基于极限平衡法的季德钼矿露天边坡稳定性分析.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 4.0 2 8基于极限平衡法的季德钼矿露天边坡稳定性分析尹 超(兖州中材建设有限公司,济南2 5 0 1 0 1)摘 要:露天矿山边坡的安全稳定性一直是困扰矿山企业的重大安全问题之一,针对这一问题进行了深入的探讨,研究了季德钼矿露天采场的边坡稳定性。根据季德钼矿的工程地质条件和岩体质量评价,将采场边坡划分为A、B两个工程地质区,并依据各区工程地质条件差异性,划分为A 1、A 2、B 1、B 2四个亚区。采用极限平衡法边坡分析软件建立了各个典型剖面的边坡模型,并进行了稳定性计算分析。分别计算自重+地下水、自重+地下水+爆破荷载、自重+地下水+地震力等3种工况条件下的边坡安全系数,结果表明:该露天矿终了境界边坡处于稳定状态,满足安全等级的要求,说明该终了采场设计的边坡结构参数具有一定的可行性和合理性。关键词:露天矿山;边坡稳定性;极限平衡法S t a b i l i t yA n a l y s i so fO p e n-p i t S l o p eo fJ i d eM o l y b d e n u m M i n eB a s e do nL i m i tE q u i l i b r i u m M e t h o dY I NC h a o(S i n o m aC o n s t r u c t i o nY a n z h o uC o,L t d,J in a n2 5 0 1 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo fo p e n-p i tm i n es l o p eh a sa l w a y sb e e no n eo f t h em a j o rs a f e t yi s s u e sp l a g u i n gm i n i n ge n t e r p r i s e s,a n dt h i s t h e s i sd i s c u s s e s t h i sp r o b l e mi nd e p t h,a n ds t u d i e s t h es l o p es t a b i l i t yo f t h eo p e n-p i ts t o p eo f J i d eM o l y b d e n u m M i n e.A c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n dr o c km a s sq u a l i t ye v a l u a t i o no fJ i d eM o l y b d e n u m M i n e,t h es t o p es l o p ew a sd i v i d e di n t ot w oe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lz o n e s,Aa n dB,a n dd i v i d e di n t of o u rs u b-r e g i o n s:A 1,A 2,B 1a n dB 2a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e s i nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fe a c hz o n e.T h es l o p em o d e l o f e a c h t y p i c a l p r o f i l ew a s e s t a b l i s h e db yu s i n g t h e l i m i t e q u i l i b r i u ms l o p e a n a l y s i s s o f t w a r e,a n d t h e s t a b i l-i t yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sw e r e c a r r i e do u t.T h e s l o p e s a f e t yc o e f f i c i e n t su n d e r t h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n s,i n c l u d i n gs e l f-w e i g h t+g r o u n d w a t e r,s e l f-w e i g h t+g r o u n d w a t e r+b l a s t i n g l o a d,s e l f-w e i g h t+g r o u n d w a t e r+s e i s m i c f o r c e,w e r ec a l c u l a t e d,a n dt h er e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s l o p eo f t h e f i n a l b o u n d a r yo f t h e o p e n-p i tm i n ew a s i na s t a b l e s t a t e a n dm e tt h e r e q u i r e m e n t so f s a f e t y l e v e l,i n d i c a t i n g t h a t t h e s l o p e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r so f t h e f i n a l s t o p ed e s i g nh a dc e r t a i n f e a-s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t y.K e yw o r d s:o p e n-p i tm i n e;s l o p es t a b i l i t y;l i m i t e q u i l i b r i u m m e t h o d收稿日期:2 0 2 3-0 7-0 1.作者简介:尹 超(1 9 8 8-),工程师.E-m a i l:2 9 6 0 6 2 6 7 9q q.c o m近年来,随着国家经济的快速发展,工业生产不断趋于规范和完善的同时,人民的安全意识不断增强,国家对安全的要求也不断提高,企业的安全生产问题已成为最重要的问题之一。露天矿边坡的稳定问题一直是矿山企业的重大安全问题之一,直接关系到企业的生产安全与经济效益、社会效益。露天采矿形成的高陡边坡规模是其它工程领域内所罕见的。由于露天采矿场地无选择性,边坡地质条件往往十分恶劣,国内外露天矿边坡破坏屡见不鲜。众所周知,采矿生产以经济效益为中心,以少剥岩多采矿为宗旨。和其它领域边坡工程相比较,露天矿边坡又是服务年限较短的非永久性边坡。各种因素制约着采场边坡的稳定性1-3。因此要求对露天采场边坡的工程地质、水文地质条件、岩体力学强度要充分掌握4-6,对边坡稳定性分析方法要特别考究9-1 0,要尽量排除非确定因素1 1-1 4。矿山边坡工程所承担的风险相对很大,必须利用有限的基础资料,作出对边坡稳定性最客观的评价。411建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期季德钼矿属于吉林天池钼业有限公司,其露天采场设计上口面积约16 0 0m(11 3 78 5 0)m,下口(采坑底)面积约2 3 6m5 4m,采场设计边坡最高标高+6 4 6m,采场坑底标高7 0m,设计终了边坡最大高差约为4 8 6m,属于高边坡,开采年限长达2 1.8年。对于采场高陡边坡而言,在设计初期进行相关的稳定性研究及结构参数优化,是从源头上防范化解重大安全风险的最佳体现,是这个矿山开采的基础框架。露天采场边坡最优总体边坡角度的确定,对边坡安全影响是长期的。合理的最优总体边坡角度不仅可以最大程度节约投资,而且在整个露天采场服务期间最大程度的保证安全生产。总体边坡角度过缓会直接导致边坡剥离增大,造成不必要的经济投入;总体边坡角过陡,会随着露天采场边坡不断下延,安全问题凸显,会在整个露天采场服务期间不断的受到边坡稳定的困扰,而且在边坡维护方面投入巨大。因此,针对季德钼矿的工程地质条件,将露天采场边坡进行了工程地质分区。采用极限平衡法计算了三种工况条件下的边坡安全系数,研究了露天采场终了边坡的稳定性。1 工程地质概况1.1 矿区地层构造区内地层仅出露有古生界二叠系杨家沟组,呈残留体零星分布于各期侵入体中,主要分布于矿区东北部及西北部。主要岩性为黑色、灰黑色斑点板岩与变质砂岩、粉砂岩互层,局部夹变质凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩。受区域断裂构造影响,矿区(采场)内形成了北西向断层破碎带。该断层形成于成矿前,成矿后仍有活动。但断距小,对矿体及近矿围岩影响不大。1.2 边坡工程地质分区边坡出露岩性主要为二长花岗岩、石英闪长岩等。现状边坡未出现大范围岩体滑移与崩塌,整体呈现临时稳定状态。依据工程地质分区原则,结合采场的岩性、岩体结构类型、边坡形态、边坡安全性、采矿工程布置及结构面(断裂、节理和裂隙以下统称结构面)规模等,将采场边坡划分为A、B两个工程地质区,界线则与似斑状花岗岩、石英闪长岩界线基本一致。并依据各区工程地质条件差异性,划分A 1、A 2、B 1、B 2四个亚区(见表1)。表1 季德钼矿终了边坡各区工程地质分区特征边坡区域地质分区边坡标高/m岩性及描述北边坡A 1+5 4 6+1 0 0终了边坡岩体主要以坚硬较坚硬岩为主;岩体完整性指数以0.7 50.5 5为主,其累计厚度大于5 0%,属较完整岩体,划为块状结构边坡。岩体稳定性视为均质弹性各向同性体,台阶边坡存在不稳定结构体的局部滑动问题。东边坡B 1+4 7 2+7 0终了边坡岩体主要以坚硬较坚硬岩为主,次为软弱岩石;岩体完整性指数以0.7 50.5 5为主,累计厚度大于5 0%,属较完整岩体,边坡岩体结构类型块状结构边坡。南边坡B 2+4 6 0+1 3 0钻孔揭露工程地质岩组以坚硬较硬整体状、块状结构岩组为主,完整类岩体厚度约占总厚度的7 2%9 2%,边坡岩体总体结构完整性较好。西边坡A 2+5 4 6+1 0 0终了边坡岩体主要以坚硬较坚硬岩四类岩组为主,次为软弱岩石岩组;岩体完整性指数以0.7 50.5 5为主,其累计厚度大于5 0%,属较完整岩体,划为块状结构边坡。岩体稳定性视为均质弹性各向同性体,台阶边坡存在不稳定结构体的局部滑动问题。A区位于似斑状二长花岗岩与石英闪长岩分界线北西侧,面积约0.7 5k m2,区内地形北西高南东低,以硅化似斑状二长花岗岩、萤石化硅化二长花岗岩以及硅化二长花岗岩为主,零星分布小型岩脉。矿山基建削坡已形成十多级边坡,现状台阶边坡产状5 0 6 5、1 3 5 6 5 及2 2 5 6 5,单级坡高约1 01 5m,累计坡高大于百米;终了台阶边坡产状1 0 7 6 5 及1 8 0 6 5,终了边坡高度3 8 64 8 0m。到目前为止,边坡尚未靠帮,为动态边坡,边坡形态不规则。B区位于似斑状二长花岗岩石英闪长岩界线的南东侧,面积约0.6 5k m2,岩性较单一,以石英闪长岩为511建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期主,局部有小型岩脉分布。区内土质覆盖层广泛分布,厚零米数米不等,目前已剥露岩质边坡范围较小,仅局部形成几个单级边坡,相对高差较小。区内境界范围内南部最高点标高+5 5 0m,现状最低点标高约+4 0 0m,相对高差约1 5 0m。剥土削坡在进行中,目前已剥露岩质边坡面积约0.2 7k m2,高度几米至数十米不等。终了台阶边坡产状2 2 8 6 5 及1 5 3 7 6 5,设计终了边坡垂高2 2 54 0 2m,为高陡边坡。根据边坡工程地质条件及稳定性分析的需求,共设置1 0个控制性剖面,边坡分区及控制性剖面具体位置见图1。1.3 边坡岩土体力学指标组成边坡的岩体是岩石及其结构的集合体,岩体的强度不仅取决于岩石强度,还受岩体结构控制。岩体的结构削弱了岩体的强度,因此,岩体强度可能比其主体物质 岩石的强度小很多。根据现场试验获得的力学参数,并结合矿山实际工程地质状况进行确定,最终边坡岩体强度参数推荐指标见表2。表2 岩体强度参数指标岩体名称重度/(k Nm-3)弹性模量/G P a泊松比凝聚力C/k P a内摩擦角/()二长花岗岩2 5.93 3.0 40.1 98 9 2.9 03 4.7 9斜长花岗岩2 6.03 0.2 40.2 07 5 0.2 13 1.0 6石英闪长岩2 7.43 2.7 90.1 88 4 0.5 63 3.9 9强风化岩类2 2.01.2 50.3 86 5.0 02 6.0 0破碎带2 0.01.2 50.3 85 0.0 02 8.0 02 露天采场边坡稳定性分析2.1 计算方法根据季德钼矿露天采场边坡岩体的工程地质特征,以及对破坏模式的分析,采用极限平衡法对边坡进行计算,主要考虑各控制性剖面在荷载组合、下的整体稳定性。此次研究中对边坡稳定性分析方面采用R o c s c i e n c e公司研发的S l i d e 2极限平衡分析软件,利用该模块中的M o r g e n s t e r n-P r i c e分析方法计算,对设计境界边进行稳定性分析,计算最小安全系数。2.2 许用安全系数的确定依照 非煤露天矿边坡工程技术规范(G B 5 1 0 1 62 0 1 4)规定,边坡高度大于5 0 0m即为超高边坡。根据季德钼矿露天采场终了设计境界图,控制性剖面中终了边坡高度最高达约4 8 0m,为高边坡;同时当边坡高度3 0 05 0 0、3 0 0H5 0 0、1 0 0H3 0 0级3 0 0H5 0 01 0 0H3 0 0、H1 0 0级1 0 0H3 0 0H1 0 0、611建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期表4 不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数表边坡工程安全等级荷载组合荷载组合荷载组合1.2 51.2 01.2 31.1 81.2 01.1 51.2 01.1 51.1 81.1 31.1 51.1 01.1 51.1 01.1 31.0 81.1 01.0 5 注:荷载组合为自重+地下水;荷载组合为自重水+地下水+爆破动力;荷载组合为自重+地下水+地震力。此次研究重点分析在荷载组合、下的边坡稳定性情况。由于边坡工程安全等级属于级。因此,根据表3要求,确定此次边坡稳定性计算允许安全系数为:在荷载组合下边坡最小安全系数下限为1.2 0,在荷载组合下边坡最小安全系数下限为1.1 8,在荷载组合下边坡最小安全系数下限为1.1 5。根据现场爆破振动测试,此次稳定性计算中取爆破综合系数0.0 2 5,矿区基本烈度属于度区,此次稳定性计算中取地震综合系数0.0 3 75。2.3 设计边坡稳定性计算结果汇总对1 0个控制性剖面的终了边坡稳定性进行计算后,发现所设计的终了边坡在三种荷载组合下的安全系数均满足规范允许的安全系数要求,如表5所示。表5 边坡稳定性安全系数一览表剖面终了设计边坡荷载组合荷载组合荷载组合1-11.2 2 31.1 8 21.1 6 42-21.2 5 31.2 1 31.2 0 03-31.2 3 61.2 1 21.1 7 44-41.2 5 71.2 1 31.1 8 65-51.2 7 11.2 2 11.2 0 86-61.2 4 21.2 0 41.1 8 47-71.2 5 71.1 9 51.1 7 6A-A1.2 4 71.2 0 51.1 8 3B-B1.2 3 11.1 7 11.1 4 1C-C1.2 4 61.1 9 51.1 7 0 由此可知,基于极限平衡法计算,西北侧边坡和南侧边坡在两种工况下安全系数均大于许用安全系数,表明季德钼矿露天采场终了设计边坡控制性剖面的安全系数据满足规范的安全要求,终了边坡整体处于稳定状态。3 结 论a.矿山边坡稳定性与边坡岩体强度息息相关。结合矿山实际工程地质状况、水文地质条件、室内岩石力学实验强度对边坡岩体强度进行合理的估计可为矿山边坡稳定性分析提供合理的参数。b.依据工程地质分区原则并结合终了边坡的岩性、岩体结构类型、边坡形态、边坡安全性要求等,将采场边坡划分为A、B两个工程地质区,并在不同分区内选择代表性剖面采用极限平衡法对矿山边坡稳定性进行了计算分析,分析结果表明矿山设计终了边坡安全系数满足规范要求,边坡处于稳定状态。c.边坡的稳定性直接影响到矿山的安全生产、经济效益和社会效益。因此,在设计阶段进行边坡稳定性研究,优化结构参数,是预防和化解重大安全隐患的必要措施。参考文献1 郑 宏,李春光,李焯芬,等.求解安全系数的有限元法J.岩土工程学报,2 0 0 2(5):6 2 6-6 2 8.2 张四维.我国露天矿边坡工程研究成果与进展J.地质灾害与环境保护,2 0 0 0(2):9 8-1 0 1.3 孙玉科,姚宝魁,许 兵.矿山边坡稳定性研究的回顾与展望J.工程地质学报,1 9 9 8(4):1 8-2 4,7 4.4 魏进兵,何治良,杨仲康.考虑地震危险性的倾倒变形边坡风险定量分析J.地质科技通报,2 0 2 2,4 1(2):7 1-7 8.5 杜时贵,雍 睿,陈咭扦,等.大型露天矿山边坡岩体稳定性分级分析方法J.岩石力学与工程学报,2 0 1 7,3 6(1 1):2 6 0 1-711建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期2 6 1 1.6 于庭安,戴兴国.露天矿边坡稳定性的安全因素分析J.矿业安全与环保,2 0 0 8(1):7 3-7 6,9 1.7 杨 越.青藏高原某矿山二期工程露天边坡稳定性分析D.北京:中国地质大学,2 0 1 9.8 罗 瑞,马锟辉,周 平,等.极限平衡法与有限元法相结合的露天矿山边坡稳定性分析J.矿业工程,2 0 1 9,1 7(1):1 4-1 7.9 李佳伦,张志贵,李 斌,等.露天矿采场边坡稳定性概率分析J.化工矿物与加工,2 0 2 2,5 1(9):1 5-1 8,2 3.1 0曾庆伟.露天矿边坡稳定性分析方法的选择和应用J.世界有色金属,2 0 2 1(5):1 6 3-1 6 4.1 1熊 昊,侯克鹏,孙华芬,等.某露天矿山边坡结构参数优化与支护设计J.化工矿物与加工,2 0 2 0,4 9(9):1 5-1 8.1 2肖 欢,于永纯,刘 银,等.某露天矿山局部边坡稳定性分析J.云南冶金,2 0 2 0,4 9(2):7-1 2.1 3柯秋壁,周小平.谭家山露天矿顺层边坡坡形优化J.露天采矿技术,2 0 2 0,3 5(2):6 0-6 2,6 6.1 4施雄斌,杨 泽.某石灰岩露天矿高陡边坡稳定性评价J.有色金属设计,2 0 2 3,5 0(1):1-4.(上接第9 2页)4.3 钢屋架加固由于该建筑钢屋架处经过改造后外部荷载增大,为确保使用安全,需要对其进行加固。可以采用加大截面面积或者改变受力路径方法。加大截面面积可在角钢焊接型钢或者粘贴钢板,有效提高承载能力,但是可能产生附加弯矩7。可以通过新增屋架和原有屋架共同受力来改变传力路径,能增强承载能力。但是加固时需注意焊缝导致的应力集中问题8。5 结 论a.采用全站仪、钢卷尺、激光测距仪、T S-2 0 0 8 E焊缝探伤仪、高精度漆膜厚度检测仪等多种检测侧手段和技术,对北方某钢厂进行详细勘测,包括地基基础、上部承重结构和围护结构等,充分掌握了该钢厂的结构现状。b.根据测量结果,对主体结构重新进行建模分析,结果表明该建筑主体结构部分构件承载力能够满足规范要求。在此基础上,依据相关规范和给出了该结构安全性评定等级。c.结合结构特点,分别针对结构的梁、柱、钢屋架等构件进行了加固方案的优选,为类似建筑结构安全性鉴定及加固提供了技术参考。参考文献1 G B/T5 0 3 4 42 0 1 9,建筑结构检测技术标准S.2 G B5 5 0 0 32 0 2 1,建筑与市政地基基础通用规范S.3 G B5 5 0 0 62 0 2 1,钢结构通用规范S.4 G B5 5 0 2 12 0 2 1,既有建筑鉴定与加固通用规范S.5 张德智,何定宇.北方某剧院结构安全性鉴定评估及加固处理建议J.低温建筑技术,2 0 2 2,4 4(2):1 2 3-1 2 7.6 郭溪龙.某既有钢结构厂房质量缺陷及加固方法探讨J.大众标准化,2 0 2 1(2 3):1 4-1 7.7 陈庚俊.某宴会厅大跨度钢屋架加固设计与施工J.广东土木与建筑,2 0 2 0,2 7(6):2 2-2 5.8 许凯龙.结构加固与修复技术-钢加固综述J.居业,2 0 2 1(7):7 9-8 1.811建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期