云南某露天矿山边坡稳定性影响因素敏感性分析.pdf

第 卷第期有色金属(矿山部分)年月 d o i:/j i s s n 云南某露天矿山边坡稳定性影响因素敏感性分析陈明清,陈俊智,李弘博,王昊,王子航(昆明理工大学 国土资源工程学院,昆明 )摘要:边坡稳定性对于露天矿山工程十分重要.为深入研究云南某矿山边坡稳定性影响因素敏感性,根据现场勘探、岩石力学室内试验等工作准确地确定出了对该矿山边坡稳定性影响最大的四个因素,然后通过正交试验设计试验组,而后基于强度折减法计算边坡安全系数,最终先后运用极差分析法以及方差分析法对试验结果进行了对比分析以及验证,充分保证了分析的全面性和准确性.最终结果表明:四种因素均对该矿山边坡具有显著影响,该矿山边坡稳定性影响因素敏感性由大到小的排序为黏聚力水平地震加速度内摩擦角最终边坡角;极差分析与方差分析所得敏感性大小顺序一致,可做相互校核;本研究可为相似露天矿山边坡设计、加固工作提供一定的参考依据.关键词:矿山边坡;敏感性;正交设计;极差分析;方差分析中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()S e n s i t i v i t ya n a l y s i so f i n f l u e n c i n gf a c t o r so f s l o p e s t a b i l i t y i na no p e n p i tm i n eCHE N M i n g q i n g,CHE NJ u n z h i,L IH o n g b o,WANG H a o,WANGZ i h a n g(F a c u l t yo fL a n dR e s o u r c e sE n g i n e e r i n g,K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,K u n m i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:S l o p es t a b i l i t y i sv e r y i m p o r t a n t f o ro p e n p i tm i n e e n g i n e e r i n g I no r d e r t o f u r t h e r s t u d y t h e s e n s i t i v i t yo f t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so f s l o p e s t a b i l i t y i nam i n e i nY u n n a n,t h i sp a p e r a c c u r a t e l yd e t e r m i n e s t h e f o u r f a c t o r s t h a th a v e t h eg r e a t e s t i m p a c to nt h es l o p es t a b i l i t yo ft h em i n ea c c o r d i n gt ot h ef i e l de x p l o r a t i o na n dr o c k m e c h a n i c sl a b o r a t o r yt e s t s T h e n,t h e t e s tg r o u p i sd e s i g n e db ya no r t h o g o n a l t e s t,a n dt h e nt h e s l o p e s a f e t y f a c t o r i s c a l c u l a t e db a s e do nt h es t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d F i n a l l y,t h e r a n g ea n a l y s i sm e t h o da n dv a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o da r eu s e dt oc o m p a r ea n dv e r i f yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s,w h i c hf u l l yg u a r a n t e e st h ec o m p r e h e n s i v e n e s sa n da c c u r a c yo ft h ea n a l y s i s T h ef i n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef o u rf a c t o r sh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es l o p eo ft h e m i n e T h es e n s i t i v i t yo f t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h es l o p es t a b i l i t yo f t h em i n ef r o ml a r g et os m a l l i sc o h e s i o n h o r i z o n t a ls e i s m i ca c c e l e r a t i o ni n t e r n a l f r i c t i o na n g l ef i n a l s l o p ea n g l e;T h eo r d e ro f s e n s i t i v i t yo b t a i n e db yr a n g ea n a l y s i sa n dv a r i a n c ea n a l y s i s i sc o n s i s t e n t,w h i c hc a nb ec h e c k e dm u t u a l l y T h i ss t u d yc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dr e i n f o r c e m e n to f s i m i l a ro p e n p i tm i n es l o p e s K e yw o r d s:m i n es l o p e;s e n s i t i v i t y;o r t h o g o n a l d e s i g n;r a n g ea n a l y s i s;v a r i a n c ea n a l y s i s收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(U )作者简介:陈明清(),男,硕士研究生,主要从事岩石力学方面的研究,E m a i l:c m q c o m.通信作者:陈俊智(),副教授,博士,主要从事岩石力学、矿山安全以及矿山信息化的研究,E m a i l:q q c o m.对于露天矿山而言,边坡稳定与否关乎着矿山的安全与否,因此对于边坡稳定性的研究一直是十分重要的一个课题.众所周知,露天矿山边坡的设计、加固需要充分了解该矿山的工程地质条件、水文地质条件、岩体力学试验数据等,因此对于矿山边坡进行敏感性因素分析对于边坡设计、加固有着举足轻重的作用.近年来,不少的学者通过正交设计法、灰色关联分析法、联合分析法等来研究边坡影响因子敏感性.例如,胡接枝利用正交试验以及极差分析法研究边坡高度、黏聚力、内摩擦角、边坡角、容重对知不拉铜矿露天边坡的稳定性的影响,最终得出边坡高度对边坡稳定性影响最大.侯超群等利用正交试验以及极差分析法对抗滑桩加固的边坡进行了稳定性因素敏感性分析,研究表明内摩擦角、黏聚力以及边坡倾角对边坡稳定性影响最大.赵永虎等基于灰色关联分析理论对兰州地区的黄土边坡有色金属(矿山部分)第 卷进行因素敏感性分析,从关联度的角度表明岩体黏聚力和内摩擦角对边坡稳定性影响最大,其次是重度以及地震作用.尹吉娜等运用灰色关联分析对中心角、孔压系数等因素进行了边坡敏感性分析,其研究结果表明中心角的敏感性大于孔压系数.苏永华等将均匀试验法与灰色关联分析法相结合,研究了某路基边坡的影响因素敏感性,最终得出填料的物理力学参数以及几何参数对半填半挖路基变形均比较敏感.刘飞等将B P神经网络和均匀设计相结合对边坡进行敏感性分析,该方法使得试验点更均匀,更具有代表性,其研究结果表明重度、内摩擦角以及黏聚力对边坡稳定性影响更大.褚志成等通过灰色关联分析法对多年冻土边坡的稳定性影响因素进行了敏感性分析,最后得出土体黏聚力对冻土边坡稳定性影响最大.殷博等利用正交试验和极差分析法研究软弱夹层的参数对岩质边坡稳定性的影响,研究结果表明软弱夹层的内摩擦角的敏感性最大,其次是软弱夹层的倾角.综上所述,多数的研究都是采用一种分析方法进行边坡敏感性研究,这难免会有一些局限性,同时最终结果的正确性也未得到其他方法的验证.鉴于此,本文在现场勘探、室内岩石力学试验等基础之上,先后运用极差分析法以及方差分析法对云南省某露天矿山边坡进行敏感性分析,先通过极差分析法确定影响因素敏感性大小,并通过绘制影响因素与边坡安全系数的关系图来直观分析它们之间的规律,最后通过方差分析法进行因素显著性分析,对因素的显著性进行定量估计的同时还验证了极差分析法结果.这样充分利用了两种方法的优点,同时还能互相验证,保证了敏感性分析结果的正确性,为该矿山边坡参数设计以及边坡稳定性评价提供了一定的参考依据.工程背景及影响因素确定该矿山位于云南省昭通市,矿区附近主要构造不发育.矿区总体为一走向北东南西,倾向南东的单斜构造,岩层产状 .矿区地质构造复杂程度为简单类型.同时该地区地震活动频繁,每次地震均具有强度大、灾害重等特点,因此在分析该矿山边坡稳定性时应考虑地震作用的影响.一些学者 提出边坡的几何形状、边坡体抗 剪 强 度 指 标 对 边 坡 稳 定 性 具 有 较 大 影 响,同时 结 合 现 场 勘 探,室 内 岩 石 力 学 试 验 以 及 采 矿工艺等实际情况(如图所示),确定出对该图现场图片F i g L i v ep i c t u r e图试样图F i g S a m p l ed r a w i n g图单轴试验过程图F i g P r o c e s sd i a g r a mo f t h eu n i a x i a l e x p e r i m e n t第期陈明清等:云南某露天矿山边坡稳定性影响因素敏感性分析矿山边坡稳定性影响较大的四个因素,分别是内摩擦角、黏 聚力、最终边 坡角以及 地 震 作 用.由于边坡不同区域的岩体力学参数有所不同,根据现场的地质情 况以及室 内试验结果 确定出该 矿山的岩体力学参数范围,再根据典型剖面以及地震设防烈度确定 最终边坡角 以及水平地 震加 速度的范围,最后根据范围划分出因素水平表,如表所示.表因素水平表T a b l eF a c t o r l e v e l t a b l e水平因素水平地震加速度/(ms)最终边坡角/()黏聚力/MP a内摩擦角/()g g g g g 注:g为重力加速度,下同.研究方法 强度折减法强度 折 减 法 常 常 应 用 于 边 坡 稳 定 性 的 研究 .强度折减法 是指令边坡刚好达到临界破坏时,对岩土体的抗剪强度进行折减的程度,定义安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减抗剪强度的比值.公式表达如式()、()所示:cFcFs()Ft a n t a nFs()式中:c、cF分别为折减前后的黏聚力;、F分别为折减前后的内摩擦角;Fs为折减系数,当边坡达到临界破坏状态时的折减系数为安全系数.极差分析法 极差分析是通过计算各因素在不同因素水平下所得试验值的平均数,然后计算最大平均数与最小平均数的差值即为极差,并可通过极差判断出各因素影响程度大小.极差分析法不仅直观形象,还简单易懂.方差分析法 一般来说,各个因素对试验结果的影响是不一样的,而不同因素的不同水平对试验结果的影响也有可能是不同的.将数据分成多组,在同一组的数据看成是有同一来源,方差分析就是根据这些分组来进行分析,检验在一定假设条件下各组的均值是否相等,从而判断各因素的各水平对试验结果的影响是否显著,最终得出对试验结果影响由大到小的因素.正交设计 正交设计可以通过巧妙地安排试验来大大降低试验的次数,同时还能达到较好的试验效果.根据因素水平表,通过S P S S软件设计因素水平的正交试验表,即为正交表L (),如表所示.表正交试验表T a b l eO r t h o g o n a l t e s t t a b l e实验号水平地震加速度/(ms)最终边坡角/()黏聚力/MP a内摩擦角/()g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g 数值模型构建及固定参数选择 模型构建边坡模型选择该矿山具有代表性的边坡剖面,通过导入R h i n o软件中建立边坡模型,并通过该软件对网格进行划分(对坡面部分进行了加密处理以保证结果的可靠性),最后导入F L A C D软件中,模型如图所示.有色金属(矿山部分)第 卷图边坡模型图F i g S l o p em o d e l d i a g r a m 边界条件对模型底部x、y、z方向的速度进行固定,模型左侧以及右侧x方向的速度进行固定,对整个模型y方向的速度进行固定.固定参数选取岩石力学参数中除了内摩擦角以及黏聚力外,其余参数固定不变.固定参数的取值是根据对该矿山岩石进行室内岩石力学试验后进行合理确定,具体取值如表所示.表固定参数表T a b l eF i x e dp a r a m e t e r t a b l e参数弹性模量/G P a泊松比抗拉强度/MP a剪切模量/G P a体积模量/G P a数值 基本假设)假设该露天矿山边坡为各向均质同性的弹塑性材料.)不考虑地下水的影响.)地震加速度只考虑水平地震加速度峰值.试验结果及分析 数值模拟结果展示本文通过F L A C D软件来对该矿山边坡进行安全系数的计算,计算方法运用强度折减法.由于篇幅有限,仅展示部分计算结果图,如图所示,图的右上角代表正交设计表中的试验分组.图部分数值模拟结果图F i g P a r t o f t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s 正交试验表计算将正交设计所形成的试验表进行计算,最终得出 组试验的安全系数值,如表所示.第期陈明清等:云南某露天矿山边坡稳定性影响因素敏感性分析表安全系数计算表T a b l eS a f e t y f a c t o rc a l c u l a t i o nt a b l e实验号水平地震加速度/(ms)最终边坡角/()黏聚力/MP a内摩擦角/()安全系数 g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g g 极差分析将表进行极差分析,得到表极差分析表.同时根据极差分析表可绘制出各因素对边坡安全系数的影响曲线,如图所示.表极差分析表T a b l eR a n g ea n a l y s i s t a b l e因素水平地震加速度/(ms)最终边坡角/()黏聚力/MP a内摩擦角/()K K K K K 极差 图受地震影响的安全系数图F i g S a f e t yf a c t o rd i a g r a ma f f e c t e db y t h e e a r t h q u a k e图受最终边坡角影响的安全系数图F i g S a f e t yf a c t o rd i a g r a ma f f e c t e db yf i n a l s l o p ea n g l e有色金属(矿山部分)第 卷图受黏聚力影响的安全系数图F i g S a f e t y f a c t o rd i a g r a ma f f e c t e db yc o h e s i o n图受内摩擦角影响的安全系数图F i g S a f e t y f a c t o rd i a g r a ma f f e c t e db y i n t e r n a l f r i c t i o na n g l e根据表可知,四种因素所得的极差分别为 、,根据极差分析原理,极差越大说明因素的水平改变对安全系数的影响越大,即敏感性越大,因此各因素对该矿山边坡稳定性影响由大到小依次是黏聚力水平地震加速度内摩擦角最终边坡角.根据图可知,边坡安全系数随着水平地震加速度的增大而减小,下降幅度为 ;边坡安全系数随着最终边坡角的增大而减小,下降幅度为 ;边坡安全系数随着黏聚力的增大而增大,增长幅度为 ;边坡安全系数随着内摩擦角的增大而增大,增长幅度为 .根据变化幅度也能大致对敏感性进行排序,即黏聚力水平地震加速度内摩擦角最终边坡角.方差分析利用S P S S软件对表进行方差分析,得到方差分析表,结果如表所示.表修 正 模 型 一 行 中 的 显 著 性 为,小 于 ,说明所用的数学模型具有统计意义.根据方差分析表中的显著性一栏可知,各因素显著性均为,小于 ,说明水平地震加速度、最终边坡角、黏聚力、内摩擦角对该矿山边坡稳定性均具有显著影响.由于显著性一栏均为零,要比较各因素对边坡安全系数的影响大小,需通过S P S S软件中的效应量估算,计算出各因素的偏Et a平方值(偏Et a平方值又称为关联强度,表示因变量被自变量解释的百分比),根据偏Et a平方值的大小可知,对该矿山边坡安全系数影响由大到小的因素依次为黏聚力、水平地震加速度、内摩擦角、最终边坡角.表方差分析表T a b l eV a r i a n c ea n a l y s i s t a b l e来源偏差平方和自由度均方F显著性偏Et a平方修正模型 a 截距 水平地震加速度/(ms)最终边坡角/()黏聚力/MP a 内摩擦角/()误差 总计 修正后总计 结果对比极差分析与方差分析得出的敏感性排序一致,均为黏聚力水平地震加速度内摩擦角最终边坡角,说明两种方法可以相互验证.但是从结果上看,极差分析法能更加直观地看到各因素水平的变化对边坡安全系数的影响(成何种变化趋势),但是无法判断出各因素是否显著,同时也并未考虑试验误差,因此需要方差分析来补足以上的缺点.第期陈明清等:云南某露天矿山边坡稳定性影响因素敏感性分析 结论)该矿山边坡稳定性影响因素敏感性由大到小依次为黏聚力水平地震加速度内摩擦角最终边坡角.针对该矿山而言,应重视岩石力学室内试验,力求其准确性,进而保证边坡安全系数的正确性,从而更好的对矿山边坡进行设计.同时还需要注意地震对矿山边坡的影响.)边坡的安全系数大小与最终边坡角、水平地震加速度呈负相关的关系,与黏聚力、内摩擦角呈正相关的关系.)方差分析与极差分析得出各因素的敏感性顺序一致,可做相互验证.两种方法各有优劣,极差分析法可以更加直观地显现各因素对边坡安全系数的影响,但是无法对因素的显著性做出定量的估计,因此还需要方差分析进行互补.参考文献胡接枝知不拉铜矿露天边坡稳定性影响因素敏感性分析J中国安全生产科学技术,(增刊):HUJ i e z h i S e n s i t i v i t ya n a l y s i s o f i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f o p e n p i ts l o p es t a b i l i t yi n Z h i b u l a c o p p e r m i n eJC h i n a S a f e t yP r o d u c t i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,(S u p p l ):侯超群,丁莹,孙志彬,等抗滑桩加固边坡三维稳定因素的敏感性分析J合肥工业大学学报(自然科学版),():HOU C h a o q u n,D I N G Y i n g,S UN Z h i b i n,e ta l S e n s i t i v i t ya n a l y s i so f t h r e e d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y f a c t o r s o f s l o p e r e i n f o r c e db ya n t i s l i d ep i l e sJ J o u r n a lo fH e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():赵永虎,刘高,毛举,等基于灰色关联度的黄土边坡稳定性因素敏感性分析J长江科学院院报,():Z HA OY o n g h u,L I U G a o,MA OJ u,e ta l S e n s i t i v i t ya n a l y s i so fl o e s s s l o p e s t a b i l i t y f a c t o r s b a s e d o n g r e y c o r r e l a t i o nd e g r e eJ J o u r n a lo f Y a n g t z e R i v e r A c a d e m yo fS c i e n c e s,():尹吉娜,杨杰,任杰,等基于灰色关联分析的边坡稳定影响因素敏感性评估J合肥工业大学学报(自然科学版),():Y I NJ i n a,YAN GJ i e,R E NJ i e,e ta l S e n s i t i v i t ye v a l u a t i o no fs l o p es t a b i l i t yi n f l u e n c i n gf a c t o r s b a s e d o n g r e y r e l a t i o n a la n a l y s i sJ J o u r n a l o f H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():苏永华,罗正东,李翔基于均匀试验的半填半挖路基边坡稳定性灰色关联分析法J岩土力学,():S U Y o n g h u a,L UO Z h e n g d o n g,L I X i a n g G r e yc o r r e l a t i o na n a l y s i s m e t h o df o rs l o p es t a b i l i t y o fh a l f f i l l e d a n d h a l f e x c a v a t e ds u b g r a d eb a s e do nu n i f o r m t e s tJ G e o t e c h n i c a lM e c h a n i c s,():刘飞,胡斌,宋丹,等基于B P神经网络和均匀设计的边坡敏感性分析J水电能源科学,():,L I UF e i,HU B i n,S ON G D a n,e ta l S l o p es e n s i t i v i t ya n a l y s i sb a s e d o n B P n e u r a l n e t w o r k a n d u n i f o r m d e s i g nJH y d r o e l e c t r i cE n e r g yS c i e n c e,():,褚志成,陈鹏辉,雷胜友,等多年冻土边坡稳定性影响因素敏感性分析J河南理工大学学报(自然科学版),():C HU Z h i c h e n g,C HE N P e n g h u i,L E I S h e n g y o u,e t a l S e n s i t i v i t ya n a l y s i so fi n f l u e n c ef a c t o r so np e r m a f r o s ts l o p es t a b i l i t yJ J o u r n a lo f H e n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():殷博,朱爱军,刘鹏程,等含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡稳定敏感性分析J建筑科学,():Y I NB o,Z HUA i j u n,L I UP e n g c h e n g,e t a l S t a b i l i t ys e n s i t i v i t ya n a l y s i so fg e n t l yi n c l i n e d b e d d i n g r o c k s l o p e w i t h w e a ki n t e r l a y e rJ A r c h i t e c t u r a lS c i e n c e,():冯德润,黄今,孙宇超,等露天矿边坡岩体强度参数影响因子敏感性分析J地下空间与工程学报,(增刊):,F E NG D e r u n,HUAN G J i n,S UN Y u c h a o,e ta l S e n s i t i v i t ya n a l y s i s o f i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f r o c k m a s s s t r e n g t hp a r a m e t e r so fo p e n p i tm i n es l o p eJ U n d e r g r o u n dS p a c ea n dE n g i n e e r i n gJ o u r n a l,(S u p p l ):,徐宏,夏琼,王旭边坡安全系数影响因素敏感性分析J铁道建筑,():XU H o n g,X I A Q i o n g,WAN G X u S e n s i t i v i t y a n a l y s i so fi n f l u e n c i n gf a c t o r so f s l o p es a f e t yf a c t o rJ R a i l w a yB u i l d i n g,():王述红,何坚,杨天娇考虑降 雨入渗的边坡 稳定性数值分析J东北大学学报(自然科学版),():WAN GS h u h o n g,HEJ i a n,YAN GT i a n j i a o N u m e r i c a l a n a l y s i so f s l o p es t a b i l i t yc o n s i d e r i n gr a i n f a l l i n f i l t r a t i o nJ J o u r n a lo fN o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n),():张文莲,孙晓云,陈勇,等基于岩体抗压强度折减的边坡稳定性分析方法J岩土力学,(增刊):Z HAN G W e n l i a n,S UN X i a o y u n,C HE N Y o n g,e ta l S l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s m e t h o d b a s e d o n r o c k m a s sc o m p r e s s i v es t r e n g t h r e d u c t i o nJG e o t e c h n i c a l M e c h a n i c s,(S u p p l ):王伟,陈国庆,朱静,等考虑张拉剪切渐进破坏的边坡强度折减法研究J岩石力学与工程学报,():WAN G W e i,C HE NG u o q i n g,Z HUJ i n g,e ta l S t u d yo ns l o p es t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o dc o n s i d e r i n gt e n s i l e s h e a rp r o g r e s s i v e f a i l u r eJ A c c o r d i n g t o J o u r n a l o fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g,():聂治豹,郑宏,张谭基于强度折减法确定边坡临界滑面的小波变换法J岩土力学,():N I EZ h i b a o,Z HE N G H o n g,Z HAN GT a n W a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o df o rd e t e r m i n i n gc r i t i c a ls l i ps u r f a c eo fs l o p eb a s e do ns t r e n g t hr e d u c t i o n m e t h o dJ G e o m e c h a n i c s,():(下转第 页)第期王贺等:基于三维激光扫描空区精细化稳定性分析 贾会会,郭利召,薛建志基于C A L S数据点云与F L A C D耦合建模采空区稳定性研究J水利与建筑工程学报,():,J I A H u i h u i,GUO L i z h a o,XU EJ i a n z h i S t a b i l i t ya n a l y s i so fg o a fb a s e do nC A L Sd a t ap o i n tc l o u da n dF L A C Dc o u p l e dm o d e l i n gJ J o u r n a lo f W a t e rR e s o u r c e sa n d A r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,():,孟梦北方地区复杂地形下的煤矿采空区地质稳定性建模分析J矿冶,():ME NG M e n g M o d e l i n ga n da n a l y s i so fg e o l o g i c a ls t a b i l i t yo fc o a lm i n eg o a fu n d e r c o m p l e xt e r r a i ni n N o r t h C h i n aDM i n i n ga n dM e t a l l u r g y,():李杰林,高乐,杨承业,等大型复杂采空区群的稳定性数值分析及隐患区域预测J黄金科学技术,():L I J i e l i n,GA O L e,YAN G C h e n g y e,e ta l N u m e r i c a la n a l y s i so fs t a b i l i t yo fl a r g ec o m p l e x g o a fg r o u pa n d p r e d i c t i o n o fh i d d e nd a n g e ra r e aJ G o l dS c i e n c ea n dT e c h n o l o g 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