2024年1月24日发(作者：)

第24卷 第18期 岩石力学与工程学报

Vol.24 No.18

2005年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

Sept.，2005

露天矿节理岩体边坡稳定性研究

王家臣1，常来山1，夏成华1，石 伟2，邓 克2

(1. 中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2. 鞍钢集团 鞍山矿业公司，辽宁 鞍山 114001)

摘要：针对眼前山露天矿南帮节理岩体边坡的结构特征，通过现场节理调查及统计分析，采用Monte-Carlo随机模拟方法，进行了节理三维网络的计算机模拟，研究确定了南帮边坡的节理岩体强度和破坏模式。通过滑动面自动搜索及FLAC数值模拟，系统地计算分析了南帮节理岩体边坡现执行开采和调整方案随采场逐渐下延的稳定状况，指出将三并段边坡的台阶坡面角由65°调整为60°可以从根本上改善眼前山露天矿南帮边坡的稳定状况，在矿山服务年限内满足开采的稳定性要求。

关键词：岩石力学；节理岩体；边坡；三维网络；稳定性分析，FLAC模拟

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)18–3350–05

STUDY ON STABILITY OF JOINTED ROCK SLOPE

OF AN OPEN IRON MINE

WANG Jia-chen1，CHANG Lai-shan1，XIA Cheng-hua1，SHI Wei2，DENG Ke2

(1. School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；

2. Anshan Mining Company，Angang Group，Anshan 114001，China)

Abstract：According to the structure characteristics of the joint rock mass of the south slope of Yanqianshan Open

Iron Mine，the 3D joint network is simulated and shown by Monte-Carlo random simulation technique based on

the joint surveys in-situ and statistic analysis；and the strength of the jointed rock mass and the failure modes of the

slope have been defined. The stability states are systematically studied by means of searching automatically the

critical slip surface and FLAC numerical simulation for the present executing project and the revising project. That

the slope angle of three benches becoming one large bench is revised from 65° to 60° can basically improve the

stability state of the south slope；and meet the mining stability demand during the service life of the open mine.

Key words：rock mechanics；jointed rock mass；slope；3D network；stability analysis；FLAC numerical simulation

1 引 言

鞍钢集团眼前山露天矿为了解决剥岩欠帐、生产能力下降、提高开采效益的问题，于1994年开始实施固定帮边坡三并段开采工艺，并段后的台阶高度达36 m，台阶坡面角65°，平台宽度10 m，总体边坡角43°～47°。然而，在实施三并段开采取得显

收稿日期：2004–06–22；修回日期：2005–03–21

著经济效益的同时，因边坡加陡而带来的滑坡风险也随之加大，几年来，共发生了6处边坡滑落，对矿山安全生产带来了严重影响。眼前山铁矿封闭圈标高为+105 m水平，设计露天采场底标高为－195 m水平，最终边坡高度将达到300 m水平，随着采场逐渐下延，边坡的破坏风险更大，尤其是南帮边坡节理发育，并有铁路及公路运输干线，对其进行稳定性评价和适当调整边坡结构参数就显得更加重要。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50274069)；教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目

作者简介：王家臣(1963–)，男，博士，1993年于中国矿业大学采矿工程专业获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事岩石开挖工程、煤矿开采和矿山压力等方面的教学与研究工作。E-mail：wangjiachen@。

第24卷 第18期 王家臣等. 露天矿节理岩体边坡稳定性研究 • 3351 •

表1 各区节理的优势方位数据

Table 1 Direction of the dominant joints

分区号

I

倾向均值/(°)

45.95

倾角均值/(°)

63.72

2 节理调查与统计分析

采场南帮边坡的基本特征是节理发育，岩石块体强度较高，属于由发育的节理切割成的碎裂岩体结构，因此，节理调查与统计分析是评价该类岩体边坡稳定性的基础。

节理调查时，根据边坡岩体的具体条件、现场测量困难程度及野外工作量大小等情况，采用了详细测线法和摄影法相结合的方法。如图1所示，在台阶坡面上人为确定一条水平线，作为测线，量测与测线相交的节理倾向、倾角、间距、迹长。运用罗盘进行节理倾向、倾角的现场测量。采用摄影法获取照片，然后进行室内照片处理与分析，以确定台阶上节理迹长和间距的分布规律[1]。

图1 现场节理测量示意图

Fig.1 Sketch of measured joints in-situ

测线

间距D

标志杆

迹长L

分区号

310.20 50.44

51.09 67.30

II

313.60 64.30

48.84 63.10

III

305.20 65.60

43.27 66.47

IV

323.10 68.45

51.70 59.50

V

292.90 51.60

表2 各区水平测线上的节理间距分布

Table 2 Distribution of the joint space along the horizontal

scanline

节理数目

/条

间距均值/mm

间距标准差/mm

服从分布类型

I 374 432.6 613.76 对数正态

II 241 249.6 224.20 对数正态

III 492 409.8 461.20 对数正态

IV 515 392.8 456.90 对数正态

V 1 003 367.9 425.10 对数正态

表3 各区垂直测线上的节理间距分布

Table 3 Distribution of the joint space along the vertical

scanline

分区号

节理数目

/条

间距均值/mm

间距标准差/mm

服从分布

类型

南帮边坡长共2 000余米。沿边坡走向，其岩石种类、结构状况和节理分布等都有较大差别，为真实反映边坡状况和对采矿工程的影响，对边坡岩体区域进行划分，将对边坡稳定性影响基本相同的岩体划归为同一区域，并选择典型剖面进行计算和稳定性分析[2，3]I 330 362.4 477.5 对数正态

II 284 253.2 234.8 对数正态

III 473 416.8 433.6 对数正态

IV 501 436.8 457.7 对数正态

。将南帮边坡自西向东划分为5个工程地质分区，利用聚类分析方法确定各个分区内的节理分组[4]，各区均有2组优势节理，每组节理的产状见表1。节理间距和迹长的统计分析结果见表2～4。

V 1 013 396.0 397.4 对数正态

表4 各区节理迹长分布

Table 4 Distribution of the joint length

分区号I

节理数目/条

109

迹长均值/mm

1 301.5

迹长标准差/mm

1 256.6

服从分布

类型

对数正态

3 三维节理网络模拟

节理调查和分布统计是在边坡台阶表面上进行的，而边坡破坏是沿着边坡岩体内部的节理发生的，因此，通过边坡表面的节理分布来模拟边坡岩体内部的节理分布是极其重要也是必须的。基于边坡表面的节理统计与分析的结果，采用Beacher圆盘节

II 86 899.7 778.1 对数正态

III

IV

V

173

164

360

1 517.0

1 414.1

1 310.1

1 269.0

1 293.1

1 195.7

对数正态

对数正态

对数正态

·3352· 岩石力学与工程学报 2005年

理模型，运用蒙特卡罗随机模拟方法，形成边坡岩体内部的三维节理网络(见图2，3所示)，以此作为确定边坡破坏模式的基础[4～6]式中：ΣLj为滑动面上节理面的总长度，ΣLrb为滑动面上岩桥的总长度。

滑动面上节理岩体的强度为

。

σ=σjK+σrb(1−K) (2)

式中：σj为节理面的强度，σrb为岩桥的强度。

根据岩石及节理面强度试验，间接获得的节理面强度σj和岩桥强度σrb的结果分别见表5，6。

表5 岩体节理面强度参数采用值(σj)

Table 5 Strength values of the joint(σj)

岩性 c / kPa

ϕ / (°)

混合岩 50 20～50

千枚岩 20 20～25

图2 I区岩体三维节理网络

Fig.2 3D joint net of area I

表6 完整岩体抗剪强度指标采用值(σrb)

Table 6 Strength values of the intact rock(σrb)

岩性

c / kPa

ϕ / (°)

40～42 铁矿体 900～1 000

混合岩 400～450 38～40

正长斑岩 400～450 38～40

闪长岩 550～600 40～42

4.2

计算方案确定

首先在5个边坡分区中，各选择一个典型剖面

图3 I区边坡剖面岩体节理网络

Fig.3 Joint net on the slope section of area I

作为计算的基础。针对现有执行方案(三并段台阶高36 m、坡面角65°、平台宽度10 m)和调整方案(三并段台阶高36 m、坡面角60°、平台宽度10 m)两种情况进行计算分析，同时考虑到实际边坡破坏中可能出现的局部台阶破坏、几个台阶组合破坏和整体边坡破坏情况。局部台阶破坏采用以优势节理面相互组合的折面滑动、三维楔体滑动和圆弧滑动3种破坏模式，全高边坡破坏采用圆弧破坏模式。折面滑动采用Janbu简化法，圆弧滑动采用Bishop简化法，三维楔体滑动采用三维矢量法计算[8计算现有执行方案的情况。

4.3

计算结果

计算结果见表7，8和图4，5。

根据国内外相关露天矿边坡研究情况和边坡工程的重要性，南帮边坡属于露天矿固定帮运输干线边坡，是露天矿采场中最重要的边坡区域，因此

临界安全系数取较大值，确定为1.250。表7表明，～10]

4 边坡稳定性计算

4.1

计算强度选取

以三维节理网络模拟结果为基础，将优势节理面的相互组合作为边坡稳定性计算中的滑动面搜索样本，按极限平衡方法计算每种可能滑动面的安全系数，以最小安全系数的滑动面作为边坡最可能的滑动面，相应的安全系数作为边坡的安全系数。

节理岩体边坡滑动面上岩体强度的试验与确定是非常困难的事情，即不能采用节理面强度，也不能采用完整岩体的强度。为此引入节理连通率K的概念[1，7]。+21 m水平以上已经靠边界形成了最终边坡，只用，即

K=ΣLjΣLj+ΣLrb (1)

第24卷 第18期 王家臣等. 露天矿节理岩体边坡稳定性研究 • 3353 •

表7 + 21 m水平以上局部台阶破坏安全系数计算结果

Table 7 Safety factor of the bench failure above +21 m

分区号

I

II

III

IV

V

楔体滑动

1.926

1.630

1.715

1.359

1.228

折面滑动

1.885

1.438

2.090

1.683

1.690

圆弧滑动

2.394

2.020

2.330

1.960

1.836

+21 m水平以上边坡，V区发生楔体破坏的可能性大。事实上，该区+21～+57 m水平于2000年曾发生了楔体滑动并进行了削坡处理。表8表明，下部边坡按现执行设计方案，II，III，IV和V区均出现安全系数小于临界安全系数1.250的情况，方案调整后，一个或几个台阶局部发生折面滑动的可能性大于圆弧滑动，最小安全系数为1.320。全高边坡圆弧滑动的安全系数均大于1.250。因此计算结果表明，现执行方案在深部开采以后，尤其是在－39～

－147 m

表8 整体边坡搜索安全系数计算结果

Table 8 Safety factor of the total slope failure

分区号I

处容易发生折面滑动破坏。调整方案后(即将并段后的台阶坡面角由65°减小到60°)，几个台阶的局部稳定和全高边坡的稳定状况均满足安全要

II

III

IV

V

执行

调整

执行

调整

执行

调整

执行

调整

执行

调整

方案折面滑动1.428

圆弧滑动1.820

全高边破1.782

求。

1.573 1.950 1.811

1.176

1.466

1.504

1.320

1.649

1.559

1.220

1.530

1.474

1.320

1.628

1.547

1.240

1.430

1.423

1.348

1.564

1.483

1.240

1.543

1.394

1.364

1.649 1.508

5 深部开挖的FLAC模拟

除极限平衡分析以外，采用FLAC数值软件，根据实际边坡的开挖步骤，进行了模拟计算，以掌握深部开采后边坡岩体内部可能出现的破坏状况，模拟计算方案见图6。其中，II区剖面FLAC模拟结果如图7所示。

图6 FLAC模拟计算方案

图4 V区执行方案危险滑面位置示意图

Fig.4 Critical slip surface in the area V by present project

Fig.6 Simulation sketch of FLAC calculation

剪切破坏带

图5 V区调整方案全高边坡危险圆弧滑面位置

Fig.5 Circular slip surface of the total slope in the area V by

revised project

图7 II区剖面FLAC模拟结果

Fig.7 Simulation result of FLAC on the profile of area II

·3354· 岩石力学与工程学报 2005年

Ⅱ区剖面位于矿山采场的西侧，靠近铁路中转站台。执行方案模拟第5步开采至－147 m台阶时，－111 m发，2002，22(1)：28–30.(Li Aibin. Characteristics and problems with

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台阶(公路)出现了较大的剪切屈服带，并延伸到－39 m台阶(见图7)，该台阶也有明显的相对滑动位移。台阶上最大主应力为2.5～5.0 MPa，最小主应力为0～2.0 MPa。同时，在－75 m台阶上伴随出现另一较小的剪切屈服区域。而对于调整方案，在开采的全过程没有出现剪切或拉伸破坏区域，这说明调整方案对改善坡体的应力状态起到了明显的效果。IV，V区剖面的执行方案中均有不同程度的剪切破坏带，所有剖面的调整方案中都没有出现剪切破坏带，证明了调整方案的合理性。而出现剪切破坏带的区域正是极限平衡计算中的危险滑动区域，这也表明了极限平衡计算的正确性。

6 结 论

(1)

露天矿边坡中，大多数都由节理岩体组成，发育的岩体节理控制着边坡的破坏模式，尤其是对于局部台阶破坏起着控制作用，这是产生局部台阶或台阶组合破坏的根本原因。

(2)

通过现场节理调查，三维节理网络模拟中，以优势节理面的组合确定边坡滑动模式，运用节理连通率确定节理岩体强度，进行节理岩体边坡稳定性计算和评价是行之有效的方法。

(3)

眼前山露天矿南帮边坡现执行的设计方案会有局部区域发生边坡破坏，尤其是深部开采以后，现执行方案的II，III，IV，V区均会出现安全系数小于1.25的情况。将三并段后的台阶坡面角由65°，可大大改善边坡稳定状况，满足矿山调整到60°开采的要求。

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