露天矿边坡稳定课件

第一章概论1.1概述一、边坡的重要性1、节省成本2、安全生产二、国内外露天矿边坡概述1、露天矿开采现状及发展趋势2、列举优化边坡的实例1.2基本概念一、采场边坡（一）露天矿边坡1、山坡露天矿2、凹陷露天矿（二）、边坡1、底帮边坡2、顶帮边坡3、端帮边坡（三）边坡角1、工作帮坡角2、非工作帮坡角（废正角）二、排土场边坡1、外排土场建立条件2、内排土场建立条件3、排土场台阶高度、坡面角4、排土排弃物的性质5、稳定性分析1.3滑坡概论及研究意义一、边坡变形种类1、剥离（振动、风化）2、崩落（陡立柱状岩体突然倒塌滚动）3、滑动（沿一定的面或带缓慢移动）→滑坡4、流动（指饱和水的松软岩体沿4度－6度甚至更缓的斜面流动）5、沉陷变形、垂直下沉排土场管理主因所以规范规定排土场到边坡一定距离范围内有2－5％的反坡如图2所示三、滑坡危害1、阻断运输线路（铁道、公路、胶带）2、推倒、掩埋采掘运输设备3、破坏地面工业民用建筑物总体规划不合格地面建筑物安全距离采场0－200m，200m即按200米设置。排土场造成周边地面地形变形滑坡危害较大。如神华准能黑岱沟储煤仓、铁路地面、胶带走廊等案例。四、优化边坡角同时考虑两个问题1、剥离费2、边坡维护费1.4露天矿边坡的特点与水库岸坡、坝肩、引水渠道、铁路、公路路堑和路堤、山区挖方工程的的边坡相比有以下特点：一、边坡较高几米到600米，走向长，揭露的岩层多，岩体结构复杂二、煤矿边坡岩体主要是沉积岩：层理明显，弱夹层较多，岩石强度低。稳定边坡角大约40度以下。金属矿主要是岩浆岩、变质岩，强度高，但断层、节理发育，不利于边坡稳定。稳定边坡角大约50度以下。三、主要是滑动变形四、露天矿边坡是人工机械开挖边坡,边坡岩体较破碎，边坡一般不加维护，易受风化作用影响。五、露天矿场每日受爆破、机车行走等因素，边坡受振动影响大，受到的设备自身载荷及冲击载荷较大。六、露天矿服务年限长。内排有利于防治边坡滑坡；陡帮开采配合内排效果较好，如平装西露天煤矿。七、不同地段边坡稳定程度是不同的。重要的建（构）筑物、高压线和铁路等一级建筑物要求稳定性高1.5研究内容及步骤一、研究内容1、边坡岩体中各种结构面如断层、层面、节理、裂隙分布状态2、结构面的物理力学性质3、水4、开采工艺、河流、爆破、构造应力5、设计边坡6、提出防滑措施7、边坡监测二、研究步骤1、矿山勘探，设计阶段必须开始边坡工作；2、矿山投产后，做大量的边坡实验研究，校核边坡稳定角；3、长期性工作，直到露天矿寿命结束4、最后评价第二章影响边坡稳定性的因素引言：因素分类1、内因：岩石的矿物组成及地质结构2、外因：水、震动、构造应力、采矿活动、风化及温差2.1岩石矿物组成的影响1、不同矿物的强度不同（1）、Na、K、Ca、Mg等化合物易溶于水，为不稳定矿物（2）、蒙脱石[(OH)4Al4SiO8O20]吸水性强而透水性差，易导致滑坡2、岩石是矿物的集合体3、岩石有晶质非晶质碎屑质硅质胶结钙质胶结泥质胶结粒度0.005mm时，粒度增加时，内摩擦角减小4、岩石的构造有定向与非定向之别2.2岩体结构面、结构体、岩体结构定义：结构面：岩体中这些自然生成的强度减弱面统称为结构面结构体：这些结构面将岩体切割成不同规模和几何形态的块体工程岩体：有结构面和结构体组成的具有一定结构的地质体的一部分一、结构面（I－V级）煤矿中主要5种面：1、软弱夹层：粘土层、碳质页岩层、泥岩、薄煤层、页岩层2、岩层面、节理3、断层4、节理、裂隙节理是构造裂隙裂隙是原生裂隙5、片理、页理：压应力作用下动力变质的结果二、结构体I－V级三、岩体、结构2.3水的影响露天矿采场及排土场边坡防水便等于防滑。雨后、雨季、解冻时期现场防治水办法介绍。一、水在岩石中存在的的形态（一）、气态水是结晶水及化学水，对岩体稳定性影响不大（二）、结合水1、吸附水（或强结合水）强结合水，70000倍重力加速度不能使其分离。2、薄膜水（或弱结合水）弱结合水，长期荷载可能被挤出结合水是在岩石中颗粒表面与水分子的吸引力（静电引力）而结合的水吸附水：是颗粒表层或离子的吸附层内的水分子，在分子力作用下，不能移动。薄膜水：是离子扩散层内的水分子，若在分子力作用下可能移动，在长期荷载作用下可能部分被挤出（三）、自由水：是土岩颗粒水化膜以外的水，受重力影响，分毛细水和重力水1、毛细水①、孔隙角水②、悬浮水③、毛细孔水毛细孔水是岩石毛细孔内的水（结合水除外）它与重力水相同，可以传递静压力2、重力水①、渗流水②、地下水（四）、固态水（冰）体积增大、扩大裂隙、减弱岩体强度（融冰期边坡易滑原因）。总之，边坡岩体内的水主要是结合水和自由水二、水对边坡的不利影响主要表现1、软化岩体，降低其强度；2、静水压力3、动水压力：自由水在重力作用下流动，对岩石产生动水压力三、地下水在边坡内的分布1、在松软土岩中水位变化2、坚硬岩石中裂隙水无定向坚硬岩石的水文地质条件不易掌握全貌，水位差异很大现场实例介绍1、辽宁阜新海州露天煤矿1956年－1957年之间39次滑坡中，有24次有水的影响2、平装西露天煤矿工作帮1957年8月14日第24次滑坡39.5立方米的滑坡是连续三天降雨，雨水渗入绿泥层面及滑体，以及滑体下部常年积水1－2米，深浸泡而发生的。1983年4月18日，第26次滑坡，47.73立方米玄武岩裂隙水渗透到松散砂岩，使滑体底部页岩层泥化层发生的3、义马4、哈密三道岭5、大冶露天铁矿狮子山北帮西口工程滑体6、海南露天铁矿7、云南小龙潭露天煤矿四、静水压力作用露天矿上部风化带岩层受水浸润后容重增加岩石饱和水容重γ0:干容重n:空隙比γw:水容重d:岩石比重wn0饱水重量：浮重量：wnvdnvP)1(干重量孔隙水重量wvndnvP)1()1(1))(1(wdnv干重量骨架颗粒水重则岩柱所受浮力：静水压力就是水压三角形乘积：中点水压强度：1PPP))(1()1(wwdnvnvdnv)1(nvnvwwwvsinHABwH2122csc1wHHUcsc412wHhhVw21wh221whhHUcsc)(212csc)(21hHhw实践中，当坡底处断裂面无渗流时，则该处的水的压强不等于零，并可达到高峰值。u1HβABHu2VhB五、动水压力作用：动水压力是指渗流水在流通过程中作用于岩石颗粒上的渗流力，它是体积力实验表明：多孔隙（或裂隙）水相互贯通，因而产生渗流水，动水压力圆管内的水流运动时需要克服阻力1、与管径大小成反比2、与两端压差成正比3、岩石介质中水的渗流阻力与孔隙率成反比动水压力：计入P浮力，静动压力为矢量和滑面上切向法向分力N（指向滑面）wJVF012)(lhhJwhhF)(2122210TN11)(21012hh=结论：稳定渗流边坡的水压，包括静压与动压，可近似按滑面上各点水的压强乘以该处滑面面积计算即近似等于滑面上的静水压力值2.4爆破作业、振动影响一、影响因素1、爆破震动增加了边坡的滑动力2、爆破作用破坏边坡岩体降低了岩体强度，使雨水地下水易于沿爆破后岩石裂隙渗透，加速岩体风化3、穿、采、运设备作业时，使饱和水岩土液化二、破坏主因震波在岩石中传播有纵波，横波，主要是纵波横波是二者方向一致地震时：)(3RQkVfv2maFFF0cmkFm/s三、减震措施1、控制一次爆破药量2、微差爆破最佳时间，不使各次震波峰值叠加而达到最高值3、采用预裂爆破、缓冲爆破2.5构造应力影响据弹性理论：每次大的深部构造运动都会导致产生新的应力状态水平应力=上覆岩层重力×侧压应力系数构造应力场内：自重应力水平应力铅直应力李四光《地质力学理论》非洲测得：水平应力是铅直应力的2.6倍2.6其他因素影响一、露天矿存在年限具体讲应指边坡服务年限时间长，岩体强度减弱大，稳定系数大些二、边坡形状凹形：侧向阻力大，稳定性好凸性：侧向阻力小，稳定性不好但凸性边坡剥离量最小，经济合理三、地形荷载：外排土场就近位置推进方向（工作线）破坏岩体完整性，引起边坡滑落总之，因为边稳固什么很多，尚待研究。第三章边坡工程地质程序及岩体结构面的调查、统计与分析3—1边坡工程地质工作程序一、边坡工程工作主要任务：1、搜集影响边坡稳定性的各项因素；2、分析边坡岩体的稳定性：—查明岩体中结构面分布及岩性变化；—分析潜在滑面；—建立滑动模式。二、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、露天矿现采场边坡工程地质条件；4、露天矿最终采场边坡工程地质条件；5、露天矿边坡工程地质分区。三、露天矿边坡各阶段的工作内容–矿山地质勘探报告；–露天矿设计阶段；–投产以后岩层暴露。四、绘制边坡工程地质平面图及断面图内容1、岩性分布；2、地质结构面分布3、出水点；4、采掘台阶现状；5、工程地质分区及剖面线；6、岩石力学试验取样地点。五、E.HOCK边坡工程地质工作程序图1、利用已有的勘测、地测及岩芯初步收集资料↓2、初建边坡地质模型、评价其稳定性↓3、排除稳定性地段、此段边坡稳定性按运输条件定↓4、确认不利的地质结构面可能失稳的地段↓5、详细的工程地质研究包括补勘↓6、岩体强度试验→7、水文试验及监测↓8、以5、6、7所得资料进行稳定性分析↓9、设计危险地段边坡，拟定加固措施及监测计划，进行各种可能方案对比↓10、位移监测及滑坡预报，在不危及人员及设备等条件下承担滑坡风险。3—2岩体结构面的调查主要调查节理、岩层面产状、密度。方法：地面测量；钻孔。一、结构面地面调查（表3-1为调查内容）二、钻孔定向取芯，主要是探明深部的不利结构面。（一）岩芯定向三个要素：倾向、倾伏角、围岩轴线（旋转的某一基准线）。3—3岩体结构面的统计一、玫瑰图法此法为一半圆形，径向刻度表示裂隙数目，圆周上刻度表示裂隙倾向，与其垂直方向表示走向。常用于缓斜岩层，裂隙多与岩层垂交，在露天矿有实际意义。W270300N3090E图3.3.1二、赤平极射投影法（一）定义：赤平极射投影表示点、线、面的角距关系或方位的平面拱形，而不涉及面的大小，线的长度或点与点之间的绝对距离。为了确定角距或方位，必然要设立一个坐标原点，自此点向四面八方发出射线，作为角度线来量度方向。（把空间的点、线、面自球的中心投影于球面上，为了便于观测，把球面上的点、线、面再以南、北极为焦点（发射点）投影于三维赤道平面上）球面上的投影既不便于观察，又不易于表示，于是把球面的点、线、面再以南极或北极为焦点（发射点）投影于赤道平面上，这种投影叫做赤平极射投影。二、赤平极射投影法拱形原理：作一投影球O（参考球）表示三维空间，球的上下极点为A及F，赤道平面为NWSE。AHWMSFHEMNO二、赤平极射投影法1．点的投影:在球的上半球面上有一点H，自球的下半球的极点F向H发射线FH，射线与赤道平面的交点M，便是H点的赤平极射投影。几何实物位于上半球，极点在下半球时的投影称上半球投影。二、赤平极射投影法2.线的投影一条直线与球交于两点B及C，BCF成为一平面，所以它的投影必然是一条直线bc。ABbFc图3.3.3C二、赤平极射投影法3.面的投影大圆斜面SHNH‘表示投影：SMNG。AHWMSFHEMNO图3.3.43—4岩体结构面的分析了解4—1岩石的物理、水理性质一、岩石的主要物理性质二、岩石的空隙性三、岩石的吸水性1、岩石的吸水率2、岩石饱水率3、饱水系数K四、土岩的可塑性及其指标4—2岩石的力学性质定义：P51一、岩石的变形特征（一）岩石在单向轴压缩条件下的变形特征（二）岩石在多向应力和剪切条件下的变形1、岩石在三轴压缩条件下的变形特征2、岩石在直接剪切条件下的变形特征（三）表征岩石变形特征的主要参数―弹性模量和泊松比1、初始弹性模量E0；2、割线弹性模量Ei；3、切线弹性模量4、泊松比定义：当岩石试件纵向受压时纵向有压缩变形εi的同时，横向产生伸长变形εd，表征横向与纵向变形关系的参数称为泊松比u。弹性范围内：εd=－uεiu