露天采矿学第10章__露天矿边坡稳定性分析与维护（武汉理工大学+叶海旺）.ppt

露天采矿学，第10章露天矿边坡稳定性的分析和维持，10.1的概要，露天矿边坡与其他岩盘工程边坡相比，1 )露天矿边坡的规模大，边坡高度一般达到200300m，最高达到500700m，边坡可达到数公里，所以边坡暴露地层2 )露天矿边坡不能一般保持，容易受风化作用的影响。 3 )露天矿场的频繁爆破作业和车辆运行，总是在边坡上受到动载荷的作用。 同时，随着开采、运输和其他设备的越来越大型化，边坡台阶的负荷有越来越大的趋势。 4 )露天矿的最终边坡从上到下逐渐形成，上部边坡服务期长，下部边坡服务期短。 5 )根据露天矿边坡的地域不同，要求不同的稳定度。 边坡上部地表不允许变形的情况下，要求的稳定性很高。 边坡有车站、运输路线，下部有采矿作业时，要求的稳定性较高。 在对生产影响少的地区，要求稳定性低。 露天矿边坡稳定性分析和维护涉及岩体工程地质、岩体力学性质试验、边坡稳定性分析和计算、边坡管理和监测、维护等工作。 影响10.2露天矿边坡稳定性的因素和边坡破坏形式，影响10.2.1露天矿边坡稳定性的因素很多，其中岩体的岩石组成、岩体结构和地下水是最主要的因素，还影响爆破和地震、边坡形状等。 现将其主要影响因素介绍如下：1)构成岩石的矿物成分和结构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由岩体中的不连续面(结构面)控制。 影响边坡稳定的岩体构造因素主要是，结构面的倾向和倾斜角一般来说，缓倾斜边坡(结构面的倾向与边坡的倾向一致，倾斜角小于倾斜角)的稳定性差于逆倾斜度。 在同方向的缓倾斜坡上，岩层倾斜角陡，稳定性差的水平岩层的稳定性好。 当结构面朝向不利的结构面朝向与坡面平行时，整个坡面有临空自由滑动的条件，不利于两面坡面的稳定。 结构面方向和斜面方向的角度越大，对边斜面的稳定越有利。 构造面的组数和数量边坡被多组交叉构造面切断时，边坡岩体整体自由变形的馀地大，断面、折动面和临空面多，容易形成折动块体，且为地下水活动提供了很好的条件，对边坡稳定不利。 其次，构造面的数量直接影响被切断的岩块的大小，不仅影响边坡的稳定性，还影响边坡变形破坏的形式。 岩体严重破碎的边坡，会发生土质边坡那样的圆弧状的滑动破坏。 在边坡稳定计算中，结构面的不连续性通常假定为结构面连续，但实际上不是。 因此在解决实际工程问题时，认真研究了结构面的不连续性，具有现实意义。 结构面的起伏差和表面结构面的光滑度对结构面的力学性质有很大影响。 当边坡岩体沿着起伏的构造面折动时，如果可能发生两种情况的上霸压力不大，不仅要克服面上的摩擦阻力，还要克服表面起伏引起的上坡角的阻力，因此低正应力时，起伏差会增大有效摩擦角。 另一个是，在结构方面的正应力过大，滑动过程中不允许上坡引起的岩体膨胀的情况下，发生滑动的条件是，在结构方面必须剪切相互咬合的起伏岩，因此结构方面的剪切性能大幅度提高。 当填充在结构面上的软弱物质的厚度大于起伏差的高度时，以软弱填充物的剪切强度为计算依据，不要考虑起伏差的影响。(3)地下水露天矿的滑坡多发生在雨季和解冻期间，地下水二面坡的稳定性的影响显着。 边坡稳定性研究要详细研究和定量评价岩体中地下水的赋存状况、动态变化、边坡稳定性的影响、预防措施等。 地下水二面坡稳定性的影响主要表现在以下方面：当静水压力和悬浮力出现地下水附着在岩石裂缝上时，水在裂缝的两壁上产生静水压力。 当水填充到由、边坡岩体位移产生的张裂缝中时，沿裂缝壁产生的静水压力，静水压力的作用方向与裂缝壁垂直，作用点位于Zw的下三分之一。 这个静水压力厂是促进边坡破坏的推动力。 张裂隙的水沿着破坏面继续向下流动，流向斜坡时，沿着AB面(上图)的总浮起力与沿着AB面的正应力的方向相反，抵消一部分正应力的作用，减少沿着该面的摩擦力，对边的斜面变得稳定不利。 岩体破碎，地下水比较均匀地渗透到岩体中，形成如下图所示的统一潜水面，并且当折动面为平面时，作用于折动面的浮力可以用折动面下描绘的三角形水压分布来表示。 总浮力可以用下式计算：动水压(或渗透力)当地污水在土体或破碎岩体中流动时，受到土粒子或岩石破碎块的阻力，水流动时，为了克服对水的阻力，必须对它们施加力。 这个力称为动水压或渗透力。 动水压力的作用方向与渗透方向一致。 动水压用d表示，动水压为体积力，其方向与水流方向一致。 计算土边坡和散体结构的岩石边坡时，必须考虑动水压的作用。 水在某岩石具有软化作用的粘土质岩石浸水后发生软化作用，岩石强度显着降低，如蒙脱石粘土矿物岩体和边坡中泥质弱的三明治等。 对于主要由硬岩浆岩、变质岩构成的边坡岩体，水的软化作用一般不显着，但在这些边坡的断层破碎带中存在很多粘十质填充物，在研究这些断裂的强度和稳定性时，要特别注意水对这些岩石的软化作用。 4 )爆破振动露天矿爆破产生的地震波，对潜在的破坏面施加多馀的动应力，扩大岩石的节理面，破碎岩石，促进边坡破坏，在边坡稳定分析中必须考虑这个附加的应力。 专业研究表明，爆破振动对岩体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通过以下临界速度估计： 25.4cm/s完全岩体不被破坏25.4261cm/s岩体略微剥落的61254cm/s牛的强拉伸和径向裂缝 254cm/s岩体在边坡稳定性计算中，通常将v值转换为振动力，而不是直接参照v值。 变换的程序取爆破地震的实测图像，将爆破波的主振动相作为正弦波处理，从共振式求出爆破地震引起的质点加速度，分析边坡稳定性，为了安全，将上式计算出的a值作为水平加速度。 如果考虑作用于岩石质点的振动力是体积力，则知道水平加速度a的值，就决定了各质点的振动的水平力。 为了简化计算，设该水平力为岩体重力的Ka倍，即F=KaW，Ka=a/g。 式中，f是通向坑道的水平振动力，w是滑动体重力，g是重力加速度。如果考虑到爆破振动的频度高和作用短的话，在边坡稳定分析中，自然地震和爆破振动有时会对相同的边坡稳定造成危害，在边坡稳定性分析中也必须考虑，一般用与爆破振动相同的方法处理，其加速度可以以预期的震度进行选择。 5 )其他要素边坡几何形状在边坡向采场突出时，由于岩体侧受到拉力，岩体的拉力阻力淮低，边坡稳定条件差的边坡向采场凹陷时，边坡岩体向侧方受到压力，边坡比较稳定。 风化作用风化作用使边坡岩体随时间破坏而失稳。 通常风化速度与岩石本身的矿物成分、结构和后期侵蚀有关，与湿度、温度、降雨、地下水及爆破振动等因素有关。 人为因素对影响边坡稳定的因素认识不足，在生产中常常人为地促进边坡的破坏。 例如，如果在边坡上堆积了废石、设备和建筑师等，增加了边坡的耐力，增加了岩体的下降力，或者挖掘出了坡地的脚，减少了岩体的滑动阻力，就会使边坡的稳定条件恶化，导致边坡的破坏。 10.2.2露天矿边坡破坏类型、露天矿边坡破坏类型，主要受岩体的工程地质条件，尤其是岩体构造面的控制。 常见的破坏形式有以下4种：平面破坏、边坡、坡面、坡面、坡面、坡面中一组结构面接近于坡面的倾向时，其倾斜角为坡面角楔体破坏一般在边坡中发生两组结构面和边坡斜交，相互形成楔形休。 当两结构面的组合交线倾向接近于边坡倾向，倾斜角小于斜面角且大于摩擦角时容易发生这种破坏(下图b )。 在坚硬的岩体中露天矿的台阶往往以这种形式被破坏。圆弧状破坏折动面为圆弧状。 土体滑坡一般是此形式，散体构造岩体、坡高大的破碎岩体边坡也可以此形式破坏(下图c )。 以上三种形式的破坏机制主要是剪切破坏。 翻倒破坏岩体中构造面和层面变得陡峭的话，岩体翻倒破坏(下图d )。 其破坏机制与以上三种不同，岩体在重力作用下向外弯曲塌陷。10.3边坡稳定性分析和计算，露天矿边坡稳定性分析方法大致分为岩体构造分析法、数学模型分析法和工程参数类比法。 在此简单介绍了露天矿边坡平面滑动和楔形滑动的稳定性极限平衡法。 极限平衡法是基于平衡理论的数学模型计算分析方法。 主要根据在边坡破坏面上抵抗破坏的抵抗力与破坏力之比n来判定。 当n1时，边坡处于稳定状态，n值越大，边坡越稳定。 n的值称为边坡稳定系数。 该计算方法是结合岩体结构的特征进行的。 10.3.1层状结构或单滑边坡的计算，在结构面的方向、倾向与边坡的方向、倾向大致一致时，其稳定性的计算可沿着滑面的方向取单幅剖面，在平面问题上进行讨论，见下图。 折动岩体因自重而稳定，是由折动破坏的滑动力s和折动面上的滑动阻力t的关系决定的。 其稳定系数式：将上式化简化得到： n-1的情况下，层状构造和单滑边坡很稳定。 由上式可知，在这种边坡稳定性评价中，折动破坏面AB的长度的影响不大，但与折动岩体的高度h、折动破坏面倾斜角a的关系越大，即h和a的值越大，边坡的稳定性越低。此外，对折动破坏面的性质也有影响，折动破坏面弱，或泥质层、泥化三明治，光滑平坦，结构面上的凝聚力小，或接近零时，折动岩体的稳定性主要是内摩擦角的大小，这种情况下，折动破坏面的倾斜角a大于内摩擦角降低价格的要素，例如地下水的作用、爆破振动等，会促进露天矿边坡的失稳。 10.3.2楔形滑体或双滑面、坡面、坡面、坡面、坡面、坡面、坡面中的ABD面、BCD面是2 假设两个面的交线和边坡正交。 交线的倾向与边坡的倾向大致一致，倾斜角为两个面的c，值相似，设楔形体(ABCD )的自重为w，则滑动破坏力S=Wsin，滑动阻力t=wcostgc (a)。 稳定系数式由：上式可知，角越大，边坡越不稳定。 滑动破坏面为松软面时，即C0时，边坡的稳定性取决于角和角的相互关系。 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比较准确。 因为参数的变化可能会对稳定材料系数的计算结果产生很大的影响。 我国露天矿山在对边坡的稳定性分析和维护中总是采用边际平衡分析法确定边坡的稳定性。 一般来说，稳定性系数n1.2是稳定型边坡。 10.4露大矿边坡管理、不稳定边坡给露天矿生产带来的危害和影响是巨大的。 因此，矿山必须高度重视对不稳定的边坡的监测，适时研究适当的工程技术树管理措施，确保生产者和设备的安全。 10.4.1露天矿边坡管理方法的分类、适用条件及考虑顺序不稳定的边坡的管理措施分为三种，其具体措施、作用原理及适用条件如教科书表10-1所示。 不稳定边坡的管理工作应按一定顺序进行，反映了各种管理措施的优先顺序。 不稳定边坡管理工程的想法是，1 )堵住流入不稳定边坡区的地表水并排出；2 )尽量采取疏干措施，降低地下水位；3 )采取削坡减荷措施；4 )采取人工加固工程。10.4.2常用的具体方法介绍，1 )对地表水和地下水的地表水和地下水管理原则是，防止地表水流入边坡表面裂缝：采用稀疏措施降低潜在破坏面附近的水压。 边坡疏干工程的配置一般仅限于排除边坡附近的地下水，而不是在大范围内疏干地下水。 边坡疏干的一般方法是：1)在边坡岩体外建设排水沟，排除地面水，防止其流人边坡表面裂缝。 现有的张裂缝必须及时填充适当的材料。 2 )开设水平排水孔，降低撕裂和破坏面附近的水压。 3 )在边坡岩体周围打干井，装备深井泵和潜水泵排水，降低地下水位。 忽略高边坡，设定2个以上的排水水平。 4 )地下巷道用于水文地质条件复杂的重要边坡岩体的疏干，在巷道内开设扇形排水孔，能提高疏干效果。 在实际工作中，根据边坡岩体的水文地质条件，可同时用各种方法对地表水和地下水进行综合管理。 2 )减震爆破减震爆破是保持露天矿边坡稳定的有效方法；1 )减少各段延烧爆炸的炸药量，使冲击波振幅保持在最小范围内的各段延爆炸的最佳炸药量应根据具体的矿山条件试验来决定。 2 )预裂爆破是改善目前国内外广泛采用的矿山最终边坡情况的最佳方法。该方法是在最终的边坡面上挖掘倾斜的小径炮孔，在生产炮孔破裂前引爆这些孔，形成裂缝，反射生产爆破引起的地震波，保护最终的边坡不受破坏。 3 )缓冲爆破是指预裂纹爆破带和生产爆破带之间开孔的距离比预裂纹孔大，比生产孔小的炮孔。 其起爆顺序是预裂爆破和生产爆破问题，形成爆破地震波的吸收区域，进一步减弱通过预裂带传递到坡面的地震波，使边坡岩体保持健康状态。 3 )露天矿边坡人工加固目前国内外矿山边坡人工加固中，广泛采用防滑桩、金属锚和锚固，辅助混凝土边坡和喷涂防渗