南芬露天铁矿下盘边坡失稳机理分析研究.pdf

2 0 0 3年 4月 第 3 2卷第 2期 有色矿 山 No n f e r r o u s M i n e s Ap r ． ， 20 0 3 Vo 1 ． 3 2 No ． 2 南芬露天铁矿下盘边坡失稳机理分析研究 李如忠， 周 敏 马鞍山矿山研究院， 安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 4 [ 关键词 】 露天矿 边坡 ； 溃屈 破坏 ； 突变论 [ 摘要 】 露天矿 边坡失稳现象较为普遍 ， 南芬铁矿滑坡 量很大， 本文 基于极限平衡法 、 溃屈破坏理论和非线性 突变论对该矿 的滑 坡形成机理进行 了分析 ， 为制定正 确的工程防护措施资料 了基础 。 [ 中囝分类号】 TD 8 5 4 ． 6 [ 文献标识码】A [ 文章编号】1 0 0 2 ． 8 9 5 1 2 0 0 3 0 2 0 0 1 8 0 3 Ana l y s i s a n d s t u d y o n t he f a i l ur e m e c h a ni s m o f f o o t wa l l s l o pe i n Na n f e n o pe n pi t i r o n m i n e LI Ru z h o n g， ZHOU M i n Ma a n s h a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g R e s e a r c h ，Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 4 ，C h i n a Ke y wo r d so p e n pi t s l o p e；c o l l a p s i ng d e s t r u c t i o n；d i s c on t i n ui t y t he o r y Ab s t r a c t The o pe n pi t s l o p e f a i l u r e i s u ni v e r s a 1 ．Th e l a n d s l i d e s c a l e o f Na n f e n i r o n mi n e i s v e r y l a r g e,Ba s e d o n t h e l i m i t e q u i l i b r i u m me t h o d， c ol l a p s i ng de s t r u c t i o n t h eo r y a nd n o nl i n e a r d i s co n t i nu i t y t h eo ry ， t h e f o r m e d me c ha ni s m o f l a n d s l i d e i s a na l y s e d，wh i c h p r o v i d e s b a s i c i nf o rm a t i o n f o r d r a wi ng u p co r r e c t e n gi ne e r i ng p r o t e c t i v e me a s u r e． 1 滑坡 概况 南芬铁矿是本溪钢铁公司主要矿石原料基地之 ，1 9 9 9年下半年至 2 0 0 0年上半年， 矿区下盘边坡 中段 3 7 0 m 至 6 2 0 m台阶发生了大规模滑坡， 边坡破 坏高度达 2 5 2 m， 大量 的滑坡松散体堆积于 3 7 0 m 水平上部台阶， 使得 3 7 0 m 台阶无法靠帮， 严重影 响了矿山的正常生产。 滑坡 体 的边 坡 走 向 1 7 8 。 ～1 8 8 。 ， 倾 向 2 6 8 。 ～ 2 7 8 。 ， 形态垂向平直横 向略带弧形， 总体边坡角 4 0 。 。 滑坡体 区域工程地质原岩组有 二云母石英片麻岩、 绿帘角闪岩 、 石英绿泥片岩、 磁铁石英岩、 花 岗斑岩 等。滑坡体 区域结构面发育， 主要有断层 、 岩脉和节 理裂隙， 其中断层 F 2 、 F 7 及顺坡向节理影响较大， 出 露于 3 7 0 m台阶上部 ； F ，断层分布于 主滑体后缘 附近， 小角度斜交边坡走向； 岩脉出露于边坡滑体南 边侧， 构成滑坡体侧向边界； 滑坡区内节理裂隙较为 发育， 在现场测绘基础上， 经聚类分析节理产状测绘 分组结果见表 1 。 表 1 节理产状测绘分组结果 在七组节理 中产状为 2 9 4 。 4 6 。 的节理对滑坡 体影响较大， 为区内最为发育一组， 追踪片理形成并 连续存在， 沿走向和倾 向延展性均很好， 与边坡产状 基本一致， 台阶三角体的失稳及后期大 型光面边坡 破坏基本都由该组节理形成， 属本文重点分析对象。 [ 收稿日期】 2 0 0 3 ． 0 3 ． 0 3 [ 作 者 简 介 】 李 如 忠 1 9 6 5 一 ， 男 ， 安 徽 蚌 埠 人 ， 高 级 工 2 台阶稳定性计算 程师， 马鞍山矿山研究院岩土所副所长。 台阶稳定是边坡整体稳 定的组成部分 ，对于沉 维普资讯 第 2期 李如忠等 南芬露天铁矿下盘边坡失稳机理分析研究 1 9 积岩或沉积变质岩类型边坡， 其顺 层边坡失稳都 由 台阶三角体失稳开始。因此， 对 南芬沉积变质岩类 型边坡造成 目前大规模边坡失稳， 也应是先从 台阶 三角体 失稳开始。其 主要原 因是 顺层节理 切割 台 阶， 在坡脚有出 口， 台阶顺弱面滑移垮落。设 台阶高 度 H， 台阶坡面角 ， 平 台宽度 b ， 软弱夹层倾 角为 a ，则可推导出弱面出露点到台阶眉线距离为 b b H 1 ／ t g a一1 ／ t g f1 1 潜在滑体重量 w w 半 1 ／ t g 口 一 1 ／ t g f1 2 滑面长度 L LH／ s i n a 3 按极限平衡法可计算潜在滑体稳定系数 t t g g口 q p 2 C／ [ 7 Hs i n 2 口 1 ／ t g 口一1 ／ t g f1 ] 4 由 4 式在节理弱面倾角取值 4 6 。 情况下 ， 并结 合南芬下盘边坡岩体物理力学参数可计算 出不同岩 性在不同台阶结构参数下的稳定系数 见表 2 。 表 2 切割弱面倾角 4 6 。 时台阶稳定系数 从计算结果表中可得 出如下结论 ①南芬下盘 边坡受弱面切割后， 三角体 的稳定程度在不 同岩性 情况下极限高度不同， 按石英绿泥片岩， 其并段极限 高度应控制在 4 8 m 以 内。②特 定岩 质和特定高度 下的边坡三角体稳定性 与台阶坡面 角度密切相关， 当台阶坡面角与节理 面夹角逐渐接近时， 台阶稳 定 系数逐渐增大 。由此可见采矿靠帮预裂爆破的重要 性， 合理 的作业参数是预裂孔角度 应尽量接近弱面 角度 。 3 光面边坡溃屈破坏 失稳分析 由于南芬矿下盘边坡预裂工作开展的不好， 导 致大规模的台阶三角体垮 落， 局部形成较高的平 直 光面边坡， 由于软弱夹层的存在， 表层岩体形成薄而 长的板梁结构 ， 也称之为板裂结构 ， 这种结构破坏特 点不是岩体剪切破坏， 而是变形失稳， 亦即材料力学 中称之为溃屈破坏。应用能量原理可推出溃屈破坏 的极限高度。 岩体在外力作用下做的功 △T与其内部储存的 变形能 △ 平衡， 即 △TA ， 将岩体理想化典型的 梁柱结构 ， 变形曲线定为 YY 5 设 P 为上段岩体对变形段梁柱的下滑力， q为 梁柱上单位长度的 自重 取单宽考虑 ， 则外力所做 的功为 △ T 吉 P d 1 q s in a 1 - x d 。 6 梁 内储存的变形能 1 。E J d x J 。 q y c o s 口 d x 7 因此 6 、 7 两式右部 相等， 根据孙 广忠I s ] 观 点， 岩梁变形曲线取 n 卜c o s J 8 由此， 可推导出上段岩体推力的临界值 P Pc r 4 了 2 E I 一 1 q z s i n 口 9 ， ， ⋯ ⋯ 、 ， 据孙广 忠分析， P 为零 时， 对应的 z值为所有 溃屈边坡中最小的岩梁长度， 进一步 可推导 出溃屈 平直边坡极限高度 H s i n a 2 n 2 E b 2 ／ 3 s i n a 1 0 式 中 a 平直光面倾角； ， 岩体容重 ； E岩体弹性模量 ； 6 滑体厚度。 边坡溃屈破坏的先决条件是滑体在无支承力情 况下能沿软弱夹层滑动， 因此可推导出溃屈滑体 的 最小厚度 b c ／ [ 7 s i n aC O S 0 t t g 9 ] 1 1 根据南芬矿滑坡 区段岩体 实际参数代入 1 1 、 1 0 式可计算 出不同岩种边坡溃屈破坏的极限高度 值 二云母石英 片岩 H7 2 ． 6 m； 绿帘角 闪片岩 H 6 7 ． 8 m； 石英绿泥片岩 H5 3 ． 9 m。 以上计算值与南芬矿 实际情况基本相符， 说 明 维普资讯 有色矿 山 2 0 0 3 年 第 3 2 卷 了溃屈破坏模式的存在。 4 光面边坡受力体系发生突变失稳分 析 岩石受力系统是 复杂 的非线性动力系统， 由系 统 中众多要素选 出最本质要 素作为状态变量， 然后 根据实物状态结 合力学原理建 立数学模型， 即建立 起控制这些状态的微分方程。 由多个微分方程构成 的方程组通常称为动力系统， 研究这些微分 方程的 解及其稳定性及其它性质的学 问称为动力学。 基于非线性系统尖点突变理论， 工程地质问题 分析一般可采用 6个步骤。 1 通过野外地质原型调查。 建立地质模型。 2 根据地质模型， 建立相应 的力学模型。 3 求出系统的总势能， 建立势函数的表达式， 再利用泰勒展开、 变量替换等手段将势函数化为尖 点突变的标准形式， 最终可求出分叉集方程。 4 根据分叉集方程分析系统发生突变的必要 条件。 5 当控制变量 满足分 叉集方程， 系统 则处于 突变前的临界状态， 由此得 系统 突变 的临界条件， 也 就是突变的充分条件。 6 系统 中某些因素的变化， 将会导致控 制参 数的改变 ， 根据工程需要， 可对系统的演化途径作定 量或定性分析。 根据南芬露天采场下盘滑坡体形态， 在平直光 面上部岩体推力和岩板 自重作 用下， 下部岩板逐渐 弯曲变形， 考虑到斜坡岩板长度和宽度远大于厚度， 可将岩板弯曲问题 简化为弹性梁 的稳定 问题， 经求 算系统的势函数并部分进行被积 函数作 T a y l o y展 开． 得到 、，， E 6 4 I I E l l 1 一 2 一 知z s in a ] 2 q l c o s a一2 N 0 “ 。 1 2 式中 z 滑面斜长 ； 卜一 梁的惯性矩 ； 滑面上部推力 ； N滑面下部岩层垂面反作用力 ； 为 l ／ 4处的挠度 ； a 滑面倾 角。 对式 1 2 进行尖点突变标准形式变 化， 可变为 如下形式 、 ， ， ，6 1 1 b x 1 3 式中 [ 吉 E 口 E 2 7l“ 4 一 p l 一 1 g L ] r- 墨 1 { L E 儿 2 r ／ L ／ 6 q L c o s a 一 2 N 丽 8 对于每一组 由 P、 N 及 q决定的a、 b ， 总有一势 函数 ．6 的相 对应， 故上 式实际给 出了一 个函 数 V RX RE R 式 中， R 为 状 态 空 间， R 2为 控 制 空 间。 势 函 数 ．6 的所有临界点集合 M， 是 由势函数的梯度 函数确定的方程 2_ 3 口 b 0 定义的 RX R 子 集， 它是 一个光滑流形， 奇点 集 S为 M 上有竖直切线的点集， 可 由下式求 出。 3zz 口 0 奇点 S在控制 空间 R 中的象 B为分叉集 ， 可 由以上方程联立消去状态变量 得出 4口 2 7b20 分叉集形状半立方抛物线， 当 a0 ， 在 M 的 中叶有 g r a d x [ g r a d x ． 6 ] 0 。因 此， 平衡位 置 在 M 的上下 叶， 系统能量 为极 小 值， 系统状态稳定 ； 在 中叶能量为极大值， 系统状态 不稳定， 突变理论称之为不可达状态。 把原参数代 回分叉集方程得 41 r E EI一 一q sP s l‘ n a 。 一一q 十 2 4 7 L F L 2 、 EI． q L c o s Ot -- 2 N ] 0 1 4 同时可直观地看 出只有 n ≤O系统才有可能跨 越分叉集发 生突变， 因此 ， 梁柱体 失稳的必要条 件 是 ≥ 一 号 in a 1 5 下转 第3 5页 维普资讯 第 2期 张培安 浅谈尾矿库的安全技术管理 3 5 立尾矿水处理系统， 使之达到排放 标准后排放 。 国内在尾矿库管理中关于尾矿水净化处理的工 程设计和实践 尚少， 在工业污水净化的有关资料中， 有害物质的净化有许多可能的方法， 但适合尾矿水 特点的净化方法则较少， 一般 可采用 自然净化和物 理化学及化学净化方法， 当尾矿水 中有害物质的含 量经 自然净化后仍 不能达到排放 标准及卫 生标准 时， 则需采用物理化学及化学方法进行净化。 6 尾矿库的坝体观测系统及管理要求 尾矿库投入运行后， 将受到 自然因素和人为因 素的影响， 尾矿坝的工作状况将不断变化， 为及时掌 握其变化情况， 取得第一性的资料， 更合理地使用管 理好尾矿坝， 使 隐患得到及时治理。 必须建立尾矿坝 的观测系统。 尾矿坝的观测一部分可用 肉眼对坝坡有无明显 变形、 塌坑 、 沼泽化 、 渗水、 裂缝及蚁穴、 鼠洞等进行 观测， 对 于重要 的尾矿 坝必 须 借助仪 器设 备进 行 ①坝体水平 、 位移观测 ； ②坝体沉降观测 ； ③坝体 固 结观测 ； ④坝体孔 隙水 压力观测 ； ⑤坝体 浸润线观 测； ⑥坝基扬压力观测 ； ⑦绕坝渗流观测 ； ⑧渗流量 观测 ； ⑨渗流水水质监测等观测工作。 对于各项观测结果， 要认真整理分析， 全面掌握 尾矿坝的工作状况和运行规律。提出进一步的安治 及管理措施， 确保 尾矿库安全运行。对观测 资料要 进行整编、 储存， 为今后实现计算机进行数学模型分 析和预报尾矿库的安全性奠定基础。 7 结语 尾矿库的安全技术管理， 涉及到生产工艺、 生产 安全 、 综合利用和环境保护的一系列问题 ， 所 以一个 尾矿库的管理从选址 、 规划、 设计 、 施工 、 运行 、 到终 期闭库 包括绿化 、 复垦 应坚 持“ 安全第一、 预 防为 主、 防重于抢 、 有备无 患” 的方针， 严格按照“ 尾矿库 安全管理规定” 进 行实施和管理。要认 真做 好 日常 检查及沉积滩、 安全超高 、 调 洪高度、 坝体浸润线的 管理 ， 使尾矿库在正常状态下安全运行 ， 为企业的生 产及当地居 民的生产生活创造 良好的环境。 上接 第 2 0页 式 1 4 、 1 5 便是所讨论的梁柱体失稳的充要 条件。 以上分析表 明， 南芬矿下盘光面边坡稳定状 态 不但与力的大小有关 ， 还与力的组合关 系及力的作 用途径有关， 当力的组合满足式 1 4 、 1 5 时， 系统 就具备发生突变失稳的可能 ， 该种情形 的层状 岩体 失稳表现出岩体强度似 弱化特 征， 外界力的微小扰 动就可能导致光面边坡层状岩体失稳。如用弹性力 学理论分析该种顺层边坡失稳， 只能给出一个力的 大小判据 ， 而突变理论则是一种动态分析方法， 它更 深刻地揭示了顺层斜坡失稳的力学作用机理 。 5 结语 本文结合南芬大型露天铁矿下盘层状边坡失稳 的工程实例， 基于台阶稳定极限平衡性分析入手， 并 对光面边坡进行溃屈破坏模 式分析 ， 计算 出了不同 岩性层状边坡的极限高度； 基于非线性 突变理论 的 岩体结构稳定性分析， 突破了传统的岩体强度准则， 揭示了复杂力系中， 层状岩体微扰 失稳机理。在以 上分析计算基础上， 可制定 出行之有效的工程防治 对策， 南芬矿 目前已付诸实施。 [ 参考文献 】 [ 1 ] 本钢南芬 矿下 盘边 坡滑体 综 合治理 工程 研 究 [ R] ． 马 鞍山研究院， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 安徽新桥硫 铁 矿边 坡稳 定性研 究 [ R] ． 马鞍 山矿 山研 究院， 1 9 9 2 ． [ 3 ] 马钢南 山铁矿 边坡 稳定性 研 究 [ R] ． 马鞍 山矿 山研 究 院。 1 9 8 7 ． [ 4 ] 金堆城钼业公司露天矿北帮边坡治理工程研究[ R] ． 马鞍山矿山研究院， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 孙广忠 ． 岩体结构 力学 [ M] ． 北 京 科学 出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 6 ] 勒内 托姆． 突变论思想和应用[ M] ． 上海 上海译文出 版社 ， 1 9 8 8 ． [ 7 ] 黄润秋等． 工程地质广义系统科学分析原理及应用 [ M] ． 北京 地质出版社， 1 9 9 7 ． [ 8 ] 祝玉学． 边坡可靠性分析[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 1 99 3． 维普资讯