露天采礦學(xué)第10章--露天礦邊坡穩(wěn)定性與維護(hù)

1、 2021/2/72 10.1概 述 o露天礦邊坡與其他巖土工程邊坡相比,具有如下特點(diǎn): o1）露天礦邊坡的規(guī)模較大,邊坡高度一般為200 300m,最高可達(dá)500700m,邊坡走向延伸可達(dá)數(shù)公 里,因而邊坡揭露地層多,邊坡各部分的地質(zhì)條件差異大, 變化復(fù)雜。 o2）露天礦邊坡一般不維護(hù),故易受風(fēng)化作用的影響。 o3）露天礦場(chǎng)頻繁的爆破作業(yè)和車輛運(yùn)行,使邊坡經(jīng)常 受到動(dòng)荷載的作用。同時(shí)隨著采掘、運(yùn)輸及其他設(shè)備 日益大型化,邊坡臺(tái)階的負(fù)荷有日益增大的趨勢(shì)。 2021/2/73 o4）露天礦的最終邊坡由上至下逐漸形成,上部邊坡 服務(wù)期長(zhǎng),下部邊坡服務(wù)期則相對(duì)較短。 o5）露天礦邊坡的不同地段要求有

2、不同的穩(wěn)定程度。 邊坡上部地表有重要建筑物不允許變形時(shí),要求的 穩(wěn)定程度高。邊坡上有站場(chǎng)、運(yùn)輸線路,下部有采 礦作業(yè)時(shí),要求的穩(wěn)定程度較高。對(duì)生產(chǎn)影響不大 的地段,穩(wěn)定程度可要求低一些。 o露天礦邊坡穩(wěn)定性分析與維護(hù)涉及巖體工程地質(zhì)、 巖體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算、邊坡 治理和監(jiān)測(cè)、維護(hù)等工作。 2021/2/74 10.2影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的主要因素 和邊坡破壞形式 o10.2.1影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的主要因素 o影響露天礦邊坡穩(wěn)定的因素較多,其中巖體的巖石 組成、巖體構(gòu)造和地下水是最主要的因素,此外,爆 破和地震、邊坡形狀等也有一定影響。現(xiàn)將其主要 影響因素介紹如下: o1）巖

3、石的組成 o巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)巖石的工程地質(zhì)性質(zhì) 起主要作用,通常,強(qiáng)度高的巖石邊坡穩(wěn)定性也高,片 理、層理發(fā)育的巖石邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較差。 2021/2/75 o2）巖體結(jié)構(gòu) o邊坡巖體的破壞主要受巖體中不連續(xù)面（結(jié)構(gòu)面） 的控制。影響邊坡穩(wěn)定的巖體結(jié)構(gòu)因素主要包括下 列幾方面: o結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角 o一般來說,同向緩傾邊坡（結(jié)構(gòu)面傾向和邊坡坡面傾 向一致, 傾角小于坡角）的穩(wěn)定性較反向坡差。同 向緩傾坡中,巖層傾角愈陡,穩(wěn)定性愈差;水平巖層穩(wěn) 定性較好。 o結(jié)構(gòu)面的走向 o當(dāng)傾向不利的結(jié)構(gòu)面走向和坡面平行時(shí),整個(gè)坡面都 具有臨空自由滑動(dòng)的條件,對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。結(jié)構(gòu) 面走向與坡面走

4、向夾角愈大,對(duì)邊坡的穩(wěn)定愈有利。 2021/2/76 結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和數(shù)量 o當(dāng)邊坡受多組相交的結(jié)構(gòu)面切割時(shí),整個(gè)邊坡巖體 自由變形的余地大,切割面、滑動(dòng)面和臨空面多,易 于形成滑動(dòng)的塊體,而且為地下水活動(dòng)提供了較好 的條件,對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。其次,結(jié)構(gòu)面的數(shù)量直接 影響到被切割的巖塊的大小,它不僅影響邊坡的穩(wěn) 定性,也影響邊坡變形破壞的形式。巖體嚴(yán)重破碎 的邊坡,甚至?xí)霈F(xiàn)類似土質(zhì)邊坡那樣的圓弧形滑 動(dòng)破壞。 o結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)性 o在邊坡穩(wěn)定計(jì)算中,通常假定結(jié)構(gòu)面是連續(xù)的,實(shí)際 并非如此。因此,在解決實(shí)際工程問題時(shí),認(rèn)真研究 結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)性,具有現(xiàn)實(shí)意義。 2021/2/77 結(jié)構(gòu)面的起伏差和

5、表面性質(zhì) o結(jié)構(gòu)面的光滑程度對(duì)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)影響極大。 邊坡巖體沿起伏不平的結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)時(shí),可能出現(xiàn)兩 種情況;如果上覆壓力不大,則除了要克服面上的摩 擦阻力外,還必須克服因表面起伏所帶來的爬坡角 的阻力,因此,在低正應(yīng)力情況下,起伏差將使有效 摩擦角增大。另一種情況是當(dāng)結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力過 大,在滑動(dòng)過程中不允許因?yàn)榕榔露a(chǎn)生巖體的隆 脹時(shí),則出現(xiàn)滑動(dòng)的條件必須是剪斷結(jié)構(gòu)面上互相 咬合的起伏巖石,因而結(jié)構(gòu)面的抗剪性能大為提高。 如果結(jié)構(gòu)面上充填的軟弱物質(zhì)的厚度大于起伏差的 高度時(shí),就應(yīng)當(dāng)以軟弱充填物的抗剪強(qiáng)度為計(jì)算依 據(jù),不應(yīng)再把起伏差的影響考慮在內(nèi)。 2021/2/78 o3）地下水 o露天

6、礦的滑坡多發(fā)生在雨季或解凍期間,說明地下 水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是很顯著的。在邊坡穩(wěn)定性 研究中,對(duì)巖體中地下水的賦存情況、動(dòng)態(tài)變化、 對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,以及防治措施等都要進(jìn)行詳 細(xì)研究并做出定量評(píng)價(jià)。 o地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面: o靜水壓力和浮托力 o當(dāng)?shù)叵滤x存于巖石裂隙中時(shí),水對(duì)裂隙兩壁產(chǎn)生 靜水壓力,如下圖所示。 2021/2/79 2021/2/710 o當(dāng)由于邊坡巖體位移而產(chǎn)生的張裂隙充水時(shí),則沿 裂隙壁產(chǎn)生的靜水壓力為: o靜水壓力作用方向垂直于裂隙壁,作用點(diǎn)在Zw的下 三分之一處。此靜水壓力廠是促使邊坡破壞的推動(dòng) 力。 o當(dāng)張裂隙中的水沿破壞面繼續(xù)向下流動(dòng)

7、,流至坡腳 逸出坡面時(shí),則沿AB面（上圖）的總浮托力為: o LZU ww 2 1 2 2 1 wwZ V 2021/2/711 o此力和沿AB面作用的正應(yīng)力方向相反,抵消 一部分正應(yīng)力的作用,從而減小了沿該面的 摩擦力,對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。 o當(dāng)巖體比較破碎,地下水在巖體中比較均勻 地滲透,并形成如下圖所示的統(tǒng)一的潛水面, 而且當(dāng)滑動(dòng)面為平面時(shí),則作用于滑面上的 浮托力可用滑面下所畫的三角形水壓分布來 表示?？偢⊥辛捎孟率接?jì)算: o csc 2 1 www HhU 2021/2/712 2021/2/713 動(dòng)水壓力（或滲透力） 當(dāng)?shù)叵滤谕馏w或碎裂巖體中流動(dòng)時(shí),受到土顆粒 或巖石碎塊的阻力,

8、水要流動(dòng)就得對(duì)它們施加作用 力以克服它們對(duì)水的阻力,這種作用力稱為動(dòng)水壓 力或滲透力。動(dòng)水壓力作用方向與滲透方向一致。 動(dòng)水壓力用D表示: 動(dòng)水壓力是一種體積力,其方向與水流方向一致。 在計(jì)算土邊坡和散體結(jié)構(gòu)的巖石邊坡時(shí),要考慮動(dòng) 水壓力的作用。 ID w 2021/2/714 水對(duì)某些巖石的軟化作用 o某些粘土質(zhì)巖石浸水后發(fā)生軟化作用,巖石 強(qiáng)度顯著降低,如含有大量蒙脫石粘土礦物 巖體或邊坡中的泥質(zhì)軟弱夾層等。對(duì)于主要 是由堅(jiān)硬的巖漿巖、變質(zhì)巖構(gòu)成的邊坡巖體, 水的軟化作用一般不顯著,但這些邊坡的斷 層破碎帶中常有大量粘十質(zhì)充填物存在,在 研究這些斷裂而的強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí),要特別 注意水對(duì)這些

9、巖石的軟化作用。 2021/2/715 o4）爆破震動(dòng) o露天礦爆破產(chǎn)生的地震波,給潛在破壞面施以額外 的動(dòng)應(yīng)力,可使巖石節(jié)理面張開,甚至使巖石破碎, 促使邊坡破壞,在邊坡穩(wěn)定分析中必須考慮此附加 外應(yīng)力。 o專門研究表明,爆破震動(dòng)對(duì)巖體造成的損害取決于 巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的大小。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的影響可 用下列臨界速度估計(jì): o25.4cm/s完整巖體不破壞 25.4261cm/s巖體出現(xiàn)少量剝落 61254cm/s發(fā)牛強(qiáng)烈拉伸和徑向裂隙 254cm/s巖體完全破碎 2021/2/716 o對(duì)于爆破造成的巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,目前研究尚不 充分,通常采用下列經(jīng)驗(yàn)公式確定: o o利用上述公式計(jì)算v值時(shí)

10、,必須先通過爆破試驗(yàn)確定 系數(shù)K和a。在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),一般不直接引用v 值,而要將其轉(zhuǎn)換為振動(dòng)力。轉(zhuǎn)換的程序是取爆破 地震的實(shí)測(cè)圖譜,把爆破波的主振相作為正弦波處 理,根據(jù)諧振公式求出爆破地震造成的質(zhì)點(diǎn)加速度: o )( 3 R Q Kv fva2 2021/2/717 o分析邊坡穩(wěn)定性,為了安全起見,將上式計(jì)算所得的a值 視為水平加速度?？紤]到作用在巖石質(zhì)點(diǎn)上的振動(dòng)力 屬于體積力,故已知水平加速度a值后,即確定各質(zhì)點(diǎn)振 動(dòng)的水平力。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,取此水平力為巖體重力的 Ka倍,即F=KaW,Ka=a/g。式中F為指向礦坑的水平振動(dòng) 力,W為滑體重力,g為重力加速度?？紤]到爆破震動(dòng)頻 率高

11、和作用時(shí)問短,在邊坡穩(wěn)定分析中,一般還要將此 動(dòng)荷載通過下式轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃ъo荷載P,即: o o天然地震和爆破震動(dòng)一樣也會(huì)給邊坡穩(wěn)定造成危害,在 邊坡穩(wěn)定性分析中也必須考慮,一般按與爆破震動(dòng)相同 的方法處理,其加速度可按預(yù)計(jì)的地震烈度選取。 gWaP/ 2021/2/718 o5）其他因素 邊坡幾何形狀 o當(dāng)邊坡向采場(chǎng)凸出時(shí),巖體側(cè)向受拉力,由于巖體抗拉能力淮低, 此時(shí)邊坡穩(wěn)定條件差;當(dāng)邊坡向采場(chǎng)凹進(jìn)時(shí),邊坡巖體側(cè)向受壓, 邊坡比較穩(wěn)定。 風(fēng)化作用 o風(fēng)化作用可使邊坡巖體隨時(shí)間推移不斷產(chǎn)生破壞而失穩(wěn)。通常, 風(fēng)化速度與巖石本身的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和后期蝕變有關(guān),同 時(shí)也與濕度、溫度、降雨、地下水以

12、及爆破震動(dòng)等因素有關(guān)。 o人為因素 o由于對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的因素認(rèn)識(shí)不足,在生產(chǎn)中往往人為地促使 邊坡破壞。如在邊坡上堆積廢石和設(shè)備以及建筑房屋等,加大了 邊坡上的承重,增加了巖體的下滑力;或挖掘坡腳,減小了巖體的 抗滑力,這些都會(huì)使邊坡穩(wěn)定條件惡化,甚至導(dǎo)致邊坡破壞。 2021/2/719 10.2.2 露天礦邊坡破壞類型 o露天礦邊坡破壞類型,主要是受巖體的工程地質(zhì)條件特別是 巖體結(jié)構(gòu)面的控制。常見的破壞形式有以下四種: o平面破壞 o邊坡沿一主要結(jié)構(gòu)面如層面、節(jié)理、斷層或?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)面發(fā) 生滑動(dòng)（下圖a）。邊坡中如有一組結(jié)構(gòu)面與邊坡傾向相近, 且其傾角小于邊坡角而大于其摩擦角時(shí),容易發(fā)生這類破

13、壞。 楔體破壞 o一般發(fā)生在邊坡中有兩組結(jié)構(gòu)面與邊坡斜交,且相互交成楔 形休。當(dāng)兩結(jié)構(gòu)面的組合交線傾向與邊坡傾向相近,傾角小 于坡面角而大于其摩擦角時(shí),容易發(fā)生這類破壞（下圖 b）。 堅(jiān)硬巖體中露天礦臺(tái)階大多是以這種形式破壞的。 2021/2/720 2021/2/721 圓弧形破壞 o滑動(dòng)面為圓弧形。土體滑坡一般是此種形式,散體 結(jié)構(gòu)巖體或坡高很大的碎裂巖體邊坡也可以此種形 式破壞（下圖c）。 o以上三種形式破壞的機(jī)理主要是剪切破壞。 o傾倒破壞 o當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面或?qū)用婧芏笗r(shí),巖體發(fā)生傾倒破壞 （下圖d）。其破壞機(jī)理與以上三種不同,它是在重 力作用下巖塊向外向下彎曲塌落。 2021/2/72

14、2 2021/2/723 10.3邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算 o露天礦邊坡穩(wěn)定性分析方法,大體上可分為巖體結(jié) 構(gòu)分析法、數(shù)學(xué)模型分析法和工程參數(shù)類比法。這 里僅簡(jiǎn)單介紹露天礦邊坡平面滑動(dòng)和楔形滑動(dòng)的穩(wěn) 定性極限平衡法。 o極限平衡法是一種基于平衡理論的數(shù)學(xué)模型計(jì)算分 析方法。主要根據(jù)邊坡破壞面上抵抗破壞的阻力與 破壞力的比值n進(jìn)行判定。當(dāng)nl時(shí),邊坡為不穩(wěn)定 狀態(tài);當(dāng)n=I時(shí),邊坡處于極限平衡狀態(tài):當(dāng)n1時(shí), 邊坡才處于穩(wěn)定狀態(tài),n值越大,邊坡愈穩(wěn)定。n值稱 為邊坡穩(wěn)定系數(shù)。這種計(jì)算方法是結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特 征進(jìn)行的。 2021/2/724 10.3.1 層狀結(jié)構(gòu)或單滑面邊坡的計(jì)算 o在結(jié)構(gòu)面走向、傾向

15、與邊坡走向、傾向基本 一致的情況下,其穩(wěn)定性計(jì)算可沿滑面走向 取一單寬剖面,按平面問題討論,見下圖。 o滑動(dòng)巖體在自重力作用下的穩(wěn)定,決定于滑 動(dòng)破壞的下滑力S與滑面上抗滑力T的關(guān)系。 其穩(wěn)定系數(shù)公式為: sin tgcos W CLW S T n 2021/2/725 o將上式化簡(jiǎn)后得: o當(dāng)n1時(shí),層狀結(jié)構(gòu)或單滑面邊坡是穩(wěn)定的。 從上式可看出:在這類邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中,滑 動(dòng)破壞面AB的長(zhǎng)度影響不大,而與滑動(dòng)巖體 高度h、滑動(dòng)破壞面傾角a關(guān)系較大,即h和a 值愈大,則邊坡的穩(wěn)定性愈低。 2sin 4 tg tg h C n 2021/2/726 o除此之外,滑動(dòng)破壞面的性質(zhì)也有影響,若滑動(dòng)破

16、壞 面軟弱,或?yàn)槟噘|(zhì)層、泥化夾層,且光滑平整,結(jié)構(gòu) 面上的內(nèi)聚力很小或接近于零,則滑動(dòng)巖體的穩(wěn)定 性主要決定于內(nèi)摩擦角的大小,即: o o在此情況下,當(dāng)滑動(dòng)破壞面的傾角a大于內(nèi)摩擦角 時(shí),邊坡不穩(wěn)定。凡能降低值的因素,如地下水的 作用、爆破震動(dòng)等,都會(huì)促使露天礦邊坡失穩(wěn)。 tg tg n 2021/2/727 10.3.2楔形滑體或雙滑面邊坡的計(jì) 算 o當(dāng)邊坡巖體中出現(xiàn)兩組結(jié)構(gòu)面與邊坡斜交,兩著傾 向相反,其交線與邊坡走向接近直交,則巖體可能呈 楔形滑動(dòng),如下圖所示。 o圖中的 ABD面BCD面為兩個(gè)可能的滑動(dòng)破壞,其面 積分別為A和 A,兩個(gè)面的交線（BD）方向?yàn)榭赡?滑動(dòng)方向。設(shè)兩個(gè)面的交

17、線與邊坡走向直交交線 傾向與邊坡傾向基本一致,傾角為,兩個(gè)面的C、 值是相近似的,楔形體（ABCD）自重力為W,則滑動(dòng) 破壞力S=Wsin ,抗滑動(dòng)力T=Wcos tg +C(A+A)。 穩(wěn)定系數(shù)公式為: 2021/2/728 o從上式可以看出,角愈大則邊坡愈不穩(wěn)定。當(dāng)滑動(dòng) 破壞面為軟弱面時(shí),即C 0,則邊坡的穩(wěn)定性決定于 角與角的相互關(guān)系。 o極限平衡分析計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中必須具備兩個(gè)條件: 一是基礎(chǔ)資料的完整性;二是各種參數(shù)要相對(duì)準(zhǔn)確。 因?yàn)閰?shù)的變化可能對(duì)穩(wěn)定件系數(shù)的計(jì)算結(jié)果帶來 較大影響。 o我國(guó)露天礦山在對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析與維護(hù)中,常采 用極限平衡分析法來確定邊坡的穩(wěn)定性。一般取穩(wěn) 定性

18、系數(shù)n1.2為穩(wěn)定型邊坡。 sin ) ( tg tg sin ) (tgcos W AAC W AACW S T n 2021/2/729 10.4 露大礦邊坡治理 o不穩(wěn)定邊坡給露天礦生產(chǎn)帶來的危害與影響是巨大的。因此, 礦山應(yīng)十分重視不穩(wěn)定邊坡的監(jiān)控,并及時(shí)研究采取合適的 工程技木治理措施,從而確保生產(chǎn)人員和設(shè)備的安全。 o10.4.1露天礦邊坡治理方法分類、適用條件及考慮 順序 o不穩(wěn)定邊坡的治理措施可分為三大類,其具體措施、作用原 理及適用條件見課本表101。 o不穩(wěn)定邊坡的治理工作應(yīng)按一定程序進(jìn)行,它反映了各治理 措施的輕重緩急次序。不穩(wěn)定邊坡治理工程的考慮順序是: o1）截住并排

19、出流入不穩(wěn)定邊坡區(qū)的地表水; o2）盡量采取疏干措施,降低地下水位; o3）采取削坡減載措施; o4）采取人工加固工程。 2021/2/730 10.4.2 常用具體方法簡(jiǎn)介 1)對(duì)地表水和地下水的治理 o治理地表水和地下水的原則是:防止地表水流入邊坡表面裂隙中: 采用疏于措施降低潛在破壞面附近的水壓。邊坡疏干工程的布置, 一般只限于排除邊坡附近的地下水,而不是在廣大范圍內(nèi)疏干地下 水。 o邊坡疏干的一般方法是; o1）在邊坡巖體外面修筑排水溝,排除地面水,防止其流人邊坡表面 張裂隙中。對(duì)已有的張裂隙應(yīng)以適當(dāng)材料及時(shí)充填。 o2）鉆水平排水孔,降低張裂隙或破壞面附近的水壓。 o3）在邊坡巖體外圍打疏干井,裝備深井泵或潛水泵迸行排水,降低 地下水位。疏于高邊坡坷設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上排水水平。 o4）地下巷道疏于可用于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的重要邊坡巖體疏干, 在巷道內(nèi)可打扇形排水孔,以提高疏干效果。 o在實(shí)際工作中,可根據(jù)邊坡巖體水文地質(zhì)條件,同時(shí)采用多種方法 對(duì)地表水和地下水進(jìn)行綜合治理。 2021/2/731 o2）減震爆破 o減震爆破是維護(hù)露天礦邊坡穩(wěn)定比較有效的方法,包括: o1）