金屬非金屬礦山邊坡穩(wěn)定性分析

基于Geostudio軟件的金屬非金屬礦山邊坡穩(wěn)定性分析摘要：露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施研究是當(dāng)前礦山安全生產(chǎn)的重要課題。露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性受多種因素影響，如地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、開挖方式、氣象條件等。通過(guò)對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，采取有針對(duì)性的治理措施，可有效降低邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，保障礦山安全生產(chǎn)。同時(shí)，礦山企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理邊坡安全隱患，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，以某一礦山為例，分析其高陡邊坡的穩(wěn)定性，根據(jù)分析結(jié)果提出治理措施，從而消除高陡邊坡帶來(lái)的安全隱患。關(guān)鍵詞：廢棄礦山；高陡邊坡；穩(wěn)定性分析；治理措施引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求日益增長(zhǎng)，露天礦山開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，高陡邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題變得愈發(fā)嚴(yán)峻。高陡邊坡穩(wěn)定性分析及治理已成為礦山安全生產(chǎn)的重要課題。露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題不僅影響礦山生產(chǎn)的順利進(jìn)行，還對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境和居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施研究對(duì)于防范礦山事故、保障資源可持續(xù)開發(fā)具有重要意義。通過(guò)對(duì)影響高陡邊坡穩(wěn)定性的因素的分析，探究了相應(yīng)的穩(wěn)定性分析方法，并探討了治理措施。首先，從地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、開挖方式和氣象條件等方面分析了影響高陡邊坡穩(wěn)定性的因素。這些因素相互作用，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。其次，介紹了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬等邊坡穩(wěn)定性分析方法，以期為礦山企業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。在治理措施方面，提出了錨桿加固、排水措施、放緩邊坡和生態(tài)恢復(fù)等方法。錨桿加固是通過(guò)錨桿將邊坡巖體與穩(wěn)定巖體相連，提高邊坡穩(wěn)定性；排水措施旨在降低邊坡巖體的飽和度，減小滑動(dòng)力；放緩邊坡是通過(guò)調(diào)整邊坡角度，降低邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)；生態(tài)恢復(fù)則是通過(guò)植樹、種草等手段，改善邊坡生態(tài)環(huán)境，提高邊坡穩(wěn)定性。在今后的工作中，應(yīng)進(jìn)一步深入研究邊坡穩(wěn)定性分析方法，提高分析精度，為礦山企業(yè)提供更可靠的依據(jù)。同時(shí)，積極探索新型治理技術(shù)，降低邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，保障礦山生產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。1、工程概況由于過(guò)去無(wú)序的開采活動(dòng)，該礦山在魯東南地區(qū)形成了一個(gè)高陡的邊坡。邊坡的長(zhǎng)度達(dá)到124米，高度在60至90米之間變化。通過(guò)實(shí)測(cè)資料，可以看出該地區(qū)存在著多個(gè)不同高程的點(diǎn)，包括+330米、+315米、+300米、+288米、+264米、+255米和+240米等。在邊坡的底部，最低的高程為+240米。邊坡上形成了多個(gè)臺(tái)階，其寬度從1米到5米不等，而且這些臺(tái)階的傾斜角度也在59度到80度之間，最終達(dá)到64度。此外，邊坡上還存在著大量的浮巖。在地質(zhì)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)邊坡頂部為崮山組的灰?guī)r和頁(yè)巖互層，厚度在8至14米之間。在頁(yè)巖下面，分布著三層礦層，其中KC01層的厚度在18至65米之間，平均厚度為30.34米，主要巖性為晶質(zhì)灰?guī)r，表面覆蓋有豹皮灰?guī)r和鮞?；?guī)r。這些地質(zhì)特征對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和采礦活動(dòng)都有著重要的影響；KC02層厚16.0~85.54m，平均為55.35m，巖性以豹皮凝灰?guī)r、中鮞狀凝灰?guī)r、晶質(zhì)凝灰?guī)r為主；KC03礦體厚度在2.80—69.05m之間，平均為37.84m。礦體下部為厚8—15m的海底盆地上部泥頁(yè)巖。巖性主要為深紫紅色及青灰色云母片巖，夾有薄層灰-淺結(jié)晶-海綠色-生物碎屑砂巖及鮞?；?guī)r。2、剖面選取和巖石力學(xué)參數(shù)為了對(duì)廢棄礦山邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，我們選取了一個(gè)典型的高邊坡作為研究對(duì)象。在穩(wěn)定性分析過(guò)程中，首先使用了CAD軟件對(duì)邊坡的斷面進(jìn)行處理和建模。這一步驟非常關(guān)鍵，因?yàn)樗鼮楹罄m(xù)的穩(wěn)定性計(jì)算提供了必要的技術(shù)支持。通過(guò)CAD軟件，我們可以清晰地了解到邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層分布、巖石類型等重要信息，這些數(shù)據(jù)對(duì)于判斷邊坡的穩(wěn)定性具有非常重要的意義。在完成斷面建模后，我們就可以進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的治理措施，以確保礦山邊坡的安全穩(wěn)定。其剖面圖模型如下圖1所示。圖1剖面模型在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上了，依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50218-2014)，依據(jù)巖石力學(xué)測(cè)試構(gòu)造，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖體完整性調(diào)查，選擇了表1中列出的巖石力學(xué)基準(zhǔn)參數(shù)。表1設(shè)計(jì)參考巖石力學(xué)參數(shù)3、邊坡穩(wěn)定性分析3.1邊坡破壞類型露天礦山邊坡穩(wěn)定分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，因?yàn)樗艿奖姸嘁蛩氐挠绊憽Ｂ短斓V巖石邊坡作為一種復(fù)雜的地質(zhì)復(fù)合體，在天然條件下，其失穩(wěn)因子及失穩(wěn)模式相當(dāng)復(fù)雜。在實(shí)際工程中，滑坡失穩(wěn)的主要形式包括平面滑移型、圓弧型滑動(dòng)、楔型破壞、傾倒型破壞等。本項(xiàng)目以廢棄礦山邊坡為研究對(duì)象，特別關(guān)注了構(gòu)造發(fā)育良好、節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯的典型邊坡。為了更好地研究邊坡穩(wěn)定性，我們選擇了弧形滑移、楔形破壞、傾覆破壞和崩落破壞這四種失穩(wěn)模式作為研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)這些失穩(wěn)模式的分析，我們可以更好地了解邊坡穩(wěn)定性的影響因素，從而為實(shí)際工程提供參考和指導(dǎo)。在分析過(guò)程中，我們還考慮了邊坡的地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)、水文地質(zhì)等因素，以期為礦山邊坡穩(wěn)定性分析提供更為全面的認(rèn)識(shí)。3.2邊坡穩(wěn)定性分析方法選擇及計(jì)算結(jié)果邊坡穩(wěn)定性分析目前主要采用定性分析和定量分析兩種方法。定性分析是通過(guò)研究邊坡的各種影響因素，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行快速評(píng)估。然而，在本次研究中，我們主要采用定量分析方法來(lái)評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。定量分析通常采用極限平衡法，該方法能方便地確定邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，因此得到了廣泛應(yīng)用。極限平衡法基于邊界平衡法理論，通過(guò)各種不同的假設(shè)條件，提出了各種分析理論和方法。然而，這些方法在邊坡穩(wěn)定性分析的最終結(jié)果和準(zhǔn)確性上存在差異。為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次模擬分析主要采用自然工況下的極限平衡分析方法。我們利用理正巖土邊坡穩(wěn)定性分析軟件和Geostudio軟件分別進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。通過(guò)這些軟件的分析，我們可以得到更準(zhǔn)確的邊坡穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果。3.2.1理正巖土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算理正巖土邊坡穩(wěn)定性分析軟件是一款功能強(qiáng)大的巖土工程計(jì)算工具，它主要由理正軟件股份有限公司研發(fā)。該軟件專為巖土工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)，旨在幫助他們更準(zhǔn)確、高效地完成邊坡穩(wěn)定性分析工作。理正巖土邊坡穩(wěn)定性分析軟件涵蓋了巖土工程領(lǐng)域的各個(gè)方面，包括擋土墻設(shè)計(jì)、超級(jí)土釘設(shè)計(jì)、抗滑樁設(shè)計(jì)、地基處理計(jì)算、軟土路堤、堤壩、彈性地基梁、巖質(zhì)邊坡分析、重力壩設(shè)計(jì)、邊坡滑坍治理、水力學(xué)計(jì)算、滲流分析計(jì)算、遂道襯砌設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定分析、建坡?lián)跬翂Φ取o(wú)論是鐵路、公路、水利、市政、城建等行業(yè)，都可以在這款軟件中找到適合自己的計(jì)算需求。理正巖土邊坡穩(wěn)定性分析軟件采用了先進(jìn)的技術(shù)和算法，可以快速、準(zhǔn)確地完成計(jì)算任務(wù)。同時(shí)理正巖土邊坡穩(wěn)定性分析軟件件還提供了豐富的功能，如自動(dòng)計(jì)算浸潤(rùn)線、等勢(shì)線、流線等，使得用戶可以更直觀地了解計(jì)算結(jié)果。此外，該軟件與相關(guān)規(guī)范緊密配套，計(jì)算結(jié)果可靠，可以為工程技術(shù)人員提供有效的參考依據(jù)。在本次邊坡穩(wěn)定性分析中我們利用理正巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析軟件，采用極限平衡法和Moore-Cullen準(zhǔn)則對(duì)簡(jiǎn)單平面滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2簡(jiǎn)單平面滑動(dòng)穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果巖體重量(kN)水平外荷載(kN)豎向外荷載(kN)結(jié)構(gòu)面上正壓力(kN)總下滑力(kN)總抗滑力(kN)安全系數(shù)126877.10.00.0109878.863438.672186.61.1383.2.2Geostudio軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Geostudio軟件是加拿大研制的，主要應(yīng)用于各種斜坡的設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，Geostudio軟件都是不可缺少。軟件采用極限平衡法進(jìn)行完成計(jì)算分析過(guò)程。在廢棄礦山的邊坡穩(wěn)定性分析中利用Geostudio軟件，將已有的2D斷面圖導(dǎo)入Geostudio，并對(duì)各層進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的賦值，同時(shí)對(duì)滑面入口、出口處進(jìn)行人工假設(shè)，采用Bishop方法及Morgenstern-Price方法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。在自重工況下，采用Bishop方法對(duì)該邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定度分析，計(jì)算到的穩(wěn)定系數(shù)為0.85，其計(jì)算結(jié)果見圖表2；由Morgenstern-Price方法得到的安全系數(shù)是0.846，其結(jié)果顯示在圖3中。圖2Bishop法計(jì)算結(jié)果圖3Morgenstern-Price法計(jì)算結(jié)果3.3邊坡穩(wěn)定性分析3.3.1邊坡安全等級(jí)根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014）的規(guī)定，邊坡安全等級(jí)具體按照如表3表、4表、表5確定。表3邊坡危害等級(jí)邊坡危害等級(jí)IIII可能的人員傷亡有人員傷亡有人員受傷無(wú)人員傷亡潛在的經(jīng)濟(jì)損失直接間接≥100萬(wàn)≥1000萬(wàn)50萬(wàn)~100萬(wàn)500萬(wàn)~1000萬(wàn)≤50萬(wàn)≤500萬(wàn)綜合評(píng)定很嚴(yán)重嚴(yán)重不嚴(yán)重該邊坡危險(xiǎn)等級(jí)Ⅰ，邊坡高度為60m~90m小于100m，因此確定邊坡危險(xiǎn)等級(jí)Ⅱ，在荷載組合Ⅰ條件下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.20~1.25。3.3.2邊坡穩(wěn)定性分析采用理正巖土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)為1.138，采用Geostudio軟件計(jì)算的結(jié)果為0.85，采用Bishop方法得到的安全系數(shù)為0.846,通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者安全系數(shù)相近，盡管理正巖土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件稍大，但其安全系數(shù)仍然不能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。用該方法得到的穩(wěn)定數(shù)值略有偏差，但其安全系數(shù)仍然與規(guī)范不符。因此可以斷定這是一個(gè)不穩(wěn)定的邊坡。表4邊坡工程安全等級(jí)劃分表5不同載荷組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)邊坡工程安全等級(jí)邊坡工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)載荷組合I載荷組合II載荷組合IIIIIIIII1.25~1.201.20~1.151.15~1.101.23~1.181.18~1.131.13~1.081.20~1.151.15~1.101.10~1.05注：1、載荷組合Ⅰ為自重+地下水；載荷組合Ⅱ?yàn)樽灾?地下水+爆破振動(dòng)力；載荷組合Ⅲ為自重+地下水+地震力.2、對(duì)臺(tái)階邊坡和臨時(shí)性工作邊坡，允許有一定程度的破壞，設(shè)計(jì)安全系數(shù)可適當(dāng)降低.4、治理措施和效果4.1治理措施4.1.1臺(tái)階式削坡該處廢棄礦石邊坡較高較陡，一般的自然恢復(fù)無(wú)法達(dá)到消除安全隱患的效果。利用削坡方法清除多個(gè)平臺(tái)，既能解決安全問(wèn)題，又能恢復(fù)草原和林木，又能清除多余的資源，進(jìn)行收益處置。在借鑒周圍廢舊礦井經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)切坡方法，在10米高、8米寬、60度臺(tái)階的基礎(chǔ)上，形成9個(gè)次級(jí)平臺(tái)，包括+240m,+250m,+260m,+270m,+280m,+300m,+310m,+320m。對(duì)平臺(tái)進(jìn)行清洗，使各平臺(tái)向內(nèi)傾斜1%左右，增大其儲(chǔ)水容量，并在其與坡面交接的地方設(shè)置一條排水渠，使其上的雨水能夠順利排出，從而避免了平臺(tái)上的水沖刷邊坡。4.1.2覆土綠化在臺(tái)階削坡結(jié)束后，為了恢復(fù)植被，可以在平臺(tái)上覆蓋0.6米的土層，按照1.5米×1.5米的行距種植黑松，在坡面上可以間植蜀檜、綿槐、迎春花、板栗等當(dāng)?shù)爻Ｓ镁G化植物，此外，還可以在大面積的巖石縫隙撒播綿槐、爬山虎等增加可生長(zhǎng)植物的可能性，同時(shí)，條藤類還可以輔助增加復(fù)綠，而且它們的根系比較發(fā)達(dá)，可以有效地增強(qiáng)坡面的固土和涵水能力。4.2治理效果基于上述分析和計(jì)算結(jié)果，采用理正巖土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件計(jì)算所得到的安全系數(shù)稍高，故選擇Geostudio作為計(jì)算程序。首先，將AutoCAD生成的2D剖面輸入Geostudio，對(duì)各層進(jìn)行相關(guān)參數(shù)賦值，通過(guò)人工假設(shè)滑面出入口，采用Bishop方法及Morgenstern-Price方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。采用Bishop方法求出的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.245，其結(jié)果見表4；由Morgenstern-Price方法得到的安全系數(shù)是1.234，其結(jié)果顯示在表5中。治理后邊坡的安全系數(shù)都在1.2以上，說(shuō)明治理后邊坡為穩(wěn)定邊坡。圖4治理后Bishop法計(jì)算結(jié)果圖5治理后Morgenstern-Price法計(jì)算結(jié)果5、結(jié)語(yǔ)露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施分析是一項(xiàng)重要的工作，對(duì)于確保礦山生產(chǎn)安全、保護(hù)環(huán)境和周邊人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有關(guān)鍵作用。露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施分析是一項(xiàng)系統(tǒng)性、綜合性的工程。通過(guò)科學(xué)合理的邊坡穩(wěn)定性分析、制定有效的治理措施、實(shí)施嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)預(yù)警，為礦山安全生產(chǎn)提供保障。通過(guò)分析，本文得出以下結(jié)論：1）我們利用理正巖土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件和Geostudio軟件對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，以分析其邊坡穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果顯示，邊坡在自重工況下的穩(wěn)定性存在一定的安全隱患。2）為了消除這些安全隱患，我們采取了削坡形成多級(jí)平臺(tái)的措施，并再次通過(guò)Geostudio軟件對(duì)治理后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。令人欣慰的是，治理后的邊坡的最小安全系數(shù)為1.234，大于規(guī)范值1.2，這表明我們所采取的措施是有效的，選取的臺(tái)階參數(shù)也是合理的。3）大氣降水可能會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為了減少這種影響，我們建議應(yīng)做好邊坡防排水措施，如在臺(tái)階坡面設(shè)置截排水設(shè)施，并增加綠化，以保證邊坡的穩(wěn)定性。4）在這項(xiàng)研究中，我們只考慮了自重工況下的邊坡穩(wěn)定性，并未考慮到地震、開挖等多種復(fù)雜工況對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，我們建議在實(shí)施削坡爆破時(shí)，應(yīng)采用預(yù)裂爆破技術(shù)，以減少爆破震動(dòng)對(duì)邊坡的擾動(dòng)破壞，從而確保邊坡的穩(wěn)定性?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)這次研究，我們不僅成功地利用了理正巖土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件和Geostudio軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析，而且還提出了在實(shí)際工程中需