某深凹露天矿高陡边坡破坏模式分析.pdf

第3 2 卷第5 期 2 0 1 2 年1 0 月 矿冶 工 程 ⅡN Ⅱi GA N D I E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №5 O c c o b e r2 0 1 2 某深凹露天矿高陡边坡破坏模式分析① 屈春来，乔兰，李远 北京科技大学土木与环境学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要在详细的地质调查的基础上，采用赤平极射投影和三维离散元计算方法相结合的方式，确定了某露天矿高陡边坡潜在的破坏 模式，并较真实地、动态地模拟了边坡块体在开挖过程中位移和变形状态的变化特征及破坏过程，为边坡稳定性计算提供可靠依据。 关键词岩质边坡；高陡边坡；破坏模式；赤平极射投影；三维离散元 中图分类号T D 8 5 4文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 5 0 0 0 4 0 3 F a i l u r eM o d eA n a I y s i sf o rH i g h - s t e e pR o c kS l o p ei I lS o m eO p e nP i tM i n e Q UC h u n - l a i ，Q I A OL a n ，L IY u a n 危o o f 矿C 矧o n dE 删r o n 批n 础，№沁r s 渺矿J s c i e n ∞o n d 死如n o Z D 缈B e 玎i n g ，＆彬增1 0 0 0 8 3 ，C 硒m A b s t r a c t B a s e do nt h ed e t a i l e dg e o l o g i c a ls u r v e y ，t h ep o t e n t i a lf a i l u r em o d eo fh i g h s t e e pm c ks l o p ei ns o m eo p e n p i t m i n ew a sd e t e 珊i n e db ys t e r e o 铲a p h i cp r o j e c t i o nc o m b i n e dw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a ld i s c r e t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n ， T h e d e f o 姗a t i o na n df a i l u r eo ft h es l o p eb l o c ki nt h ee x c a v a Ⅱo np r o c e s sw a st 1 1 l l ys i m u l a t e di nad y n a m i cw a y ，w h i c hc a n p m v i d er e l i a b l er e f e r e n c ed a t af o rs l o ps t a b i l i t yc a l c u l a t i o n ． K e yw o r d s r o c ks l o p e ；h i g h s t e e ps l o p e ；f a i l u r em o d e ；s t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o n ；3 Dd i s c r e t ee l e m e n t 随着资源的不断开发利用，深凹露天矿成为世界 上露天矿的发展趋势⋯。目前世界上规模最大的深 凹露天矿之一的智利丘基卡玛塔铜矿，最大边坡垂直 高度已达8 5 0m ，到2 0 2 0 年将达到11 0 0m 。我国冶金 矿山8 0 ％的矿石来自于露天开采，目前有1 6 座大型 冶金露天矿已全部转入深部凹陷开采，最大凹陷深度 将达到或超过4 0 0m 旧J 。随着矿山生产的不断进行，边 坡高度不断增加，边坡稳定性越来越差。矿山高陡边坡 的稳定性是影响矿山安全生产的重要因素，在分析、计 算边坡失稳过程中，采取何种边坡破坏模式尤为重 要”。4J ，破坏模式是边坡稳定性分析的基本依据，它对 方案设计、施工工艺与工程的成败具有决定性意义‘5J 。 本文在深入分析矿区工程地质条件的基础上，对边坡内 部地层进行了补充地质勘查，确定岩体结构类型和各级 各类结构面与边坡产状的组合关系，分析可能的边坡破 坏模式，为边坡稳定性计算提供可靠的保证。 l 矿区工程地质条件 迁安矿区位于华北地台北缘燕山沉降带中部马兰 峪．山海关复背斜的次级构造单元迁安隆起西缘 的褶皱带中，矿区分为南北两区。该铁矿床位于迁安 铁矿区北区西矿带上复向斜的东北端，复向斜由北山 向斜、旧水厂背斜、南山向斜组成。褶皱轴北东端翘 起，向南西倾伏，区内构造断裂发育，大小断层有4 0 余 条，按断层分布方位划定为6 组①N E 向；②E w 向； ③s N 向； 蓟N N E 向； DN E 6 0 。向； 蓟N w 3 0 0 向。 根据补充地质勘查钻探施工总结报告K 3 号钻孔 定向钻进 节理裂隙面产状测试综合成果，按节理裂 隙倾向分组进行归类统计整理，并画出节理裂隙倾向 玫瑰花图M 』，见图1 。从图l 中可以看出发育有6 组 最优势节理裂隙，倾向分别为N E 6 0 0 ～7 0 。、S E l 2 0 0 一 1 3 0 0 、S E l 6 0 0 ～1 7 0 。、S W 2 0 0 0 ～2 1 0 0 、N W 3 4 0 。～3 5 0 。、 N Ⅵr 2 7 0 。一2 8 0 。。 3 3 共彳1 一。 一、絮 I 7 ⅫI ／忉 叉∥心2 ／ 2 1 ＼} ～。 ，一白 3 3 ■o h 絮 ≮忒窃 ≤钐闲之 2 l 矗≮L 。．y 妊 1 8 0l 舯 O51 0 条数OS1 0 条数 - ．- ．．- ．．- l - - ．JI ．．．- - ．_ L - - - J 节理倾向玫瑰花图优势倾向玫瑰花图 图lK 3 钻孔节理玫瑰花图 ①收稿日期2 叭2 0 4 - 1 3 基金项目国家自然基金重点项目 5 1 0 3 4 0 0 1 作者简介屈春来 1 9 8 5 一 ，男。河北衡水人，博士研究生，主要从事矿山安全分析和评价方面的工作。 万方数据 第5 期 屈春来等某深凹露天矿高陡边坡破坏模式分析 根据补充地质勘查钻探施工总结报告l 3 号钻孑L 定向钻进 节理裂隙统计表，选取主要节理面进行赤 平极射投影分析，选取的节理产状见表l 。 表l西帮边坡岩体主要节理面 2 赤平极射投影定性分析 利用赤平极射投影软件将表1 中的节理面在赤平 面上绘制出来，通过各组节理面与边坡坡面的组合分 析，定性的分析各种节理组合对边坡稳定性的影 响‘7 qJ 。各组节理赤平极射投影如图2 所示。图2 中 虚线代表西帮台阶平均倾向1 3 3 0 ，倾角3 8 ．5 。和4 5 。的 节理。形成不稳定组合的几组节理分别为倾向2 0 6 。 和2 1 4 0 ，1 2 6 0 和2 3 5 0 、2 7 5 0 ；较不稳定组合的节理分别 为1 1 4 0 和2 0 6 0 、2 1 4 0 、2 2 4 。、2 3 5 0 ，6 6 0 和2 0 6 0 、2 1 4 0 、 2 2 4 。、2 3 5 0 ，5 5 0 和2 0 6 0 、2 1 4 0 、2 2 4 0 ，1 6 4 。和5 5 。、6 6 0 。 W N W N SS 赤平极射投影图极点等密图 图2 赤平极射投影分析图 3 三维离散元边坡破坏模式分析 在高陡岩质边坡中，岩体的变形破坏主要受岩体 内结构面尤其是软弱结构面的空间组合关系和结构面 的力学性能控制一j 。三维离散元程序3 D E c 是将为弱 面所切割的岩体视为复杂块体的集合体，允许各个块 体可以平移或转动和岩体的断裂等复杂过程，具有宏 观上的不连续性，可以较真实地、动态地模拟边坡块体 在开挖过程中位移和变形状态的变化特征及破坏过 程㈨。 该铁矿北区采场边坡受北山向斜构造的控制，向 斜的两翼即构成采场上下盘边坡的顺坡倾向特征，兼 之采场范围大，边坡长，垂直高度深，矿区断层，节理构 造发育，边坡岩体结构复杂，以及与采矿工艺设计组合 特征等综合影响，构成边坡潜在破坏类型复杂性和多 样性，根据现场调查资料及补充勘探资料的理论分析 以及采场滑坡特征的综合分析，矿区边坡存在以下主 要破坏模式 1 简单平面破坏。岩体沿单一滑面 节理面 发 生的边坡破坏。其控制要素是滑面为单一面，且平面 倾角小于边坡角，即潜在滑面在坡面出露，两侧有不连 续面切割构成滑体的侧向边界。这种破坏模式采场较 为常见，其破坏主要发生在节理面产状为s E l 2 0 0 1 3 0 0 、S E l 6 0 0 一1 7 0 0 ，倾角小于岩质边坡台阶倾角的地 层。利用软件三维离散元计算边坡仅存在优势结构面 的情况下的破坏模形如图3 。 ／ 图3 简单平面破坏 2 复合型平面破坏。岩体上部沿单一平面、下部 直接被剪断 压碎 而发生的边坡破坏。此类破坏与 单一平面破坏相似，但潜在滑面未在坡面出露，故滑体 在坡脚处尚有岩体支撑。当边坡下部支撑体被剪断或 因爆破弱化被压碎，从而导致边坡破坏。其破坏主要 发生在节理面产状为S E l 2 0 0 ～1 3 0 0 、S E l 6 0 0 1 7 0 0 、 N E 6 0 。～7 0 0 ，倾角略大于岩质边坡台阶倾角的地层， 尤其是上述产状与另外的倾角小于边坡坡脚的优势结 构面相组合时。利用三维离散元计算软件对该类型节 理面组合情况下边坡的破坏模形分析如图4 。 图4 复合型平面破坏 ／ 万方数据 6 矿冶工程第3 2 卷 3 楔形体破坏。由4 组甚至4 组以上结构面和 临空面组成。其中必有2 个滑动面倾向不同，且其交 线的倾伏方向与边坡倾向一致，倾角小于台阶坡面角， 即可引起三维楔形破坏。由赤平极射投影分析可得到 几种能够发生楔形体破坏的节理组合。采场此类破坏 发生普遍，一般为台阶边坡破坏，规模不大，超过1 个 台阶高度的楔形体破坏并不多见。楔形体破坏模型分 析见图5 。 乙『竹 4 结语 图5 楔形体破坏 通过采场边坡稳定性调查得知，在采场上、下两盘 边坡破坏比较普遍，多发生在单个台阶的局部破坏，多 个台阶的局部阶段破坏也常有发生。采用赤平极射投 影分析方法定性分析了边坡的主要破坏模式，其形式 主要为局部沿节理面的平面破坏或楔体破坏，也有倾 倒或平面剪切复合型破坏的可能。其结果与离散元模 拟边坡破坏机制结果一致，说明分析结果作为边坡稳 定性计算依据是可靠的。 参考文献 [ I ]杨继红，董金玉，刘汉东，等．岩体结构控制下的边坡变形破坏模 式分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 l l ，3 6 s 1 5 8 6 2 ． [ 2 ]蔡美峰，乔兰，李长洪，等．深凹露天岛陡边坡稳定性分析与设 计优化[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 0 4 ，2 6 5 4 6 5 4 7 0 ． [ 3 ]韩爱民，李建国，傅国利，等．基于有限差分强度折减法的多级边 坡破坏模式研究[ J ] ．工程地质学报，2 0 0 7 ，1 5 6 7 8 4 7 8 8 ． [ 4 ]熊传治，杜维吾，彭状，等．用有限元强度折减法求算边坡安全 系数初探[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 8 ，2 8 4 1 3 一1 6 ． [ 5 ]马博恒．近北庄铁矿露采边坡破坏模式分析[ J ] ．勘察科学技 术．1 9 9 4 2 2 I 一3 0 ． [ 6 ] 王青．荆其达．石人沟露天矿边坡岩体结构特征及总体边坡破 坏模式[ J ] ．露天采矿，1 9 9 1 1 4 2 4 7 ． [ 7 ]唐平，李粮纲．三峡库区董家湾高切边坡稳定性赤平投影解析 [ J ] ．路基工程，2 0 1 0 2 1 3 9 一1 4 1 ． [ 8 ]王宝学，杨同．上庄矿区蚀变岩体的质量评估及工程稳定性分 析[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 0 ，2 0 3 1 5 一1 7 ． [ 9 ] 赵建军，唐茂颖，巨能攀，等．高陡岩质料场边坡稳定性与支护设 计研究[ J ] ．工程地质学报，2 0 l o ．1 8 4 5 0 7 5 1 5 ． [ 1 0 ] 周家文，徐卫亚，石崇．基于3 D E c 的节理岩体边坡地震影响 下的楔体稳定性分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 7 ，2 6 s 1 3 4 0 2 3 4 0 9 ． 上接第3 页 聚力的临界变异系数为O ．3 ，超过临界值时，失稳概率 随着变异系数的增大加速下降。 对围岩和矿体力学参数的变异系数进行分析表 明，改变上述两组岩体c 、妒值的变异系数，边坡失稳概 率基本不变，因此以上两组岩体力学参数对于边坡失 稳概率影响很小，可以忽略。 4 结语 1 岩石力学试验表明岩石内聚力、内摩擦角值近 似服从正态分布的统计规律，特别是在边坡影响区域 内的风化围岩带频数分布曲线与正态分布符合较好。 2 数值分析结果显示，选取的边坡截面平均安全 系数为O ．7 5 ，滑移面位于左侧坡底，滑移面失稳概率 为9 9 ．7 ％，极有可能发生失稳。 3 边坡的失稳概率主要是受风化围岩带岩体的 物理力学参数c 和妒的影响较大。失稳概率随c 和妒 的均值、变异系数的增大而减小。其中c 值的均值、变 异系数对失稳概率影响更明显当c 的均值小于某一 临界值时，失稳概率将随c 和妒的均值的减小而非线 性加速增大。深部围岩和矿体的物理力学参数指标对 边坡失稳概率的影响较小，可以忽略。 参考文献 [ 1 ]李锦辉．王媛．基于随机有限元的堤防渗透失稳概率分析[ J ] ． 岩土力学。2 0 0 6 ，2 7 1 0 1 8 4 8 1 8 4 9 ． [ 2 ]江学平，于远忠．边坡渐进失稳破坏的概率分析[ J ] ．西南科技 大学学报，2 0 0 7 ，2 2 2 1 9 2 2 ． [ 3 ] 王立君，曹希．边坡下矿体回采过程的数值分析[ J ] ．金属矿 山，2 0 1 0 1 1 1 6 2 0 ． [ 4 ]甘德清．石人沟铁矿露天转地下过渡期采场参数及边坡稳定性 研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 7 1 1 1 3 3 1 3 4 ． [ 5 ]谢桂华．岩土参数随机性分析与边坡稳定可靠度研究[ D ] ．长 沙中南大学土木建筑学院，2 0 0 9 ． [ 6 ]范昭平，吴勇信．考虑土性参数概率分布对边坡可靠度的影响 [ J ] ．公路，2 0 1 0 1 1 4 一1 7 ． [ 7 ]徐建平，胡厚田．边坡岩体物理力学参数的统计特征研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报，1 9 9 9 ．1 8 4 3 8 4 3 8 5 ． [ 8 ]罗文强，王亮清．正态分布下边坡稳定性二元指标体系研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 3 2 2 9 0 2 2 9 1 ． [ 9 ]韩现民，李占金．露天转地下矿山边坡稳定性的数值模拟与敏感 度分析[ J ] ．金属矿山，2 0 0 7 6 8 一1 2 ． [ 1 0 ] 姜彤．马莎．抗剪强度c 妒值概率分布对边坡可靠性分析 的影响[ J ] ．华北水利水电学院学报，2 0 0 4 ，2 5 3 4 7 4 8 ． [ 11 ]罗周全，刘晓明．基于s u r p a c 和P h a s e 2 耦合的采空区稳定性模 拟分析[ J ] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 8 ，2 7 4 4 8 6 4 8 7 ． [ 1 2 ]陈群，庸岷．强度参数的不确定性对土石坝坝坡失稳概率 的影响[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 8 ，3 0 1 1 1 5 9 5 一1 5 9 8 ． [ 1 3 ] 孙玉科，杨志法，丁恩宝，等．中国露天矿边坡稳定性研究[ M ] ． 北京中国科学技术出版社，1 9 9 9 ． 万方数据