国内某矿山边坡稳定性与锚固支护治理对策研究-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
国内某矿山边坡稳定性与锚固支护治理对策研究
2019-02-20
以国内某矿业公司铜钼矿边坡为例,应用极限平衡法,分析锚杆水平间距以及锚固段 长度对边坡安全系数的影响的变化规律,在此基础上,提出一种优化加固治理边坡的新途径。结果 表明:在锚杆长度一定时,随着边坡间距的减小,其安全系数变化逐渐提高,最终趋向于稳定,锚杆 间距对边坡稳定性影响存在边界效应;在相同锚固段长度下,边坡加固效果随着锚杆长度增加而提 高,但存在上限。内锚固长度系数为0. 5 时,锚杆效果锚固效果最优;在现状条件下,边坡安全系数 低于规范值,边坡处于极限平衡状态;采用锚杆框架梁处理之后,边坡处于稳定状态,治理边坡效果 显著。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 国内某矿山边坡稳定性与锚固支护治理对策研究 1 2 2 卢敬标 ꢀ 张海涛 ꢀ 王晓东 ( 1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2. 中国黄金集团内蒙古矿业有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 以国内某矿业公司铜钼矿边坡为例,应用极限平衡法,分析锚杆水平间距以及锚固段 长度对边坡安全系数的影响的变化规律,在此基础上,提出一种优化加固治理边坡的新途径。 结果 表明:在锚杆长度一定时,随着边坡间距的减小,其安全系数变化逐渐提高,最终趋向于稳定,锚杆 间距对边坡稳定性影响存在边界效应;在相同锚固段长度下,边坡加固效果随着锚杆长度增加而提 高,但存在上限。 内锚固长度系数为 0. 5 时,锚杆效果锚固效果最优;在现状条件下,边坡安全系数 低于规范值,边坡处于极限平衡状态;采用锚杆框架梁处理之后,边坡处于稳定状态,治理边坡效果 显著。 关键词ꢀ 安全系数ꢀ 间距ꢀ 稳定性ꢀ 边坡支护 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 021 ꢀ ꢀ 滑坡是自然界中主要的地质灾害之一,给人类 生命财产造成频繁而巨大的损失。 人类的生产活动 如矿山开挖、筑路、建坝等加剧滑坡的发生。 经过一 个多世纪的努力,人们已逐渐摸清了滑坡的规律,了 解了边坡破坏机理并建立了一整套边坡稳定性分析 [ 1] 方法 。 露天采矿产生的高陡边坡规模是其他工程领域 内所罕见的。 由于露天采矿场地无选择性,特别是 在矿产资源日益减少的当代,露天矿边坡地质条件 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,和其他领域工程相比较,露天矿边坡又 是服务年限较短的边坡,各种因素制约着采场边坡 的稳定性。 所有这些要求对露天采场边坡的工程地 质、水文地质条件、岩体力学强度的充分掌握,对边 坡稳定性分析方法要特别考究,尽量排除非精确因 素,做出对边坡稳定性最客观的评价,并且尽量提高 图 1ꢀ Bishop 法计算原理 T 为上条块推力的垂直分量;W 为条块重力;Kc 为 条块水平地震力;N 为条底有效正应力合力;T0 为 条底滑面剪切力;U 为条底水压力合力;P 为下条块 的反作用力。 各条块间作用 Xi 是未知的,通过迭代可求出满 足每一条块力平衡条件的安全系数 Fs 。 精确的 Bishop 法计算比较复杂,为此,Bishop 提出了假定 Xi = 0 简化法。 研究表明,简化 Bishop 法与精确计算 [ 2] 边坡角 ,为矿山减少成本,增加效益。 方法的计算成果很接近。 因此简化 Bishop 法是计 算圆弧型破坏最常用的方法,计算精度也较高。 1 ꢀ 简化 Bishop 法计算原理 Bishop 法是圆弧形滑动面的普遍使用的稳定性 2 ꢀ 结构面参数反演分析 针对国内某矿山滑塌区域,在平面图上设置 1 计算方法,且满足所有条块力的平衡条件,其力学机 理如图 1 所示。 条主剖面 1-1,选取 1-1 剖面模型进行结构面强度参 数反演计算分析,边坡结构面倾角为 45°,边坡角度 为 57°,段高为 30 m,由于该剖面边坡目前极限平衡 状态, 因 此 确 定 其 边 坡 稳 定 性 安 全 系 数 0. 95 < Fs <1. 05 作为其反演判断依据,其计算结果如表 1。 该条块受力如下:E 为上条块推力的水平分量; ꢀ ꢀ 卢敬标(1979—),男,工程师,硕士,243000 安徽省马鞍山市经 济技术开发区西塘路 666 号。 9 5 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 表 1ꢀ 反演强度参数计算 强度参数 剖面名称 F s 反演计算结果 C / kPa 25 ϕ/ (°) 1 -1 剖面 0. 953 20 3 ꢀ 锚杆水平间距、锚固段长度与安全系数变 化关系 ꢀ ꢀ (1)锚杆水平间距安全系数变化关系。 为研究 图 3ꢀ 锚固段长度与边坡安全系数变化 锚杆的锚固间距对边坡稳定性影响,采用图 2 中的 边坡模型以及反演的边坡强度参数,长度为 16 m, 自下而 上 依 次 为 第 一 至 第 六 排, 水 平 间 距 为 1 ● —4 m; ▲ —6 m; ▼ —8 m; ◆ —10 m; —18 m ◀ —12 m; ▶ —14 m; × —16 m; ■ 0 ~ 5 m 变化时,锚杆长度增加,对安全系数的提高 ~ 5 m,单根锚杆的锚固力为 250 kN,采用极限平衡 敏感性显著增强,总体呈线形关系,这是由于锚杆长 度较短时,增加锚杆锚固段有效长度,其抗力会不断 增加,抵抗边坡下滑力作用效果明显,直至其锚杆体 抗拉强度高于水泥砂浆与岩体界面剪应力超过黏结 极限强度时,此时锚杆提供的锚固力已不能由水泥 砂浆与岩体面黏结力提供,而是取决于锚杆钢筋自 身强度,这种情况下继续增加锚杆长度已无法有效 提高边坡安全系数。 为了进一步提高安全系数,可 采取的方法为钢筋(锚杆体)的屈服强度。 法分析边坡水平间距不断发生变化时其安全系数变 化趋势(见图 2),从而为边坡加固治理优化提供理 论依据。 为研究边坡内锚固段长度与安全系数之间关系 曲线变化图,定位内锚固段长度系数 k 为锚固段长 度 l2 与杆体总长度 l 之比,即 k =l2 / l,图 4 为不同锚 固段长度下安全系数曲线。 从图中可知,安全系数 Fs 随着 k 值的增大先增大,然后趋于一个固定的 值,在曲线上升阶段,随着锚杆长度的增加,相同的 图 2ꢀ 锚杆水平间距与安全系数变化趋势 从图 2 可以看出,在锚杆长度一定时,随着边坡 间距的减小,其安全系数变化逐渐提高,最终趋向于 稳定,即锚杆间距对边坡稳定性影响存在边界效应。 在 1,2 m 时,边坡安全系数分别达到 1. 637,1. 329, [ 6] k 值增量所引起的安全系数的增幅是逐渐提高 , [ 3] 边坡稳定性显著增强 ,边坡安全储备充足,但跌 落较明显,考虑边坡加固的经济合理性,故 1、2 m 间 距过于 保 守; 间 距 为 3 m 时, 边 坡 安 全 系 数 为 即敏感性提高,如锚杆长度为 6 m 时,k 从 0. 17 增 加到 0. 33,安全系数仅提高了 0. 016,而锚杆长度为 1 4 m 时,k 从 0. 14 增加到 0. 21,安全系数提高了 . 030,即锚固力由锚固段决定时,锚杆越长,对增加 1 . 227,与边坡允许安全系数较接近,其经济合理性 0 较好,在 4,5 m 时,边坡安全系数逐渐降低,但变化 [ 7] 边坡安全系数的作用越明显 。 [ 4] 幅度较小,群锚效应明显降低 ,安全储备不足,故 在岩体边坡加固治理时,建议 3 m 间距较为合理。 ( 2)锚固段长度与安全系数的关系。 为研究锚 杆的锚固长度对边坡稳定性影响,同样采用图 2 中 的边坡模型以及反演的边坡强度参数,长度一样,自 下而上依次为第一至第六排,长度从 12 ~ 16 m 变 [ 5] 化,锚固段长度则根据锚杆总长度 ,间隔 1 m 变 化,单根锚杆的锚固力为 250 kN,采用极限平衡法 分析内蒙古矿业乌山边坡锚固段长度不断发生变化 时其安全系数变化趋势(见图 3)。 图 4ꢀ 内锚固段长度与边坡安全系数变化曲线 ● —4 m; ▲ —6 m; ▼ —8 m; ◆ —10 m; —18 m ◀ —12 m; ▶ —14 m; × —16 m; ■ 在图 3 中,同一锚固段长度下,锚杆长度同安全 系数之间呈正相关关系,但锚杆长度对增加边坡安 全系数的提高作用是有边界的,如在锚固段长度为 4ꢀ 应用实例 图 5 为国内某矿业公司铜钼矿一边坡现状图, 其矿床属于受火山机构控制的陆相次火山斑岩型铜 9 6 ꢀ ꢀ 卢敬标ꢀ 张海涛等:国内某矿山边坡稳定性与锚固支护治理对策研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 钼矿床,为特大型斑岩型铜钼矿床。 整体为一长环 形,长轴长 2 600 m,短轴宽 1 350 m,走向 50°左右, 总体倾向北西。 倾角从东向西由 85°渐变成 75°,南 北两个转折端处均内倾,倾角 60°,北矿段环形中部 有宽达 900m 左右的无矿核部,南矿段环形中部无 矿核部宽 150 ~ 850 m。 边坡角 57° ~ 65°不等,段高 ꢀ ꢀ 对 1-1 剖面区域按照现状及设计境界进行边坡 安全稳定性计算,安全系数在荷载组合Ⅰ、荷载组合 Ⅲ下边坡安全系数分别为 1. 030 和 0. 953,边坡处 [ 9] 于临界极限平衡状态 ,达不到边坡允许安全系数 值,需要对其进行加固处理。 4. 4ꢀ 加固治理设计 1 5 ~ 30 m 不等,边坡岩性为黑云母花岗岩,边坡各 平台存在沉降、裂缝(见图 6),平台裂缝长度 30 ~ 0 m 不等,沉降深度约 5 ~ 2 000 mm,边坡局部地区 出现失稳。 根据以上综合分析研究、现场踏勘,针对该滑坡 体进行加固治理设计,采用锚杆框架梁结构体系,对 [ 10] 6 国内某矿山边坡滑坡体进行加固治理 。 (1)清坡。 对加固治理区域松散石进行清理, 坡面浮石清理工作应采取自上而下、分区跳段的方 式进行,任何部位均不得采用自下而上的清坡方式。 强风化层挖除可采用人工或由矿方配合机械进行清 理,坡面破碎松动岩体可采用人工或机械撬挖,不得 [ 8] 使用爆破方法开挖 。 ( 2) 锚杆。 依据第 5、6 节理论研究结果,建议 图 5ꢀ 1-1 剖面边坡现状 锚杆间距为 3 m,长度为 12 ~ 16 m 不等,锚杆采用 2 根 ϕ28 mm 的钢筋,锚杆单根设计锚固力为 250 kN, 采用全长黏结性锚杆,钻孔孔径 90 mm,布置图及计 算结果如图 7、图 8 和表 4 所示。 图 6ꢀ 边坡平台裂缝 4 4 . 1ꢀ 计算参数的选取 计算参数的选取如表 2 所示。 表 2ꢀ 边坡岩体力学参数 岩体名称 黑云母花岗岩 结构面参数 黏聚力/ kPa 内摩擦角 ϕ/ (°) 400 25 37 20 图 7ꢀ 边坡坡面锚杆布置 . 2ꢀ 允许安全系数的确定 允许安全系数是评价边坡稳定性的一项重要指 标,如何确定一个既能保证工程安全,又在经济上合 理的允许安全系数,需通过理论分析、计算和工程经 验判断,同时要求满足相关规范要求,依据并参照 图 8ꢀ 边坡加固治理之后稳定性计算结果 (简化 Bishop 法) 表 4ꢀ 加固处理之后 1-1 坡面稳定性计算结果 《 非煤露天矿边坡技术规程》,基于该区域的重要 计算工况 荷载组合Ⅰ 荷载组合Ⅲ F s 剩余下滑力/ (kN/ m) 性,根据该处边坡安全等级,考虑到不同的荷载组 合,确定加固区边坡允许安全系数[Fs ]允 = 1. 20 ~ 1. 269 1. 205 0 0 1 . 25。 ꢀ ꢀ 对 1-1 剖面区域按照现状及设计境界进行边坡 安全稳定性计算,安全系数在荷载组合Ⅰ、荷载组合 下边坡安全系数分别为 1. 269 和 1. 205,达到边 4 . 3ꢀ 现状边坡稳定性计算结果 剖面边坡稳定性分析结果见表 3 所示。 表 3ꢀ 1-1 剖面边坡稳定性分析结果 Ⅲ 坡允许安全系数值边坡处于稳定状态,安全储备较 充足。 计算工况 荷载组合Ⅰ 荷载组合Ⅲ F s 剩余下滑力/ (kN/ m) 1. 030 0. 953 712. 9 677. 3 (3)横、竖梁。 为了增加加固边坡的整体性,使 9 7 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 坡面受力均匀,同时达到长锚杆共同受力的目的,设 置纵横连续梁,竖梁水平间距为 3 m,横梁排距根据 锚杆、锚索排距而定( 暂定 4. 5 m)。 横竖梁采用 C30 现浇混凝土,框架梁平面示意图如图 9 所示。 ꢀ ꢀ (4)边坡通过采取锚杆、框架梁、排水等综合措 施处理后,达到规范允许安全系数要求,边坡处于稳 定状态,治理效果较显著。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ 1]ꢀ 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[ M]. 郑州:黄河水利出版 社,1998. 2]ꢀ 阎宗岭. 堆石体物理力学特性及其工程应用研究[D]. 重庆: 重庆大学,2003. 3]ꢀ 赵尚毅,郑颖人,张玉芳. 有限元强度折减法中边坡失稳的判 据探讨[J]. 岩土力学,2005,26(2):332-336. 4]ꢀ 郑颖人,陈祖煜,王恭先,等. 边坡与滑坡工程治理[M]. 北京: 人民交通出版社,2007. 图 9ꢀ 坡面框架梁布置(单位:m) ( 4)排水系统。 可在滑坡区域周边范围内设置 台阶排水沟,周边截水沟等,坡面可根据地下水情况 设置适当数量的疏水孔,长度为 15 m。 [5]ꢀ 连镇营,韩国城,孔宪京. 强度折减有限元法研究开挖边破的 稳定性[J]. 岩土工程学报,2001,23(4):407-411. [ [ [ [ [ 6]ꢀ 郑颖人,赵尚毅. 边(滑)坡工程设计中安全系数的讨论[J]. 岩 石力学与工程学报,2006,25(9):1937-1940. 5 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)在现状条件下,边坡安全系数处于极限平 7]ꢀ 王光进. 超高台阶排土场散体介质力学特性及边坡稳定性研 究[D]. 重庆:重庆大学,2011. 衡状态,边坡安全系数低于规范允许值 ,其破坏模 式以平面滑动为主。 8]ꢀ 宋二祥. 土工结构安全系数的有限元计算[J]. 岩土工程学报, ( 2)在锚杆长度一定时,随着边坡间距的减小, 1 997,19(2):1-7. 其安全系数变化逐渐提高,最终趋向于稳定,即锚杆 间距对边坡稳定性影响存在边界效应。 9]ꢀ 郑颖人,赵尚毅. 岩土工程极限分析有限元法及其应用[J]. 土 木工程学报,2005,38(1):91-98. ( 3)在相同锚固段长度下,边坡加固效果随着 10]ꢀ 郑颖人,赵尚毅. 边(滑)坡工程设计中安全系数的讨论[J]. 岩石力学与工程学报,2006,25(9):1939-1940. 锚杆长度增加而提高,但存在上限,内锚固长度系数 为 0. 5 时,锚杆效果锚固效果最优。 (收稿日期 2018-07-12ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) ꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁ · 记者在线· 中国五矿:2019 年全球矿业需求总体将维持高位 ꢀ ꢀ 中国五矿集团有限公司日前分析了行业发展趋 据他介绍,瞄准“打造世界一流的金属矿产企 业集团”的目标,2019 年五矿要继续坚持既有战略 引领,做好加强绿色矿山运营开发、深度融入对外开 放大格局、重点推广科技成果转化应用等方面的工 作。 势,认为今年全球矿业需求总体将维持在高位,主要 品种供给略小于需求,但受到经济不确定性增大的 影响,矿业产品价格阶段性波动调整力度加大,重点 品种走势将出现分化。 这是记者在这家国内最大的金属矿产企业集团 日前举行的年度工作会上了解到的信息。 事实上,近年来中国五矿不断聚焦金属矿业等 核心主业,特别是抓住与全球最大的冶金建设运营 服务商中冶集团重组整合的机遇,不断做强全产业 链业务组合,使企业发展动力更足、韧性更强。 据了解,中国五矿金属矿产资源储量丰富,目前 铜、锌、镍等资源量进入世界第一梯队,钨、锑、铋资 源量位居全球第一;2018 年五矿依托“资源+贸易” 协同发力,大幅提升矿产品业务规模,全年铜精矿贸 易量历史性突破 100 万 t。 中国五矿总经理国文清在会上重点分析了钢铁 行业市场前景。 他表示,中国钢铁行业已进入深度 调整的关键时期,行业集中度将进一步提升,产能置 换、绿色化、智能化和“走出去”需求迫切。 “全球钢 铁产业布局结构与发展的不平衡在带来巨大市场机 遇的同时,对技术创新、运营模式、服务模式也提出 了更新、更高的要求。” 9 8
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号