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露天礦滑坡控制技術的應用與研究

文檔作者：寇明遙王永智文檔來源： 1．白銀石晉礦業有限公司 2．西北礦冶研究院		點擊數：	更新時間： 2025年02月19日
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第32卷第1期
2010年2月
甘肅冶金
GANSU METALLURGY
V01．32 No．1
Feb．，2010
文章編號：1672-4461(2010)01-0024-04
露天礦滑坡控制技術的應用與研究
寇明遙 ，王永智
(1．白銀石晉礦業有限公司，甘肅白銀730900；2．西北礦冶研究院，甘肅白銀730900)
摘要：通過對露天礦開采邊坡的破壞形式和采用的控制技術分析，對于目前采用極限平衡理論為基礎計算可能
破壞面或滑移面上的破壞與抗破壞的阻力和以應力應變理論為基礎的，利用有限單元法或離散單元法等計算巖體
中各部位的應力與應變值的兩種方法進行研究，認為三維離散單元法對解決露天礦山的邊坡的破壞具有指導意
義。
關鍵詞：露天礦；滑坡控制技術；應用研究
中圖分類號：TD824．7 1 文獻標識碼：A
1 引言
露天礦山的開采過程中，邊坡巖體穩定與否是
制約著礦山生產效益最主要的影響因素之一。在我
國露天開采的產量所占的比重亦相當大，目前鐵礦
石露天開采90％左右，有色金屬礦石占52％左右，
化工原材料近似100％ ，露天煤礦占4％ 左右。然
而，在露天開采過程中，邊坡巖體的穩定與否是影響
礦山生產效益最主要的因素，因此，提高礦山生產效
益的最關鍵的問題，既要增大邊坡角度，又要確保邊
坡的穩定性，這是一對十分尖銳的矛盾，是目前露天
采礦者共同關注的問題之一。
礦山滑坡、山崩及斜坡崩坍等自然災害，每年使
露天采礦工程許多方面受害，目前為止對邊坡穩定
性進行過許多探討，但仍有許多問題尚未解決，因此
仍有必要對邊坡穩定性進行研究。
在礦業工程中，由于邊坡的失穩破壞對工農業
生產和人民生命財產造成了巨大的損失，因此對邊
坡穩定性的研究歷來是工程技術人員非常關心的課
題，從邊坡穩定的機理、預測預報的方法和邊坡的加
固治理等，進行了大量的研究。當前比較成熟的邊
坡穩定性計算和預測理論，是基于有限單元法和極
限平衡方法，就作者的看法，目前對邊坡穩定性分析
進行的計算機模擬及計算分析所運用的方法比較單
一：或者運用極限平衡法，或者運用有限元法對邊坡
進行單一的分析。
2 邊坡病害的基本形式
邊坡病害分為以下三類，一是滑坡。滑坡是斜
坡的部分巖土體在自然下移動。滑坡按其引起滑動
的力學特性來區分，可分為牽引式和推移式滑坡。
牽引式滑坡，是下部先滑動，使上部失去支撐而變形
滑動，一般速度較慢，橫向張性裂隙發育，表面多呈
階梯狀或陡坎狀。推移式滑坡是上部巖土擠壓下部
巖土體產生變形，滑動速度較慢，滑體表面波狀直
伏，多見于有堆積手分布的斜坡地段。在公路建設
中，臺設計施工不當，改變了原來斜坡的平衡狀態，
則將引發工程新滑坡或工程復活古滑坡。
邊坡的第二類病害是崩塌。所謂崩塌是整體巖
土塊脫離母體突然從較陡的斜坡上崩落下來，并順
斜坡猛烈翻轉、跳躍，最后堆落在山腳。它有突發
性，危害較大。
邊坡的第三類病害是剝落。邊坡表層受風化，
在沖刷和重力作用下，不斷沿斜坡滾落。
3 礦山滑坡控制技術的研究現狀
邊坡的穩定性分析屬于巖土力學中的穩定問
題，也是巖土工程中非常重要而實際的問題。因此
合理布局，因地制宜地選擇實用、合理、經濟措施，確
保邊坡工程的穩定，同時達到與周圍環境協調，保持
生態環境的相對平衡，確保邊坡的穩定與安全。
近年來邊坡穩定性研究得到蓬勃發展，如斷裂
力學方法、耗散結構理論、神經網絡方法、基因遺傳
算法、人工智能專家系統方法、隨機模擬理論、模糊
概率分析、動靜分析方法、土壤的流失方程、運用
FLAC數值計算、物理模擬試驗、Monte—Carlo—Sar—
ma法、三維有限元方法、離散元方法及極限平衡法
等在邊坡穩定性研究領域都取得了一系列的成就。
第1期 寇明遙，等：露天礦滑坡控制技術的應用與研究
3．1 控制礦山滑坡的工程的研究現狀
在條件復雜的邊坡上運用高壓注漿的方法加固
軟弱夾層，運用了一項先進技術，實現了在無約束條
件的邊坡上經過三個注漿過程實施了高壓注漿，并
安裝了抗剪錨桿，實現了“錨”和“注”的完美結合，
這一工程成果具有重要的推廣價值。
噴錨網支護是靠錨桿、鋼筋網和混凝上層共同
工作來提高邊坡巖土的結構強度和抗變形剛度，減
小巖(土)體側向變形，增強邊坡的整體穩定性。主
要適用于巖性較差、強度較低、易于風化的巖石邊
坡；或雖為堅硬巖層，但風化嚴重、節理發育、易受自
然營力影響、導致大面積碎落，以及局部小型崩塌、
落石的巖質邊坡；或巖質邊坡因爆破施工，造成大量
超爆、破壞范圍深入邊坡內部，路塹邊坡巖石破碎松
散、極易發生落石、崩塌的邊坡防護。經技術經濟比
較，決定采用噴錨網支護方案進行防護。
3．2 控制礦山邊坡工程存在的問題與不足
我國的邊坡破壞和處理做了許多實驗性嘗試，
采用了多種加固型式，基本達到了預期的效果，但仍
有許多沉痛的教訓值得認真總結。因排水防護不當
使基礎的含水量增加引起巖體的整體強度下降造成
的損失更是無法統計。歸納起來存在的問題有：
(1)缺乏系統的加固方案、措施研究和綜合設計。
(2)在加固方案、加固型式選擇方面缺乏技術、工
程經濟比較分析。
(3)土的本構關系研究雖然進行了多年，但是要
想利用一兩個簡單的力學模型來全面、正確、完整地
反映土體內部的應力應變關系實際上難以做到，大
多數本構關系都是建立在一系列假設基礎之上。
(4)施工方法對邊坡穩定性的影響，往往是人們
在研究過程中很容易忽視的一點，施工方法不正確、
施工程序的顛倒常常會使本來可穩定的工程變成不
穩定。
(5)由于施工周期短、任務重，很多工程建設成為
“三邊”工程，基礎研究不夠，對邊坡穩定性評價的
方法不健全，對邊坡破壞的機理不清楚，沒有及時采
取適當的工程處理措施，因而造成邊坡潛在隱患較
多，設計時常有發生，施工費用大幅度增長。
(6)由于各地區的差異缺乏各分區最佳加固典型
型式，使設計人員難以操作。
4 控制礦山滑坡技術的常用方法
隨著巖體穩定性評價由定性向定量階段的發
展，目前采用的邊坡穩定性分析的數學力學計算方
法大體上分為兩類：一類是以極限平衡理論為基礎
的，計算可能破壞面或滑移面上的破壞與抗破壞的
阻力；另一類是以應力應變理論為基礎的，利用有限
單元法或離散單元法等計算巖體中各部位的應力與
應變值，這類方法可以在考慮巖體復雜力學屬性的
基礎上去分析巖體中應力的變化和位移分布，確定
其穩定性等等。
4．1 極限平衡法
極限平衡法是邊坡穩定計算中最廣泛采用的方
法，現今的計算邊坡穩定的極限平衡方法大多采用
條分法，根據所考慮的因素不同及所設定的滑動面
形狀不同有以下幾種方法：瑞典條分法、BISHOP
法、余推力法、JANBU法、sARMA法等。
(1)瑞典條分法為最早的條分法，只考慮了所劃
分條塊受到的重力和粘聚力，而余下幾種方法都考
慮到了條塊之間相互作用的水平力和剪力，由于瑞
典條分法所考慮因素與實際情況相差較大所以現在
已不采用。
(2)BISHOP法所考慮滑面形狀為圓弧形，其適
用于上面所介紹的圓弧形滑動破壞。
(3)余推力法所考慮滑面形狀為折線形，其求出
的結果最后一個條塊的下滑力，通過這個下滑力來
判斷邊坡穩定與否，所以其通常用于折線形破壞邊
坡與路基的設計中。
(4)JANBU法所考慮滑面形狀為直線和曲線組
成的非圓弧滑動面，該法的主要特點在于，不假定條
塊界面上的推力的數值或方向，而是假定條塊間的
水平推力作用位置，推力作用點一般假設在條塊界
面的下部三分之一位置，各條塊作用點連成為一光
滑曲線，稱為“推力作用線”。假定推力作用線已經
畫出，可利用力矩平衡條件，把條塊側邊的垂直方向
的剪切力表示成水平方向推力的函數關系，即T=f
(E)。相當于消去了T，使問題得解。
(5)SARMA法是一種普遍使用的極限平衡法，可
用以確定各種形狀邊坡的穩定性計算。其基本觀點
是，滑體破壞必須首先破裂成多個可以相對滑動的
分塊體，在滑動時不僅要考慮滑動面上剪應力平衡
條件，而且還要計算滑體內部分塊間的側面剪應力。
在分塊劃分上，允許根據滑體內部工程地質構造自
由地改變分塊兩側邊的傾斜度。
隨著人們認識水平的提高，大多國內外巖土工
程專家逐漸認識到極限平衡法只是一種近似的計算
方法，采用此方法只能求得一種粗略的綜合性近似
解答，它需要其它方法對其進行必要的補充，以得到
切合邊坡實際的評價結果。
4．2 有限單元法
有限單元法應用于巖土工程專業的最早論文是
由Clouch和Woodward(1967)為第一屆土坡和堤壩
囂譬摟
26 甘肅冶金 第32卷
的穩定與管理的巴克利會議撰寫的。30多年來，隨
著計算機技術的不斷發展，有限單元法已廣泛應用
于巖土工程界的各個領域。巖土工程界對工程對象
的認識從過去的線彈性發展到非線性，有限元分析
中也出現了彈塑性分析，有限元從二維發展到三維，
在邊坡穩定分析方面有限單元法比傳統的極限平衡
法有如下優點：
(1)有限元數值分析模擬方法不但能夠對邊坡穩
定性進行定量評價，而且能夠考慮巖體應力一應變
關系的非線性特性及力學性質方面的不均勻性和各
向異性。
(2)由于在有限元法中沒有條的概念，因此也就
沒有關于條間力的假定，有限單元法保證整體平衡
直至破壞發生。
(3)有限單元法能夠追蹤破壞的過程直至整體剪
切的破壞。
基于有限元的上述優點，它在邊坡巖體的穩定
性評價方面得到比較廣泛的應用。與此同時，國內
外巖土工程專家提出了不少模擬巖土材料的數學力
學模型如基于Mohr---Coulomb準則的彈性模型、基
于格里菲斯強度理論的巖土斷裂模型、鄧肯一張、劍
橋彈塑性模型以及逐漸發展起來的粘彈塑性模型
等。基于此，國內外開發了很多有限元軟件如
FLAC3D、UDEC、UNSYS、3D一盯、SAP等，這些軟件
在巖土工程界得到了比較廣泛的應用。但是巖體本
身是一種非常復雜的介質，一般情況下，往往存在著
分層性、裂隙性、力學性質上的非均質性、非線性和
流變性，現今的有限元方法在分析這些問題上存在
著一些缺憾，只能近似的模擬現場的實際狀況，將一
些條件省略。
4．3 離散單元法
該方法的一個突出功能是它在反映巖土體之間
接觸面的滑移、分離與傾翻等大位移的同時，又能計
算巖土體內部的變形與應力分布，并且能夠再現邊
坡的滑移過程。因此自該方法問世以來，得到了廣
泛的應用和深入的研究。
但是現今研究邊坡穩定性存在的問題在于，雖
然方法有很多種，但是許多從事巖土工程工作的工
程師對邊坡穩定性進行分析時總是采用單一的方
法，諸如只采用極限平衡或有限元或離散元等，不能
對邊坡進行全面系統的分析。所以在邊坡穩定性計
算方面，運用計算機技術，采用多種數值分析方法與
極限平衡法并舉，相互校驗是今后邊坡穩定研究的
一個發展方向。如我國的周維恒教授、張有天等在
長江三峽水電站的船閘邊坡工程中，采用五種計算
方法對邊坡的穩定性進行了科學評價。還有邊坡穩
定性研究與工藝結合，注重邊坡監測，注重滑坡預測
與治理，追求技術與經濟的完善結合應該是今后邊
坡穩定分析的努力方向。
5 控制礦山滑坡技術的新方法
5．1 礦山滑坡預測的非線性混沌模型
礦山滑坡是一個受地質條件、地下水、地震和人
類工程活動等多種因素影響而發展演化的多維非線
性溫飩系統。在工程實際中，很容易得到滑坡體某
一監測點的位移時間序列，這也是反映滑坡動態是
重要的一個變量。而影響滑坡變形破壞的其他因素
的時間序列則不易直接得到，往往需要預測。因此，
如何不利用其他因素的數據序列，只用所觀察到的
位移時間序列x ，X：，?，X ，建立恰當的動態模型來
預測X + ，是一件值得研究的具有十分重要應用價
值的工作。
5．2 礦山滑坡穩定性的可拓聚類預測
礦山邊坡穩定性的評價與預測是邊坡工程研究
的根本問題，也是邊坡研究中最難和最迫切的課題
之一。2O世紀7O年代以前，邊坡穩定性的評價是
以定性描述與分析為主，這種方法應用起來有較大
的隨意性，不便于設計應用且需要有較豐富的工程
經驗。然而，客觀上由于邊坡體的復雜多變性，使得
人們的認識受到限制，存在很多隨機性、不確定性和
模糊性，同時又受數理論的限制。這樣就很難獲得
“最優解”。使認為獲得了“最優解”，實際并非真正
的“最優解”。
5．3 礦山邊坡與周邊環境安全綜合評價方法
在安全性的具體評價過程中也是從邊坡巖體強
度的角度去分析巖體的穩定程度或先穩的概率大
小，然后視其穩定程度采取相應的安全措施。這對
于礦坑周邊為城市群的老礦區的開采安全來說顯然
是不合理的，因為它沒有考慮采動效應對周邊環境
的影響，從而使得這些礦山的繼續開采對周邊各種
設施產生嚴重的破壞作用，并造成巨大的經濟損失。
眾所周知，任何礦山巖體工程開挖都將改變原
巖的應力狀態，致使地質體的原巖應力場發生變化
而重新分布，從而使得巖體產生移動和變形。由于
巖體本身具有一定的承載能力，當巖體變形未達到
其允許變形的極限值時，從強度理論來看巖體是穩
定的，也是安全的，但對于周邊為城市群的礦山開采
來說，則未必是安全的，因為對于地質體這種特殊材
料而言，在滿足其強度要求的條件下，巖體仍然要產
生一定的變形；又由于位于礦坑周邊的各種建筑物、
各種市政設施的抗變形能力有限，有些區域的巖體
雖然從強度方面來看是安全的，但對該區域內的建
黼 糕
第1期 寇明遙，等：露天礦滑坡控制技術的應用與研究 27
筑設施卻產生嚴重的破壞作用，從這方面來看又是
不安全的。因此，對這類礦山的開來就要更新現有
的安全評價方法。原有評價內容僅從巖體抗破壞的
強度方面進行分析與計算，計算結果僅僅評價巖體
是否會產生破壞，最終它只能保證礦山本身的安全，
而對巖體所產生的形變作用不予以考慮。這對于周
邊為城市群的老礦區的開采顯然是不合理的。
因而對此類礦山來說，需要在滿足巖體強度要
求的前提下對是否滿足環境安全等內容進行研究和
預測，并確定地面的變形和破壞范圍，以便確保礦山
和周邊環境的安全。這樣評價與分析對礦山后續開
采才具有真正的安全意義。
6 結語
隨著計算機技術的飛速發展，斷裂力學方法、耗
散結構理論、神經網絡方法、基因遺傳算法、人工智
能專家系統方法、隨機模擬理論、模糊概率分析、動
靜分析方法、土壤的流失方程、運用FLAC數值計
算、物理模擬試驗、Monte—Cado—Sarma法、三維有
限元方法、離散元方法及極限平衡法等應用于大型
邊坡工程的預測、監測、加固等等問題有著廣闊的前
景。特別是三維離散元剛性塊體模型的研究，提出
并實現了可變形、可斷裂模型。使單元的力學行為
更為接近于實際的巖土體，客觀反映巖土體的真實
力學特性。使得三維離散單元法應用于土質邊坡工
程數值計算更為合理。并在前處理程序中加入了根
據實際地形、地質條件劃分塊體和邊界塊體的標識
功能，能根據實際坡體外部形態實現自動劃分單元。
然而對于數值計算分析前提的巖土體的宏觀力
學參數的合理取用，對計算結果的可靠性也有重大
影響。在這方面，可以和地質的勘探和試驗工作結
合，使得計算結果更加合理、可信。可以想象，隨著
計算機技術的飛速發展，三維離散單元法應用于大
型邊坡工程的預測、監測、加固等等問題有著廣闊的
前景。
參考文獻：
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收稿日期：2010—01—27
作者簡介：寇明遙(1968一)，男，工程師。主要研究方向：礦山技術。
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