某矿山排土场边坡稳定性分析.PDF

第 2 7卷第 5期 2 0 0 7年 l 0月 矿 冶 工 程 M I NI NG AND 日mLLURGI CAL ENGⅡ R玎 G V0 1 ． 2 7 № 5 0c t o b e r 2 0 y 7 某矿 山排 土场边坡稳定性分析① 黄敏 ， 李夕兵 ， 付玉华 ， 李地元 1 ．中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ．江西理工大学 应用科学学院， 江西 赣州 3 4 1 0 0 0 摘要 在对边坡工程地质条件进行勘察和对排土场岩土物理力学性质进行研究的基础上， 利用 F L A C 软件对某矿山排土场现状 ． 、 边坡的稳定性进行了分析。研究结果表明， 模拟过程中的最大不平衡力和监测点位移均趋 向于稳定 ， 塑性 区分布情况和安全系数 值则再次表明边坡在整体上处于稳定状态。 ． 关键词 边坡稳定性分析； 数值模拟 ； 位移监控点； 塑性区； 安全系数 中图分类号 T D 8 5 3 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 0 7 0 5 0 0 1 2 0 3 An a l y s i s o f S t a b i l i t y o f W a s t e - d u mp S l o p e o f a M i n e HUANG Mi n ，L I Xi b i n g ，FU Yu h u a ， L I Di y u a n 1 ．S c h o o l o fR e s o u r c e s a n dS a f e t yE n g i n e e r i n g， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ， H u n a n ， C h i n a； 2 ．S c h o o l ofA p p l i e d S c i e n c e ， J i a n g x i U n i v e r s i t y ofS c ie n c e a nd T e c h n o l o g y ，G a n z h o u 3 4 1 0 0 0 ， J i a n g x i ，C h i na Ab s t r a c t B a s e d o n th e i n v e s t i g a t i o n o f e n g i n e e rin g g e o l o g y c o n d i t i o n s o f t h e s l o p e a n d p h y s i c a l me c h a n i c p r o per t y o f r o c k and s o i l o f the d u mp，t h e s t a b i l i t y o f t h e s l o pe i n t e r ms o f the a c t u ali t y 9 f a mi n e d u mp i s a n a l y z e d t h r o u g h F L AC s o f t wa r e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t the ma x i mu m u n b alan c e d f o r c e an d the d i s p l a c e me n t o f mo ni t o rin g p o i n t s i n the s i mu l a t i o n t e n d t o b e s t a b l e ．Th e d i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r o f p l a s t i c z o n e and t h e f a c t o r o f s a f e t y r e v e al tha t the s l o pe i s i n s t e a d y s t a t e ． Ke y wo r d s s l o p e s t a b i l i i y analy s i s ；n u me ri c al s i mu l a ti o n ；mo n i t o ri n g p o i n t s o f d i s p l a c e me n t ；p l ast i c z o n e ；f a c t o r o f s a f e ty 江西某铜矿排土场位于天排山西侧山麓， 地势总 的变化是东南高西北低。场区1 j J 体较陡峻， 地形高差 较大。 自采场扩帮以来 排土场急速堆高， 再加上扩帮 排出的大多是粘土， 排土场曾发生两起重大事故 2 0 0 4 年 9 月， 在该排土场堆存过程中由于边坡失稳， 排土车 辆滑到坡脚， 差点造成车毁人亡； 2 0 0 5年 1 月份， 在该 排土场排土过程中造成了 1 人死亡。 该排土场的下游是铁路和农 田， 一旦排土场 出现 滑坡 ， 不仅会影响到该矿的正常生产 ， 而且会危及 到下 游的铁路和农 田， 因此， 亟需对该矿排土场边坡进行稳 定性分析 ， 以预测边坡发展趋势。 1 工程概况 江西某铜矿排 土场原始地貌形态 以构 造剥蚀 为 主， 沿东南向西北有五条沟谷 ， 沟谷纵坡靠近山脊处较 陡 ， 前部较为平缓 ， 沟谷上游呈 “ V” 字型 ， 下游呈 “ u” 字型 ， 沟谷中沉积有粘土和亚粘土及排土场流失下来 的松散堆积物。场区山坡上灌木杂草丛生 ， 地表几 乎 全部为植被所覆盖 ， 仅局部见有中、 强风化基岩裸露。 排土场地基岩层主要为混合岩， 主要岩石为混合 岩化的黑云母斜长片麻岩， 斑状结构， 裂隙较发育， 上 部表层属强 ～中风化层， 厚度 0 ． 6 0～1 2 ． 9 m， 岩性松 软， 下部原岩灰绿色， 完整坚硬。场区第四系表士分布 较多， 有植物层 厚 0 ． 1～ 0 ． 4 m 、 第四系淤泥质亚粘 土 厚 1 ． 0～ 2 ． 0 m 、 第 四系坡积亚粘土 厚 0 ． 7～ 2 ， 3 m 、 第 四系冲积亚粘土 厚 1 ． 3 1 ～ 4 ． 5 0 m 、 第 四系残 积亚粘土 厚 0 ． 4 0～5 ． 0 0 m 。矿区 F 1 、 断层未穿 过排土场 ， 场区内无 大的断层和断裂构造。潜在滑坡 体为人工堆积物， 最大堆积高度为 7 8 m， 平均堆积坡 角为 3 4 。 。 排土场区内无常年地表水流， 其最低标高约 9 o m， 附近的桐木江标高为5 0 m， 故排土场不受桐木江影 响。排土场区水文地质条件属简单类型。 2 排土场岩土物理力学性质研究 影响排土场边坡的主要因素包括基底软层及排弃 物的强度 ， 因此有必要对其进行物理力学性质研究， 以 便进行计算分析。 ①收稿 日期 2 0 0 7 - 0 4 1 0 作者筒介 黄敏 1 9 8 3一 ， 男 ， 湖南邵 阳人 ， 硕士研究生 。 主要研究方 向为采矿与岩土工程 。 维普资讯 第 5期 黄敏等 某矿 山排土场边坡稳定性分析 2 ． 1 地基土物理力学性质 排土场区内普遍 覆盖一层厚度 不大 的第 四系表 土， 其力学强度较低 ， 是排土场稳定性研究必须考虑的 因素。为此在地基土中采集有代表性的岩土试样进行 土的物理力学性质试验 。试验结果见表 1 。 表 l 地基土物理力学性质试验结果 2 ． 2 散体物料物理力学性质研究 排土场散体物质组成是决定排土场堆料的力学性 态的主要依据 J 。为此采用精度高的筛分法， 结合 摄影法和直接量测法 ， 来测定岩石的粒度组成 。除了 在排放中的随机因素外 ， 各块度级别沿边坡高度分 布 存在着明显的规律性 ， 由上而下 ， 块度逐渐增大 ， 总的 趋向是小块集中在上部 ， 大块在下部 ， 中间部分各种块 度参差不齐 ， 但以中等块度居多。 散体物料物理力学性质的测定分以下 3 组 ① 含 细颗粒 d 5 m m 较多， 一般位于排土场上部； ② 含 细颗粒中等， 含中等颗粒较多， 一般位于排土场中部； ③ 大块岩石 ， 一般位于排土场中下部及下部。试验结 果见表 2 。 表 2 排 土场散体物料 物理 力学性质试验结果 2 ． 3 基岩物理力学性质 基岩部分的物理力学参数根据矿 山以往的岩石力 学实验选取 ， 见表 3 。 表 3 排土场基岩力学参数 基岩貅／ g 皴 cm 瞄 ／ 髓 MPa 泊 比 c 黹 强风化基岩 2 ． 4 3 1 4 4 0 0 0 ． 1 9 8 ． 8 8 4 0 微风化基岩 2 ． 7 0 2 40 0 0 0 ． 1 5 1 4 ． 8 4 7 3 边坡数值模拟研究 3 ． 1 计算程序 采用 目前在岩土工程界较为成熟的 F L A C 。 数值 分析软件进行数值模拟。 3 ． 2几何模型 根据现场调研和排土场试验结果 ， 在排土场内彭 塘坞附近粘土分布较厚的沟谷处切取边坡稳定性分析 的典型断面， 如图 1 所示。 图 l 边坡 断面 结合现场实地考察 ， 在 图 1的基础上建立与实际 基本一致计算模型 ， 见图2， 模 型在建立 中并没有考虑 对面山坡 的稳坡作用。 图2 计算模型尺寸和区域划分示意 模型范围既要包括整个潜在滑坡体， 又要有一定 的外延 ， 尽可能减少边界条件对计算结果的影 响。当 坡角到左端边界的距离为坡高的 1 ． 5倍， 坡顶到右端 边界的距离为坡高的2 ． 5倍， 且上下边界总高不低于 2倍坡高时， 计算精度最为理想 J 。模型总长为 4 2 6 m， 高 1 7 8 m， 宽度取 1 m。划分 的单元总数为 1 1 1 1 7 个 ， 网格节点数为2 2 6 9 8 个。 图2中 1 、 2 、 3部分为排土场散体物料， 高 7 8 m， 坡角为 3 4 。 ； 4部分为强风化基岩 ； 6部分 为微风化基 岩。5部分 在排土场散体物料 和 4部分之 间 以及 7 部分 排 土场散体物料和 6部分之 间 都存在第 四系 土层 ， 厚度为 2 3 m。 3 ． 3力学模型 材料本构模型采用摩尔． 库仑模型。模型侧面限 制水平方向移动 ， 底 面限制垂 直方 向移 动， 上部 为 自 由面。 3 ． 4 物理力学参数的确定 1 、 2 、 3 、 5和7 部分所选用的力学参数通过地基土 和散体物料物理力学性质实验获得 ， 其 中 1 、 2和 3部 分为排土场边坡体， 由松散岩土体 自 然堆积为成， 参数 值较小 ； 5和 7部分为地基土软层 ， 强度值最小。 维普资讯 1 4 矿冶工程 第 2 7卷 4 计算结果及分析 4 ． 1 最大不平衡力分析 F L A C 如 程序采用最大不平衡力来刻划计算的收 敛过程。单元的最大不平衡力随着计算时步的变化过 程见图 3 。由图3可见， 单元的最大不平衡力随计算 时步增加而逐渐趋于极小值， 说明计算是稳定的。 萋 计算时步 l 0 ‘ 图3 最大不平衡力随计算时步的变化过程 4 ． 2 位移分 析 在 F L A C ’ 。 数值计算过程中， 若边坡达到极限破坏 状态， 滑移带内单元节点的位移将产生突变， 而且， 如 果程序继续迭代下去， 节点的位移还将继续无限发展 下去， 程序无法从计算方程组中找到一个既能满足静 力平衡又能满足应力- 应变关 系和强 度 准则 的解 ， 此 时， 可以从位移的收敛标准来判断计算不收敛 。 本次计算对坡面顶点 1 9 5 ， 0 ， 1 7 8 进行了位移监 控， 水平方向和垂直方向位移随计算时步的变化分别 见图4和图5 。由 图4和图5可见， 随着计算迭代时步 的增加 ， 该点水平方 向位移和垂直方向位移均趋 向于 一 定值。由图还可以看出边坡位移比较大， 这主要是 因为排土场堆积高度较大， 散体物料和地基软层的弹 模都很低， 变形较大是合理的 。因此对地基软弱 层 的处理 如去除基底 软弱 层 ， 在地基软弱层 中加碎 石 是边坡稳定性防治的重要措施。 4 ． 3 塑性区分析 边坡整体失稳将发生于强度软弱带或应力集中 区， 该部位土体单元将产生不同程度的不可恢复的塑 性变形， 若发生塑性变形的软弱带或应力集中区相互 舶 茸 3 u D 2 ． 5 2 ．0 辇 0 5 计算时步 l o ． 圈4 水平方向位移随计算时步的变化 ． 1 一-2 ．0 主-3 ．0 4田 罄 g t - K x1 0 ‘ 图5 垂直方向位移随计算时步的变化 贯通 ， 则表明边坡内将在相互贯通 的剪切破坏面发生 整体失稳 。塑性应变的发生与发展表明了土体屈 服或破坏 的发生与发展程度 ， 塑性应变的大小能够从 本质上描述土体的屈服或破坏发展过程， 因此可以采 用塑性区的相互贯通来评判边坡整体失稳破坏。 排土场堆积体内塑性区分布见图6 。图中黑色区 域内颜色较浅部分为塑性区， 显然塑性区未贯通。故 从塑性区分布情况来看， 边坡处于整体稳定状态。这 与实际情况是一致的。 4 ． 4安全系数分析 工程 中广为采用的各种极限平衡条分法将安全系 数定义为沿整个滑移面的抗剪强度与实际抗剪强度之 比 ] ， 而在 r L A C 。 中则采用强度折减系数法来定义安 全系数 们。强度折减 系数法可 以评价边坡 的稳定 性， 其基本原理是将坡体强度参数粘聚力 c和内摩擦 角 值 其他参数不变同时除以一个折减系数 ， 得到新的c 、 值， 然后作为新的资料参数输入， 再 进行试算，当计算不收敛时， 对应的 被称为坡体 的最小稳定安全系数， 此时坡体达到极限状态， 发生剪 切破坏 ，同时可得到坡体的破坏滑动面。 c 1 a r c t a n 2 ， l 利 用强度折减系数法得 出的边坡稳定性 系数 为 1 ． 1 6 ， 此时其最大剪切应变率为2 ． 0 6 X 1 0 一。由于边 坡稳定性系数大于 1 ． 1 ， 可以认为边坡整体上处于稳 定状态。这与实际情况相吻合。 下转第1 7 贯 维普资讯 第 5期 韦立凡 平果残积型铝土矿合理 开采深度 的确定 2 应用实例 那塘残积矿 I 矿段分布于 4 7 5 3 A勘探线之 间， 矿体长度 5 5 6 m， 水 平厚度 0 ． 7 8～5 ． 4 0 m， 平均矿厚 2 ． 1 1 m， 贮存标高 3 1 8 ． 0～3 4 7 ． 8 m， 高差 2 9 ． 3 m。矿 体形态简单 ， 在平面上呈微弯长条状 ， 走向 N W S E在 剖面呈层状 ， 倾 向3 8 。～ 5 5 。 ， 倾角 7 1 。 ～8 7 。 ， 由于风化 作用局部地段矿层下滑倾 向有所 变化 ， 倾角 变缓 ， 在 3 3 。 ～6 6 。 之间。近地表层风化程度绡高 ， 节理 裂隙发 育 ， 由铁质粘土充填。 根据矿体的产状特征及地形情况 ， 以上述的原则确 定各处的回采深度见表 3 ， 从而确定其最终的开采境界。 表 3 那塘残积矿 I矿段回采深度 开采前 ， 先把残积矿带两侧 3 0 m范围内的堆积矿 回收完 ， 然后按给定 的最终开采境界范围内进行剥离。 剥离与回采作业交替进 行 ， 先 从地表往 下剥离 2～3 m， 然后进行 回采 ， 一直采至当前剥离水平面以下 1～ 2 m后又进行剥离， 如此循环直至采到规定 的最终开采 标高， 剥离过程中严格控制最终边坡坡度。最后 ， I 矿 段的回采过程完全符合采矿技术要求 ， 并取得 了很好 的经济效益。 该矿段在合理 的开采境界内开采 的技术经济指标 如表 4 。 表 4 那塘残积矿 I 矿段开采的技术经济指标 地质原矿 旦墨 量 互 量／ T Y t 原矿 净矿 平均含矿率损失 率 贫化率 平均采 剥采 ／ t m一 ／ ％ ／ ％ m 比 3 结 论 1 残积矿带 的最大开采合理深度可 由其矿带宽 度确定。 2 产出的位置、 宽度不同， 残积矿带的合理开采深 度也不同， 残积矿带在堆积矿采场范围内时， 残积矿带 最小可采宽度为1 ． 0～1 ． 5 m以上 ； 残积矿带在堆积矿采 场范围外时， 残积矿带最小可采宽度为1 ． 5～2 ． 0 m 以 上。在进行设计及现场管理时可以此为依据， 充分考虑 地形地貌及作业条件灵活处理 ， 制定最佳 回采方案。 3 决定残积矿带开采境界 的诸 因素 中， 征地费用 及复垦成本的影响最大 ， 因此 ， 应根据各年度的征地费 用和复垦成本 的变化 ， 合理地调整开采境界 ， 以获取最 佳的经济效益。 上接第 1 4页 5 结 语 结合具体 的工程实例， 利用 F L A C 如对江西某铜矿 排土场边坡稳定性进行了数值模拟计算。结果表明， 随 着计算迭代时步 的增加 ， 最大不平衡力趋向于极小值 ， 坡面顶点水平方 向位移和垂直方 向位移均趋 向于一定 值。边坡位移变化比较大是因为排土场堆积高度较大 ， 散体物料和基底软弱层力学强度低， 对地基软弱层的处 理是边坡稳定性 防治的重要措施。塑性区主要集 中在 排土场堆积体内， 但并未贯通。边坡稳定性安全系数为 1 ． 1 6 。计算结果表明边坡整体上处于稳定状态。 参考文献 [ 1 ] 颜荣 贵 ， 曹文贵 ， 刘文献 ， 等．庙 儿沟排 土场边坡 稳定性研究 [ J ] ． 矿冶工程 ， 1 9 9 7， l 7 1 l 5一l 9 ． [ 2 ] 罗仁美．印子峪排土场安息角和岩 石块度分布规 律研 究 [ J ] ．矿 冶工程 ， 1 9 9 5 ， 1 5 4 l 61 9 ． 郑颖人 ， 赵 尚毅．有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用 [ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 4， 2 3 1 9 3 3 8 l 一3 3 8 8 ． 刘波 ．F L A C原理 、 实例与应 用指南 [ M] ．北京 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 5 ． 赵 尚毅， 郑颖人 ， 张玉芳．极限分析有限元法讲座一 Ⅱ 有限元强度折减 法 中边坡失稳的判据探讨 [ J ] ．岩土力学， 2 0 O 5 ， 2 6 2 3 3 2 3 3 6 ． 梁力 ， 张锋春 ， 方 国涛 ， 等．铁矿排土场挡土坝稳 定性数值分析 [ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 6， 2 7 1 8 08 3 ． Z h o u W Y，Zh o u J D ，Liu Y G，e t a 1 ．S i mu l a t i o n o fl o c a l i z a t i o n f a i l a r e w i t h s t r a i n - 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