露天礦邊坡穩(wěn)定性分析與研究

羅慧 劉漢磊

摘要：礦山邊坡的穩(wěn)定性一直是影響礦山安全生產(chǎn)的最重要因素，隨著礦山開采深度的增加，邊坡失穩(wěn)造成的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與礦山經(jīng)濟(jì)效益的提升矛盾日益突出，露天礦邊坡穩(wěn)定性分析有利于防止滑坡、崩塌等一些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)也有利于確保邊坡安全及工作人員安全的同時(shí)提高采礦工程的實(shí)際效益，對(duì)礦區(qū)的安全生產(chǎn)具有較為重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外露天邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并對(duì)影響露天礦邊坡穩(wěn)定性因素和穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行重點(diǎn)分析，為礦山邊坡安全管理與防治露天礦邊坡失穩(wěn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 露天礦;邊坡;穩(wěn)定性;分析方法

引言

礦山邊坡是于露天礦開采過程中形成，即原始地應(yīng)力影響也隨著礦山活而變化，露天礦邊坡體的構(gòu)成是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程0，近年來(lái)露天礦山的不斷開采所形成的高陡邊坡越來(lái)越多，同時(shí)隨著邊坡的不斷加高加陡其安全性越來(lái)越差，與此同時(shí)引發(fā)的安全事故也日益增多，其中最主要的就是露天礦邊坡滑坡或垮塌造成的人員傷亡、設(shè)備損壞等，不僅對(duì)礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益存在著影響，同時(shí)對(duì)礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全存在著巨大隱患，只有在保證邊坡穩(wěn)定行的前提下，礦山的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)才能正常進(jìn)行，礦區(qū)員工的生命財(cái)產(chǎn)安全才能得到保障。因此，運(yùn)用科學(xué)、合理的方法的研究分析露天礦邊坡穩(wěn)定性顯得極為重要，為保證礦山安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的意義。

1露天礦邊坡穩(wěn)定性主要影響因素

1.1 ?降雨量

巖土體的物理性質(zhì)受水的影響變化大，而降雨是造成露天礦邊坡產(chǎn)生滑移的主要因素之一，在降雨之后，雨水量達(dá)到一定程度后，礦石會(huì)因?yàn)槭艿接晁臎_刷，對(duì)邊坡巖體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)水壓，礦石之間的各種物質(zhì)由于增加負(fù)荷加上水滲入內(nèi)部軟化也就會(huì)慢慢的變成松散，導(dǎo)致受力狀態(tài)發(fā)生變化，當(dāng)摩檫力逐漸減小時(shí)相應(yīng)的滑動(dòng)力也就因此不斷地增加，邊坡也就會(huì)更容易出現(xiàn)失穩(wěn)滑動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)V區(qū)邊坡已經(jīng)產(chǎn)生了裂縫的，在遇到較大降雨量所產(chǎn)生的影響是較為嚴(yán)重的。因此應(yīng)通過改善施工條件減少水對(duì)邊坡的影響降低邊坡災(zāi)害發(fā)生的概率。

1.2 ?露天礦開采技術(shù)條件

在露天礦開采的過程中，多采用的邊坡角、臺(tái)階組合形式等開采技術(shù)條件都會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響作用。并且工程生產(chǎn)過程中的安全保證措施、經(jīng)濟(jì)效益和邊坡角的確定三者之前相互聯(lián)系相互制約。所以露天邊坡角的確定需要進(jìn)行綜合的分析，考慮到安全穩(wěn)定性大的同時(shí)還要確保滿足生產(chǎn)技術(shù)條件要求。按照邊坡的構(gòu)成要素合理準(zhǔn)確的確定邊坡角極大可能的避免滑坡的發(fā)生。

1.3 ?地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造主要從邊坡的形態(tài)、產(chǎn)出狀態(tài)與改變水文條件等方面影響邊坡的穩(wěn)定性，出現(xiàn)褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，會(huì)對(duì)巖層地質(zhì)具有擠壓、切割等作用0，當(dāng)這些應(yīng)力產(chǎn)生變化之后，會(huì)對(duì)原有的巖石產(chǎn)生機(jī)械破壞，所作用的部位礦石會(huì)發(fā)生破碎，裂隙更為發(fā)育，邊坡失穩(wěn)的可能性也就會(huì)增大。并且由于多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，露天礦的礦石組合程度極其復(fù)雜。

2露天礦邊坡穩(wěn)定性主要分析方法

露天礦的邊坡穩(wěn)定性分析在邊坡在露天開采過程中有著不可忽略的地位，是采礦工程的重要研究方向，近年來(lái)研究學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的研究?jī)?nèi)容也十分廣泛。目前邊坡穩(wěn)定性研究領(lǐng)域，對(duì)邊坡的研究不僅僅停留在邊坡變形、滑動(dòng)面穩(wěn)定性、巖質(zhì)邊坡、不連續(xù)面等研究?jī)?nèi)容，還著重于邊坡穩(wěn)定性分析方法、邊坡材料、水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響等等方面，可見適當(dāng)引入滲流力學(xué)、材料力學(xué)、土力學(xué)以及數(shù)學(xué)模型分析方法才能夠較好的對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

目前邊坡穩(wěn)定性分析的研究方法主要可以分為兩類：定性分析和定量分析，其中定量分析又分為確定性分析法和不確定性分析法0。

2.1定性分析法

2.1.1 歷史成因法

歷史成因法主要適用于天然土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，根據(jù)邊坡發(fā)育地質(zhì)環(huán)境、邊坡發(fā)育歷史中各種變形破壞跡象及其基本規(guī)律和穩(wěn)定性影響因素的分析，追溯邊坡歷史演變過程，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的總體狀況做出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)0。對(duì)邊坡穩(wěn)定性的總體狀況、發(fā)展趨勢(shì)和區(qū)域性特征做出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。該方法得出的結(jié)論只是初步的評(píng)價(jià)，需要調(diào)查大量資料，且具有較大的局限性和區(qū)域性在邊坡穩(wěn)定分析中多用于其他方法的輔助，一般適用于特定區(qū)域類的中小型邊坡。

2.1.2工程類比法

工程類比法的實(shí)質(zhì)是將已有邊坡的研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用到新的邊坡的穩(wěn)定性分析研究中去。它的建立在前人研究的基礎(chǔ)之上，通過全面分析、對(duì)比待研究邊坡與已有邊坡間可能存在的相似點(diǎn)和差別點(diǎn)，把已有邊坡的穩(wěn)定性狀況及其影響因素等方面的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到類似邊坡的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)中，從而分析和判斷研究對(duì)象的穩(wěn)定性狀況、發(fā)展趨勢(shì)和加固處理設(shè)計(jì)等，具有經(jīng)驗(yàn)性和區(qū)域性，存在一定的局限性，應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分對(duì)比分析兩者之間影響邊坡穩(wěn)定性的各要素，該方法主要應(yīng)用于工程地質(zhì)條件復(fù)雜且缺乏詳細(xì)資料的邊坡穩(wěn)定性分析。

2.1.3邊坡穩(wěn)定性圖解法

圖解法主要包括赤平投影法、諾模圖法和摩擦圓法0。赤平極射投影法主要適用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，利用赤平極射投影原理，制作邊坡破壞邊界和各個(gè)結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系圖，確定邊坡整體形態(tài)和存在的危險(xiǎn)滑動(dòng)面的方向，從而評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，摩擦圓法和諾模圖法主要適用于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析，利用一定的諾模圖或者關(guān)系曲線來(lái)推斷出邊坡的安全系數(shù)或者通過安全系數(shù)反演其他參數(shù)。

2.2定量分析法

定量分析方法是采用土力學(xué)、巖體力學(xué)及理論力學(xué)的理論與方法，基于經(jīng)典的數(shù)學(xué)物理方程與計(jì)算機(jī)技術(shù)求解穩(wěn)定安全系數(shù)、計(jì)算滑坡結(jié)構(gòu)體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來(lái)分析邊坡穩(wěn)定性。

2.2.1極限平衡分析法

極限平衡法是根據(jù)摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算巖土體在自身和外界荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性的一種方法。它的基本原理是根據(jù)靜力平衡關(guān)系求解邊坡安全系數(shù)及滑動(dòng)時(shí)的破壞荷載、最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，其力學(xué)模型簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算簡(jiǎn)潔0，并且很容易處理工程中各種復(fù)雜的土層剖面與外部荷載等問題，可以定量地對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，具有計(jì)算簡(jiǎn)單快捷、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因而在工程中獲得了廣泛應(yīng)用。

2.2.2數(shù)值分析法

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與計(jì)算分析軟件的日益完善，使得數(shù)值分析方法應(yīng)用越來(lái)越普遍用于邊坡穩(wěn)定性的分析。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的一些不足，可以整理分析非均質(zhì)、非線性、復(fù)雜邊界邊坡的數(shù)據(jù)，最后通過計(jì)算機(jī)處理，得到有關(guān)巖土體應(yīng)力之前的應(yīng)變關(guān)系，與此同時(shí)還具有將邊坡的開挖、支護(hù)及地下水滲流等破壞過程，進(jìn)行模擬了解變形破壞原理使得結(jié)果更加準(zhǔn)確，具有很強(qiáng)的適用性[9]。它的主要特點(diǎn)是前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備量大，但能夠很好的考慮介質(zhì)的非線性、各向異性和受到其他外界因素影響下的性質(zhì)變化，充分考慮了力的變形和作用，彌補(bǔ)了經(jīng)典解析法在分析過程中存在的缺陷，但相對(duì)于極限平衡法來(lái)說更加算法更加復(fù)雜。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析方法現(xiàn)已成為解決邊坡工程穩(wěn)定性問題的有力工具，成為運(yùn)用最多的分析方法。

2.2.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法（ANN）

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性力學(xué)系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)與聯(lián)想記憶， 并將所有的邊坡穩(wěn)定分析和治理情況存儲(chǔ)在神經(jīng)元的閾值和神經(jīng)元間的連接權(quán)值中， 對(duì)新的工程給出啟發(fā)式的結(jié)果[10]。該方法具有高度的非線性表示能力和良好的自學(xué)習(xí)自聯(lián)想記憶功能能力和強(qiáng)容錯(cuò)性，可充分考慮定性描述和人為因素，提高邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)率，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

2.2.4模糊評(píng)價(jià)法

把模糊理論引入邊坡穩(wěn)定性分析中，對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的復(fù)雜因素采取隸屬函數(shù)的方法來(lái)選取，該方法適用于邊界不清的、多變量影響的邊坡穩(wěn)定分析，不足之處是隸屬函數(shù)的確定和因素權(quán)重分配有很大的主觀因素。

3結(jié)語(yǔ)與建議

露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響因素眾多，還有很多方面的研究有待深入和完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法會(huì)日漸完善，已經(jīng)有大量的研究成果，計(jì)算方法也逐漸趨于完善，會(huì)逐步在實(shí)際礦山開采過程中得到更好地運(yùn)用和推廣，與此同時(shí)基于工程地質(zhì)條件和地質(zhì)背景，基于巖石力學(xué)、土力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)，多學(xué)科和多方法組合分析和研究露天礦邊坡的穩(wěn)定性將是露天礦未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。此外，提出以下建議，以期為之后的研究思路提供借鑒：

（1）在露天礦生產(chǎn)過程中，礦山開挖經(jīng)常伴隨有外界的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，譬如地震、車輛荷載、爆破荷載等因素，露天礦山使用的大型挖掘運(yùn)輸設(shè)備對(duì)礦區(qū)巖體邊坡的裂隙還有一個(gè)加速破壞作用下一步需要在動(dòng)力學(xué)方面對(duì)邊坡進(jìn)行深入的分析與研究。

（2）露天礦的采場(chǎng)邊坡還存在塑性突變過程，在后續(xù)的研究中可充分勘察礦區(qū)巖體情況后考慮邊坡塑性突變因素下的穩(wěn)定性。

（3）邊坡穩(wěn)定性分析中大數(shù)據(jù)、信息化應(yīng)用需進(jìn)一步研究。主要目的解決與深化理論建模與大數(shù)據(jù)之間融合的技術(shù)問題在保證準(zhǔn)確率的同時(shí)大幅度提升評(píng)價(jià)的效率。

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作者簡(jiǎn)介：羅慧;女;（1993.06.21--）;壯族;廣西百色市;碩士;武漢工程大學(xué)，研究方向：巖土工程