礦床露天采礦-露天礦邊坡穩(wěn)定性分析與維護概述

礦床露天開采第10章露天礦邊坡穩(wěn)定性分析與維護第一頁，共三十五頁。10.1概述露天礦邊坡與其他巖土工程邊坡相比，具有如下特點：1）露天礦邊坡的規(guī)模較大，邊坡高度一般為200～300m，最高可達500～700m，邊坡走向延伸可達數(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。2）露天礦邊坡一般不維護，故易受風(fēng)化作用的影響。3）露天礦場頻繁的爆破作業(yè)和車輛運行，使邊坡經(jīng)常受到動荷載的作用。同時隨著采掘、運輸及其他設(shè)備日益大型化，邊坡臺階的負(fù)荷有日益增大的趨勢。第二頁，共三十五頁。4）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，下部邊坡服務(wù)期則相對較短。5）露天礦邊坡的不同地段要求有不同的穩(wěn)定程度。邊坡上部地表有重要建筑物不允許變形時，要求的穩(wěn)定程度高。邊坡上有站場、運輸線路，下部有采礦作業(yè)時，要求的穩(wěn)定程度較高。對生產(chǎn)影響不大的地段，穩(wěn)定程度可要求低一些。露天礦邊坡穩(wěn)定性分析與維護涉及巖體工程地質(zhì)、巖體力學(xué)性質(zhì)試驗、邊坡穩(wěn)定性分析與計算、邊坡治理和監(jiān)測、維護等工作。第三頁，共三十五頁。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10.2.1影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的主要因素影響露天礦邊坡穩(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?，F(xiàn)將其主要影響因素介紹如下：1）巖石的組成

巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造對巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)起主要作用，通常，強度高的巖石邊坡穩(wěn)定性也高，片理、層理發(fā)育的巖石邊坡穩(wěn)定性相對較差。第四頁，共三十五頁。2）巖體結(jié)構(gòu)

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：結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角一般來說，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。結(jié)構(gòu)面的走向當(dāng)傾向不利的結(jié)構(gòu)面走向和坡面平行時，整個坡面都具有臨空自由滑動的條件，對邊坡的穩(wěn)定不利。結(jié)構(gòu)面走向與坡面走向夾角愈大，對邊坡的穩(wěn)定愈有利。

第五頁，共三十五頁。結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和數(shù)量

當(dāng)邊坡受多組相交的結(jié)構(gòu)面切割時，整個邊坡巖體自由變形的余地大，切割面、滑動面和臨空面多，易于形成滑動的塊體，而且為地下水活動提供了較好的條件，對邊坡穩(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破壞。

結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)性

在邊坡穩(wěn)定計算中，通常假定結(jié)構(gòu)面是連續(xù)的，實際并非如此。因此，在解決實際工程問題時，認(rèn)真研究結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)性，具有現(xiàn)實意義。

第六頁，共三十五頁。結(jié)構(gòu)面的起伏差和表面性質(zhì)

結(jié)構(gòu)面的光滑程度對結(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)面滑動時，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，在滑動過程中不允許因為爬坡而產(chǎn)生巖體的隆脹時，則出現(xiàn)滑動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，就應(yīng)當(dāng)以軟弱充填物的抗剪強度為計算依據(jù)，不應(yīng)再把起伏差的影響考慮在內(nèi)。

第七頁，共三十五頁。3）地下水

露天礦的滑坡多發(fā)生在雨季或解凍期間，說明地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響是很顯著的。在邊坡穩(wěn)定性研究中，對巖體中地下水的賦存情況、動態(tài)變化、對邊坡穩(wěn)定性的影響，以及防治措施等都要進行詳細(xì)研究并做出定量評價。

地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：

靜水壓力和浮托力

當(dāng)?shù)叵滤x存于巖石裂隙中時，水對裂隙兩壁產(chǎn)生靜水壓力，如下圖所示。第八頁，共三十五頁。第九頁，共三十五頁。當(dāng)由于邊坡巖體位移而產(chǎn)生的張裂隙充水時，則沿裂隙壁產(chǎn)生的靜水壓力為：靜水壓力作用方向垂直于裂隙壁，作用點在Zw的下三分之一處。此靜水壓力廠是促使邊坡破壞的推動力。當(dāng)張裂隙中的水沿破壞面繼續(xù)向下流動，流至坡腳逸出坡面時，則沿AB面（上圖）的總浮托力為：

第十頁，共三十五頁。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，對邊坡穩(wěn)定不利。

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)滑動面為平面時，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。總浮托力可用下式計算：

第十一頁，共三十五頁。第十二頁，共三十五頁。動水壓力（或滲透力）當(dāng)?shù)叵滤谕馏w或碎裂巖體中流動時，受到土顆?；驇r石碎塊的阻力，水要流動就得對它們施加作用力以克服它們對水的阻力，這種作用力稱為動水壓力或滲透力。動水壓力作用方向與滲透方向一致。動水壓力用D表示：

動水壓力是一種體積力，其方向與水流方向一致。在計算土邊坡和散體結(jié)構(gòu)的巖石邊坡時，要考慮動水壓力的作用。

第十三頁，共三十五頁。水對某些巖石的軟化作用

某些粘土質(zhì)巖石浸水后發(fā)生軟化作用，巖石強度顯著降低，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。對于主要是由堅硬的巖漿巖、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度和穩(wěn)定性時，要特別注意水對這些巖石的軟化作用。

第十四頁，共三十五頁。4）爆破震動

露天礦爆破產(chǎn)生的地震波，給潛在破壞面施以額外的動應(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。

專門研究表明，爆破震動對巖體造成的損害取決于巖體質(zhì)點振動速度的大小。質(zhì)點振動速度的影響可用下列臨界速度估計：≤25.4cm/s——完整巖體不破壞

25.4~2～61cm/s——巖體出現(xiàn)少量剝落61～254cm/s——發(fā)牛強烈拉伸和徑向裂隙＞254cm/s——巖體完全破碎

第十五頁，共三十五頁。對于爆破造成的巖體質(zhì)點振動速度，目前研究尚不充分，通常采用下列經(jīng)驗公式確定：

利用上述公式計算v值時，必須先通過爆破試驗確定系數(shù)K和a。在邊坡穩(wěn)定性計算時，一般不直接引用v值，而要將其轉(zhuǎn)換為振動力。轉(zhuǎn)換的程序是取爆破地震的實測圖譜，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)點加速度：

第十六頁，共三十五頁。分析邊坡穩(wěn)定性，為了安全起見，將上式計算所得的a值視為水平加速度。考慮到作用在巖石質(zhì)點上的振動力屬于體積力，故已知水平加速度a值后，即確定各質(zhì)點振動的水平力。為了簡化計算，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力，W為滑體重力，g為重力加速度。考慮到爆破震動頻率高和作用時問短，在邊坡穩(wěn)定分析中，一般還要將此動荷載通過下式轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃ъo荷載P，即：

天然地震和爆破震動一樣也會給邊坡穩(wěn)定造成危害，在邊坡穩(wěn)定性分析中也必須考慮，一般按與爆破震動相同的方法處理，其加速度可按預(yù)計的地震烈度選取。

第十七頁，共三十五頁。5）其他因素

邊坡幾何形狀

當(dāng)邊坡向采場凸出時，巖體側(cè)向受拉力，由于巖體抗拉能力淮低，此時邊坡穩(wěn)定條件差；當(dāng)邊坡向采場凹進時，邊坡巖體側(cè)向受壓，邊坡比較穩(wěn)定。

風(fēng)化作用

風(fēng)化作用可使邊坡巖體隨時間推移不斷產(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)，同時也與濕度、溫度、降雨、地下水以及爆破震動等因素有關(guān)。

人為因素

由于對影響邊坡穩(wěn)定的因素認(rèn)識不足，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，這些都會使邊坡穩(wěn)定條件惡化，甚至導(dǎo)致邊坡破壞。

第十八頁，共三十五頁。10.2.2露天礦邊坡破壞類型

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：

平面破壞

邊坡沿一主要結(jié)構(gòu)面如層面、節(jié)理、斷層或?qū)娱g錯動面發(fā)生滑動（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，容易發(fā)生這類破壞。楔體破壞

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，容易發(fā)生這類破壞（下圖b）。堅硬巖體中露天礦臺階大多是以這種形式破壞的。

第十九頁，共三十五頁。第二十頁，共三十五頁。圓弧形破壞

滑動面為圓弧形。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）。

以上三種形式破壞的機理主要是剪切破壞。

傾倒破壞

當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面或?qū)用婧芏笗r，巖體發(fā)生傾倒破壞（下圖d）。其破壞機理與以上三種不同，它是在重力作用下巖塊向外向下彎曲塌落。

第二十一頁，共三十五頁。第二十二頁，共三十五頁。10.3邊坡穩(wěn)定性分析與計算

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。這里僅簡單介紹露天礦邊坡平面滑動和楔形滑動的穩(wěn)定性極限平衡法。

極限平衡法是一種基于平衡理論的數(shù)學(xué)模型計算分析方法。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進行判定。當(dāng)n＜l時，邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)n=I時，邊坡處于極限平衡狀態(tài)：當(dāng)n＞1時，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)。這種計算方法是結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特征進行的。

第二十三頁，共三十五頁。10.3.1層狀結(jié)構(gòu)或單滑面邊坡的計算

在結(jié)構(gòu)面走向、傾向與邊坡走向、傾向基本一致的情況下，其穩(wěn)定性計算可沿滑面走向取一單寬剖面，按平面問題討論，見下圖?；瑒訋r體在自重力作用下的穩(wěn)定，決定于滑動破壞的下滑力S與滑面上抗滑力T的關(guān)系。其穩(wěn)定系數(shù)公式為：

第二十四頁，共三十五頁。將上式化簡后得：

當(dāng)n>1時，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)定性評價中，滑動破壞面AB的長度影響不大，而與滑動巖體高度h、滑動破壞面傾角a關(guān)系較大，即h和a值愈大，則邊坡的穩(wěn)定性愈低。

第二十五頁，共三十五頁。除此之外，滑動破壞面的性質(zhì)也有影響，若滑動破壞面軟弱，或為泥質(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，則滑動巖體的穩(wěn)定性主要決定于內(nèi)摩擦角的大小，即：

在此情況下，當(dāng)滑動破壞面的傾角a大于內(nèi)摩擦角時，邊坡不穩(wěn)定。凡能降低值的因素，如地下水的作用、爆破震動等，都會促使露天礦邊坡失穩(wěn)。

第二十六頁，共三十五頁。10.3.2楔形滑體或雙滑面邊坡的計算

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，如下圖所示。

圖中的ABD面BCD面為兩個可能的滑動破壞，其面積分別為A和A’，兩個面的交線（BD）方向為可能滑動方向。設(shè)兩個面的交線與邊坡走向直交．交線傾向與邊坡傾向基本一致，傾角為，兩個面的C、值是相近似的，楔形體（ABCD）自重力為W，則滑動破壞力S=Wsin，抗滑動力T=Wcostg+C(A+A’)。

穩(wěn)定系數(shù)公式為：

第二十七頁，共三十五頁。從上式可以看出，角愈大則邊坡愈不穩(wěn)定。當(dāng)滑動破壞面為軟弱面時，即C0，則邊坡的穩(wěn)定性決定于角與角的相互關(guān)系。

極限平衡分析計算在實際應(yīng)用中必須具備兩個條件：一是基礎(chǔ)資料的完整性；二是各種參數(shù)要相對準(zhǔn)確。因為參數(shù)的變化可能對穩(wěn)定件系數(shù)的計算結(jié)果帶來較大影響。

我國露天礦山在對邊坡穩(wěn)定性分析與維護中，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)定性系數(shù)n1.2為穩(wěn)定型邊坡。

第二十八頁，共三十五頁。10.4露大礦邊坡治理

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。

10.4.1露天礦邊坡治理方法分類、適用條件及考慮順序

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10－1。

不穩(wěn)定邊坡的治理工作應(yīng)按一定程序進行，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：

1）截住并排出流入不穩(wěn)定邊坡區(qū)的地表水；

2）盡量采取疏干措施，降低地下水位；

3）采取削坡減載措施；

4）采取人工加固工程。

第二十九頁，共三十五頁。10.4.2常用具體方法簡介1)對地表水和地下水的治理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。

邊坡疏干的一般方法是；

1）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。對已有的張裂隙應(yīng)以適當(dāng)材料及時充填。

2）鉆水平排水孔，降低張裂隙或破壞面附近的水壓。

3）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)置兩個或兩個以上排水水平。

4）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。

在實際工作中，可根據(jù)邊坡巖體水文地質(zhì)條件，同時采用多種方法對地表水和地下水進行綜合治理。

第三十頁，共三十五頁。2）減震爆破

減震爆破是維護露天礦邊坡穩(wěn)定比較有效的方法，包括：

1）減少每段延發(fā)爆破的炸藥量，使沖擊波的振幅保持在最小范圍內(nèi)；每段延發(fā)爆破的最優(yōu)炸藥量應(yīng)根據(jù)具體礦山條件試驗確定。

2）預(yù)裂爆破，是當(dāng)前國內(nèi)外廣泛采用的用以改善礦山最終邊坡狀況的最好辦法。該法是在最終邊坡面鉆一排傾斜小直徑炮孔，在生產(chǎn)炮孔爆破之前起爆這些孔，使之形成一條裂隙，將生產(chǎn)爆破引起的地震波反射回去，保護最終邊坡免遭破壞。

3）緩沖爆破，是在預(yù)裂爆破帶和生產(chǎn)爆破帶之間鉆一排孔距大于預(yù)裂孔而小于生產(chǎn)孔的炮孔。其起爆順序是在預(yù)裂爆破和生產(chǎn)爆破之問，形成一個爆破地震波的吸收區(qū)，進一步減弱通過預(yù)裂帶傳至邊坡面的地震波，使邊坡巖體保持完好狀態(tài)。

第三十一頁，共三十五頁。3）露天礦邊坡人工加固

目前