摘 要

某矿山设计后，将在矿区的东部形成高约339m的露采边坡，其东部是一个高峰，其海拔高度为1223.3m。露采边坡加上自然山坡，矿山开采后将形成高约523m、边坡角达53°以上的高陡边坡。如此高陡边坡，故其稳定与否关系重大，边坡一旦失稳破坏，将造成巨大的人员伤亡和经济损失。因此，设计边坡与自然边坡形成的高陡边坡的稳定性以及边坡周边岩体稳定性是本次研究的重点内容。本次研究将采用FLAC3D软件对开采现状的岩体稳定性状态进行研究，其主要目的是：分析目前矿区边坡的稳定性，以及验证设计的底部标高为700m露天坑东部的边坡按本研究推荐边坡角后的边坡稳定性。经分析确定了矿区东部边坡角选取48°能够保证边坡的稳定。

关键词：高边坡；FLAC3D； 边坡稳定性；数值模拟

Abstract

After the design of a mine, an open-pit slope with a height of about 339m will be formed in the eastern part of the mining area. The eastern part of the slope is a peak with an altitude of 1223.3m.Open-pit slope and natural slope, after the mining a high and steep slop will be formed .It`s about 523 meters high and it`s slope angle about 53°.With such a high and steep slope, its stability is of great importance. Once the slope is unstable and damaged, huge casualties and economic losses will be caused.Therefore, the stability of high and steep slope formed by the design of slope and natural slope and the stability of surrounding rock mass are the key contents of this study.In this study, FLAC3D software will be used to study the stability of rock mass at present mining status，Its main purpose is to analyze the stability of slope in mining and to verify the stability of the designed eastern slope of the open pit slope after the slope angle is recommended in this study when the bottom elevation of the design is 700m .Through the analysis to determine the mining area in the eastern slope angle of 48 ° can guarantee the stability of the slope.

Key Words: high slope; slope stability; numerical modeling; FLAC3D

目 录

第1章 绪论 1

1.1边坡稳定性国内外研究现状 1

1.2 矿区工程地质概况 2

1.2.1 矿区构造 2

1.2.2矿区地层 2

1.2.3 矿体特征 3

1.3 矿区边坡稳定存在的问题 3

第2章 影响矿区露天边坡稳定性的因素 4

第3章 边坡许用安全系数的确定 6

3.1评分估计法 6

3.2工程类比法 6

3.3规范法 7

第4章 矿区东部边坡稳定性数值模拟分析 9

4.1边坡模型的建立 9

4.2边坡稳定性与边坡角度关系的分析 10

4.3 边坡稳定性与边坡高度关系的分析 13

4.4边坡稳定性分析结果小结 16

第5章 合理边坡角的确定 17

5.1国内石灰石实例矿山的边坡角 17

5.2边坡稳定性数值分析结果 19

第6章 边坡稳定性控制措施 21

6.1边坡加固 21

6.2控制爆破 22

6.3日常边坡安全管理制度 23

6.4.滚石灾害的防治 23

6.5.边坡防排水措施 22

结 论 25

参考文献 25

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 边坡稳定性国内外研究现状

百年以来，国内外露天矿所占的矿石产量比重在逐年的增加。在露天矿山的开采过程中，随着矿山开采深度的不断增加和矿山边坡的不断加高，一方面使得矿山企业能够充分回收矿产资源、降低开采成本、增加开采效益；而另一方面则会使得矿山边坡的安全性和稳定性降低，给矿山的安全生产带来影响。矿山的边坡角每增加一度，就可能为矿企节约上千万元甚至是上亿元的剥岩费用。因此，在矿山的开采过程中，提高矿山经济效益和保证矿山能够安全生产之间的矛盾越来越突出。研究矿山高陡边坡的稳定性对于推动国内外高陡边坡开采具有十分重要的意义。

人们对于露天边坡稳定性分析的研究已有十分长久的历史，它涉及了很多个学科，包括：工程结构学、力学、现代计算机技术、工程数学等。伴随着科学技术的不断发展，人们对边坡稳定性的分析手段经历了从经验分析到理论分析、从定性分析到定量分析、从单一评价到综合评价、从传统理论分析到新理论新分析的过程，研究深度越来越深。

目前国内外比较常用的边坡稳定性分析方法有：极限平衡分析法、极限分析法、工程地质分析法、数值分析法、可靠性分析法等多种方法。这些方法各自有各自的优缺点。拿工程地质分析法来说，工程地质分析法是一种定性分析的方法，它的理论基础是工程地质类比方法、地质成因演化理论和岩体结构控制理论三部分。工程地质分析法通过对工程地质的勘察，首先对工程地质条件进行综合调查，分析造成已有边坡破坏现象的原因、影响因素、边坡破坏发展规律。然后分析所研究的边坡与已产生破坏的边坡在地质条件上的相同与不同之处，通过比较得出该边坡的稳定性分析与边坡可能的发展趋势。工程地质分析法综合考虑了影响边坡稳定性的各种因素，可对边坡稳定性及边坡的发展趋势快速地做出预测，对于确定较为复杂的地质条件下边坡的失稳模式和破坏机制，工程地质分析法有很大的优越性 。但是矿区的地质条件因地而异，使用工程地质分析法分析时主观性较强，对分析人员的实践经验有比较高的要求。

在本文中将采用数值模拟分析法对某矿区东部的边坡稳定性进行分析。随着计算机科学技术日新月异的发展，实现了多种因素耦合作用下的高精度边坡稳定性数值模拟分析。目前比较常见的数值模拟计算方法有很多，主要包括：有限差分法、有限单元法、离散元法、边界元法、快速拉格朗日分析法等。在本文中采用的是快速拉格朗日法，所使用的数值模拟分析软件是基于快速拉格朗日法开发的FLAC3D数值模拟分析软件。快速拉格朗日法，采用了离散模型方法、动态松弛方法和有限差分方法三种技术，并且考虑了材料的非线性和几何学的非线性，将连续介质的动态演化过程转化为离散节点的运动过程。快速拉格朗日法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形。同时，该方法还可以在分析中考虑锚杆的支护结构与围岩的相互作用。快速拉格朗日法在边坡、土石坝、隧道围岩等的稳定性评价与支护设计中应用很广，对于岩土工程问题的处理快速拉格朗日法具有极大的优越性。

1.2 矿区工程地质概况

1.2.1 矿区构造

矿区位于黄龙洞背斜北西段之北东翼，郭家坝向斜南东仰起端。矿区总体呈单侧倾斜构造，近东西走向，倾向较稳定，为北至北偏西，一般340-10°，倾角一般50°-65°，局部倾角可大于70°。

矿区范围内未发现较明显的断裂构造，但是构造节理较发育。构造节理多数较平直，有少量是弯曲状，而且大部分无充填物，少量充填方解石脉，有的充填粘土质，地表多沿节理发育岩溶裂隙。构造节理延伸一般3-5米，少量大于10米。

另外，矿区及外围10公里范围内未见岩浆岩和变质岩分布。

1.2.2 矿区地层

矿区分布地层主要有三叠系下统大冶组（）、嘉陵江组（）及第四系（）三个地层，开采的矿区主要为嘉陵组第二段。嘉陵组特征如下：

第一段（）：分布于矿区南部，与下伏大冶组（）呈整合接触。灰色，含粘土质生物屑灰岩、白云质粒泥灰岩，以及黄色钙质页岩，顶部薄层细晶白云岩。厚度313米。

第二段（）：分布于矿区中部和北部，为矿区主要矿层，工程控制最大厚度256.9米。按岩性将其细分为四个岩层：

第一层（）：下部为浅灰、浅黄色微薄-薄层含泥质条带灰岩，夹浅黄色页岩，局部呈互层状。灰岩单层厚一般0.5-3厘米，少量为小于0.3厘米的页片状。泥质条带地表多呈黄灰色，厚0.5-1毫米，局部密集分布；上部为浅灰-灰色薄-中厚层含泥质条纹灰岩、薄层微晶-粉晶灰岩，由上往下部泥质条纹含量逐渐增多。本层工程控制不全，其厚度大于62米。

第二层（）：下部5.4米为浅红色、浅灰色薄-中厚层白云质灰岩、白云岩，中部33.2米为灰色、浅灰色薄-中厚层微晶-粉晶灰岩，局部含少量云质条带或泥质条带（纹）；上部16.2米为灰-浅灰色、浅红色薄-中厚层细晶白云岩。总厚度54.7米。

第三层（）：灰色中厚-厚层微晶-粉晶灰岩，局部夹大于30厘米的厚层灰岩，单层厚一般5-20厘米。中部含少量泥质条带（纹），顶部含少量白云质条带或团块。工程控制最大厚度127.7-144.6米。

第四层（）：灰色厚层-巨厚层状微晶灰岩，单层厚多大于30厘米，局部夹薄层灰岩。厚度28.2-35.8米。

1. （）：灰色、浅灰色、浅红色角砾状灰岩、白云质灰岩、白云岩。总厚度132米。

1.2.3 矿体特征

矿体赋存于三叠系下统嘉陵江组第二段（），矿体总体呈东西走向，主要分布于矿区中部山脊，出露标高336.8—1225.58米。矿体延伸长度大于2000米，出露宽度450米左右。

矿体呈层状产出，总体为一单斜构造，矿体（层）产状与地层产状基本一致，总体呈近东西走向，倾向北至北偏西，一般340-10°；倾角较陡，一般53-65°。

矿体（层）按岩性特征划分为、、及四个矿层，划分原则与地层基本一致。矿体沿走向基本连续，矿层厚度变化不大，总厚度大于250米。

1.3 矿区边坡稳定存在的问题

矿区边坡岩体上段整体较完整，岩石强度整体较高，有利于边坡的稳定；但下段薄层灰岩厚度较大，对南部尤其是东部边坡的稳定性影响较大。

矿区在开采后将会在矿区东部形成高约523m，边坡角达53°以上的高陡边坡。边坡高、陡而且边坡下部岩石力学参数较差，影响边坡的稳定性，遂在此边坡岩性条件下研究边坡角度和高度的变化对矿区东部高陡边坡稳定性的影响，来为边坡确定一个合理的安全的最终边坡角。

影响矿区露天边坡稳定性的因素

露天边坡稳定性受岩性条件、岩体结构、水文地质条件、边坡形态、地震和爆破等多种因素控制，它们构成一个相互联系、相互影响的整体，其中的任何一个因素的改变往往会导致其它因素发生改变，并引起边坡稳定性状态发生改变。

（1） 岩性条件

边坡上出露的岩性是决定边坡抗滑能力的最基本要素，由于组成边坡岩体的各类岩石的物理力学性质的不同，导致影响边坡岩体的稳定性和所能维持岩体稳定最大边坡角的程度亦有所不同。

（2） 岩体结构

岩体结构反应了岩体的结构面性状和结构面的切割程度，岩体的强度、变形、渗透性和边坡的变形破坏模式受岩体结构面的发育情况控制，边坡的失稳破坏多数发生于边坡岩体的软弱结构面。根据国内外边坡已发生的典型滑坡的分析，露天矿边坡的滑坡模型类型有：圆弧滑面滑坡、楔形体滑坡、顺层滑动滑坡、倾倒变形滑坡、溃屈破坏滑坡、复合形滑面滑坡、岸坡或斜坡开裂变形体、堆积层滑坡和崩坍碎屑流滑坡等。

（3） 水文地质条件

边坡稳定性受地下水的影响主要包括两个方面：一是由于地下水对边坡岩体及弱面强度的软化，会使得边坡岩体的内聚力显著降低；二是由于地下水以孔隙水压力的形式存在于边坡岩体之中，对坡体产生静水压力和动水压力，净水压力会使边坡岩体的容重减小，使岩体的有效应力降低，从而使边坡的抗滑能力下降，动水压力则是通过渗流作用直接参与边坡的下滑力，使边坡的稳定性下降。

（4） 边坡形态

露采坑平面形态对边坡的稳定有较大影响，总体来说，边坡稳定性按平面形态由高至低依次为走向凹坡、平坡和凸坡。随着坡高的加大，稳定坡角要相应降低，坡度的变化主要是会使边坡的应力分布发生变化，随着边坡变陡，张应力值及其分布范围随之加大，坡脚最大剪应力值也增大，影响边坡的整体稳定性。

（5） 地震和爆破

地震作用产生很大的地震附加力，使边坡力学状态发生改变，从而使边坡形态、产出状态及水文地质条件等发生改变。矿区属地震烈度VI度区，地震对边坡稳定性的影响较小。在进行矿区边坡稳定性分析时不必考虑地震影响。

据研究：采场爆破会使边坡的安全系数降低10％甚至更多，是造成边坡失稳破坏最主要的诱发因素之一。因此，矿山在临近边坡形成处应考虑采取控制爆破等措施，以减小矿区爆破对边坡稳定性的不利影响。

（6） 气候条件

气候条件、风化作用、植物生长以及其它因素都可能影响边坡的稳定。以上因素中，岩性条件、岩体结构、水文地质条件和边坡形态是影响边坡稳定性的内在因素，地震、爆破、气候、风化、植物生长等是外部因素。边坡的内部因素对边坡稳定性的影响起决定作用，它决定了边坡稳定性的总体状况，规定了边坡失稳的可能性大小；外部因素则对边坡稳定性起次要作用，它往往通过内因起作用，是边坡失稳的诱发因素。

经分析，矿区露天边坡工程地质复杂程度为中等，且矿区岩溶不发育，地形有利于自然排水，水文地质条件属简单类型。因此，水对边坡的影响较小，有利于边坡的稳定。同时，矿区的地震、爆破振动等因素对矿区边坡的稳定性也影响较小。影响矿区边坡稳定性的主要因素为边坡的最终边坡角和边坡的高度。本次分析将会对不同边坡角条件下的边坡稳定性以及不同边坡高度下的边坡稳定性变化规律，以便找出一个适合边坡的最终边坡角。

第3章 边坡许用安全系数的确定

边坡的许用安全系数是评价边坡稳定性的一个重要指标，是一个很复杂的系统工程问题，且一般边坡安全系数的计算与边坡研究的深度和广度、研究方法、所选参数的代表性和可靠性、边坡高度与坡角及人们对边坡工程地质水文地质条件等诸多因素的认识程度有关。许用安全系数常采用评分评价估计法、工程类比法和规范法来确定。

3.1评分估计法

岩体的力学属性和结构特征是边坡岩体稳定性研究的重要依据，是第一位的影响因素；生产过程所引起的影响因素是边坡稳定性变化的条件，是属于第二位的，且以地下水压力和地震震动力的影响最显著。基于上述认识，矿区露天边坡各影响因素取值如下：

（1）工程地质水文地质条件的复杂性K₁ =1.00；

（2）岩体力学参数试验及工程处理K₂ = 1.00；

（3）边坡破坏模式分析K₃ = 1.00；

（4）地下水K₄ =0.95；

（5）天然地震和爆破震动影响的估计K₅ = 1.05；

（6）稳定性计算方法K₆=1.00；

（7）边坡高度、开采工艺及服务年限K₇=1.05；

（8）边坡工程地质调查勘察与条件分析评价K₈=1.05；

（9）其它因素K₉=1.05。

考虑到各种因素在最不利情况下的组合、相互间的连锁反应和激化，以及各种影响因素所导致的破坏作用的不可逆性，边坡的许用安全系数等于各项K_i值的乘积，以此来反映边坡各影响因素的综合效应：

[K]=K₁×K₂×…K₉=1.1547

3.2工程类比法

国内外部分矿山边坡采用的安全系数：

英国、加拿大 K=1.30

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