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露天采矿学露天矿边坡稳定性分析与维护概述露天矿边坡与其他岩土工程边坡相比具有如下特点：）露天矿边坡的规模较大边坡高度一般为～m最高可达～m边坡走向延伸可达数公里因而边坡揭露地层多边坡各部分的地质条件差异大变化复杂。
）露天矿边坡一般不维护故易受风化作用的影响。
）露天矿场频繁的爆破作业和车辆运行使边坡经常受到动荷载的作用。
同时随着采掘、运输及其他设备日益大型化边坡台阶的负荷有日益增大的趋势。
）露天矿的最终边坡由上至下逐渐形成上部边坡服务期长下部边坡服务期则相对较短。
）露天矿边坡的不同地段要求有不同的稳定程度。
边坡上部地表有重要建筑物不允许变形时要求的稳定程度高。
边坡上有站场、运输线路下部有采矿作业时要求的稳定程度较高。
对生产影响不大的地段稳定程度可要求低一些。
露天矿边坡稳定性分析与维护涉及岩体工程地质、岩体力学性质试验、边坡稳定性分析与计算、边坡治理和监测、维护等工作。
影响露天矿边坡稳定性的主要因素和边坡破坏形式影响露天矿边坡稳定性的主要因素影响露天矿边坡稳定的因素较多其中岩体的岩石组成、岩体构造和地下水是最主要的因素此外爆破和地震、边坡形状等也有一定影响。
现将其主要影响因素介绍如下：）岩石的组成岩石的矿物成分和结构构造对岩石的工程地质性质起主要作用通常强度高的岩石边坡稳定性也高片理、层理发育的岩石边坡稳定性相对较差。
）岩体结构边坡岩体的破坏主要受岩体中不连续面（结构面）的控制。
影响边坡稳定的岩体结构因素主要包括下列几方面：结构面的倾向和倾角一般来说同向缓倾边坡（结构面倾向和边坡坡面倾向一致倾角小于坡角）的稳定性较反向坡差。
同向缓倾坡中岩层倾角愈陡稳定性愈差水平岩层稳定性较好。
结构面的走向当倾向不利的结构面走向和坡面平行时整个坡面都具有临空自由滑动的条件对边坡的稳定不利。
结构面走向与坡面走向夹角愈大对边坡的稳定愈有利。
结构面的组数和数量当边坡受多组相交的结构面切割时整个边坡岩体自由变形的余地大切割面、滑动面和临空面多易于形成滑动的块体而且为地下水活动提供了较好的条件对边坡稳定不利。
边坡稳定性极限平衡法分析:：边坡稳定性问题一直是岩土工程界的一个重要研究内容，它涉及矿山工程、土木工程、铁路公路工程、水利水电、港口、废渣及垃圾处理等诸多工程领域，以及山坡、岸坡等自然领域。
本文介绍了边坡稳定性分析中比较常用的方法极限平衡法的基本原理，并且以某煤矿坡建筑场区为例说明了其应用，并给出相应的支护加固方案。
论文关键词：边坡稳定性，极限平衡法，边坡支护加固1．引言边坡(斜坡)是人类工程和经济活动中最普遍的地质地貌环境。
它是岩石圈的天然地质和工程地质的作用范围内具有露天侧向临空面的地质体，是广泛分布于地表的一种地貌形态。
边坡稳定性研究已有一百多年的历史，特别是近几十年来，随着环境保护与减轻自然灾害十年活动在我国的开展，边坡稳定性评价与滑坡预测已经成为具有特色的工程地质课题之一。
对于煤矿岩石高边坡极限平衡法，影响稳定性的因素总体上分为地质因素及非地质因素两类发表论文。
前者是滑坡发生的地质基础条件，后者则为滑坡的发生提供了外动力因素和触发条件。
影响边坡稳定状态的地质因素包括边坡岩体的结构特性、介质结构特性、地下水状态、水文地质条件及地应力等;非地质因素包括大气降雨、振动、坡脚切层开挖以及边坡下面地下开采等。
2．边坡稳定性分析边坡稳定性分析理论在国内外的发展经历了一个很长的历史时期，国内外不少专家学者对其进行过研究，稳定性分析方法很多，如：定性分析方法，定量分析方法，不确定分析方法，确定性和不确定性方法的结合，物理模拟方法等。
2.1极限平衡法基本原理现在边坡稳定性分析中比较常用的方法是极限平衡法。
该方法基于该原理的方法很多，如瑞典圆弧法、Bishop法、Janbu法、Sarma法、Morgenstern-Price法极限平衡法，Spencer法，不平衡推力法等，并且开发了相应的计算机程序。
极限平衡法的基本原理是根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析研究的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。
基于极限平衡法和强度折减法的边坡稳定性对比分析摘要：为分析某矿露天开采时最终边坡的稳定性，分别采用极限平衡法和强度折减法计算边坡的安全系数，采用理正软件和FLAC3D软件作为计算工具，建立边坡模型，分别运用Morgenstern-Price法和强度折减法对最终边坡的稳定性进行计算，依据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016-2014)对最终边坡的稳定性进行评价。
分析结果表明：采用Morgenstern-Price法和强度折减法对边坡的稳定性分析结果基本一致，该矿山最终边坡稳定性较好。
关键词：边坡稳定性；Morgenstern-Price法；强度折减法0引言边坡稳定性一直是露天矿山面临的重大问题，时刻影响着矿山的安全生产，边坡稳定性分析中，先后发展了工程地质分析法、类比法、极限平衡法、数值分析方法和不确定性分析方法(可靠性方法、模糊数学方法、灰色理论方法、神经网络方法等)，随着计算机技术的发展，数值分析方法运用越来越广，目前国内外边坡稳定性分析法主要以极限平衡法和数值分析法为主。
极限平衡法主要有瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法、Sarma法、平面直线法和不平衡推力传递法。
极限平衡法把边坡上的滑体视为刚体，利用滑体的静力平衡原理分析边坡在各种极限破坏模式下的受力状态，并以边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的比值定义为安全系数。
强度折减方法的基本原理是将岩土材料的黏聚力和内摩擦角等抗剪强度参数进行折减，用折减后的参数进行边坡的稳定性分析计算，不断降低强度参数直至边坡失稳破坏为止，破坏时的折减数值即为边坡的安全系数。
极限平衡法中，Morgenstern-Price法既能满足力平衡又满足力矩平衡条件，是国际公认的最严密的边坡稳定性分析方法[1]。
数值分析方法有如有限元法（ANSYS、Plaxis、ABAQUS）、离散元法（PFC、3DEC）、边界元法（BEM）和拉格朗日元法（FLAC），FLAC3D是基于连续介质快速拉格朗日差分法编制而成的数值模拟计算软件, 是目前岩土工程界应用最为广泛的数值模拟软件之一，该程序采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。
露天矿边坡稳定性分析方法摘要：目前，随着我国基础建设事业的发展，越来越多的边坡工程开始出现。
随着露天矿山开采深度的增加，开挖扰动会导致岩体工程不断劣化，应力环境将会更加复杂，威胁到矿山生产的正常进行。
基于此，必须加强开挖扰动对露天矿边坡稳定性影响分析，以进一步保证矿山安全。
关键词：露天矿边坡；稳定性；安全因素引言在露天矿开采活动中，边坡失稳的现象非常常见，如不能得到妥善处理，很容易出现安全事故。
在本文中，笔者从露天矿边坡的特点入手，对影响露天矿边坡稳定性的安全因素展开分析，提出提升露天矿边坡稳定性的有效策略，为该方面的工作人员提供有价值的参考资料。
1露天矿边坡的特征1.1露天矿的边坡比较高，有些边坡在几十米到几百米之间，有些边坡甚至会达到数千米高，经过相应的观察可以发现，所揭露的岩层越多，那么边坡的差异就会越大，而且边坡也就会变得极为的复杂，岩体在暴露的过程中，整个岩体暴露的时间就会变得更长，而且岩体的完整性也比较差，岩体呈现出破碎性，经常相应的试验发现整个岩体的强度也是极低的。
1.2露天矿在形成的过程中，最终的边坡主要是从上部到下部逐渐的形成的，而且由于上部的年限比较长，在这种情况下就会缺乏稳定性，与此同时也具有着一定的时效性，从本质上来说，由于年限的不同，其边坡的上部和下部的稳定性也就存在着一系列的差异。
1.3露天矿场在开采的过程中，每一天都必须要进行穿孔、运输和爆破处理，这样就会产生一定的振动，对于周围的边坡是有着一定的影响的，在超出边坡承受范围的时候边坡的稳定性就会下降甚至出现一定的危险。
1.4边坡主要是由于露天矿体被不断的开采导致的，在这样的情况下，边坡的稳定性就在不断的变化，随着时间的推移和矿体的不断开采，边坡的稳定性会逐渐的下降。
1.5边坡的主要类型按照几何形状可以将其分为内陷边坡、倾斜边坡和外鼓边坡等，根据露天矿的坡体可以将其分为泥土边坡、岩石边坡、尾矿坡和构筑堆坡。
2影响露天矿边坡稳定性的安全因素2.1地质因素一是岩石性质与结构产生的影响。
Ser i a l N o.486 O c t ober.2009现代矿业M ORDEN M IN ING总第486期2009年10月第10期何巡军,400030重庆市。
某露天矿高边坡极限平衡法对比分析何巡军赵洪宝王俯标李小双(重庆大学资源及环境科学学院)摘要:介绍了3种基于极限平衡理论边坡稳定分析方法的基本原理,并利用SLOPE/W程序对某露天矿边坡典型勘探线剖面在当前开采境界和计划开采境界下进行了稳定性分析。
通过分析计算,获得了分别采用B ishop法、Janbu法和Sar m a法在自然状态、考虑水和地震作用3种工况下边坡安全系数。
分析结果表明:当前开采境界下,边坡处于稳定状态;计划开采境界下,边坡处于非稳定状态,不可按原计划进行开采;水和地震的作用将对边坡稳定性产生重要的影响。
关键词:高边坡;B ishop法;Janbu法;Sar m a法;拟静力法中图分类号:TD854.6文献标识码:A文章编号:1674-6082(2009)10-0055-03Co m parative Analysis of Li m it Equilibriu m M ethods for H igh Slope at an Open P itM ineH e Xun j u n Zhao H ongbao W ang Fub iao L iX i a oshuang(C ollege o fResource and Env ir onm enta l Sciences,Chongq i n g Un i v ersity)Abst ract:The basic pri n ciples of t h ree kinds o f slope stability ana l y sis m ethods based on li m it equ-i li b ri u m theory are descri b ed.The stability o f typica l prospecting li n e secti o n of a sl o pe of an open pit m ine at current and planned m i n i n g boundary using SLOPE/W is ana l y zed.Through analysis and ca lcu-lation,the sl o pe sa fety coefficients considering natural sta te,w ater and earthquake effects are gained by B ishop m ethod,Janbu m ethod and Sar m a m et h od.The resu lts i n dicate t h at t h e slope is stab le at curren t m ining boundary;the slope is unstable at planned m ining boundary and the m ining plan needs change. W ater and earthquake have i m portant effects on sl o pe stab ility.K eyw ords:H igh slope;B ishop m ethod;Janbu m ethod;Sar m a m ethod;Pseudo-static m ethod1引言在我国金属矿山中,有相当一部分矿山采用的是露天开采方式[1,2]。
随着开采规模的不断扩大,开采深度不断增加,形成了一些高陡露天边坡。
据不完全统计,在我国露天矿山中,不稳定边坡或具有潜在不稳定边坡占总边坡长度的15%~20%,个别的高达30%以上[3]。
边坡失稳已经成为影响、困扰矿山安全作业和矿工生命安全的重要问题。
笔者以极限平衡法为理论基础,运用三种不同的极限平衡方法,在三类工况下进行了某露天矿边坡的稳定性计算分析。
2极限平衡法基本原理正确评价分析露天矿边坡稳定性对矿山安全生产具有重要意义[4]。
目前,在露天矿边坡分析中使用最为广泛的方法仍然是极限平衡法[5]。
这种方法是以M ohr-Coulo m b强度理论为基础,其表达式为:S f=c c+R c tan U c(1)式中:S f为破坏面上的剪应力;R c为破坏面上有效法向应力;c c为土的有效粘聚力;U c为土的有效内摩擦角。
极限平衡方法的基本特点是,将边坡视为刚体,只考虑静力平衡条件和土的摩尔-库伦破坏准则。
也就是说,通过分析土体在破坏时的力学平衡来求得问题的解。
但在大多数情况下,通过这些条件建立的方程组是静不定的。
极限平衡方法处理是对某些多余的未知量作一定简化假定,使问题变得静定可解[6~8]。
边坡土条受力见图1。
由图1知,土条受力包括:重力W i;作用在土条体底部的法向力N i和切向力T i;作用在侧面的法向力X i和切向力S i。
55图1 土条受力图2.1 三种极限平衡方法的比较在极限平衡法理论体系形成的过程中,通过对土条力学条件简化或假定,得到了一系列的计算方法,如Fe llenious 法、B ishop 法、Janbu 法、M orgenstern &Price 法以及Sar m a 法等。
表1为B ish -op 法、Janbu 法和Sar m a 法三种极限平衡计算方法在假设条件、平衡条件、适用条件等方面的比较。
通过表1的比较可知,B ishop 法考虑了土条间的作用力,且在每条的滑裂面上满足极限平衡条件,单个土条在y 方向(竖直)上静力平衡,总体对圆表1 三种极限平衡法的比较方法简化条件滑面形状平衡条件整体力矩各条力矩各条垂直力各条水平力适用条件B i shop 法忽略条间切向力圆弧满足不满足满足不满足土质、软岩质及碎岩边坡Janbu 法假定条块间水平作用力的位置任意满足满足满足满足各种介质的边坡Sar m a 法假定在每一土条重心作用着一个水平体积力任意满足满足满足满足特别适合含各种结构面的边坡心O 力矩平衡,建立相应的关系式并最终得到安全系数,可表示为:F s =21m H i(C c i b i +W i tan U c i )2W i si n H i(2)式中,m H i =co s H i +si n H i tan U c iF sJanbu 法是一种严格的条分法,对每一土条在滑裂面切向、法向和土条水平向,建立力学平衡,对土条底面中点建立力矩平衡,共计4个条件方程式,利用迭代法求出安全系数。
安全系数表达式为:F s =21m H i[(C c i b i +(W i +$S i )tan U c i )]2(W i +$S i )si n H i (3)式中,m A i=1+tan H i tan U c i /F ssec H iJanbu 法计算较繁琐,需用计算机才能搜索出最小安全系数和临界滑动面。
此法对各种介质的边坡,甚至复合介质边坡均能适用[9]。
Sar m a 法假设在每一土条重心作用着一个水平体积力K c W i 。
通过假定一系列的安全系数F,使得K c 为零时的F 即为边坡安全系数。
Sar m a 法可用于各种形状滑动面的边坡稳定分析,在我国露天矿边坡稳定性分析中被广泛采用[1]。
2.2 地震力的考虑B ishop 法、Janbu 法和Sar m a 法均考虑了地震力的影响,特别是Sar m a 法更将地震惯性力视为影响土坡稳定的决定因素。
目前在常用的边坡抗震稳定性分析方法中,拟静力法是一种广为采用的方法,即将最大地震加速度产生的地震惯性力作为一种静力来考虑,以最不利的组合作用于滑体[8]。
具体地说,水平地震力方向取顺坡方向,大小一般采用经验公式,如5水工建筑物抗震设计规范6(DL5073-2000)中就提供了考虑地震的具体公式。
3 工程实例分析该边坡为某露天金矿边坡,最大坡高达380m,基岩为反倾岩层,主要由钙质板岩、页岩以及复成分页岩组成。
滑体主要为碎石土,不同高度位置碎块石成份不同,主要有泥质灰岩、页岩、角砾岩(角砾成分为糜砾岩夹少量页岩),风化严重,局部泥化严重。
露天采场边坡在当前开采境界下处于稳定状态。
为了追求更大的经济效益,矿区计划增大边坡角,以降低剥采比。
本算例主要就边坡在当前开采境界下和计划开采境界下的稳定性分析。
边坡稳定分析采用功能强大的岩土分析软件SLOPE /W 。
3.1 模型的建立通过工程地质分析,边坡计算剖面选取边坡11#和15#勘探线剖面,按1B 1建立模型,将边坡主要断层简化为SLOPE /W 程序提供的拉裂缝处理,各边坡剖面稳定分析模型见图2和图3。
在自然状态(不考虑水和地震)、考虑水和考虑地震三种工况条件下进行稳定计算分析。
计算饱水率分别为30%和50%时的边坡稳定性。
地震计算采用拟静力法,矿区地震设防烈度为8级,施加的水平加速度为0.2g 。
边坡稳定性需要的岩土体参数通过对现场大剪56总第486期 现代矿业 2009年10月第10期试验和室内常规物理力学试验结果分析选取,如表2所示。
各岩土层均采用M ohr-Cou lo mb 准则。
表2边坡岩土体计算参数岩石名称风化程度密度/(g/c m3)抗剪强度«/(b)C/M Pa复成分、钙质页岩新鲜2.67493.72钙质板岩新鲜2.6946.62.27钙质页岩新鲜 2.7494.36含矿带板岩新鲜 2.745.52.5复成分、钙质页岩强风化2.6235.70.465钙质板岩强风化2.6433.40.284钙质页岩强风化2.6535.70.545含矿带板岩强风化 2.7340.38断层角砾岩强风化 2.6280.053.2模型求解及结果分析采用了3种极限平衡法对边坡进行稳定性评价。
地下水的存在对边坡的稳定性有很大影响,而SLOPE/W程序能够方便地更换分析方法和考虑地震和地下水对边坡稳定性的影响。
各种方法所得安全系数比较见表3、表4。
表311#勘探线剖面各工况安全系数计算方法当前开采境界自然状态地震饱水率30%饱水率50%计划开采境界自然状态地震饱水率30%饱水率50%B is hop1.7221.168 1.513 1.4621.2660.9441.1681.127 Janbu1.5161.070 1.403 1.3581.1370.8281.0461.010 Sar m a1.6301.160 1.505 1.4531.2220.9011.1211.078通过对表3、表4的计算结果分析可知,B ishop 法的计算结果与Sar m a法计算结果差别较小,且采用B ishop法所得的安全系数均大于Sar m a法所得的安全系数;采用Janbu法计算结果与Sar m a法所得结果差别较大,且所得安全系数均小于Sar m a法所得的安全系数。
