松散介质理论与圆弧滑坡模型在石灰岩矿山合理边坡角计算中的应用.pdf

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1、王大海，等：松散介质理论与圆弧滑坡模型在石灰岩矿山合理边坡角计算中的应用中图分类号：TQl72文献标识码：B文章编号：1∞7—0389(2011)05—30一02O前言松散介质理论与圆弧滑坡模型在石灰岩矿山合理边坡角计算中的应用王大海，张兆亮(中国中材陶际工程股份有限公司(南京)，江苏南京211100)随着社会的不断发展，资源对企业的发展起到了至关重要的作用，特别是对资源型的水泥企业尤为重要。目的石灰石资源的开采条件越来越差，资源越来越少。矿山的服务年限制约着水泥企业的生存年限，同时社会对矿山生产安全的要求不断提高。矿山生产边坡参数的选择对边坡安全和资源利用率的提高有着

2、较大影响。边坡受矿体岩性、岩体结构、软弱结构面性质、水文地质条件以及工程中的爆破震动，行车等人为荷载的影响，受力情况复杂。人们在生产实践中建立了各种力学模型对其进行定量分析。水泥原料矿山的开采对象主要为石灰岩、泥质灰岩、黏土和砂岩等，在苏联学者B．B索科洛夫斯基创立的松散介质静力学中，将这些黏聚力较小、抗拉强度甚低的脆性体称之为松散介质。松散介质力学以库伦_莫尔强度理论为基础，即边坡岩体服从库仑公式(k1=f+盯tan垆)。而在均质松散介质中，院l弧滑坡是一种最常见的边坡破坏形式。本文论述了以松散介质理沦为基础，寻找危险滑面，并进行稳定性计算的方法。该方法可在设计过程中

3、，对边坡参数进行初步计算，在满足安全的fj仃提下，可最大化利用资源，提高经济和社会效益。1利用费先科法确定危险滑面费氏将岩体视为被裂隙切割的松散体，同时具有黏聚力f及内摩擦系数tan妒。根据极限平衡微分方程，光滑曲线段为对数螺旋曲线，具体绘制步骤如下。(1)如图l，设一边坡／4曰，边坡角为口，内聚力f，内摩擦角P，用矗。：兰兽cotf45。一罟1计算上坡，＼厶／面张裂缝的深度，过A点向下作线段AC=^。。(2)过C点做一水平线并通过C点作向下与水(3)过日点向上作与水平线呈(竺笋)的直线sCD交于E点o(4)过E点向上作与水平线呈[45。+詈)与水平线交于G点。‘(5)

4、过E点向左上作EG的垂线。(6)过坡脚作BF线使其与坡面成450一罢(7)过B点作日F的垂线与EG的垂线交于D点。(8)以D为圆心0B为半径作圆弧BE。(9)过G点向上作竖线G，。B虫12图l费先科法确定危险滑面作图法BEG，即为最危险滑面，由BE圆弧段、EG直线段、口张裂缝组成。图l中：A=艿+叫叫=乜一(45。一詈)艿=1800一2)，)，=900一￡口+P￡2—_一甜‘_整理后可得：A=45。+詈，即：D点为滑弧中心。水蔽工铤坠型DC段线角P一2口E一线Ⅺ戳瑚王大海，等：松散介质理论与圆弧滑坡模型在石灰岩矿山合理边坡角计算中的应用々2灰岩矿山合理边坡角计算2．1建

5、立滑体力学模型§l里已经确定出最危险滑面。此时滑体处于极限平衡状态，按Moh卜Coulumb准则，可建立滑体平衡状态下力学模型，求出最危险滑面的R即为整个滑体的稳定系数。先对滑体进行受力分析，如图2。其中，作用在2图2滑体受力分析滑弧上的力主要包括：①滑体重力形；②沿弧面的黏聚力G；③弧面上所受反力Ⅳ；④裂隙面充水的情况下，水的压力呈线性分布。2．2边坡稳定性系数凡的计算如图3，(1)假设滑体围绕一定轴心呈刚体转动，O为滑体轴心，各力对轴心()求矩；(2)裂隙水压力在圆弧段可统计为方向指向圆心0，则其对滑体力矩为零，直线段与张裂缝段裂隙水压力按线性分布，则可统计为c，和

6、矿，并分别向D求矩。则稳定性系数凡表示为抗滑力矩与滑动力矩之比。计算如下：滑动力矩=阮+％抗滑力矩=c肷+啪=2c白夏i等三百+啪其中，￡为圆弧半径，R为BE弧长，则，弘⋯％⋯：竺挲式中：p；竺#；己厂=吾y。爿；y=吾)，。≯(其中y。为水的相对体积质量)。2．3实例分析．曰图3滑体受力矢量分析某水泥灰岩矿边坡如图3，坡高肚180m，强度指标C=0．9MPa，妒=18。。地下水位呈抛物线分布，计算坡角500～60。的稳定系数变化。用以上方法计算安全系数时按以下原则考虑：r(1)滑弧一端通过坡角，另一端出现在坡顶，不考虑出现在坡面的情况；(2)滑弧倾向坡面，不产生倾向岩

7、体的反角，这是硬岩边坡的通常情况。根据上述方法，求得各边坡角度的稳定系数凡，见表l。r’表1稳定系数Fs计算结果当今国内外露天矿边坡的许用安全系数～般取为1．1一1．5。在计算机上建立变量d与稳定系数凡的函数，结合矿山投资实际情况，选用安全而经济的边坡角，此矿山终了边坡可在51o。550之间选择。3结语此法可用于矿山设汁期间边坡最危险结构面的分析及最小稳定系数凡的计算，从而为确定安全经济的终了边坡角提供较可靠的依据。需要说明的是，理论计算结果需要在实际生产中进一步验证并加以修正才能得到最优结论。同时，此模型是建立在索氏松散介质理沦之上，如