中引入了连续介质拉格朗日法，成功 的应用到岩土体。该方法同时将有限元和离散法有机地统一起来，可以有效计算 岩体的应力场和变形场。 边界元法 边界元法是微分方程的一种数值解法。其思路是将所研究问题的微分方程， 通过微分算子的基本解转化为相应的边界积分方程，然后将此积分方程沿着区域 的边界进行离散，从而获得由边界结点处的未知量所组成的线性代数方程组【6 】。 1 2 - 3 边坡稳定性非确定性模型分析法 虽然采用某种分析方法可以计算出边坡安全系数，但边坡作为一个系统，影 响其稳定性因素很多，并且有的因素具有随机性和不确定性，计算过程中很难把 握，同时对边坡稳定性研究的最终目标不是为了求得稳定安全系数，而是为了找 到一个合理的准确的稳定性分析途径，达到预防边坡事故发生的目的。因此，建 立边坡稳定性分析的非确定性模型，考虑参数的随机性，不确定性，模糊性，是 边坡稳定性分析的一个发展趋势。非确定性模型分析法主要包括神经网络法、模 糊综合评价法、灰色系统理论评价法和系统分析法。 1 、神经网络法 神经网络法是8 0 年代发展起来的人工智能的一个分支，近年来开始运用于 岩土工程问题研究中。神经网络理论的应用，考虑到尽可能多的影响因素，建立 这些影响因素同边坡稳定安全系数之间的非线性映射模型，然后用模型来预测和 评价边坡的安全性。 2 、模糊综合评价法 在以往的边坡稳定性分析时，对于影响参数的不确定性、不精确性和数量上 的分散性的特点，一般会按照统计学的方法进行剔除，最后确定一个值来分析边 坡稳定计算，这样得到的结果会存在一定的误差，其精度也难以保证，因此很难 在工程中得到直接利用【7 1 。模糊综合评价法对处理具有模糊性的事物和概念具有 一定的优越条件。比如对一个边坡的评价为“该边坡易失稳打，实际上就是一个 模糊性的判断。因此实际工程中可用模糊综合评价法对边坡稳定性进行分级。 3 、灰色系统理论评价法 灰色系统是指信息部分明确、部分不明确的系统。灰色理论系统主要用于对 5 武汉理工大学硕士学位论文 边坡体滑坡方面的分析与评价。 4 、系统分析法 系统分析法可以把影响边坡稳定性各个因素有机结合起来，为边坡稳定性评 价与预测提供依据；岩质边坡优势面分析理论就是属于在系统论观点指导下进行 岩坡稳定性研究的一种方法。 1 2 4 边坡稳定性工程研究 以实际工程为背景，综合运用上述分析方法，国内很多学者针对露天转 地下开采边坡稳定性进行研究，并取得了可喜的成果。如宋卫东等人以大冶 铁矿为工程背景，采用相似材料模型实验和数值模拟计算相结合的方法，对深 凹露天转地下开采高陡边坡的变形和破坏规律进行了系统研究【8 1 ；杨占军通过 对抚顺西露天矿北帮在露天和平硐联合开采条件下的地下应力场演变规律研 究、推测边坡变形规律1 9 ；韩放等人经过研究得出，露天转地下开采围岩应力 和工程尺度影响着地下工程和露天边坡的稳定性通过三维数值模拟，揭示了 露天边坡内地下开采采场周围和边坡的力学环境，探讨了围岩移动变形、应力 分布和破坏机理，分析了边坡稳定性状况研究表明，在扰动边坡下进行地下 开采，坡脚处的局部弧形破坏区将进一步恶化，但不会影响边坡整体稳定性 由于边坡的卸荷作用，导致采场上覆岩层成拱机制减弱，采空区覆岩存在整体 垮冒的可能性【l o 】：陈启元结合海南铁矿石碌矿区露天转地下开采的实例，利用 极限平衡法、有限元应力法、有限元强度折减法对矿区露天转地下开采前的 边坡进行应力应变与稳定分析，得到了较为一致的结果，表明该边坡目前处于 稳定状态【1 1 1 。同时分析断层活动对岩层移动的影响，并进行了露井联合开采可 行性分析。在确保露天矿边坡稳定的前提下，确定了能很好控制边坡变形和破 坏的条带开采方案，并成功的进行了实施。 1 3 存在问题 国内很多学者针对露天转地下开采边坡稳定性进行研究，分析方法与技术成 熟，得到边坡在地下采动影响下变形规律。国内研究大多以工程为背景，具有较 强的针对性。对于某一矿山，矿体分布广泛且产状变化复杂时，在未发生边坡破 坏之前，往往不容易确定危险边坡面及重点研究部位。国内多数研究成果，基于 特定矿山，矿体产状相对稳定。针对不同产状矿体同时开采时，如何根据其产状 6 武汉理t 大学硕士学位论文 判断边坡稳定性方面的研究还不够。论文探索了不同倾角矿体开挖时对露天边坡 稳定性影响规律，为多产状地下矿体露天转地下工程边坡稳定评价提供参考。 1 4 论文的主要研究内容 论文在前人研究的基础，研究不同倾角矿体开挖时对露天边坡稳定性影响规 律，在此基础上，以铜山口露天转地下开采为背景，针对地下矿体分布广泛倾角 多变的特点，选取典型边坡部位进行研究，并计算边坡安全系数，提出综合治理 措施，指导矿山实际生产。论文的主要内容有： ( 1 ) 分析露天边坡失稳的原因；地下开采时，研究不同倾角矿体开挖对边 坡稳定性影响规律； ( 2 ) 调研铜山口铜矿开采现状及矿体赋存条件，对矿区边坡稳定性作出初 步评价； ( 3 ) 计算铜山口矿转入地下开采安全隔离层厚度，分析地下开采时边坡应 力与位移变化，采用强度折减法，确定边坡安全系数； ( 4 ) 提出合理边坡治理技术，指导铜山口矿山安全高效生产。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章露天转地下开采边坡稳定性分析 2 1 1 影响边坡稳定性因素 一个边坡失稳往往是多种因素的共同作用的结果，如地下工程开挖、路堤填 筑或边坡顶面上由机械等产生的外载荷、岩体内水的渗流力、地震力的作用等导 致边坡失稳；还有如气候等自然条件使岩土时干时湿、收缩膨胀、冻结融化等以 及水的渗入、软化效应、地震引起砂土液化等使岩体强度降低而导致边坡失稳。 综合来看，可以总结为，由于外力的作用破坏了岩土体原来的应力平衡状态，改 变原有应力平衡状态，使边坡坍塌。 分开来讲，影响边坡稳定因素主要包括： 1 、斜坡岩石类型和性质。包括边坡的坡高、坡角，岩土的坚硬程度，抗风 化能力，抗软化能力，强度，组成，透水性等； 2 、岩体构造及地质构造。主要指软弱面分布以及结构面的成因、性质、延 展特点和不同方向结构面组合关系的影响； 3 、水文地质条件。它的影响是多方面的，包括软化作用、冲刷作用、静水 压力作用和动水压力作用，还有浮托力作用等； 4 、风化作用的影响，主要体现为风化作用将减弱岩土的强度，改变地下水 的动态； 5 、地震对边坡稳定性的影响。只要是指水平地震力使法向压力削减和下滑 力增强，使边坡易于滑动。此外，强烈的地震振动，使地震带附近的岩体结构松 动，岩体强度降低； 6 、人工活动的开挖，填筑和堆载等人为因素同样可能造成边坡的失稳。 2 2 单一边坡变形机制 单一边坡变形按其机制可分为拉裂、蠕滑和弯折倾倒三种形式。 l 、拉裂 在斜坡岩土体内拉应力集中部位或张力带内，形成的张裂隙变形称为拉裂。 拉裂现象往往出现在由坚硬的岩土体组成的高陡边坡坡肩部位，几乎与坡面平 8 武汉理工大学硕士学位论文 行，当岩体中陡倾斜构造节理较发育时，会加剧拉裂的发展。其空间分布特点是： 上宽下窄，以至尖灭；由坡面向坡里逐渐减少。其危害性是：岩土体完整性遭到 破坏；为风化应力深入到坡土体内部以及地表水、雨水下渗提供了通道，影响边 坡稳定性。 2 、蠕滑 斜坡岩土体沿局部滑移而向临空方向的缓慢剪切变形称为蠕滑。蠕滑发生的 部位，在均质岩土体中一般受最大剪应力迹线控制。当存在软弱结构面时，往往 受缓倾坡外的若面所控制。当边坡基座由很厚的软弱岩土体组成时，坡体可能象 临空方向塑流挤出，就演变成了深层蠕滑。 蠕滑往往不易被人们察觉，因为它不像拉裂变形那样暴露于地表，一般均产 生于坡体内。 3 、弯折倾倒 由陡倾板状岩石组成的边坡，当走向与坡面平行时，在重力的作用下发生向 临空方向同步弯曲的现象称作弯折倾倒。其特征是：弯折角度约2 卜5 0 。；弯 折倾倒程度由地面向深处逐渐减小，一般不会低于坡脚高程；下部岩层往往折断， 张裂隙发育，但岩层不乱，而岩层层面间位移明显；沿岩层面产生反坡向陡砍。 2 3 单一边坡破坏形式 单一边坡而言，其破坏的主要形式包括崩塌、滑坡和倾倒。 l 、崩塌 崩塌指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下，常发生在高陡边坡的前缘地段， 在崩塌过程中，岩体中无明显滑移面。岩块在斜坡上滚落、滑移、碰撞或直接坠 落于坡脚见图2 - 1 。崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方。其起因是由于风化等 原因减弱了节理面的内聚力，或是由于雨水进入裂隙产生水压力所致，或者也可 能是由于气温变化，冻融松动岩石的结果。 图2 - 1 坡面岩体崩塌示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 、滑坡 边坡岩土体沿其内部软弱结构面作整体滑动。按滑动面形状分为平面形滑 坡、楔形滑坡、圆弧形滑坡等，如图2 2 所示；按滑体的岩性分为覆盖层滑坡、 基岩滑坡；按滑动面与层面的关系分为顺层滑坡和切层滑坡；按受力方式或破坏 顺序分为牵引式滑坡、推动式滑坡。 园箩 ( a )( b j( c ) 图2 - 2 边坡滑动破坏示意图 3 、倾倒 边坡内部存在一组与坡面倾向相反且倾角很陡的弱面，它将岩体切割成许多 相互平行的块体，可能发展为倾倒破坏，见图2 - 3 所示。倾倒形态有弯曲式倾倒、 块体倾倒和块体弯曲倾倒。 图2 - 3 边坡倾倒破坏示意图 2 4 地下开采对边坡稳定性影响分析 一般情况下，地下开采对边坡稳定性将产生四方面影响：一是地下开采采区 上覆岩体中将产生冒落带、裂隙带等，露天边坡岩土体的结构性被一定程度破坏， 致使边坡岩土体强度降低；其二是改变了边坡坡体内原有应力平衡状态，应力发 生重分布，致使在采动影响域内边坡不同位置处形成不同的应力变化空间；三是 地下开采后在地表形成移动盆地，不同位置地表沉陷值间的差异导致不同区域边 坡坡度发生改变，改变地表边坡形态；四是改变了边坡中水文地质条件。这四方 面的作用将直接影响边坡岩体的稳定状态。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 露天地下联采边坡变形机制 边坡岩体由于受到自然因素如降雨、风化以及自身流变性影响，会产生一定 变形量u 。，受岩体自重影响，其位移矢量方向大致沿坡面向下。此时地下工程开 挖，破坏岩体内原有应力平衡关系，应力场重新分布，由此引起位移变形w ；，矢 量方向大致指向采空区。两者合成矢量为v ；，合成后矢量方向视各自分量影响大 小而定。随着地下工程量的增加，边坡受到损害程度逐渐增加，变形剧烈，一般 来说，地下采动效应对边坡体的不同空间位置或不同区域的影响与边坡岩体本身 变形所产生的叠加结果是不同的( 如图2 4 ) 。 由于两种采动影响大小和方向在空间位置上不同，在倾向主断面内合成矢量 的大小和方向也是不一致的。从图可以看出，从p 1 到p 3 断面两种采动效应影响 方向之间的夹角逐渐增大，并且在某一位置上两矢量之间的夹角将大于9 0 。， 此时两矢量相互抵消一部分，合成的矢量变小。 一般情况下，两种采动效应叠加之后会表现出影响较大采动效应的特点，如 p 1 点合成后的矢量方向将指向地下采区，也就是该单元体将向地下采区方向移 动。但是合成后的矢量方向一般将不再指向采区几何中心或最大下沉点位置向上 的一侧移动。从上山方向移动边界线至走向主断面e c 之间下沉值呈递增规律， 其变形结果使坡角减小。单单考虑这一坡段，有利于边坡稳定；单从主断面e c 到下山移动边界线之间，边坡下沉值呈递减规律，因而移动的结果使得该坡段坡 角增大，不利于边坡稳定。因此，在主断面上某一点( c 点) 会是下沉值最大的 点，又由于位于地下采区移动边界区域受拉伸变形，地下采区的下山方向的最大 拉裂缝，很容易构成滑坡体的后缘。同时沿地下采区倾向边界附近的拉裂缝，构 成滑体的侧边缘，使滑体与滑床分离，促使滑坡的产生。 一般位于地下采区不同空间位置上，矢量具有三维特性，所以，上山方向一 侧边坡体的合成矢量方向要视地下开采量大小及该测点的空间位置而定，并不能 肯定指向地下采区，也有可能指向坑内，这种变形机制是对边坡表层一定深度以 上而言，但对于边坡体一定深度以下来说，由于露天采动影响逐渐减弱，并在某 一深度以下露天采动没有影响，那么，在这些区域的岩体变形将表现为地下采动 特性。 武汉理工大学硕士学位论文 ( p 、y 一移动角，0 一塌陷角) 图2 - 4 露天地下联合作用边坡变形机制 2 6 露天地下联采边坡破坏形式 地下开采采空区上覆边坡岩体移动受坡面和采空区双重效应控制，并受坡面 力学环境的作用以及覆岩移动的影响，表现为岩体出现塌落、倾倒、拱屈、弯曲 和滑动等变形规律，导致边坡地表发生下沉、崩塌、臌胀、开裂以及滑坡等连续 性和非连续性的变形破坏。基于地下采动对边坡稳定性影响因素分析以及露天地 下联合开采边坡变形机制，可综合判断露天地下联采作用下边坡将整体出现两种 典型的滑动现象，一是岩体沿坡面下滑，二是岩体向深部采空区下滑。 l 、岩体沿坡面下滑 地下开采影响初期，露天边坡岩体基本处于稳定状态，地下工程开挖以后， 边坡应力条件的改变，应力重新分布，采空区上覆岩体变形，使边坡上潜在的滑 亟带上的岩体松动，抗滑力降低，边坡岩体出现不稳定。由于边坡的下沉或塌陷 坑的出现，加大了斜坡上的局部台阶坡面角，改变了原来斜坡岩体的边界条件， 促使滑坡发生。 2 、岩体向采空区下滑 基于露天地下共同作用边坡变形机制，在地下采空区上山边界线与下山边界 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 线之间走向主断面上，会出现最大沉降值点，发展至地表后，则会造成边坡倾向 主断面上，以采空区走向为界，上部边坡局部边坡角加大，下部边坡局部边坡角 减小。露天边坡下地下工程开挖，造成了坡面以下，采空区以上部分岩体出现松 动，存在着滑向采空区临空面的趋势。尤其当露天边坡内存在着通向地下采空区 的节理、断层或层面等软弱结构面时，则岩体优先沿这些软弱结构面滑向采空区。 条件成熟，会出现采空区上覆边坡体出现大面积塌垮现象。 2 7 本章小结 ( 1 ) 论文在广泛查阅资料的基础上，总结影响边坡稳定性因素，主要为： 斜坡岩石类型和性质的影响：岩体构造及地质构造的影响；水文地质条件的影响； 风化作用的影响；地震的影响；人工活动的开挖的影响。这些因素对边坡稳定的 影响主要表现在两方面：一是由于外力的作用，使边坡原有应力平衡状态被打破， 应力重新分布。另一是由于外界环境影响，使岩土体自身强度降低； ( 2 ) 分析单一边坡的变形机制与破坏形式； ( 3 ) 分析露天地下联合开采，边坡变形机制。在露天地下联合采动影响下， 边坡岩体移动表现为新的特征：从上山方向移动边界线至走向主断面之间下沉值 呈递增规律，从主断面到下山移动边界线之间，边坡下沉值呈递减规律，表现在 边坡上即上部边坡局部边坡角加大，下部边坡局部边坡角减小； ( 4 ) 基于露天地下联合开采变形机制，采空区上部岩体主要有两种破坏形 式：一是岩体沿坡面下滑，二是岩体向采空区下滑。 武汉理上大学硕士学位论文 第三章不同倾角矿体开挖对边坡影响规律 3 1 地下矿体分类 地下矿体形状、厚度及倾角，对于矿床开拓和采矿方法的选择，有着直接的 影响。矿床一般按矿体形状、倾角和厚度三个因素进行分类。 1 、按矿体形状分类 ( 1 ) 层状矿床。这类矿床多为沉积或变质沉积矿床。其特点是矿床规模较大， 赋存条件( 倾角、厚度等) 稳定，有用矿物成分组成稳定，其含量较均匀。 ( 2 ) 脉状矿床。此类矿床主要是由于热液和汽化作用，将矿物充填于地壳的 裂隙中生成的矿床。其特点是矿脉与围岩接触处有蚀变现象，矿床赋存条件不稳 定，有用成分含量不均匀。 ( 3 ) 块状矿床。这类矿床主要是充填、接触交代、分离和汽化作用形成的矿 床。它的特点是：矿体大小不一；形状呈不规则的透镜状；矿巢、矿株等产出； 矿体与围岩的界限不明显。 2 、按矿床倾角分类 矿体倾角对于层状矿体指倾斜角，对于柱状矿体指倾伏角( 最大延展方向与 水平投影夹角) 。按倾角不同，将矿体分为以下几类。 表3 - 1 矿体按倾角分类 类： 3 、按矿体厚度分类 矿体厚度是指层状或者板状矿体垂直于层面方向的尺度。主要分为以下几 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 不同倾角矿体开挖对露天边坡影响规律 不同产状矿体开挖，对露天边坡影响是不同的，目前针对多产状矿体对露天 边坡的影响规律研究还不多。当露天转入地下开采，矿山矿体赋存条件复杂时， 往往不容易判断容易发生危险区域。为了研究其影响的一般规律，结合工程实际， 采用室内数值模拟的方法进行分析，探索不同产状矿体开挖影响边坡稳的一般规 律。为了简化模型与计算过程，假设矿体为非煤层状矿体，露天边坡角固定。 地下矿体产状包括矿体的形态、厚度和倾角，露天边坡自身影响因素包括坡 高与边坡角，一般来讲，应该将这些影响因素交互组合进行分析，为简化分析过 程，并结合论文研究工程实际，假设地下矿体为层状，厚度固定，只考虑矿体倾 角一个因素，对于某一确定边坡，边坡角与坡高也是确定的。根据地下矿体分类， 将矿体按倾角分为1 5 。、4 5 。和7 5 。三类。 对于像边坡这样很长的实体，计算模型可以简化为平面应变问题。假设边坡 所承受的外力不随z 轴变化，位移和应变都发生在自身平面内。对于边坡变形和 稳定性分析，该平面假设是合理的。经验表明，边坡影响范围在两倍坡高范围， 故模拟的边坡模型为边坡体横向延伸2 倍坡高，纵向延伸3 倍坡高。如图3 一l 所示。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 6 1 4 3 3 数值模拟 3 3 1 建模 边坡模型 2 图3 - i 边坡模型 3 拐点坐标： 1 ( 0 0 ) 2 ( 7 5 0 o ) 3 ( 7 5 0 ，6 0 0 ) 4 ( 4 5 0 ，6 0 0 ) 5 ( 3 0 0 ，4 0 0 ) 6 ( 0 ，4 0 0 ) 模拟矿体厚度为5 0 m ，采空区高度1 5 m ，隔离层厚度5 0 m 情况下，不同矿体 倾角对边坡稳定性影响规律，不同倾角开挖情况下，建立模型如图3 - 2 到图3 4 ： 图3 - 2 倾角1 5 。模型 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 3 倾角4 5 。模型 图3 - 4 倾角7 5 。模型 模型分为三个部分，上盘围岩、下盘围岩与矿体，具体岩石力力学参数如表 3 - 3 所示。 表3 3 岩石力学参数 _ l _ _ l _ - - _ - l - _ l l _ - - _ _ _ _ _ _ l - _ i l _ _ - _ - _ l _ 岩石类型弹性模量 泊松比 内聚力内摩擦角密度 g p am p a | ok g m 上盘围岩