露天矿节理参数敏感性研究及边坡稳定性分析_黄笃学.pdf

收稿日期2019-12-10 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 U1903216） ，“十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801602） 。 作者简介黄笃学 （1964） ， 男， 董事长， 党委书记， 正高级工程师。通讯作者杨天鸿 （1968） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 露天矿节理参数敏感性研究及边坡稳定性分析 黄笃学 1 董鑫 2 王建曦 2 杨天鸿 2 王少泉 3 何祥 31 （1. 河北钢铁集团矿业有限公司， 河北 唐山 063009； 2. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 3. 中冶北方工程技术有限公司， 辽宁 大连 116622） 摘要随着新疆金宝铁矿的不断开采， 一些不利于边坡稳定性地质构造被逐渐揭露， 增加了边坡的不稳定 性， 致使现场边坡出现了多种模式的破坏， 对矿山生产与人员安全造成了严重威胁。为研究该矿边坡大量揭露的 节理对边坡稳定性产生的影响， 首先采用三维摄影不接触测量方法测定了边坡岩体结构面的几何参数， 结合工程 地质条件与边坡几何要素， 将边坡岩体进行了质量分级分区， 根据岩石力学试验确定了各分区边坡的岩体力学参 数； 然后运用正交试验法， 量化了节理倾角、 内摩擦角、 黏聚力、 抗拉强度和刚度对滑坡概率的贡献程度， 得到了节 理参数对边坡稳定性的影响规律； 最后基于有限元极限平衡法对Ⅳ-1区域边坡进行了模拟计算， 并给出了稳定性 评价结果。研究表明 边坡节理倾角、 内摩擦角、 黏聚力是控制滑坡破坏模式的主要因素， 金宝矿Ⅳ-1区域边坡处 于稳定状态。 关键词露天开采边坡结构面正交试验稳定性评价 中图分类号TD854文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-064-07 DOI10.19614/ki.jsks.202003009 Study on the Sensitivity of Joint Parameters and Slope Stability Analysis of Open-pit Mine Huang Duxue1Dong Xin2Wang Jianxi2Yang Tianhong2Wang Shaoquan3He Xiang32 （1. Hebei Iron and Steel Group Mining Co.， Ltd.， Tangshan 063009， China； 2. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 3. Northern Engineering Technology Corporation of MCC， Dalian 116622， China） AbstractWith the continuously exploitation of Xinjiang Jinbao Iron Mine， some geological structures that are not con- ducive to the slope stability are gradually exposed， increasing the instability of the slope and causing multiple modes of fail- ure of the slope， which brings about a serious threat to the safety of mine production and working staff.In order to study the in- fluence of a large number of joints exposed on the stability of the slope in Jinbao Mine， firstly， the 3D photographic non-con- tact measurement is used to measure the geometric parameters of the structural plane of the slope rock mass， the qual- ity of the slope rock mass is divided into different areas according to the engineering geological conditions and the geometric elements of the slope， and the rock mass mechanical parameters of each area are determined through the test of rock mechan- ics.Then， by the orthogonal experimental ， the contribution degrees of the dip of joint， internal friction angle， cohesion， tensile strength and tensile rigidity to the landslide probability are quantified， so as to obtain the influence laws of joint pa- rameters on the slope stability.Finally， the slope in IV-1 area is simulated by using the finite element limit equilibrium meth- od， and the slope stability uation result is given.The study results show that the dip of joint， internal friction angle and co- hesion of the slope are the main factors to control the failure modes of the landslide， the slope in the IV-1 area of Jinbao Mine is in a stable state. KeywordsOpen-pit mining， Slope， Structural plane， Orthogonal test， Stability uation Series No. 525 March 2020 新疆金宝露天矿为陡倾层状节理岩质边坡， 随 着开采深度不断增加， 一些不利于边坡稳定性的节 理逐渐揭露出来。这些节理的分布、 位置、 发育程度 以及充填介质直接影响着岩体的物理力学参数。该 类节理的脆弱性易使边坡失稳由其开始发展， 最终 形成宏观断裂并导致贯通滑移面形成 ［1-4］。在这些节 64 ChaoXing 理的影响下， 金宝露天矿现场出现了顺层破坏、 楔形 破坏、 屈曲破坏、 倾倒破坏、 顺层滑移剪断破坏等 多种破坏模式， 对矿山生产与人员安全造成了严重 威胁。为提高金宝矿生产的安全性， 有必要研究岩 石节理对边坡稳定性产生的影响， 并对矿山的关键 边坡进行稳定性分析和评价。 近年来， 有关岩石节理对边坡稳定性影响的研 究， 研究学者们进行了大量卓有成效的工作。吴顺 川等 ［5］采用系统聚类法准确地给出了岩体节理的分 类方案， 并结合边坡参数运用赤平极射投影法直观 地判断出边坡潜在的失稳模式； 冯树荣等 ［6］在研究节 理岩体边坡失稳破坏时， 推导出了2组平行节理的稳 定性计算公式， 并编写了相应的运算程序， 为分析2 组平行节理边坡的稳定性提供了新思路； 潘皓等 ［7］采 用正交试验法分析了双节理岩质边坡稳定性的影响 因素， 并依据权重大小对各个影响因素进行了排序； 周子涵等 ［8］通过建立自重应力作用下断续节理岩质 边坡失稳的尖点突变理论力学模型， 研究了节理参 数对边坡稳定性的影响规律； 李克钢等 ［9］考虑了岩体 爆破扰动产生的节理裂隙对边坡稳定性的影响， 采 用强度折减法对受到不同程度扰动的矿山边坡进行 了稳定性分析； 简文彬等 ［10］通过制作室内节理岩体 边坡模型并加载循环震动荷载， 研究了节理对边坡 稳定性的影响； 程爱平等 ［11］采用斯皮尔曼等级相关 系数分析了边坡岩体强度及变形参数与现场调查获 得的节理参数之间的相关关系； 王宇等 ［12］在研究反 倾层状边坡变形破坏机制的过程中采用了phase2软 件的节理有限元法 （JFEM-SSR） ， 在实际工程案例应 用中取得了良好的效果； 郭双枫等 ［13］将正交试验法 引入到节理岩质边坡中， 并对8个边坡参数进行了敏 感性分析和排序。 综上分析， 现阶段有关岩石节理对边坡稳定性 的影响研究已经取得了不少成果， 但在有限元中使 用摩尔-库伦准则来分析节理力学参数的敏感性涉 及较少。本研究采用正交试验法， 量化节理倾角、 内 摩擦角、 黏聚力、 抗拉强度、 刚度对滑坡概率的贡献 程度， 并结合具体的边坡剖面， 基于有限元极限平衡 法进行模拟计算并进行边坡稳定性评价。通过金宝 露天矿边坡节理参数对稳定性的影响规律研究与边 坡稳定性分析， 可以采取针对性的治理措施 （加固边 坡） ， 从而保证矿山人员、 设备的安全， 进一步降低矿 山事故发生概率， 并为后续的开采、 防护、 建设等工 作提供可靠依据。 1金宝铁矿概况 金宝铁矿位于阿勒泰市南东75 km、 距富蕴县城 北西约70 km处， 矿区中心点坐标为东经8901′ 28″ 、 北纬4731′ 09″ ， 长2 000 m、 宽约650 m。矿区行政区 划上隶属新疆维吾尔自治区阿勒泰地区富蕴县库尔 特乡管辖。矿区北东和南西两侧地形受切割影响严 重， 沟谷多呈 “V” 型； 矿区地形切割较浅， 沟谷多呈 “U” 型。矿区地貌由构造剥蚀和构造侵蚀作用形成， 区内最高海拔1 287 m， 最低海拔1 072 m。矿区露天 采场及典型剖面如图1所示。 根据现场调查， 近几年矿区发生了数次小型滑 坡、 变形现象， 例如199～203线1 152 m平台上出现 约 220 m 长裂缝， 裂缝宽度为 12～18 cm。该矿边坡 破坏属于陡倾层状岩质边坡破坏模式， 边坡变形破 坏呈现出强烈的各向异性特征， 现场破坏模式复杂 多样， 顺层破坏、 楔形破坏、 屈曲破坏、 倾倒破坏、 顺 层滑移剪断破坏均有发现。随着往深部开采， 边 坡北帮垂直高差达 196 m， 南帮垂直高差达 130 m， 台阶坡面倾角为 65～68。本研究采用 3GSM 摄影 测量技术对该矿进行了整体结构面调查与分析， 以 北帮 1 152 m 标高处的测点 12 数据为例， 在获得每 组结构面信息的基础上进行了数理统计分析 ［14］， 获 得的结构面产状、 间距、 迹长等几何参数如表 1 所 示。 经过结构面测试确定第一组结构面共32条， 线 密度为0.65条/m； 第二组结构面共117条， 线密度为 1.05条/m； 第三组节理结构面共26条， 线密度为0.72 条/m， 则测点12的结构面密度为2.42条/m。该测点 处的台阶坡面倾向、 倾角分别为214和68， 该区域 的岩性为变粒岩、 局部片麻岩， 内摩擦角约38。在 绘制出的极射赤平投影图的基础上添加了边坡基本 信息 （如倾向、 倾角、 内摩擦角） ， 运用DIPS软件的运 动学分析 （Kinematic Analysis） 功能 ［15］对该区域边坡 进行分析， 结果如图2所示。 由图2可知 该区域边坡发生平面破坏的概率为 0， 发生楔体破坏的概率为6.31， 发生倾倒破坏的概 率为14.86。从概率数值上来看， 该区域边坡有发 生倾倒破坏的可能性， 这与现场实际考察情况基本 相符， 即在陡倾节理倾向与边坡倾向近似一致的情 况下， 该区域陡倾节理面具有发生倾倒拉裂的破 坏模式。 2岩体力学参数获取 2. 1常规岩石力学试验 本研究常规岩石力学试验以 工程岩体试验方 法标准 （GB/T 50266-99） 为基准， 主要包括岩石单轴 抗压强度和变形试验、 岩石抗拉强度试验和三轴压 缩试验， 通过对试验数据进行整理分析并按不同的 2020年第3期黄笃学等 露天矿节理参数敏感性研究及边坡稳定性分析 65 ChaoXing 岩性进行分类汇总， 获得各组岩性的力学参数如表2所示。 金属矿山2020年第3期总第525期 66 ChaoXing 2. 2各分区岩体力学参数 露天边坡分布范围大， 各区域边坡几何要素、 地质构造差异较大， 因而其变形破坏模式亦有所差 别。为准确获取边坡评价信息， 需对整个露天采场 进行边坡分区， 其原则是将工程地质条件、 边坡几 何要素和边坡面倾向基本一致的区段划为同一 区 ［16］。结合本研究工程地质调查结果， 将露天边坡 分为5个分区， 编号为I～V区。考虑到Ⅲ、 Ⅳ区域的 边坡高度大、 跨度长， 控制两个分区不同区域的边 坡稳定情况存在差异， 故将Ⅲ、 Ⅳ区域按照岩体工 程地质条件各分为3个亚区， 即III-1、 III-2、 III-3区 和 IV-1、 IV-2、 IV-3区。边坡工程地质分区结果如 图3所示。 宏观上来看， 边坡岩体是由岩石与结构面构成， 由于工程岩体的强度在自然条件下被大大削弱， 因 而通过本研究岩石力学试验获得的力学参数需经过 一定的折减方可应用于工程实践。本研究采用费辛 柯法、 格吉 （M.Georgi） 法和 Hoek-Brown 法 ［17］综合分 析得出的Ⅳ分区计算所需的岩体力学参数如表3所 示。 3节理参数敏感性研究 在使用摩尔-库伦准则来分析节理力学方面特 性时， 节理黏聚力、 内摩擦角、 抗拉强度、 刚度的取值 较为关键。正交试验法基本步骤有 ①使用正交表 安排测试； ②全面比较测试结果； ③获得最佳匹配方 案； ④敏感性排序 ［18-20］。正交试验设计表的设计原则 是均衡分散搭配， 综合比较分析试验结果 ［21］。本研 究运用正交试验法时， 需不断改变节理参数 （倾角、 内摩擦角、 黏聚力、 抗拉强度和刚度） ， 每个因素共有 5种情况， 即需设计六因素五水平的正交试验表并预 留空白列， 记为 L25（56） ， 采用 Phase2 软件的 JFEM- 2020年第3期黄笃学等 露天矿节理参数敏感性研究及边坡稳定性分析 67 ChaoXing SSR法对节理展开分析。具体水平参数取值及方案 设计如表4所示。 本研究采用Minitab软件进行正交试验分析时， 只需输入试验结果便可得到方差分析数据， 如表5所 示。设置置信区间为95， 即显著性水平α为0.05。 注 P＜0.01， 表示影响极显著； 0.01≤P＜0.05， 表示影响显著； P≥ 0.05， 表示影响不显著。 方差分析法可用于进一步估计误差的大小， 精 确估计各因素在试验结果中的贡献情况。由方差分 析法初步观察P值可知 倾角的影响极为显著， 其次 为黏聚力和内摩擦角， 抗拉强度和刚度对其几乎无 影响。所以在节理岩质边坡中， 采取相关措施 （如疏 干排水以减少对节理面的弱化作用或施加抗剪锚杆 以增强节理面的闭合状况同时又提供相应的抗剪 力） 控制节理的内摩擦角和黏聚力， 对于边坡稳定性 至关重要。 4金宝铁矿边坡稳定性分析 Ⅳ区边坡位于露天采场中部南帮， 属于地质条 件相对较差的高陡边坡， 本研究选取Ⅳ-1剖面构建 现状境界边坡的有限元节理模型， 分析边坡的破坏 模式， 再运用极限平衡法分别考虑3种荷载组合下的 现状境界的边坡稳定性情况。对该剖面所建立的有 限元节理网络模型如图4所示， 模型下部长507 m， 右 侧高度为 230 m， 左侧高度为 380 m， 模型共划分为 56 877个单元网格， 34 395个节点， 节理采用平行统 计模型 （陡倾节理倾角75， 间距负指数分布6 m， 迹 长对数正态分布50 m， 连通率正态分布0.5； 缓倾节理 倾角25， 间距负指数分布6 m， 迹长正态分布50 m， 连通率正态分布0.5） 。 该区域受控于F3断层， 其强度较低， 潜在的滑坡 模式为上部沿F3断层滑移， 下部沿缓倾结构面从坡 脚剪出破坏。根据有限元模拟计算得到开挖后边坡 的变形、 应力分布， 绘制了如图5所示的边坡表面位 移变化曲线图。由图5可知 在1 128 m平台F3断层 出露处为位移突变点， 当临界系数为1.33时， 由于断 层的存在导致位移直接由0.18 cm突变到4.47 cm， 即 边坡由此处开始失稳， 从1 080 m平台的坡脚处剪出。 滑坡区的范围略小于滑坡影响区的范围， 表明该区 域边坡的潜在危害具有很强的延续性， 随着距离不 金属矿山2020年第3期总第525期 68 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ 断加大， 边坡的影响逐渐减弱直至消失。 根据矿山边坡现状， 边坡发生破坏将影响矿区 正常生产， 有可能造成人员重大伤亡及财产损失。 因此， 根据 非煤露天矿边坡工程技术规范 （GB 510162014） 规定， 边坡稳定性系数在不同的安全 等级下因荷载组合的不同而不同。而边坡设计稳定 性系数是衡量边坡稳定性的最终定量指标， 它与边 坡治理工作内容的原理、 方法、 代表性以及各项定量 参数取用、 边坡高陡程度和服务年限、 工程重要等级 相关。本研究选定的边坡工程设计稳定性系数如表 6所示。 Ⅳ-1 剖面现状边坡高度 136 m， 边坡角为 44～ 53。如图6所示， 在3种工况下， M-P法计算结果表 明， Ⅳ-1剖面现状边坡整体稳定性系数大于1.20， 反 映出该区域现状边坡整体虽处于稳定状态， 但从现 场实际调查来看， 边坡受褶皱的影响较大， 区内受斜 长角闪岩、 F3断层和褶皱层面控制， 局部滑塌、 屈曲破 坏较为突出， 该区域局部组合台阶边坡处于基本稳 定状态， 安全储备不足， 建议开展治理工作清理危 岩， 并加强监测、 巡检、 安全警示等工作。 5结论 （1） 通过现场地质踏勘并由DIPS软件定性分析 可知 新疆金宝铁矿1 152 m标高处发生倾倒破坏的 概率为14.86， 这一点与现场实际考察结果较为相 符。 （2） 由方差分析法初步观察P值可知 矿区节理 倾角的影响极为显著， 其次为黏聚力和内摩擦角， 抗 拉强度和刚度对其几乎无影响。 （3） 由JFEM-SSR法识别出Ⅳ-1剖面边坡的潜在 破坏模式后， 经过M-P法计算， 认为Ⅳ-1剖面现状边 坡处于稳定状态。 参 考 文 献 李同录， 罗世毅， 何剑， 等.节理岩体力学参数的选取与应用 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2004， 23 （13） 2182-2186. 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