柔性防护条件下露天矿山边坡稳定性模拟分析.pdf

第 2 5卷第2期 2 0 0 6年 2月 岩石力学 与_上程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V _0 1 ． 2 5 No ． 2 Fe b ． ， 2 0 0 6 柔性防护条件下露天矿山边坡稳定性模拟分析 李文秀，郭玉贵，戴兰芳 河北大学 十7 - 一 i 研究所。河北 保定0 7 1 0 0 2 擅蔓针对柔性防护系统条件下山区矿山边坡稳定性问题，利用弹塑性理论建立数值分析模型，并对边坡安全系 数进行计算分析。研究结果表明，柔性防护系统n _『 有效地提高边坡安全系数，在技术上和经济上都具有一定的优 越性。 关t词边坡工程；柔性防护系统；露天矿；边坡稳定性；数值分析；安全系数 中圈分类号P 6 4 2 ．2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 6 0 2 0 2 4 6 0 4 S I M ULATI NG ANALYS I S 0F S L0P E S TABI LI TY UNDER FLEXI BLE PRoTECTI oN I N oPEN． PI T M I NE LI W e n x i u， GUO Yu g u i ，DAI La n f a n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ，He b e i U n i v e r s i ty ，B a o d i n g ，H e b e i 0 7 1 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t ． I n l i g h t o f t h e p r o b l e m o f s l o p e s t a b i l i t y u n d e r fl e x i b l e p r o t e c t i o n i n o p e n p i t mi n e ， a n u me ri c a l a n a l y s i s mo d e l i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e t h e o r y o f e l a s t o p l a s t i c i t y ． Ac c o r d i n g t o t h e e l a s t o p l a s t i c mo d e l ，t h e i n flu e n c e d e g r e e o f b l a s t i n g s h o c k o n s t a b i l i t y o f t h e h i g h d e e p r o c k s l o p e i s i mi t a t e d b y u s i n g e l a s t o p l a s t i c fin i t e e l e me n t me t h o d ；t h e d i s p l a c e me n t fi e l d a n d t h e s a f e t y f a c t o r o f t h e s l o p e wi t h f a u l t a t l a t e r s t a g e a r e c o mp u t e d ．T h e n u me ri c a l a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d fl e x i b l e p r o t e c t i o n s y s t e m i s v a l i d a n d a p p l i c a b l e t o t h e r o c k s l o p e e n g i n e e r i n g i n mo u n t a i n o u s are a s ． Ke y wo r d s s l o p e e n g i n e e rin g ； fl e x i b l e p r o t e c t i o n s y s t e m； o p e n p i t mi n e ； s l o p e s t a b i l i t y；n u me r i c a l a n a l y s i s ； s a f e t yf a c t o r 1 引 言 迄今为止 ，我 国许多大中型露天矿 山已进入深 凹开采阶段，滑坡 、崩塌落石等上程灾害 ，还有些 山区地下开采 的矿 山，山于在 山体下开采而导致的 山体崩塌等地质灾害常有发生 。针对滑坡、崩塌等 工程灾害，在理论分析和工程应用方面 ，近年米都 有新进展 一 。尤其是在工程应用方面，过去 一 直 采用抗滑桩、锚杆加 固等刚性防护措施 ，随着技术 的不断发展，近年来出现了柔性防护措施L J 叫J 。 柔性防护方法是近年来发展起来的一种轻型化 边坡防护手段，在国内外交通、水电、矿山等边坡 防护领域得到了广泛的应用。近年来，布鲁克 成都 工程有限公司开发了用于坡面地质灾害治理的 S NS 柔性防护技术及其产品，并在 国内得到了大量推广 用 ，治理对象包括路堑边坡和 自然山坡上的崩塌 落石、坍塌、风化剥落、泥石流等地质灾害。 本文针对我国西北地区陇南露天矿北帮上部边 坡节理裂隙发 育、地表和地下水丰富、坡角较陡和 坡面凹凸不平的实际，对能否应用柔性防护系统进 行边坡滚石防治展开研 究，对柔性防护系统应用于 收疆 日期2 0 0 50 8 2 2 ；修回日期t 2 0 0 50 9 1 6 基盒疆 目l河北省科技攻关计划项 目 0 5 2 1 3 7 0 6 I河北省教育厅科研项 目 2 0 0 4 3 0 8 作者筒介t李文秀 1 9 5 5一 ，男。1 9 8 9年于中南工业大学采矿工 号业获硕士学位，现任教授，丰要从事岩十力学及岩土工程等方面的教学与研究工 作 E ． ma i l L e e w e n x i u y a h o o ． t o m．c n 维普资讯 第 2 5卷第2期 李文秀等．柔性防护条件 下露天矿山边坡稳定性模拟分析 2 4 7 生产实际的效果进行模拟分析。 2 柔性防护系统原理 2 ． 1 柔性防护系统的特点 首先，柔性防护系统本身具有较高的柔性和高 强度的特点，使得该系统能很好地适应和抗击集中 荷载，从而确保防护目标的安全可靠；其次，由于 系统具有造价低和施工作业快速与标准化的特征， 不仅使其在众多领域得到了广泛 的应用，而且还能 最大 限度地维持原始地貌、保护植被 ；此外 ，该系 统还具有卓越的耐腐蚀性能，不仅正常使用期可达 3 0 ～5 0 a ，而且还可直接在其上培土进行人工植被 绿化，顺应环保需要 。 柔性防护充分利用系统的柔性和施工布置的灵 活性来最大限度地适应各种复杂的地形地貌，尤其 对于山区矿山环境， 避免或尽可能降低了因露天或地 下开采所造成的环境破坏和对边坡稳定性的危害。 2 ．2 柔性防护系统的原理及构成 柔性防护系统是利用钢绳网作为主要构成部 分，将岩石动能转换成钢绳网系统的变形能的系统， 其 目的在于防止岩崩的产生及减轻坡面滚石的危 害。整个系统可分为拦截 被动防护 系统和被覆 主 动防护 系统两大部分，两者既可分开使用，又可联 合使用 。本文针对矿 山边坡主动 防护系统进行数 值模拟分析 。 被覆系统是通过固定在锚杆和张拉支撑绳上 并施予了一定预张拉力的钢绳网 固坡网 对整个边 坡形成连续的支撑 ，其预张拉力转换成 了能阻止局 部岩块或士体移动的预应力，从而实现防止岩崩和 滚石产生的目的，系统 的传力过程为钢绳 网一张 拉绳一锚杆一稳定地层。本文的方案是利用采场台 阶，在边坡表面喷一层薄混凝土，以便达到封闭坡 面张裂隙的目的，然后再对坡面覆盖钢绳网，局部 打锚杆 ，以控制生产爆破震动引起的岩石边坡位移 和局部垮落。 3 边坡稳定性模拟分析 3 ． 1 T程概况 露天矿位于秦岭东两向复杂构造带与武都山山 字型构造东翼反射弧构造复合部。地层主要为泥盆 系中统西汉水群，以碎屑岩和碳酸盐岩为主。矿区 岩层单斜向南倾，断裂构造及片理发育。 边坡标高为 l 5 0 0 ～l 7 0 2 m，设计边坡角为 4 7 。 ，下部的运输公路作为采场的永久性联络通道， 对采场的正常生产和安全运输起着重要作用，该公 路在扩帮边坡 1 4 9 8 m标高通过，其 为高2 0 2 m 、 长 1 6 0 m的边坡，其下为采场，至露天底垂直高度 还有 4 0 0余米；组成边坡的岩体为人理岩和石英片 岩，一条大断层与边坡斜交 ，贯穿整个坡面 ，同时 受极 为发育的、连续性好 的节理裂隙的相互切割， 使边坡岩体破碎程度较高，岩体呈碎裂状。 3 ． 2 防护系统布置 采区主要岩种为大理岩 、石英片岩、黑云母石 英片岩、结晶灰岩和方解石黑云母片岩。北部岩体 主体为石英片岩 ，下盘黑云母化而成为黑云母石英 片岩，两者之间夹有一层较薄 的黑云母片岩 ，西北 角石英片岩上部 出露部分风化大理岩 。北帮最大高 程为 1 7 0 1 ． 8 m，远高于东、南两帮。矿脉从北部 山 腰 向下、向南延伸 ，因而北帮成为露天开采的主体。 结合北帮边坡实际，该段边坡滚石防治采用被 覆系统 固坡网 和薄层喷混凝土联合使用的方法， 在 l 5 0 0 m 台阶设拦截网，以阻挡上部的滚石，在 l 5 0 0 ～l 7 0 2 m标高问设置固坡 网， 防止产生滚石 。 本文针对 露天矿复杂地 质条件 F 边坡 稳定 问 题 ，利用弹塑性有限元模型 ，对该矿柔性防护条件 下高陡岩质边坡进行总体稳定性模拟分析。 3 ． 3 计算模型及计算剖面 3 - 3 ． 1计算剖面的选取 在数值分析过程 中，考虑重力和爆破动力作用。 柔性防护系统如图 l 所示。 图 1 柔性防护系统示意图 Fi g ． 1 F l e x i b l e p r o t e c t i o n s y s t e m o f s l o p e 维普资讯 维普资讯 第 2 5 卷第2 期 李文秀等． 柔性防护条件下露天矿L l l 边坡稳定性模拟分析 2 4 9 O 0 ． 0 01 6 5 0 0 ．0 0 3 3 01 0 ，0 0 4 9 51 0，0 0 6 6 01 O ．0 0 0 8 2 5 O ．0 0 2 4 7 6 0 ．0 0 4 1 2 6 O ． 0 0 5 7 7 6 0 ．0 0 7 4 2 7 图5 等值云图 单位m F i g ． 5 c o n t o u r n e p h o g r a m u n i t m 在柔性防护系统情况下 ，边坡上部第七节点位 移变化 见图6 沿 方向位移值 最大为O ．4 3 c m， 沿Y 方向位移值 最大为2 ．3 8 c m，与传统防护方 法相 比明显下降。 l 2 0 8 O 4 O 0 鲁 一 0 4 蕊 0 ．8 一 J ． 2 1 ． 6 2 ． 0 2 ．4 2 ． 8 0 时间， s 图6 柔性防护系统情况下第七 点位移变化曲线 F i g ． 6 C u r v e s o f t h e d i s p l a c e me n t i n s l o p e N o ． 7 u n d e r fle x i b l e p r o t e c t i o n s y s t e m c o n d i t i o n 3 3 ．4边坡安全系数计算分析 为了与经典极限平衡法进行对比，本文运用强 度折减有限元方法求解安全系数 刚 。采用传统防护 方法与采用柔性防护系统情况下的边坡安全系数有 较大差异，具体数值见表 2所示。 表 2 矿山边坡安全系数 T a b l e 2 S a f e t y f a c t o r s o f s l o p e s i n mi n e 由表 2可知，采用传统防护方法与采用柔性防 护系统情况下的边坡安全系数有较大差异，数值相 差 2 9 ．3 ％。即采用柔性防护系统情况下的边坡安全 系数比原来提高了2 9 ．3 ％，可见其效果是显著的。 4 结语 1 采用柔性防护系统情况下边坡的位移比原 来减小了，降低了滑坡的风险。 2 采用柔性防护系统情况下的边坡安全系数 比原来有较大幅度的提高，其工程效果显著。 由于柔性防护系统在山区露天矿山的应用尚 属起步阶段，本文 的研 究分析是在前人工作基础上 所进行的初步探讨，愿与本领域专家学者就此问题 共同探讨 。 { 一 | 考文献 R e f e r e n c e s 【 1 ] 张树文， 姚来义， 公路边坡防护 与绿色生态技术研究【 J ] ．L 【 J 西交通 科技，2 0 04 。 3 8 9 ． Z h a n g S h u we n ，Y a o L a i y i ． T h e r e s e a r c h o f h i g h w a y s l o p e p r o t e c t i o n a n d g r e e n e c o l o g i c a l t e c h n o lo g y [ J ] ． S h a n x i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C o mmu n i c a t i o n s ，2 0 0 4 ， 3 8 9 i n C h i n e s e 【 2 】 高民欢．在公路路基边坡防护中刚性防护与柔性防护的虚H j 范围 及 特 点 【 J ] ．交 通标 准 化 ，2 0 0 3， 9 6 7 6 8 ． Ga o Mi n h u a n ． Ap p l i c a t i o n a n d c h a r a c t e r s o f r i g i d p r o t e c t i o n a n d g e n t l e p r o te c t i o n i n h i g h w a y r o a d b e d s l o p e [ J ] ． C o mmu n ic a t i o n S t a n d ar d i z a t i o n ，2 0 0 3 ， 9 6 76 8 ． i n C h i n e s e [ 3 】 贺咏梅，阳友奎． S N S边坡柔性防护系统的标准化问题[ J 1 ．路基工 程，2 0 0 2 ， 3 1 82 2 ． H e Y o n g me i ，Y a n g Y o u k u i ． S t a n d a r d i z a t i o n o f fl e x ib l e p r o t e c t i n g s y s t e m f o r s l o p e [ J ] ． S u b g r a d e E n g i n e e ri n g 2 0 0 2 ， 3 1 8 2 2 ． i n C h i n e s e [ 4 】 阳友奎，周迎庆，姜瑞琪，等， 坡面地质灾害柔性防护技术的理 论 与实践[ M】 ．北 京；科 学出版社 ，2 0 0 5 ． Y a n g Y o u k u i ，Z h o u Yi n g q i n g， J i a n g Ru i q i e t a 1 ．Th e o r y a n d P r a c t i c e o f F l e x i b l e P r o t e c t io n f o r t h e G e o l o g i c a l Ha z a r d o f S l o pe[ M] ． B e i j in g S c i e n c e P r e s s ，2 0 0 5 ． i n C h i n e s e 1 5 1 Ba k e r R． S u ffic i e n t c o n d i t i o n s f o r e x i s t e n c e o f p h y s i c a l l y s i g n i fi c a n t s o l u t i o n s i n l i mi t i n g e q u i l i b ri u m s l o p e s t a b i l i t y a n a l y s i s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f So l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 03 ，4 O； 3 7l 7 3 7 3 5 ． 【 6 】 郑颖人，赵 尚毅． 有限元强度折减法在土坡和岩坡中的应用[ J 】 _ 岩 石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 1 9 3 3 8 1 3 3 8 8 ． Z h e n g Y i n g r e n ， Zh a o S h a n g y i ． Ap p l i c a t i o n o f s t r e n g t h r e d u c t i o n F EM i n s o i l a n d r o c k s l o p e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g 2 0 0 4 ， 2 3 1 9 3 3 8 1 3 3 8 8 ． i n C h i n e s e 1 维普资讯