露天采矿学第10章--露天矿边坡稳定性与维护

1、 2021/2/72 10.1概 述 o露天矿边坡与其他岩土工程边坡相比,具有如下特点: o1）露天矿边坡的规模较大,边坡高度一般为200 300m,最高可达500700m,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。 o2）露天矿边坡一般不维护,故易受风化作用的影响。 o3）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。 2021/2/73 o4）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。 o5）露天矿边坡的不同地段要求有

2、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。 o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。 2021/2/74 10.2影响露天矿边坡稳定性的主要因素 和边坡破坏形式 o10.2.1影响露天矿边坡稳定性的主要因素 o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: o1）岩

3、石的组成 o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。 2021/2/75 o2）岩体结构 o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: o结构面的倾向和倾角 o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。 o结构面的走向 o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

4、向夹角愈大,对边坡的稳定愈有利。 2021/2/76 结构面的组数和数量 o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。 o结构面的不连续性 o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。 2021/2/77 结构面的起伏差和

5、表面性质 o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。 2021/2/78 o3）地下水 o露天

6、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。 o地下水对边坡稳定性的影响主要表现在以下几方面: o静水压力和浮托力 o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。 2021/2/79 2021/2/710 o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: o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。 o当张裂隙中的水沿破坏面继续向下流动

7、,流至坡脚 逸出坡面时,则沿AB面（上图）的总浮托力为: o LZU ww 2 1 2 2 1 wwZ V 2021/2/711 o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。 o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: o csc 2 1 www HhU 2021/2/712 2021/2/713 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,

8、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。 ID w 2021/2/714 水对某些岩石的软化作用 o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

9、岩石的软化作用。 2021/2/715 o4）爆破震动 o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。 o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: o25.4cm/s完整岩体不破坏 25.4261cm/s岩体出现少量剥落 61254cm/s发牛强烈拉伸和径向裂隙 254cm/s岩体完全破碎 2021/2/716 o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: o o利用上述公式计算v值时

10、,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: o )( 3 R Q Kv fva2 2021/2/717 o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

11、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: o o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/ 2021/2/718 o5）其他因素 边坡几何形状 o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 o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

12、及爆破震动等因素有关。 o人为因素 o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。 2021/2/719 10.2.2 露天矿边坡破坏类型 o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: o平面破坏 o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

13、坏。 楔体破坏 o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。 2021/2/720 2021/2/721 圆弧形破坏 o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）。 o以上三种形式破坏的机理主要是剪切破坏。 o倾倒破坏 o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。 2021/2/72

14、2 2021/2/723 10.3边坡稳定性分析与计算 o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。 o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nl时,边坡为不稳定 状态;当n=I时,边坡处于极限平衡状态:当n1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。 2021/2/724 10.3.1 层状结构或单滑面边坡的计算 o在结构面走向、倾向

15、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。 o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: sin tgcos W CLW S T n 2021/2/725 o将上式化简后得: o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。 2sin 4 tg tg h C n 2021/2/726 o除此之外,滑动破坏面的性质也有影响,若滑动破

16、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: o o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。 tg tg n 2021/2/727 10.3.2楔形滑体或双滑面边坡的计 算 o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。 o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

17、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: 2021/2/728 o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C 0,则边坡的稳定性决定于 角与角的相互关系。 o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。 o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

18、系数n1.2为稳定型边坡。 sin ) ( tg tg sin ) (tgcos W AAC W AACW S T n 2021/2/729 10.4 露大矿边坡治理 o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。 o10.4.1露天矿边坡治理方法分类、适用条件及考虑 顺序 o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101。 o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: o1）截住并排

19、出流入不稳定边坡区的地表水; o2）尽量采取疏干措施,降低地下水位; o3）采取削坡减载措施; o4）采取人工加固工程。 2021/2/730 10.4.2 常用具体方法简介 1)对地表水和地下水的治理 o治理地表水和地下水的原则是:防止地表水流入边坡表面裂隙中: 采用疏于措施降低潜在破坏面附近的水压。边坡疏干工程的布置, 一般只限于排除边坡附近的地下水,而不是在广大范围内疏干地下 水。 o边坡疏干的一般方法是; o1）在边坡岩体外面修筑排水沟,排除地面水,防止其流人边坡表面 张裂隙中。对已有的张裂隙应以适当材料及时充填。 o2）钻水平排水孔,降低张裂隙或破坏面附近的水压。 o3）在边坡岩体外围打疏干井,装备深井泵或潜水泵迸行排水,降低 地下水位。疏于高边坡坷设置两个或两个以上排水水平。 o4）地下巷道疏于可用于水文地质条件复杂的重要边坡岩体疏干, 在巷道内可打扇形排水孔,以提高疏干效果。 o在实际工作中,可根据边坡岩体水文地质条件,同时采用多种方法 对地表水和地下水进行综合治理。 2021/2/731 o2）减震爆破 o减震爆破是维护露天矿边坡稳定比较有效的方法,包括: o1）