露天石灰石矿山岩质边坡坡角优化设计研究①_熊爽.pdf

露天石灰石矿山岩质边坡坡角优化设计研究 ① 熊 爽， 胡 斌， 姚文敏 中国地质大学武汉 工程学院,湖北 武汉 430074 摘 要 基于赤平投影图解法、极限平衡法以及数值模拟方法,提出了提高矿山开采量的思路先统计分析矿山边坡的优势结构 面,然后基于数值模拟软件 3DEC,模拟计算在优势结构面组合的影响下其局部台阶边坡的稳定性,优化并得到局部台阶边坡在优 势结构面组合的影响下能保持稳定状态的优化边坡角。 最后,基于极限平衡理论,利用 Slide 对边坡角优化设计方案进行稳定性验 算,并求得边坡在自然工况、爆破工况、地震工况下的稳定性系数,以提高设计方案的安全储备,最终提高矿产资源的开采量。 以四 川省兴联矿区的石灰石边坡为研究对象验证了该方法的可行性,结果表明,考虑优势结构面最不利组合对边坡稳定性的影响时,计 算得出的最优边坡角为 50,相比于此前设计的边坡角 45提高了 5,从而提高了矿山的开采量。 本文提出的边坡角优化思路可以 提高矿山开采效率和经济效益。 关键词 边坡角； 数值模拟； 优势结构面组合； 3DEC； Slide 软件 中图分类号 TD854文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.04.008 文章编号 0253-6099201804-0032-04 Optimization Design for Rock Slope Angle in Open-pit Limestone Mine XIONG Shuang, HU Bin, YAO Wen-min School of Engineering, China University of Geosciences Wuhan, Wuhan 430074, Hubei, China Abstract Based on stereographic projection , limit equilibrium and numerical simulation, an idea was proposed for improving exploitation. Firstly, data statistics and analysis were pered to obtain the dominant structural plane. Then, based on the numerical simulation software, 3DEC, the stability of the partial terraced slope influenced by a combination of the dominant structural plane was calculated by simulation, and an optimized slope angle was obtained for the terraced slope to keep stable under such combination effect. Finally, based on the limit equilibrium theory, Slide software was adopted to check the slope stability of such slope angle optimization design, and the stability coefficient for the slope under natural working conditions, blasting condition and earthquake condition was obtained, respectively, which could improve the safety of the design program, thus increasing the mineral exploitation. With a limestone slope in Xinglian mine area in Sichuan Province as the object in the study, the feasibility of this was verified. The optimal slope angle was calculated to be 50, with the consideration of the slop stability influenced by the most unfavorable combination of dominant structural plane, compared to the angle of 45 in the previous design, up by 5. Consequently, the quantity of exploitation in the mine was improved. It is concluded that the idea of optimizing slope angle proposed in the paper can bring both mining efficiency and economic benefits to the mine. Key words slope angle； numerical simulation； combination of dominant structural plane； 3DEC； Slide software 目前,国内外常用来研究边坡稳定性的方法大致 可分为定性分析法和定量分析法［1-2］。 定性分析方法 主要有图解法和工程地质类比法。 定量分析法包括极 限平衡计算法、有限元分析法、破坏概率计算法等［3］,其 中极限平衡法主要起源于国外,包括瑞典条分法［4］、毕 肖普条分法Bishop［5］、萨马法Sarma［6］、简布条分法 Janbu［7］。 20 世纪 80 年代以后,数值模拟分析法被 越来越多地引入到边坡稳定性分析之中［8］。 关于露天石灰石矿山岩质边坡坡角优化的研究, 大都采用传统极限平衡法或数值模拟强度折减法,鲜 有考虑边坡优势结构面组合对其稳定性的影响。 本文 基于赤平投影图解法、极限平衡法以及数值模拟方法, 提出一个用于露天矿山岩质边坡坡角优化设计的思 路,并以四川省兴联矿区的石灰石矿山边坡为研究对 ①收稿日期 2018-01-23 作者简介 熊 爽1996-,男,湖北鄂州人,硕士研究生,主要研究方向为岩土体工程性质与稳定性。 第 38 卷第 4 期 2018 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №4 August 2018 ChaoXing 象,对石灰石矿山岩质边坡坡角进行优化研究,充分考 虑了优势结构面组合对边坡稳定性的影响,从而降低 外部因素对边坡稳定性影响的可能性。 1 露天矿山岩质边坡坡角优化思路 针对目前岩质边坡稳定性研究存在的问题,本文提 出了露天石灰石矿山岩质边坡坡角优化新思路。 该思 路充分考虑了优势结构面组合对矿山边坡稳定性的影 响,使得边坡坡角优化结果更可靠。 并且这一思路在保 证边坡稳定性的前提下,大大提高了矿山边坡的开采效 率,创造了更高的经济效益,其具体流程如图 1 所示。 测线法量测与统计结构面 赤平投影法 优势结构面组合 增大边坡角 边坡是否安全 典型剖面3DEC建模计算 Slide验算 上次循环的坡角即为最优边坡角 现场勘察 否 是 图 1 边坡坡角优化流程 2 工程实例 2.1 工程概况 四川省兴联矿区位于四川省峨眉山市城区 180 方向,平距约 16.5 km,矿区位于四川盆地边缘低山-低 中山地段,分布于平坝向山地过渡带,北接峨眉平原, 东为大渡河西岸的二峨山山区,地势差异明显。 矿区 内与矿床开采直接有关的地层出露的是二叠系下统茅 口组,其岩性主要为石灰岩。 由于该矿区节理裂隙较 发育,导致边坡极不稳定,易发生岩体倾倒覆,并且 在顺向坡处易发生顺层滑动,属于极不稳定因素。 在 分析矿区内边坡稳定性时,必须考虑结构面对边坡稳 定性的影响。 因此,在研究区域内进行边坡岩体结构 面的量测与统计是十分必要的。 2.2 矿区结构面的现场量测 利用测线法对矿区的结构面进行量测,为真实准 确反映矿山整体结构面分布情况,结合矿山高边坡不 同情况在矿区内不同位置、不同高程总共布设测线 9 条如图 2 所示,累计约有 718 条结构面。 2.3 矿区边坡的赤平投影分析 矿区边坡倾向为 327,工作台阶坡面角为 60,终 了台阶坡面角为 45,终了边坡角为 34。 将结构面测 量数据整合,将优势结构面倾向和倾角相结合,得到矿 区边坡的工作台阶赤平投影图和终了边坡赤平投影图, 如图 3 所示。 图 2 测线平面布置 图 3 赤平投影图解法示意 33第 4 期熊 爽等 露天石灰石矿山岩质边坡坡角优化设计研究 ChaoXing 根据统计分析得出本矿区内共有 4 组优势结构 面。 结构面与结构面、结构面与层面的交切关系共计 15 组,而边坡的稳定性往往由其中的不利组合来控 制,在最不利组合的影响下,边坡可能发生倾覆、失稳 现象。 因此,仅选取其中代表性的 2 组,如表 1 所示。 表 1 优势结构面组合 结构面组合交线产状结构面长度/ m结构面延展性 J2-J3BO126∠644.30差 J3-CDO320∠184.54差 2.4 基于 3DEC 局部台阶边坡稳定性分析与边坡角 优化 2.4.1 计算方案 利用赤平投影分析得到的优势结构面交线组合中 的最不利组合即 J2-J3BO、J3-CDO,将它们一一对 应组合最终形成本文的计算方案。 并且在原有初始设 计资料即边坡坡角为 45的基础上,设计边坡角为 48、50、52的局部台阶边坡,分析它们的稳定性,并 得到最优边坡角。 根据矿山边坡现场勘察资料,选取最具代表性的 局部台阶边坡剖面为典型计算剖面进行边坡的稳定性 分析与边坡角优化。 建立总长度 80 m、总高度 27 m、 坡高 12 m 的模型,其计算网格划分图如图 4 所示。 模 型的边界条件为设置底面全约束,垂直于 x 轴向和 y 轴向的面均设置法向约束,竖直方向的自然坡面自由。 本构模型采用摩尔-库仑模型。 图 4 计算网格划分图 2.4.2 岩石物理力学参数 根据在研究区域进行原位试验以及室内岩石的密 度试验、岩石力学特性试验、岩石结构面剪切试验以及 分析研究区域的勘察报告后得到的岩石物理力学参数 如表 2 和表 3 所示。 表 2 石灰岩岩体参数 粘聚力 / MPa 内摩擦角 / 弹性模量 / GPa 抗拉强度 / MPa 泊松 比 密度 / gcm -3 1.537.07.01.20.242.68 表 3 石灰岩结构面物理力学参数 结构面 法向刚度 / GNm -1 切向刚度 / GNm -1 内聚力 / MPa 内摩擦角 / 抗拉强度 / MPa 层面40240.5240.07 节理面30180.42220.05 2.4.3 边坡稳定性分析与边坡角优化 分别对边坡角为 45、48、50、52的局部台阶边 坡在 3DEC 软件中建模模拟边坡优势结构面的最不利 组合如图 5 所示计算分析。 图 5 局部台阶边坡建模图 a 45； b 48； c 50； d 52 本文基于边坡的稳定性系数作为稳定性判据来判 断边坡的稳定性。 由非煤露天矿边坡工程技术规 范GB51016-2014 ［9］得,本文研究的矿山岩质边坡 的安全系数为 1.30。 3DEC 软件数值模拟计算的稳定性系数结果如表 4 所示。 表 4 3DEC 计算结果汇总 局部台阶 边坡坡角 / 稳定性系数 不考虑 结构面影响 考虑结构面 不利组合 稳定性系数 减小百分率 / ％ 安全 系数 稳定性 评价 452.511.8535.71.30安全 481.891.4629.51.30安全 501.581.3517.01.30安全 521.321.264.81.30不安全 从表 4 可以看出,不考虑结构面因素对边坡稳定 性的影响时,得到的边坡稳定性系数都偏大,结果偏于 安全；而考虑结构面不利组合时,边坡稳定性系数均明 显减小,并且随着边坡坡角增大,稳定性系数减小的百 分率逐渐减小,其中台阶边坡角为 45时边坡稳定性 系数减小的程度最大,达到了35.7％。 边坡坡角为52 时,不考虑结构面影响显示边坡是安全的,而考虑结构 面不利组合的影响时显示边坡是不安全的。 在两组最 不利组合结构面的影响下,该局部台阶边坡在边坡角 分别为 45、48、50时均能保持稳定；而边坡角为 52 时的稳定性系数小于安全系数,该局部台阶边坡不安 43矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 全。 根据 3DEC 的计算结果,选择局部台阶边坡的最 终边坡角为 50,以提高矿山的开采效率,增大其经济 效益。 2.5 Slide 验算 Slide 是一款主要用于分析二维边坡稳定性的软 件,它主要基于极限平衡法分析滑动面的稳定性。 边 坡滑面可以是圆弧或者非圆弧形式。 使用 Slide 软件 选择合适的搜索方式后,能自动搜索到边坡台阶上去, 发现最小的稳定性系数位置［10］,而对于岩质边坡,其 滑动面往往是非圆弧形的。 因此,本文选择 Slide 软件 验算台阶边坡在不同工况下的稳定性。 运用 Slide,在边坡岩体中导入表 1 中提到的两组 最不利结构面组合 J2-J3BO和 J3-CDO,选取的滑 动面类型为非圆弧滑动面,用搜索类型里的 Block Search 搜索边坡的潜在滑动面,分别求得边坡角为 50的局部台阶边坡在自然工况、爆破工况、地震工况 下的稳定性系数,结果如图 6 所示。 图 6 3 种工况下的边坡稳定性系数示意 a 自然工况； b 爆破工况； c 地震工况 验算结果表明,在相同的外界条件下,最终边坡角 为 50的边坡在自然工况、爆破工况、地震工况下的稳 定性系数分别为 1.703、1.250 和 1.179,都能满足规范 中对应工况下的安全系数 1.20、1.18、1.15 的要求,说 明该剖面采用 50的最终边坡角是安全、经济、合理的, 也说明了本文提出的边坡角优化方案是切实可行的。 3 结 论 1 提出了露天矿山岩质边坡坡角优化思路,考虑 了结构面组合对露天矿山岩质边坡稳定性的影响,最 大程度地减小了边坡稳定性计算的误差。 2 考虑结构面组合对边坡稳定性的影响,边坡稳 定性系数明显减小,且随着边坡角增大,边坡稳定性系 数逐渐减小。 3 四川兴联矿区边坡的最不利结构面组合是 J2-J3BO、J3-CDO,产状分别为 126∠64、320∠18, 利用本文提出的边坡角优化思路,其最优边坡角为 50,相比于优化前的 45,可在保证安全的前提下有 效提高矿山地下开采效率和经济效益。 参考文献 ［1］ 陈 浩. 双层反翘型滑坡变形破坏力学模型的建立［D］. 武汉中 国科学院武汉岩土力学研究所, 2005. ［2］ 杨 凯. 兰伯特角露天矿边坡稳定性分析及边坡角优化研究［D］. 长沙中南大学资源与安全工程学院, 2012. ［3］ 林凯明,高 婷,范俊瑛,等. 公路路基高边坡稳定性及工程对策 研究［J］. 甘肃科技, 2010,2622137-138. ［4］ 徐 栋,刘贯群,康 凯. 瑞典条分法在滑坡稳定性评价中的有效 性分析［J］. 资源信息与工程, 2016,314184-185. ［5］ 曾维国,车兆学,李 旭,等. 基于 Bishop 法的露天矿边坡稳定分 析与实现［J］. 采矿与安全工程学报, 2012,292 265-270. ［6］ 周志军,牛 涌,张铁柱. 基于改进 Sarma 法的岩质边坡稳定性分 析［J］. 交通运输工程学报, 2013,13115-19. ［7］ 王金海,王金洪. 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