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非煤矿山岩层控制与边坡稳定
2013-09-17
非煤矿山岩层控制与边坡稳定。
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金属矿床开采与煤矿开采相比,主要特点是:

(1)矿体及围岩坚硬:

(2)矿床赋存条件不稳定,矿体厚度、倾角及形状变化大,这就要求有多种采矿方法;

(3)在矿床中经常有断层、褶皱、穿入矿体中的岩脉、断层破碎带等地质构造,给采矿和探矿工作带来很大困难[1]。这些特点就使金属矿山的岩层控制与煤矿相比具有自身的规律。在金属矿山中通常将矿压称为地压,本章统称为矿压。

第一节 金属矿的采场矿压

金属矿回采过程中,矿压活动与采矿方法密切相关。采用房柱采矿法时,一般表现为顶柱、间柱塌落,进而导致上盘岩石崩落,造成大规模矿压活动;崩落采矿法主要表现在出矿水平巷道(耙巷、近路)的破坏。

一、开采水平矿床时顶板中应力分布的弹性力学解

开采具有稳定围岩及矿石的水平或倾斜矿体时,根据矿体厚度及规模,广泛采用全面法、房柱法。此时,通过限制回采空间暴露面积来维护回采空间的稳定性,凭借岩体自身强度支撑采场空间结构,并根据岩体、结构的具体情况,可配合锚杆、金属网、锚索等辅助支护,提高顶板围岩稳定性。通过合理确定采场的结构参数,使顶板中不出现拉应力,或使出现的拉应力低于顶板岩体的抗拉强度。同时,亦应使顶板与矿柱衔接处压应力、剪应力低于其抗压、抗剪强度。

顶板中出现拉应力与跨度及高度关系表示于表11-1。

                      表11-1 矩形采场顶板中拉应力集中系数Kt

  1/4

  1/2

   1

4

    8

  12

   0

    0.2

   0.3

  0.4

  0.5

   0.6

二、倾斜、急倾斜矿体开采的矿压活动

图11-1是有限元计算得出的倾斜矿床围岩及矿柱中的应力分布,从图中看出:

(1)在回采空间(矿房)下盘上角和上盘下角发生应力集中;

(2)在阶段矿柱中,应力集中发生在上盘存在拉应力区(图11-2a),阶段高度适中上盘的拉应力区消失;

(3)距回采空间附近上、下盘围岩中应力低,为应力降低区;阶段矿柱附近为应力升高区(支承压力区)。

在目前广泛采用的阶段高度条件下(40m~60m),分布于回采空间周围岩体中应力值远低于构成上、下盘岩石强度,因此应是稳定的,但从湘赣地区和辽宁地区矿山所发生的矿压活动看出,采空区周围岩体破坏,主要属于构造控制破坏类型。我国金属矿山当前在有利于采用房式采矿法的围岩条件下,所出现的矿压活动几乎都归因于采空区周围岩体受构造控制破坏。

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图11-1 倾斜矿床的围岩及矿柱中的应力分布

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图11-2 已采空间上盘拉应力区与阶段高度关系

(a) 阶段高度大时,上、下盘应力分布图(虚线范围内为拉应力区)

(b) 阶段高度小时,上下盘应力分布图

三、崩落采矿法的矿压活动

由于崩落采矿法矿石随回采放出,上覆岩层崩落补充原矿石所占据的位置充满采空区,因此崩落采矿法矿压活动有其自身特点。

(一)有底柱崩落采矿法底柱出矿巷道所承受压力

有底柱崩落采矿法的矿石是通过底柱放矿巷道放出。在回采过程中,往往由于底柱承压过大,耙道遭到破坏而影响回采工作正常进行。所以这种采矿方法的矿压控制主要表现在维持底柱出矿巷道(耙道)的稳定性上。

在回采期间,回采工作不同阶段底柱所承受压力是不同的,一般可分为三个阶段:

第一阶段:采场进行切割拉底后(未进行崩矿),此时电耙巷道上部是实体。虽然此时也有压力作用于下部,但因未采动矿石本身对周围岩体有一定的承载能力,故此时底部所承受压力比较小;

第二阶段:采场崩矿之后,受矿巷道上部堆积着崩下的松散矿石,它对围岩的承载能力甚微。因此,此时底柱不仅要承受崩下矿石自重造成的压力,还要承受上覆崩落岩石传递给底柱的压力,比第一阶段承受压力明显增大。

第三阶段:随放矿进行,作用在底柱上的压力降低。这是因为随放矿进行,漏斗上部矿石发生二次松散,在每个放矿漏斗上部形成一个椭球状松动空间。处于松动椭球体内部矿石不再承受上部传递下来的荷载,于其上部形成免压拱。拱上部松散矿石荷载被传递给附近漏斗上部矿石,从而在放矿过程中,处于放矿的漏斗中心压力降低,出现降压带。降压带发生在松散椭球体范围内,距放矿漏斗轴线越近,压力值降低越大。

(二)无底柱分段崩落法进路周围岩体中应力分布

无底柱分段崩落法较有底柱崩落法结构简单,整个回采过程—凿岩、崩矿、出矿都在同一条回采巷道(进路)中完成。

为了维护回采巷道(进路)的稳定性必须了解进路周围岩体中应力分布,以及回采顺序对它的影响,以便采取相应维护措施。

从图11-3看出,在进路两侧矿柱中形成应力升高区,而在巷道顶板上方形成应力降低区。

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图11-3 进路周围岩体中应力分布图

第二节 边坡稳定分析与控制

一、 露天矿边坡工程特点

露天矿边坡是开采矿石后遗留下来的开采边界,从经济开采角度讲,露天矿边坡的角度越大(越陡)开采效益越好,可以少剥离岩石,降低开采成本。但过大的边坡角必然导致边坡滑坡等破坏的风险增大。

见图11-4所示,露天矿边坡是指由露天采场四周的台阶等构成的倾向采场的岩体。露天矿边坡分为工作帮边坡和非工作帮边坡。工作帮边坡是指正在进行采矿或剥岩作业的边坡,如图11-4中的GCD。非工作帮边坡是指由露天矿境界台阶(永久台阶)组成的不进行采矿或剥岩作业的边坡,如图11-4中的FG和BD两部分。非工作帮边坡上有许多台阶,这些台阶是采矿作业和维持边坡稳定所必须的。边坡稳定研究对象是指非工作帮边坡。

随着露天开采的进行,露天矿场必然逐渐延深,最终达到露天矿的设计境界FEAB。FEAB也称露天矿最终境界,FE和BA称为露天矿最终边坡,其边坡角称为露天矿最终边坡角,见图11-4中的

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图11-4 露天矿边坡及构成

露天矿边坡即是露天开采的 边界,同时也是露天开采作业的对象,还担负着提供下部矿石、岩石运输的通道作用,因此与其它岩土边坡相比,具有许多自身特点。

(1)露天矿边坡的形成是一动态开挖过程

露天矿边坡是随着采矿工程的延深而逐渐形成的。在露天矿开采初期,由于边坡高度较小,因此边坡问题并不严重,但对有些矿山,由于岩层赋存条件、岩体结构等原因,即使是较小的边坡也会时常发生一些局部破坏。因此,有些露天矿山自从开采初期就遇到了边坡失稳问题,一直持续在露天开采的整个过程。

(2) 边坡工程地质条件的不可选择性

露天矿边坡是露天矿场的边界,它的形成只能根据矿体赋存条件、相关的国家矿产需求、相关行业的经济水平、开采的技术条件等进行设计和开挖,尤其是边坡的形成位置不具有可选择性,只能是在开采的矿体周围形成,亦即边坡的工程地质条件、水文地质条件、岩层条件等不具有选择性,无法避开不良的工程地质区域,无法从根本上调整边坡的方位。

(3)边坡高大且受到日常爆破震动的影响

露天矿边坡是目前各类人工形成的岩土边坡中高度最大的,走向长达数公里。因而露天矿边坡揭露的岩层多,边坡各部分地质条件差异大,边坡陡立,一般的最终边坡角都在400~500之间,甚至更大,这种高大陡立的岩体边坡,对于下部安全开采形成了一定威胁。同时采矿的日常生产爆破作业、靠帮爆破等也影响到了边坡的稳定。尽管广泛采用微差爆破技术,但对边坡形成的震动影响仍然是巨大的,导致边坡表面岩体进一步破碎,爆破震动诱发边坡滑动、坡面岩石滚落、台阶局部崩塌等。

二、露天矿边坡常见的破坏类型

    (1)台阶下沉                         

(2)滑动

指边坡岩体在自重或其他外部荷载作用下,在较大范围内沿某一平面或曲面整体向下移动的现象。这一平面或曲面称为滑动面,整体向下移动的岩体称为滑体。其破坏机理是由于滑面上的剪力大于抗剪强度所致。一般滑体的生成至整个滑动的时间较长,从数日至数年不等。有些滑动前具有明显的变形特征,有些滑动前则变形量较小,滑动迹象不明显。按滑动面形状又将滑动分为平面滑动、楔体滑动和圆弧滑动等。

平面滑动。当地质结构面的走向平行边坡坡面,倾向和边坡坡面一致,其倾角小于边坡角而大于摩擦角时,边坡岩体易于发生沿结构面的平面滑动。

圆弧滑动。滑动面为圆弧形,当岩土非常软弱(土体),或者边坡岩体的裂隙发育,或者岩体已经破碎(废石堆)时,边坡易于发生圆弧滑动。

楔体滑动。当两个结构面斜交边坡坡面,其交线在边坡坡面出露时,如果此交线的倾角大于结构面的摩擦角而小于边坡角时,则容易发生楔体滑动。坚硬岩体中的露天矿台阶很多是这种形式破坏的。

由于地质条件的复杂性,露天矿边坡的滑动面又常表现为多种滑面的组合。

三、露天矿边坡工程分析的主要内容与程序

(一)影响露天矿边坡稳定的因素

影响露天矿边坡稳定的因素很多,主要有如下因素:

(1)岩体的物理力学性质。如岩石抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、纵波波速、重度、空隙率、透水性、吸水性、抗冻性等。

重度、纵波波速大的岩石,通常有较高的力学强度,有利于边坡稳定。岩石的空隙率大、吸水性强、抗冻性差,则力学性能弱化,不利于边坡稳定。

(2)岩体结构面。大部分岩体边坡破坏都是沿结构面和弱层发生的。规模大的结构面会控制边坡的破坏模式,与坡面同倾向的结构面会形成边坡滑动破坏的滑动面。与边坡反倾向的结构面对边坡稳定影响较小。小规模结构面,常称为节理面(延展长度在数米以内的)会切割岩体,破坏岩体的完整性,宏观上降低岩体强度。当这些节理具有明显不利的优势方位时,它们也可控制边坡的破坏模式。

(3)地下水。地下水、地表水、大气降水对边坡稳定都有明显影响,露天矿边坡等大量滑坡事例都发生在雨季或春季解冻时期,或因排水不利。

水对边坡稳定的影响主要表现为:一是软化岩石,降低其强度,同时增加边坡岩体重度,尤其对于亲水性岩石,如页岩、泥岩等岩石,饱水后,强度急剧下降;二是静水压力的浮托作用降低了岩体的有效抗剪强度;三是地下水的渗透与流动,对边坡体产生不利的渗透压力,同时会带走边坡岩体结构面中的细小颗粒,进一步降低结构面强度。

(4)爆破震动。露天矿日常爆破和靠帮爆破都影响着边坡稳定。目前采用如下经验公式反映爆破震动的影响。

(5)几何形状。露天矿边坡由于受矿体形态、地形地质条件、开采技术条件多方面因素的影响,其几何形状往往是不规则的几何图形。但总体而言,都可以看成由凹形边坡、直线形边坡和凸形边坡所组成,见图11-5。

(二)露天矿边坡工程稳定性分析与评价的程序

露天矿边坡稳定分析与评价的目的就是设计并形成一个使露天矿生产既安全又经济的最佳边坡。进行边坡稳定分析与评价时一般遵从如下程序:

(1)边坡工程地质条件、水文条件与影响边坡稳定因素的调查与分析评价;

(2)边坡岩体及结构面等相关物理力学参数的测试与确定,如抗拉强度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、对水的敏感性等;

(3)根据地质等调查与分析的结果,以及模拟实验结果确定边坡可能的破坏模式;

(4)针对各种可能的破坏模式,选择不同的计算方法进行边坡的稳定性计算,以及各种影响因素的敏感性分析;

(5)根据稳定计算与分析结果,对研究区域的边坡进行综合性的稳定评价;

(6)对局部不稳定边坡给出工程稳定措施以及加固治理等措施,给出边坡维护方案;

(7)给出最佳边坡设计与施工方案。

1. 边坡工程地质工作程序

(1) 区域地质背景;

(2) 矿区地质构造;

(3) 露天矿当前采场边坡工程与水文地质条件;

(4) 露天矿最终采场边坡工程地质与水文地质条件;

(5) 露天矿边坡工程地质分区

2. 边坡岩体强度测试

3. 确定边坡可能的破坏模式

4. 边坡的稳定性计算

5. 加固治理方案与措施

6. 总体边坡稳定评价及最优边坡设计方案

7. 边坡稳定监测方案

四、边坡稳定计算

(一)计算方法分类

理论研究和工程应用中涉及到的各种方法可分为三大类。

(1)极限平衡法

极限平衡法是工程应用的最基本方法,它的基本原理就是分析当滑体处于极限平衡状态时,比较滑体上的抗滑力(矩)与滑动力(矩)的大小,从而确定滑体是否产生滑动,如果抗滑力(矩)大于滑动力(矩),边坡稳定,否则,边坡失稳。该方法不考虑滑体的变形,即将滑体视为刚体,并认为滑体的滑动是由于滑面上实际存在的剪应力大于该面的抗剪强度所致,所以应用莫尔-库仑强度准则。

(2)数值计算法

数值计算法是随着计算机的出现后而产生的,它通常包括有限单元法、有限差分法、边界单元法、离散单元法等。这种方法的实质是将连续的弹性体化为离散的结构体,利用弹性力学原理用数值模拟方法求解边坡体内各点的应力、应变值,判断边坡体内的不稳定区。

(3)概率分析法

概率分析法应用于岩体边坡工程始于20世纪70年代,鉴于决定边坡稳定性的诸因素,如岩性、结构面、岩体强度、地下水位等具有不确定性,故均可视为随机变量,通过现场实测,可以求出它们的分布函数,求出它们在一定区域内出现的概率值。而边坡的稳定性是依这些随机变量分布函数而变化的函数,计算边坡的滑动力(矩)大于抗滑力(矩)的概率值,即边坡的破坏概率,当边坡的破坏概率小于边坡允许的破坏概率时,认为边坡是概率意义上的稳定边坡。这种方法用于边坡维护方案的决策选择及边坡优化设计时是十分有效的。

(二)平面滑动计算

岩体边坡发生平面滑动的条件为:

结构面走向与边坡走向平行或近于平行(两走向相差20º以内);结构面出露在边坡面上,即结构面倾角β小于边坡角α。满足这些条件时,结构面就可能成为平面滑动的滑面,并对滑坡起到控制作用。稳定计算时,认为滑体沿坡肩方向很长,可取单位长度的边坡进行分析。

见图`11-6,边坡内有一贯通的结构面AE,上部有一由于边坡蠕动变形形成的直立拉裂隙CE,深为Z0.由于降雨直立裂隙内填水深度为Zw,然后水从结构面AE的底部流出,设岩体重度为γ。

水压力     

        

滑面长      

滑体ADCE的重量:

         

    

面积 

   

滑体ADCE的重量W为: 

              

抗滑力,由莫尔—库仑强度准则:

滑动力    

稳定系数  

若C、U、V=0,则

          

即K只与β和φ有关,与坡高H无关。

(三)圆弧滑动计算

当边坡岩体为均质或由不规则的密集节理、裂隙切割呈伪均质时,边坡常常表现为圆弧滑动破坏,如均质土坡、露天矿排土场边坡、地下矿的矸石山边坡等,或结构面与边坡面反倾向的岩体边坡等。通常认为滑体沿坡肩方向很长,取一单位长度的边坡研究,所以从断面上看,滑面呈圆弧形。目前常用的计算圆弧滑坡的方法有费勒纽斯和毕绍普(Bishop)法。

1. 费勒纽斯(Fellenius)法

费勒纽斯法,也称瑞典圆弧法。该法适用于圆弧滑面,它首先将滑体分成许多直立的条带(一般为10~20条),并认为条带间没有相互作用力。现假设将滑体分成n个条带,取第i条分析其受力情况,第i条的滑面用连接两端点的弦代替,与水平面的夹角为。

 则第i分条的力为:底部滑面的抗剪力Ti、正压力Ni

 由库仑准则,i分条抗滑力:

滑动力:

对滑面圆心O的力矩平衡:

抗滑力矩:

滑动力矩:

稳定系数

一般情况下,按有效应力原理:

    ui—称为i条滑面单位面积上的静水压力。

2. 毕绍普(Bishop)法。

为了消除费勒纽斯法没有考虑分条间作用力带来的误差,Bishop于1955年提出了适用于圆弧滑动,并同时考虑到条带间作用力的计算方法。该法认为分条间的作用力分为法向力E和剪力S,其具体分条与费勒纽斯法相同。现以第i分条分析其受力情况,见图11-8。

i分条的参数有:

    —i条滑面的倾角;

—i条滑面的长度;

—i条滑面上的有效法向力,

—全法向力;

—单位面积上的孔隙水压力;

—为了维持i分条平衡所需的抗滑力;

—i分条两侧的法向力;

—i分条两侧的剪切力。

滑体中每个条带处于极限平衡状态,则整个滑体也处于极限平衡状态。取滑体对滑面圆心O的矩平衡,由于分条间的作用力对O点的矩之和为零,不予考虑。则矩平衡有:

   

由于滑面为圆弧,所以两侧R相同,可约去。

                                                   (a)

稳定系数K定义为抗剪强度的储备系数,即极限抗滑力与为了使i条平衡所需的抗滑力之比,并且每个分条都有相同的稳定系数。则:

                                                              (b)

由库仑准则 ,得:

                                          (c)

毕绍普法分为精确法与简化法两种。精确法中考虑了分条间的法向作用力()及剪切力()。求解非常繁琐。简化法只考虑了分条间的法向力的作用,不考虑剪切力,这样简化法与精确法相比,其误差通常在2%以内,且目前广泛使用的都是简化法。不计,在垂直方向上建立力的平衡方程:

从中解出,有

                         (d)

将(d)式代入(c)式,有:

经整理得:

                             (e)

(d)式代入(a)式,注意到 ,并记

   ,有:

各分条具有相同的稳定系数,将F提出,整理后有:

                 (f)

五、露天矿边坡的治理

露天矿边坡治理与监测,是矿山边坡研究和日常边坡管理的重要组成部分,一般包括对地表水和地下水的治理、控制爆破、边坡人工加固、对可能和已发生边坡位移的地段进行地面和岩体内的位移监测。

(一)对地表水和地下水的治理

    (1)在边坡岩体外面修筑排水沟排除地面水,防止其流入边坡表面张裂隙中。对已有张裂隙应以适当材料及时充填。

    (2)钻水平排水孔,降低张裂隙或破坏面附近的水压。

    (3)在边坡岩体外围打疏干井,装配深井泵或潜水泵进行排水,降低地下水位;疏干高边坡可设置两个或两个以上排水水平。

    (4)地下巷道疏干。可用于水文地质条件复杂的重要边坡岩体的疏干,在巷道内可打扇形排水孔,以提高疏干效果。

(二)控制爆破

(1)减少每次延发爆破的炸药量,使冲击波的振幅保持在尽可能小范围内;每次延发爆破的最优炸药量应根据具体矿山条件试验确定。

(2)预裂爆破,是当前国内外广泛采用的用以改善矿山最终边坡状况的最好办法。该法是在最终边坡面钻一排倾斜小直径炮孔,在生产炮孔爆破之前起爆这些孔,使之形成一条破裂槽,将生产爆破引起的冲击波反射回去,保护最终边坡免遭破坏。

(3)缓冲爆破,是在预裂爆破带和生产爆破之间爆破一排孔,其孔距大于预裂孔而小于生产孔。其起爆顺序是在预裂爆破和生产爆破之间,形成一个爆破冲击波的吸收区,进一步减弱通过预裂爆破带传至边坡面的冲击波,使边坡岩体保持完好状态。

(三)露天矿边坡人工加固

    边坡人工加固对现有滑坡和潜在不稳定边坡是有效的治理措施,而且它已发展成为提高设计边坡角、减少剥岩量的一种重要途径。目前国内外在矿山边坡加固中,比较广泛地采用抗滑桩和金属锚杆和锚索,并辅以混凝土护坡和喷浆防渗等措施。

抗滑桩,一般为钢筋混凝土桩,其中又可分大断面与小断面混凝土桩。前者一般用于土体或松软岩体边坡中,在开挖的小井内浇注混凝土;而后者一般是露天矿边坡所采用的岩体抗滑桩,即在钻孔内放入钢轨、钢管和钢筋作为主要抗滑结构,然后用混凝土将钻孔内的孔隙填满或用压力灌浆。抗滑桩一般施工简单、速度快,应用比较广泛。

钢筋锚杆和钢绳锚索加固边坡的技术已为不少露天矿所采用,并取得很好的效果。锚杆(索)一般由锚头、张拉段和锚固段三部分组成:锚头的作用是给锚杆(索)施加作用力,张拉段是将锚杆(索)的拉力均匀地传给周围岩体,锚固段是提供锚固力。锚杆(索)的施工工艺比较复杂,但它可用以锚固深处赋有潜在滑面的边坡。由于可以对其施加一定的预应力,故能积极地改善边坡的受力状态。

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