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        基于巖土工程研究的露天銅礦邊坡穩(wěn)定性分析

        2019-09-26 06:25:38李承杰
        世界有色金屬 2019年15期
        關(guān)鍵詞:巖質(zhì)露天礦銅礦

        廖 勛,劉 評(píng),周 菲,李承杰

        (西部礦業(yè)股份有限公司,青海 西寧 810011)

        1 巖質(zhì)邊坡破壞的主要特征

        通常來說,巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的情況屬于一種復(fù)雜性較高的地質(zhì)災(zāi)害過程。因?yàn)檫吰聝?nèi)部在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性,且構(gòu)成邊坡巖石物質(zhì)的區(qū)別,導(dǎo)致邊坡破壞的模式具有較大差別,實(shí)際表現(xiàn)為破壞面的不同,因此要采用對(duì)應(yīng)的分析方法與計(jì)算公式對(duì)其穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行合理分析。“巖體結(jié)構(gòu)控制論”表明:巖體具有其結(jié)構(gòu),變形與破壞主要控制因素是巖體結(jié)構(gòu)。巖體出現(xiàn)變形,首先是在結(jié)構(gòu)上的改變,其次才是材料上的改變;大多數(shù)情況下,巖體破壞都是由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。露天銅礦的巖土邊坡的臨空面與其它巖體工程相比要更大,所以其穩(wěn)定性更加依賴于坡體當(dāng)中結(jié)構(gòu)面具備的幾何狀態(tài)、分布以及組合形式,會(huì)直接影響到巖質(zhì)邊坡所出現(xiàn)變形破壞的位置、方式和具體運(yùn)動(dòng)軌跡。

        巖質(zhì)邊坡的破壞具有非常高的復(fù)雜程度,其中可能包含一些簡單的破壞形式,不過大多數(shù)情況是多種破壞形式的交織與融合,導(dǎo)致其模式顯得十分復(fù)雜。近些年,很多學(xué)者針對(duì)邊坡變形破壞的形式、發(fā)生以及發(fā)展,就多個(gè)角度與觀點(diǎn)展開了研究,提出各類邊坡破壞相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn)與破壞類型,為邊坡穩(wěn)定性研究的深化形成良好的促進(jìn)作用。巖質(zhì)邊坡一般是由完整巖塊與結(jié)構(gòu)面所構(gòu)成較為復(fù)雜的介質(zhì)體,而作為重要結(jié)構(gòu)面的節(jié)理,可以分成斷續(xù)節(jié)理和貫通節(jié)理,節(jié)理類型及其空間分布對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性具有十分突出的影響。對(duì)于斷續(xù)節(jié)理的巖質(zhì)邊坡,破壞特性通常較為明顯的受坡體中巖橋特征的控制。

        2 露天銅礦邊坡穩(wěn)定性研究方法

        對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析是判定邊坡是否能夠處在穩(wěn)定狀態(tài),需要對(duì)其作加固處理與否,避免出現(xiàn)損壞的重要依據(jù)。目前,針對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法主要可以歸納為兩大類:①定性分析法:利用工程地質(zhì)勘察,針對(duì)有可能對(duì)邊坡穩(wěn)定性形成影響的主要因素、力學(xué)機(jī)制以及破壞形式等作出分析,針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)形變地質(zhì)體的成因和演化史加以判定與剖析,繼而得出邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)及其后續(xù)的發(fā)展趨勢(shì);②定量分析法:屬于一種半定量性方法,其評(píng)價(jià)結(jié)果可以通過具體的數(shù)值展示,不過最終結(jié)論卻主要依靠人員的判斷。此外,目前所有的定量計(jì)算方式都要以定性為基礎(chǔ),結(jié)合破壞模式或者工程地質(zhì)模型來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,通過相應(yīng)評(píng)價(jià)獲得具體結(jié)果。

        隨著各種應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展,對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析方法逐漸完善,已經(jīng)呈現(xiàn)出由定性分析朝定量或半定量分析發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)露天銅礦邊坡來說,由于開挖過程所應(yīng)用的方式和開采工藝具有較強(qiáng)的多樣性、復(fù)雜性,加之施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有一定不連續(xù)性,邊界條件較為復(fù)雜,各種影響因素的疊加導(dǎo)致對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析很難利用常規(guī)解析方法實(shí)現(xiàn)求解與預(yù)測(cè)。相對(duì)來說,數(shù)值法則呈現(xiàn)出了更好的適用性,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巖土體復(fù)雜力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性的模擬,還能為各種邊值問題與施工過程提供便利,實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的有效判定。目前在工程實(shí)踐中較為常用的數(shù)值分析法包括:以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的有限元法、有限差分法、邊界元法以及加權(quán)余量法等;以非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的剛體元法、離散元法等;融合兩種理論的流形元法。

        3 巖土工程學(xué)改進(jìn)算法

        3.1 距離冪次比例算法

        距離冪次反比例屬于估算算法的一種,是在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中開展高度標(biāo)記估算的重要方法。其計(jì)算公式為:

        其中G表示地表高度值;λi表示樣本中已知的權(quán)系數(shù);gi表示樣本高度值。

        依據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原則,首先需要構(gòu)建起標(biāo)高數(shù)值模型,高度數(shù)值等各類數(shù)學(xué)都能夠結(jié)合距離冪次反比例算法獲得,此種算法最為重要的特點(diǎn)是可以針對(duì)突變性地質(zhì)地貌形成數(shù)據(jù)跟蹤,及時(shí)將改變的數(shù)值更改,所以具有較強(qiáng)的時(shí)效性,所獲得數(shù)據(jù)也具備良好的真實(shí)性。只要將冪次k值設(shè)置為3,便可滿足各樣本點(diǎn)的采集需求,不管數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多少都能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定計(jì)算。

        3.2 折減系數(shù)賦值

        在對(duì)不同地質(zhì)地貌條件進(jìn)行分類之后,針對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析則要結(jié)合強(qiáng)度折減法,該種方法和數(shù)值模擬之間的有效結(jié)合,能夠有效完成對(duì)邊坡巖土層各數(shù)值的計(jì)算,獲得較為穩(wěn)定的模擬數(shù)值,對(duì)邊坡最小穩(wěn)定性數(shù)值進(jìn)行計(jì)算的公式為:c1=c/F1和φ1=arctan(tan φ/F1),對(duì)所得數(shù)據(jù)的分析和處理能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土體中強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的有效調(diào)整。F1為折減系數(shù),當(dāng)折減系數(shù)增長的過程中,直到整個(gè)模擬建模被破壞,便能獲得一個(gè)臨界值,這一數(shù)值便是安全范圍之內(nèi)的折減系數(shù)數(shù)值。以上所提及的算法,在具體開始計(jì)算以前,需要將露天礦分成多個(gè)特征不同的區(qū)。而在劃分區(qū)域性質(zhì)時(shí)需要充分考量其內(nèi)部演示結(jié)構(gòu)特征與組成,準(zhǔn)確計(jì)算巖石質(zhì)量差異,同時(shí)還應(yīng)分析邊坡角對(duì)礦區(qū)穩(wěn)定性所形成的影響。

        4 露天銅礦邊坡處置方案原則

        對(duì)露天銅礦邊坡滑坡防治的主要原則包括:安全、經(jīng)濟(jì)和高效。在對(duì)不同露天礦邊坡特有的工程特性、結(jié)構(gòu)特征以及重要程度等相關(guān)因素形成全面考量之后,要具有針對(duì)性的社會(huì)治理措施與方案。具體應(yīng)該關(guān)注以下幾個(gè)方面的問題:①開展施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研活動(dòng),明確現(xiàn)場(chǎng)水文及地質(zhì)條件;②對(duì)治理措施的選擇需要盡可能遵守施工過程簡單合理、高效經(jīng)濟(jì)以及工程量合理等原則,獲得更高的性價(jià)比;③結(jié)合露天礦所在區(qū)域范圍內(nèi)巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,對(duì)邊坡開挖方式形成合理設(shè)置;④針對(duì)還未出現(xiàn)滑塌事故的露天礦邊坡,需要考察與分析有可能導(dǎo)致滑塌災(zāi)害發(fā)生的因素,采取必要措施將其發(fā)生的可能性降至最低;⑤針對(duì)已發(fā)生災(zāi)害的邊坡,需要采取錨桿、錨索、擋墻等措施進(jìn)行加固,在最大程度上降低滑體的下滑力。如果無法完成加固,需要對(duì)滑體作足夠徹底的清理;⑥依據(jù)露天礦邊坡安全等級(jí)選擇經(jīng)濟(jì)而高效的治理措施;⑦降雨和地下水對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性會(huì)形成較大影響,因此需要對(duì)排水工程進(jìn)行合理配置,融合其他防治措施,促進(jìn)邊坡穩(wěn)定程度的提升。

        5 結(jié)語

        總而言之,對(duì)邊坡穩(wěn)定性的有效預(yù)估和控制,屬于保障露天銅礦工程順利開展的重要因素。相關(guān)工作人員應(yīng)該積極探索,以巖土工程為依托,融合各種現(xiàn)代高新科技,實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性更為準(zhǔn)確的計(jì)算與分析,促進(jìn)國家礦產(chǎn)開發(fā)事業(yè)的發(fā)展,為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)注入源源不斷的活力。

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