基于极射赤平投影和萨尔玛法确定露天矿边坡协同稳定的工程应用.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月昆明冶金高等专科学校学报 收稿日期:作者简介:施雄斌(),男,云南洱源人,高级工程师,工学硕士,主要从事采矿设计工作与研究。:基于极射赤平投影和萨尔玛法确定露天矿边坡协同稳定的工程应用施雄斌,冯娟,周晓超(昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 )摘要:以某一具体露天矿边坡工程实例为研究对象,在对矿山边坡现场调查及其工程地质认识基础上,开展了矿山边坡工程地质分区和优势节理结构面的确定,并采用定性与定量、局部与整体相结合的极射赤平投影和极限平衡分析方法对矿山开挖边坡安全稳定进行了分析评价。研究结果表明:露天矿局部台阶边坡受结构面控制发生滑动破坏的可能性小,仅是受开挖扰动
2、等影响局部台阶可能出现垮塌现象,即台阶边坡内表现弱协同性,但边坡系统整体处于协同稳定范围内,符合矿山边坡适度变形、允许部分破坏的思想理念,对下一步矿山现场生产管理和施工等工作部署具有重要的指导意义。关键词:极射赤平投影;萨尔玛法;露天矿边坡;协同稳定中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,):,:;引言露天矿边坡稳定是矿山安全生产的关键,研究确定露天矿边坡的安全稳定对露天矿山的安全生产具有重要的意义 。对于一个稳定的系统而言,各个子系统都是遵循一定的方式协同有次序的运动,即协同发展具有规律性。然而,对于露天矿山边坡非线性的开放系统而言,其本身赋存条件的复杂性、模糊性和不确定性,使得矿山技术
3、人员对边坡系统协同作用认识不足或缺乏认识。当露天矿边坡系统内部各子系统组成不配套、不协调,可能使得协同作用减弱或超出协同范围,削弱系统的协同程度,即发生失稳破坏。矿山边坡系统中某些参数的渐变使其边坡失稳超出系统协同稳定的范围,打破原有系统平衡,将会导致矿山系统整体协同出现矛盾,影响矿山生产的正常运行 。因此,进行露天矿边坡系统协同稳定的研究从而控制边坡失稳带来的灾害是十分有必要的。露天矿山边坡是按设计的边坡开挖方案人工开采形成的边坡,不同于水电、公路工程边坡。基于对周邻环境和矿山安全生产的影响程度,矿山边坡允许边坡岩体产生局部坍塌、变形,甚至允许产生一定的破坏,以兼顾安全性和经济性的双重管理理
4、念 。众所周知,露天矿边坡地质工程是一个复杂动态的地质工程问题,矿山边坡具有其特定的工程赋存条件。受此制约,矿山边坡变形破坏模式与地质构造特征、岩体结构特征等密切相关 。在矿山边坡的开挖过程中,岩体构造结构面在很大程度上会影响着边坡系统的稳定。而露天矿边坡工程的时效性和地质环境的限定性,要求工程人员对矿山工程地质条件不断深化认识,以适应矿山边坡工程发展的需要。因此,许多学者通过理论和现场调查实践探讨了岩质边坡可能发生的病害及形成机理 。岩质边坡的失稳与破坏是重大工程灾害,对其破坏类型及稳定性的研究具有很重要的现实意义。岩质边坡的稳定性一般采用定性与定量相结合的方法分析评价。定性分析主要采用赤平
5、极射投影方法,定量分析主要采用极限平衡法和数值分析方法。作为定性分析的极射赤平投影法,可依据结构面与边坡坡面组合关系,从宏观上直观判断岩质边坡失稳破坏模式及其稳定性,因此得到广泛应用 。鉴于露天矿边坡稳定在矿山生产中的重要地位,本文依托某一具体的露天矿山工程实例,从系统协同稳定的角度出发,考虑露天矿边坡允许适度变形的设计原则和可部分破坏的理念,采用定性与定量、局部与整体相结合的极射赤平投影和极限平衡分析方法对矿山开挖边坡安全稳定进行分析评价,为矿山现场生产管理和施工等工作部署提供参考依据,保证矿山安全生产并实现效益最大化。工程概况本项目为一个露天红石岩矿岩质边坡,矿区地层呈倾向南东()的单斜层
6、状产出,靠帮岩性主要以灰岩和砂岩岩组为主;矿区节理裂隙较发育,岩体较完整较破碎。矿山开采结束最大边坡高度约 ,位于反倾侧北东帮。矿山开采终了台阶高度 ;终了台阶坡面角顺倾侧(区)、反倾及切向侧(区)(灰岩取值 ,砂岩取值 );最终边坡角:顺倾 区)、反倾及切向侧(区);安全(清扫)平台宽度 ()。目前矿山开采现状边坡整体处于稳定状态,开采现状为采剥矿区内顶部山头,未形成靠帮终了边坡,生产台阶坡面角 。图 矿区地形地貌 地形地貌矿区属裸露岩溶低中山地貌类型,山脊呈近南北向延伸(图 )。矿区总体地势北东高、南西低,坡度 ,局部较陡,最高点位于矿区北东部的山包顶部,最低点位于矿区西部,相对高差 。矿
7、区植被较发育,第四系零星分布于矿区冲沟内及地势低洼处。地层岩性矿区出露地层较为简单,主要为石炭系上统()浅灰色灰岩、含白云质灰岩(矿山开采结束靠帮边坡主要组成地层)、二叠系下统梁山组昆明冶金高等专科学校学报 年 月()浅紫红色砂岩、泥岩(该层位主要分布在矿山靠帮边坡北东侧上部)及第四系()(开采过程中已被挖掉,靠帮边坡未有出露)。矿区内工程地质岩组划分如下。)松散岩类软弱岩组:为第四系残坡积()粘土层,主要分布于矿区缓坡低洼地带,表层结构松散,硬塑可塑,厚度 ,开采过程中被挖掉,采剥后对矿山终了边坡稳定性无影响。)碎屑岩软弱半坚硬岩组:为二叠系下统梁山组(),岩性为浅灰黄色、浅紫红色砂岩,呈层
8、状结构,硬度系数 ;地表风化较强烈,岩体较破碎;主要分布于矿区北东侧上部,对未来靠帮终了边坡稳定性有一定的影响。)可溶盐岩类坚硬岩组:为石炭系上统(),岩性为浅灰色灰岩、含白云质灰岩夹浅紫红色白云岩,硬度系数 。该岩组是构成露天采坑最终边坡的主要岩组。地质构造项目区位于白龙洞 海当背斜的东翼,区内地层呈单斜构造,总体岩层代表性产状 ,层面单层厚度 ,一般为 。矿区内构造总体不发育,主要为构造节理。结合现场调查及统计分析,矿区内有 组明显构造节理:第 组 产状 ,代表性节理产状 ,延伸 ,间距 ,节理裂隙面较平整,多无充填;第 组 产状 ,代表性节理产状 ,延伸 ,间距 ,节理裂隙面较平整,多无
9、充填,少数泥质充填。水文地质条件矿区水文地质条件为岩溶含水层充水为主、大气降雨为主要充水来源的简单类型。根据矿山施工的钻孔终孔水位,均未揭露有地下水,故分析矿山边坡无地下充水的影响,主要是大气降雨入渗影响边坡。工程地质分区为便于评述露天矿岩质边坡地质条件,对边坡稳定性分析提供可靠的力学参数,作者在实地调查基础上对矿山边坡进行工程地质分区。根据本项目工作区靠帮边坡岩性、构造、工程地质条件和水文地质条件的相似性、一致性原则;同时结合不同区域位置岩层倾向与边坡倾向空间关系,将本项目边坡划分为 个工程地质分区:露天采场西帮以灰岩为主的顺倾侧 区和露天采场东帮和端部以灰岩和砂岩为主的反倾、切向 区,如表
10、 、图 所示。表 边坡工程地质分区 要素区(顺倾)区(反倾、切向)岩性灰岩灰岩;砂岩(集中在靠帮边坡北东侧上部)岩层倾向与边坡倾向关系顺倾反倾、切向岩体完整性较完整灰岩较完整,砂岩较破碎较完整水文地质条件位于侵蚀基准面以上,以大气降水为主位于侵蚀基准面以上,以大气降水为主 极射赤平投影定性分析大量的矿山工程实践和理论研究表明:露天矿岩质边坡的失稳破坏多受地质构造的控制,换言之,岩体结构制约着岩体的应力应变、位移和变形破坏规律。因此,为更好地评价岩体边坡稳定性,应采用岩体工程地质力学的理论方法开展受岩体结构构造控制的岩质边坡稳定情况。在岩体结构分析中,赤平极射投影作为一种将三维空间地质构造信息表
11、示在二维空间上,是一种简便、形象、直观的综合图解工具,可判断优势结构面产状与边坡岩层临空面的空间组合关系,因此被广泛应用于岩质边坡稳定判定的工程实践中 。赤平投影下的岩质边坡破坏形式露天矿山边坡稳定性与岩体构造特征密切相关,不同的节理构造分布特征对应不同的边坡破坏模式,而边坡破坏模式的确定又是边坡稳定性分析的基础。因此,通过边坡破坏模式的辨识分析其稳定性,从而确定科学合理的治理防护措施或调整开采边坡结构参数方案,降低矿区边坡发生滑坡的可能,第 期施雄斌,冯娟,周晓超:基于极射赤平投影和萨尔玛法确定露天矿边坡协同稳定的工程应用图 边坡工程地质分区 对矿山安全生产至关重要。孙玉科等 ,以工程地质模
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