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第62卷 第1期 有 色 金 属矿山部分 2010年1月 Sar ma法在石宝铁矿边坡稳定性分析中的应用 周连春,张世明,祁昊,王政伟,臧建领 内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古 包头014010 摘 要本文通过对石宝露天铁矿边坡的地质情况和现状进行认真剖析,详细阐述了极限平衡法中的Sarma 法的工作原理,并采用Sarma法对石宝露天铁矿中的F区的边坡稳定性进行认真计算,通过计算求出滑动安全系 数FJ与标准安全系数Fb比较,判断出边坡的稳定性,并提出安全防范措施,确保安全生产。 关键词 Sarma法;边坡稳定性分析;应用 中图分类号 TD85416 文献标识码A 文章编号 1671 - 41722010 01 - 0063 - 04 Application of Sarma in Slope Stability Analysis of Shibao Iron Ore ZHOU Lianchun, ZHANG Shiming, Q IHao, WANG Zhengwei, ZANG Jianling Mining Engineering College, InnerMongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China Abstract According to carefully analysis of the geology conditions and current situation of Shibao iron strip mine slope, the principle of the Sarmawhich is included in limit equilibrium in detail is introduced in thispaper1 At the same time, the slope of F district is computed by the Sar ma1Compared the resultof glide safety factor FJwith the standard safety factor Fb, the stability of the slope is determined and the safety precautionary measure is put for ward, then the safety production is ensured1 Keywords Sarma ; analysis of slope stability; application 作者简介周连春1972 - 男,硕士研究生。 0 引言 露天矿边坡稳定问题是矿山开采设计和生产过 程中首先遇到并应解决的安全技术问题,国内外露 天矿对此都十分重视,并进行了大量的研究,形成了 较为成熟的边坡稳定性分析方法和理论,并具有较 高的使用价值。但是露天矿边坡稳定性问题又具有 独特性,不同的露天矿具有不同的特点所适用的分 析方法也是不同的,常用的计算方法有剖面剩余推 力法、 有限元法、 边界元法、 有限差分法、 极限平衡法 等,其技术手段有人工计算,建立计算机模型、 相似 材料模型等 [1 ]。露天矿开采发达的美国、 俄罗斯、 澳大利亚、 德国、 加拿大等国在边坡稳定方面居世界 先进水平,特别是俄罗斯的露天矿与我国露天矿的 赋存条件相似,为我们提供了可借鉴的边坡分析计 算方法,由于露天矿地质条件几乎是不同的,所以在 这方面可供借鉴的经验是有限的 [2]。 1 问题的提出 我国露天矿山很多,特别是内蒙地区,但是目前 所开发的露天矿都存在十分突出的边坡问题,如海 州露天煤矿、 平庄西露天煤矿等先后发生过若干次 大滑坡,造成了严重的经济损失,危害极大。边坡稳 定引起人们的高度重视,对边坡稳定性研究也逐渐 增加。石宝铁矿集团对其下属的露天铁矿边坡稳定 性十分重视,由于石宝铁矿特殊的地质条件,多断 层、 节理、 裂隙、 碎裂带等,所以对其边坡稳定性进行 认真分析是十分必要的,也是有待解决的安全问 题 [3 ]。石宝铁矿矿山生产规模为全年生产矿石 320 万吨,年采剥总量达1 070万吨,矿山服务年限17 年,稳产14年。该铁矿采场最终境界边坡角在设计 时采用类比法确定,最终边坡角一般不大于47,随 着开采深度的增加和边坡角的加高变陡,采场边坡 失稳的概率和开采的难度也会越来越大,而进一步 提高边坡角、 增加矿石开采量、 减少剥岩量,产生的 经济效益将是十分显著,为使石宝露天铁矿的采场 最终边坡角更加合理,必须对石宝铁矿的边坡稳定 性进行分析,采用优化的方法,分区提供最佳的边坡 角,并提出该矿边坡日常维护管理及监控的有关建 议。以确保该矿基建和生产的顺利进行,减少因滑 坡带来的人员、 设备等经济损失。 2 Sarma法的工作原理 Sar ma法是Sar ma于1979年在边坡和堤坝稳 定性分析 一文中提出的 [4 ]。基本原理是 边坡破 坏的滑体除非是沿一个理想的平面或弧面滑动,才 可能作一个完整的刚体运动。否则,滑体必须先破 裂成多个可相对滑动的块体,才可能发生滑动。也 就是说在滑体内部要发生剪切情况下才可能滑 动 [4 ]。其破坏形式见图 1,力学模型见图2。 图1 Sarma法岩体破坏形式 Fig11 Sarma fa ilure modes of rock mass 图2 Sarma法力学模型 Fig12 Sarma mechan icalmodel 211 力学分析 由图2可知,滑体分块上作用有块体重量Wi; 地震水平力KWi;块体侧面上的孔隙水压力PW i 、 PW i1 ;块体底面上水压力Ui;块体侧面上的总法向 力Ei、Ei1;块体侧面上的总剪力Xi、Xi1;块体底 面上法向力Ni;块体底面上的剪力Si。 根据图2的力学模型可知,由X方向力平衡条 件 ∑X 0 ,得 Sicosαi- NisinαiXisinδi- Xi1sinδi1- KWi Eicosδi- Ei1cosδi101 由Y方向力平衡条件 ∑Y 0 ,得 Sisinαi- NicosαiWiXicosδi- Xi1cosδi1 Eisinδi- Ei1sinδi102 应用库仑破坏准则在分块滑面上 Si [Cbili- Ni- Uitanφbi] /F3 及分块侧面上 Xi [Csidi- Ei- Pw i tanωs i] /F4 Xi 1[Csi 1di 1 - E i 1 -Pw i 1 tanωs i 1] /F5 将方程3～5式代入1式和2式,消去 Si、Xi和Xi1,然后再从式中消去Ni,得 Ei1 ai Eiei- PiK6 由式 6 , 逐步递推可得 En1 an Enen- PnK an en a n-1 Pn-1K - Pn-1K - PnK an enan-1 - Pn-1en-1 PnK En-1 en-1e 最后可得 En1 an an-1en an-2enen-1⋯ a1en en-1⋯e2 - KPn Pn-1en Pn-2enen-1⋯ P1en en-1⋯e3e2 E1enen-1⋯e17 由边界条件En1 E10 ,得 K an an-1en an-2enen-1⋯ a1enen-1⋯e3e2 Pn Pn-1en Pn-2enen-1⋯ P1enen-1⋯e3e2 8 式中eiθi[secφsicosφbi-αiφsi-δi ] ; aiθi[Wisinφbi-αi RicosφbiSi1 sinφbi-αi-δi1 - Sisinφbi-αi-δi ] ; PiθiWicosφbi-αi; θ i cosφsi1secφbi-αiφsi1-δi1; Si Csidi- Pw itan φsi /F ; Si 1 Csi 1di- Pw i 1tan ωsi 1 /F; Ri Cbibisecαi- Uitanφbi /F 除已标出的几何参数外,其他参数说明如下 Cbi 分块底面的粘结力;Csi 分块侧面的粘 结力;φbi 分块底面的内摩擦角;φsi 分块侧面 的内摩擦角;di 分块侧面长度;li 分块滑面的 长度;αi 滑面与水平面的夹角;δi,δi1 分块侧 面与垂直方向的夹角。 212 稳定系数计算 计算稳定系数时,首先假设稳定系数F 1 ,用 46有 色 金 属矿山部分 第62卷 公式8求解K,此时为KC,即极限水平加速度。 公式8的物理意义是使滑体达到极限平衡时的 平衡状态,必须在滑体上施加一个临界水平加速度 KC。KC为正时,方向向坡外,KC为负时,方向向坡 内。但计算中一般假定有一个水平加速度为KC的 水平外力作用,求其稳定系数F。此时要采用改变 F值的方法,即初定一个F F0,计算K,比较K与 K0是否接近精度要求,若不满足,要改变F值大小, 直到满足| K - K0|≤ε。此时的F值即为稳定系 数 [5 ]。 213 主要特点及适用条件 Sar ma法的特点是用极限加速度系数KC来描 述边坡的稳定程度,它可以用于评价各种破坏模式 下边坡稳定性,诸如平面破坏、 楔形体破坏,圆弧面 破坏和非圆弧面破坏等,而且它的条块的分条是任 意的,无需条块边界垂直,从而可以对各种特殊的边 坡破坏模式进行稳定性分析。Sar ma法计算比较复 杂,要用迭代法计算。目前已编制出相应的计算机 程序,应用颇为方便。 3 Sarma法的具体应用 本文通过运用极限平衡法中的Sarma法对石宝 铁矿中、 东结合部的北帮的F区的边坡稳定性进行 分析,求出安全滑动安全系数,并与我们所按规程标 准规定的安全系数Fb 1115进行比较,如果大于 Fb值则其边坡角还有增大的潜力,如果小于Fb值 则边坡处于不稳定状态,则需要采取加固的措施。 F区位于8～11勘探线之间,边坡产状182 ∠44, 最终边坡角高度92 m。工程地质岩组本区比较简 单,主要有下角闪岩组、 构造岩组和松散岩组,岩体 结构主要为层状碎裂结构。地质构造属于中、 东采 区紧密排列短轴褶曲的倾没向斜 Z 3和倾没背斜 Z 4 , 其轴部分别位于本区中段和东段。倾没向斜 Z 3的轴面近南北走向,枢纽向难倾没,两翼岩层 分别向东和向西倾斜,倾角约为64 左右。倾没背 斜 Z 4褶曲轴面近南北走向,两翼岩层分别向西和 向东倾斜,倾角为60 左右。在岩层变形剧烈处岩 石较为破碎。F14断层呈南北走向贯通该区中段岩 体,其产状为105 ∠70 。F14断层呈南北走向与边 坡直交,考虑到本区工程地质岩阻、 岩体结构特征、 特殊的边坡几何形状等实际情况,边坡可能产生台 阶规模的破坏。 311 运用Sarma法时岩体参数的选择 我们运用Sarma法时对岩体参数的选择,首先 在F区采集角闪岩岩石样本到实验室进行单轴抗 压、 抗拉强度、 抗剪断、 弹性模量、 泊松比和容重实 验。实验室内实验得出的C、 φ值必须经过工程处 理后才能用于工程实践。我们主要通过Bieniawski 提出的CSIR分类法 [6 ]以及 HoekBrown提出的岩 体抗剪强度曲线公式 [7] ,并应用室内岩块的变角剪 试验求C、 φ值。岩体参数的选择如表1所示 表1 岩体参数表 Table 1 Rock parameter table 岩石 名称 弹性模量 C/MPa 内摩擦 角φ/ 容重/ kN /m3 坡高 /m 坡角 / 角闪岩01122124129244 312 计算参数及结果 我们利用理正岩土计算软件来计算Sar ma法其 参数如下 1 基本参数如表2。 表2 基本参数表 Table 2 The basic parameters table 计算方法 Sar ma法 计算目标计算安全系数 边坡高度921000 m 安全系数计算范围 不考虑水的作用影响 0 1500～101 000 2 坡线参数 如表3。坡线段数 4 表3 坡线段数表 Table 3 The slope segment table 序号水平投影/m竖向投影/m倾角/ 13110003010004411 22510002010003817 32410002210004215 42110002010004316 3 岩层参数 如表4。 层数 4 表4 岩层参数表 Table 4 Rock stratum parameter table 序号 控制点Y 坐标/m 容重/ kN /m3 锚杆和岩石粘结 强度frb/kPa 10100024124010 20100024126010 3- 18100024126010 4- 28100024128010 4 控制截面数量 如表5。 56 第1期 周连春等 Sar ma法在石宝铁矿边坡稳定性分析中的应用 表5 控制截面数量表 Table5 Control Section Number table 岩层序号 控制 截面1 控制 截面2 控制 截面3 控制 截面4 控制 截面5 控制 截面6 控制 截面7 控制 截面8 控制 截面9 控制 截面10 截面坐标X/m- 651000- 401000- 1010000100129100040100055100070100010010001301000 岩层1厚度/m 1100010100010100091000131000171600161000 岩层2厚度/m81000810007100001000010000100051000010000100001000 岩层3厚度/m81000101000121000171000171000161000151000151500141200151600 岩层4厚度/m171000161000121000101000161000181000151000161300131900121800 5 结构体参数如表6、 表7。 表6 结构面参数表 Table 6 Structural surface parameter table 编号 水平投影 /m 竖向投影 /m 粘聚力 /kPa 摩擦角 / 水压力 调整系数 1181000210000112110 2251000- 310000112110 33510001810000112110 43010002316000112110 51310005114003010510 表7 内部结构面参数表 Table 7 I nternal structure surface parameter table 编号鋓1 /度粘聚力/kPa摩擦角/度 1010010010 2- 31010101010 35108102010 40102510510 6 计算结果如表8其中,安全系数为 01759。 表8 计算结果一览表 Table 8 Results list 编号NiNi’UiTiEiEi’Pw iXi 13199103 199100101 61918010010010010 222 7431822 7431801011 498181 256101 25610010010 340 0421740 0421701020 2441115 6181215 618120104 13918 429 9851929 9851901015 1601914 4601114 460110107 54213 59 503139 503130103 189108 432168 432160102 66314 注 1Ni 单元i中结构面上的正压力,单位kN; 2Ni’ 单元i中结构面上的有效正压力,单位kN; 3Ui 单元i中结构面 上的裂隙水压力,单位kN; 4Ti 单元i中结构面上的剪切力,单位kN; 5Ei 单元i左侧面正压力,单位kN;6Ei’ 单元i左 侧面有效正压力,单位kN; 7Pw i 单元i左侧面上的裂隙水压力, kN; 8Xi 单元i左侧面剪切力, kN。 4 结语 由以上Sarma法计算我们可以看出计算所得滑 动安全系数FJ与标准的安全系数Fb相比较偏小, 则边坡处于不稳定状态,所以我们必须采取一定的 安全措施对F区的边坡进行加固,以确保施工安 全。主要采取以下安全措施 1 矿上必须安排人员 对边坡上部进行打锚杆进行加固。 2 对边坡上有 裂隙的地方必须采用水泥进行浇筑加固。 3 爆破 施工时必须采取相应的防震措施。 4 平时安排专 人对边坡进行认真检查,发现隐患必须及时处理,确 保施工安全。 5 在稳定性极差时可以考虑使边坡 角变缓,以确保施工安全。 总之,只要我们措施得当,并认真贯彻执行,杜 绝各种违章行为的发生,就一定能够保证安全生产。 参考文献 [1 ] 周昌寿,杜竞中,郭增涛,等 1露天矿边坡稳定[M ].中国矿业 大学出版社, 1990 2101 [2 ] 祝玉学 1边坡可靠性分析[J ]1北京冶金工业出版社, 1993 1351 [3 ] 丁新启,张华,李远.采空区影响下的高边坡稳定性综合分 析[J ].有色金属矿山部分 , 2009, 613 39 - 43. 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