露天矿边坡稳定性研究现状和发展趋势.pdf

年第期包钢 科技 露天矿边坡稳定性研究现状和发展趋势 安国良 矿山研 究所 提要 本文就边坡工程研究的实质性问题 , 论述 了其重大意义及近年来国内外边坡研 究现 状 、 发展动态趋势 。 概 要指明了在新形势下 , 边坡研究侧重点和有待进一步探讨解决的问题 。 关键词 矿山露天开采边坡 露天矿边坡稳定 性研究意义重大 随着采掘技术的飞跃发展 , 露天采矿工 程的规模和深度越来越大 。 采深从 已不足为奇 , 有 的采 深已达多 米 。 因此 , 露天矿的边坡稳定性研究问题 , 也 日显突出重要 。 边坡 角的大小 , 对露采矿山经 济效益及安全生产 , 有着非常密切 的关 系 。 边 坡 角过缓 , 虽能保持边坡稳定 , 但必然要增大 剥岩量 , 降低矿产开采经济效益 , 从经济方面 要求边坡设计尽量陡些 。 有人估算 , 大型露天 矿 总边 坡 角每加 陡 “, 从 国 外来说 可节省 万或更多美元 。 从 国内来说可节 省数千万乃至亿元 。边坡 角过 陡, 虽可减少剥 岩量 , 但可能 会造成滑坡 , 给矿 山生产和安全 带 来严重后 果 。 如美国宾哈姆 康诺露天矿 在 采 深时 , 发生 大面积 滑 坡 , 总 量 近 万吨 , 整 个矿 坑 一多半被 滑落体掩 埋 。 加拿大的约翰斯 曼维 尔矿 , 由于水 的作用 , 引 起的滑坡 。 苏联的马格尼托哥 尔斯克 露天 矿 , 沿宽的工作面 上 八 个台阶同 时滑落 , 清理量达万吨 。 我国湖北省盐池 河磷 矿 , 年月 , 矿区上部鹰崖咀山发 生灾难性山体滑塌 , 死亡人 , 摧毁矿务局 全部 地面建筑 、 井口设施及全部物资 。 甘肃 省金川铜镍矿床 , 处在活动断裂带附近 , 受构 造应力集中影响 , 岩层破碎 , 工程地质条件复 杂 , 为了保证矿区安全生产 , 采取削坡减荷措 施 , 总计处理量竟达 。万 耐 。 云南省向阳煤 矿 , 位处南北 向长条形向斜盆地中 , 四周高山 环绕 , 相对 高 差达以 上 , 坡 度 。 因边坡软弱夹层遇水软化 、 采剥失调而 形成西北帮和 东帮两大边坡 滑体滑落 , 直接 影响了生产 , 其例不胜枚举 。 总之 , 通过大量 露天采 矿工程实践证明 , 全面深入的对 边坡 岩体稳定性勘察研 究 , 是露夭矿山迫在眉捷 的一项重要任务 。 而研究边坡稳定性的实质 , 就是在正确处理矿山安全生产和经济效益这 对矛盾 中 , 正确的确定最佳边坡角问题 。 有关资料表明我国金属矿山中 , 露天开 采的矿山约占 。 随着现代采掘技术的发 展提高 , 露采更加普遍 , 采深愈益加大 。 为了 保证 矿山安 全 生产和不断提 高矿山经济效 益 , 边坡岩体稳定性的勘察研究 , 作为一项专 门性应 用研 究课题 , 越来越显十分迫切和意 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期 义重大 。 边坡稳定性研究发展现状 边坡稚定性研究要点 从国内外露天矿边坡岩体稳定性勘察研 究工作的实践说明 , 影响边坡岩体稳定性 的 主要 因素有以下四个方面 地质构造不连续面 也称岩体的结构 面 、 分离面 、 软弱面或优势面等 。 一般分为 、 、、、 级 , 岩石的抗剪强度 地下水水文地质条件 地震力 采掘爆破 、 重力及 构造地震 效应 。 其 中地质构造不连续面 、 岩石 的抗 剪强 度是最主要的因素 。 从国内外很多边坡岩体 变形 、破坏实例和边坡工程勘察、理论研究实 践表明 这项课题的研究发展都紧紧围绕以上四 方面展开 。 再具体点讲 , 边坡勘察研究包括工 程勘察实践 、 基础理论研究两大方面 。 在边坡 工 程勘察实践方面为了收集第一性地质资 料 , 需研究工程地质测绘及其制图方法为取 得边坡岩体强度参数 , 需进行室 内外岩体力 学实验为了了解高边坡地下水赋存状态 、动 态特征 , 需进行水文地质勘察和试验 ’ ,为了进 行边坡稳定性评价和 设计稳定坡 角 , 需研 究 计算方法 , 并进行综合评价为了增强边坡稳 定性和提高边 坡角 , 需提 出和研究边坡 加 固 措施在采掘工艺方 面 , 需研究爆破减 震间 题 ,为了预报边坡变形破坏 , 需进行边坡长期 监测 。 在基础理论研究方 面 根据工 程地质力 学原理 , 研 究区域构造应力场及地应力对边 坡岩体的作用根据工程地质观点 , 研究边坡 岩体结构的组合规律 、 成因类型应用岩体力 学理论 , 研究岩体强度及岩体变形破坏机制 应用水文 地质观点研究地下水埋藏条件 、 分 布状况 、 动态特征及对边坡稳定性影响为了 预报边坡岩体稳定性 , 需研究边坡变形 、 破坏 时间效应问题 。 然而这些工程勘察实践和基 础理论研究又不是单一学科所能解决 的 , 需 各种相关专业人员 、 多种学科密切配合 , 相互 渗透 、 补充 , 进行综合性研究 , 才能 完成这类 课题任务 , 也是今后边坡勘察研究努力的方 向 。 边坡德定性研究有很大发展 当前国内外都非常重视露天矿边坡稳定 性的研究 。 。 、 年 , 在加拿大温哥华召 开 了两次国际性 露天 矿边坡研 讨会 。 年 , 在南非召开的露天采矿设计会议上 , 边坡 研讨论文占绝大篇幅 。 这几次会议 , 对世界各 国边坡研讨工作有很大推进 。 霍克 教授年著的岩 石边坡工程和 加拿大矿物与能源部技术中 心 系统总结的露天边坡手册 , 都是比较先 进 、成 熟的 , 边坡研究工作的结晶 。 多方面反 映了国外边坡研究水平和现状 。 目前国内外都非常重视岩体裂隙不连 续面 的研究 , 都认为岩体裂隙是控坡主要 因 素 。 为此 , 在美国专门研制了岩心定向取样 器 、 常年型 、 长寿型定向岩心钻机 。 岩 合采取率达 , 并可获得 定向岩心 。 近年来又采用了一些耗费较高的新方法如 钻孔摄影 、 钻孔电视 、 钻孔潜望镜 、 克雷拉斯 岩心定向器 、 克理斯琴逊岩心定向管等 。 在裂隙统计方面 , 研究应用了赤平极 射投影和概率理论 , 其分析方法日趋完善 。 在 岩体力学试验 中 , 大型现场试验和室 内小块 试件试验 , 密切结合工程地质条件进行分析 。 国外对边坡加 固和爆破减震 问题极 为重视 , 发展较快 。 他们认为在勘察测绘的基 础上 , 研究进行边坡加固 、 监测和采取爆破减 震等措施 , 可以大大提高边坡角 , 强化进行陡 帮开采 , 经济效益很好 。 我国从解放到现在 , 边坡稳定性研究发 展分三个阶段 。 第一阶段年代 , 主要是采 用工程地质类比法给出稳定坡角 , 作为边坡 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期 设计的依据第二阶段年代 , 开始形成岩 体结构观点 , 在边坡研究 、 岩体力学试验 、 边 坡分析计算方面 , 有较大发展 。 从年代末 到 现在 , 我国边坡岩体稳定性研究处于大发 展时期 , 主要表现在 在此期间 , 科研 、 设计 、 勘察单位和高 等院校会同矿 山一起 , 先后对大 冶 、 海南 、 大 孤山 、 南芬 、 兰尖 、 朱家包包 、 白云鄂博 、 司家 营 、 石 人沟等铁矿 、 金川 、 盘石镍矿 、 德兴 、永 平铜矿 、云 浮硫铁矿和攀钢石灰石矿等个 矿山边坡进行了系统勘察研究 。 其中个矿 山已完成技术鉴定或评审 , 取得 一大批科技 成果 。 在勘察技术方法 、基础 理论研究方面取 得很大进展 , 总结积累 了经验 。 尤其是金 川矿 的采场边坡岩体水文地质工程地质条件预测 评价略图 , 曾在 国际第三届工程地质会议上 展出 , 得到于会专家们的好评 。 在边坡工程地质勘察研究方面 , 不仅 引用了国外先进技术经验 , 更重要 的是结合 我国矿山实际情况 , 运用 了工 程地质学家谷 德振先生倡导的工 程地质力学理 论 和方法 , 岩体中不同形 态 、 规模 、性质的结 构面和结构 体相组合构成岩体结构 。 岩体结构的特征 , 很 大程度上决定和控制了岩体在力的作用下的 变形 、破坏机理。岩体 变形 、破坏的过程, 实际 上就是岩体中各结构体沿着一系列结构面滑 移或开裂累计变形或破坏的过程 。 实践证明 研究岩体的关键在于研究岩体结构 , 其重点 在于不连续面 。 这种理论和方法抓住了岩体 本身的内在规律性 , 并形成一套比较完整 的 “ 工程地质力学观点和方法 ”。 对深入分析现 有边坡和深部岩体结构 , 提供了理论依据 。 在对深部岩体工程勘察中 , 我们引进和 发展了定向岩心钻探技术 。 美国的常年利 型 、 长寿型和我国自行研制的一型 定向岩心钻机 , 己达世界先进水平 。 新设备 、 新技术在我国矿 山边坡勘察研究中得到推广 应用 。 在对边坡深部岩体构造特征及其规律 性的研究方面 , 发挥了重要作用 。 岩体强度 的确定是边坡稳定性研究 的重要方面 。 主要是测试潜在滑面所经由的 结构面 、 碎裂岩和节理岩体的抗剪强度指标 、中 值 。 现多以中 , 小型直剪仪测试结构面 的 、 。值 , 测试结果比较准确 。 最近发展一 种大型三轴仪 , 可做断面碎裂岩试件 , 并取得满意结果 。在一些 重要边坡工程中 , 有 的单位在对室内和野外原位剪切试验 中 , 用 微机 实现对实验的控制和资料整趣 , 提高了 工作效率及数理分析的准确性 。 边坡岩体稳定性的分析计算 , 是边坡 勘察研究的核心问题 。 目前仍以极限平衡法 为主 。 不仅应用了极限平衡原理 , 还应用了弹 塑性理论 。 近几年该法又有新的发展 。 适用 于各种形状滑面和倾斜条块界面的萨尔玛法 的 引入 , 可根 据岩体 中实际存在 的断层 、 节 理 、层面 等结构面划分条块 , 使计算比较符合 实际 , 已逐步推广使用 。 随着电算技术的发 展 , 有的也采用 了有限元法 、 边界元法 、 破坏 概率来分析边 坡破坏条件和评价边坡稳定 性 。 很多专家 、 学者研究开发 了各种 电算程 序 , 在这方面做出卓越贡献 。 另外 , 可靠性分 析和经济分析法已用于边坡工程研究之 中 , 把边坡稳定性研究 、 边坡设计与采矿 全系统 的经济效益联 系起来 , 为边坡勘察研究开辟 了一条新的途径 。 可靠性分析方法被誉为近代工程技术的 重大发展 。应 当明确 , 边坡可靠性分析方法是 在安全系数方法 基础上过渡和发展起来的 。 评价可靠度的随机变量仍是安全系数或安全 储备 , 其根本差别在于它摒弃因果对应的确 定值观念 , 而承认一因多果的事实 。 可靠性理论提供人们系统的构思 , 取得 纵观边坡工程 问题的能力 。 目前发展比较成 熟的方法有蒙特长洛模拟方法 , 亦称随机摸 拟方法或统计试验方法 可靠指标法随机有 限元法和随机边界元法是刚刚发展起来的新 方法 , 正处于研究阶段 。 边坡稚定性研究中存在和有待进一 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期 步探索解决的问题 从我国来说 , 大部分金属矿床生成年 代古老 , 经历 了多次地质构造运动 。 一些矿山 褶皱断裂构造发育 , 岩体破碎 , 边坡稳定性条 件差 , 工程地质条件复杂 , 对这类矿床进行露 采和边坡稳定性勘察评价难度较大 。 以往矿床地质勘探注重的是矿石质 量 、 储藏量及其成矿规律 的评价研究 。 虽做了 一些岩石 、 矿石物理 力学性质测定 , 那是 为了 开采技术条件所需 。 水文地质勘探是为了评 价和预测矿坑涌水量 。 勘探工程只限于矿体 范围 。 而对露采边坡 岩体很少有工程控制和 研究 。 因此工程地 质勘察工作薄弱 , 资料缺 乏 。 这些都给边坡研究带来很 多困难 , 很多工 作都要重新去做 。 劝我国大部分 露天矿边坡 设寸十都采 用 “ 经验类比法 ”。 致使设计坡角与实际情况出 入很大 , 其主要 原 因就是对边坡岩体结构特 征等没有进 行勘察研究 。 这类问题较 多 , 急待 工程地质勘察研究解决 。 们在边坡稳定性 研究中 , 对以下几方面 问题 须有新的研究突破 进一步 加强边坡岩体 变形 、 破坏机理 的研究探讨岩体结构对边坡的控制作用 认真勘察研究地下水在边坡深部岩体 构造 裂隙 中赋存状 态 、 渗流特 征及其非均匀 性 、 复杂性 , 都按均匀分布分析 , 则可能 夸大 地 卜 水的作用 。 此要客观准确的估价地下 水 对边坡稳 定性影响 , 尚需作深细勘察研 究 仁作 由于在采取试样 、 试验仪 器方面受科 技发展的限制 。 仅用试验确定岩体力学参数 不能准确反映岩体 内在的力学特性 。 而确定 竹理化岩体强度 , 多采用经验公式 , 因而也影 响边坡稳定性计 劳 一 的准确性 。 所以在确定岩 体力货参数方面 , 还应有新的探索 在边坡稳 定性计勇方面 , 常用的极 限 平衡 去有许多假设 条件而影响计井 一 精度 。 随 着 电劝 一 技 术的应用开 发 涌现出来 的 各种新 方法 尚需相互验证补充 、 完善 。 使其计算分析 评价更能 客观 的反映边坡节理 化岩体的特 性 。 边坡稳定性研究发展趋势 随着科学技术的发展进步 ,“ 改革 、 开 放 、 搞活 ”方针政 策的落实 , 国内外学术交流 活动会更加活跃和加强 。 一些新的学科 、 新的 理论 、 新的方法 、 新的设备 、 仪器 , 将会更多的 涌现出来 。 这是科学深化发展的必然趋势 。 在新形 势下 , 要认真总结我 们在边坡勘 察 、研究、 治理工作上的经验和差距 。 加强边 坡工程薄弱环节的研究 , 根据需要和可能 , 结 合我国的实际情况 , 更多的引进和学习国外 边坡研究先进的设备和经验 。 充分发挥科技 人员的作用 , 组织不同学科 、 相关专业的科技 人员联 合起来 。 有计划的把最新 、最先进的科 学技术 , 应用于边坡工程研究 , 从整体上综 合 研究提 高边坡 稳 定性 勘 察研究理 论 技 术 水 平 。 使边坡工程研究从定性评价逐步提高到 定量评价的飞跃得以实现 。 近年来 , 国外边坡稳定性研究总的发 展趋势是美 、 英等国家 , 在边坡研究中重视岩 体结构分析 、 注意研究地质构造结构面在边 坡稳定性分析中 , 对边坡变形 、 破坏的控制作 用 。 把边坡研究工作建立在比较 客观的地质 勘察研究基础之上 , 取得较好研究效果 。 如加 拿大谢 弗维 尔 弗莱明露天矿利 用霍克 教授提出的分析方法 , 将边坡 角从 原来 的 一 。提高 到 “ 一 “, 平均提 高 。 普及加快 了电算技术的应用开发 。 从节 理测量数据处理 、绘 制极点投彩图 、极 点等值 线图 、 岩力试验 、 地下水流计算直到各类型边 坡 破坏摸式 的计井 一 分析等 , 都应 用 了电 户计 算机 。 编制开发了很多专 门程序 , 大大提高了 工作效率和准确性 。 把边坡工程研究推向技术一经济综合评 下转第页 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期 的反映大于焦炭入高炉的机械强度实 际情况 , 改变了大于焦炭入鼓 , 而大于 至级焦炭 的机械强度指标反映 不 出来的局面 , 而 且 。指 标 随 焦炭 质量情 况的变 化 , 反映比较灵敏 。 试验 期 间正常焦 炭机 械强度 。平 均 为经验证 , 、。与 两 个质 量特 性值具有相关关 系 。 其一元线性回归方程 为 夕其中为 , 为 ,。 , 相关 系数 丫一。 , 该方程在 一 水平上有显著性相 关关系 。 如果剔除偶然原 因引起 的异常离群 点后 , 可得回归方程为夕 一 相关系数 , 说明两 个质量特性直相关关 系更好 , 在 水平条件下 , 线性 相关也显著 。 焦 炭 耐 磨 强度指 标 ,。, 无 论 大于 和大于焦 炭入鼓对 。指 标无 影响 。 上接第页 价方向发展的趋势 。 从边坡工程地质条件出 发 , 综合研 究陡帮开采所获得经济效 益和 冒 边坡 滑塌 所 可能带来经济损 失 的风险 , 已获 一定成果 。 在做法上形成 “ 最佳边坡 角设计 ” 的观 念和方法 即根据查 明的岩体工 程地质 条件 , 尽量保证整体边坡稳定的前提下个别 台阶滑落是允许的 , 研究采取 加 固 、 疏干等 稳坡措施的效果 , 应用岩石力学原理 , 进行最 优化边坡设计 。 在矿山生产全过程中对边坡 进行监 测和预报 , 使边坡 破坏 所造 成 的损 失 减少到最低限度 , 从而达到最好的经济效果 。 随着科学 的深化 , 国内外正在把新的 学科理论应用于边坡工 程研究 。 我们知道 , 露 采边坡 的地质岩体状态是随时间不断变化着 的 , 是十分复杂的 , 它的显著特点是具有不确 定性 , 是涉及非常广泛的 “ 大 系统 ”。 因此很难 用一般常规方法做比较确切的计算分析 。 所 以 人们近年来探索用模糊数学 、 灰色理论 、 可 靠性分析 、 经 济分析 、 系统工程 、 最 优化理 论 应用于边坡工程研究 , 已有不同程度的进展 。 这些新学 科 、 新理 论的 出现及它们间的相互 联 系 、 验证和补充 , 就可能更正确的描述反映 客观现实世界的数量关系 。 模糊数学和灰色 理论等学科的出现扩大’ 人们的视野 , 开阔 了解决疑难问题的途径 。 参考文献 〔幻全 国储委矿床开采技 术组片 ,中国固体矿床工程 地质工作研究 , 。年 月 。 〔 〕加拿大 , 布劳纳 “ 露天矿边坡稳定性研究的 新发展 ”。 国外金属 矿采矿 , 年 , 第期 。 〔 〕 ,“ 一人 ”, 一 沙 , 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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