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露天矿滑坡控制技术的应用与研究

文档作者：寇明遥王永智文档来源： 1．白银石晋矿业有限公司 2．西北矿冶研究院		点击数：	更新时间： 2025年02月19日
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第32卷第1期
2010年2月
甘肃冶金
GANSU METALLURGY
V01．32 No．1
Feb．，2010
文章编号：1672-4461(2010)01-0024-04
露天矿滑坡控制技术的应用与研究
寇明遥 ，王永智
(1．白银石晋矿业有限公司，甘肃白银730900；2．西北矿冶研究院，甘肃白银730900)
摘要：通过对露天矿开采边坡的破坏形式和采用的控制技术分析，对于目前采用极限平衡理论为基础计算可能
破坏面或滑移面上的破坏与抗破坏的阻力和以应力应变理论为基础的，利用有限单元法或离散单元法等计算岩体
中各部位的应力与应变值的两种方法进行研究，认为三维离散单元法对解决露天矿山的边坡的破坏具有指导意
义。
关键词：露天矿；滑坡控制技术；应用研究
中图分类号：TD824．7 1 文献标识码：A
1 引言
露天矿山的开采过程中，边坡岩体稳定与否是
制约着矿山生产效益最主要的影响因素之一。在我
国露天开采的产量所占的比重亦相当大，目前铁矿
石露天开采90％左右，有色金属矿石占52％左右，
化工原材料近似100％ ，露天煤矿占4％ 左右。然
而，在露天开采过程中，边坡岩体的稳定与否是影响
矿山生产效益最主要的因素，因此，提高矿山生产效
益的最关键的问题，既要增大边坡角度，又要确保边
坡的稳定性，这是一对十分尖锐的矛盾，是目前露天
采矿者共同关注的问题之一。
矿山滑坡、山崩及斜坡崩坍等自然灾害，每年使
露天采矿工程许多方面受害，目前为止对边坡稳定
性进行过许多探讨，但仍有许多问题尚未解决，因此
仍有必要对边坡稳定性进行研究。
在矿业工程中，由于边坡的失稳破坏对工农业
生产和人民生命财产造成了巨大的损失，因此对边
坡稳定性的研究历来是工程技术人员非常关心的课
题，从边坡稳定的机理、预测预报的方法和边坡的加
固治理等，进行了大量的研究。当前比较成熟的边
坡稳定性计算和预测理论，是基于有限单元法和极
限平衡方法，就作者的看法，目前对边坡稳定性分析
进行的计算机模拟及计算分析所运用的方法比较单
一：或者运用极限平衡法，或者运用有限元法对边坡
进行单一的分析。
2 边坡病害的基本形式
边坡病害分为以下三类，一是滑坡。滑坡是斜
坡的部分岩土体在自然下移动。滑坡按其引起滑动
的力学特性来区分，可分为牵引式和推移式滑坡。
牵引式滑坡，是下部先滑动，使上部失去支撑而变形
滑动，一般速度较慢，横向张性裂隙发育，表面多呈
阶梯状或陡坎状。推移式滑坡是上部岩土挤压下部
岩土体产生变形，滑动速度较慢，滑体表面波状直
伏，多见于有堆积手分布的斜坡地段。在公路建设
中，台设计施工不当，改变了原来斜坡的平衡状态，
则将引发工程新滑坡或工程复活古滑坡。
边坡的第二类病害是崩塌。所谓崩塌是整体岩
土块脱离母体突然从较陡的斜坡上崩落下来，并顺
斜坡猛烈翻转、跳跃，最后堆落在山脚。它有突发
性，危害较大。
边坡的第三类病害是剥落。边坡表层受风化，
在冲刷和重力作用下，不断沿斜坡滚落。
3 矿山滑坡控制技术的研究现状
边坡的稳定性分析属于岩土力学中的稳定问
题，也是岩土工程中非常重要而实际的问题。因此
合理布局，因地制宜地选择实用、合理、经济措施，确
保边坡工程的稳定，同时达到与周围环境协调，保持
生态环境的相对平衡，确保边坡的稳定与安全。
近年来边坡稳定性研究得到蓬勃发展，如断裂
力学方法、耗散结构理论、神经网络方法、基因遗传
算法、人工智能专家系统方法、随机模拟理论、模糊
概率分析、动静分析方法、土壤的流失方程、运用
FLAC数值计算、物理模拟试验、Monte—Carlo—Sar—
ma法、三维有限元方法、离散元方法及极限平衡法
等在边坡稳定性研究领域都取得了一系列的成就。
第1期 寇明遥，等：露天矿滑坡控制技术的应用与研究
3．1 控制矿山滑坡的工程的研究现状
在条件复杂的边坡上运用高压注浆的方法加固
软弱夹层，运用了一项先进技术，实现了在无约束条
件的边坡上经过三个注浆过程实施了高压注浆，并
安装了抗剪锚杆，实现了“锚”和“注”的完美结合，
这一工程成果具有重要的推广价值。
喷锚网支护是靠锚杆、钢筋网和混凝上层共同
工作来提高边坡岩土的结构强度和抗变形刚度，减
小岩(土)体侧向变形，增强边坡的整体稳定性。主
要适用于岩性较差、强度较低、易于风化的岩石边
坡；或虽为坚硬岩层，但风化严重、节理发育、易受自
然营力影响、导致大面积碎落，以及局部小型崩塌、
落石的岩质边坡；或岩质边坡因爆破施工，造成大量
超爆、破坏范围深入边坡内部，路堑边坡岩石破碎松
散、极易发生落石、崩塌的边坡防护。经技术经济比
较，决定采用喷锚网支护方案进行防护。
3．2 控制矿山边坡工程存在的问题与不足
我国的边坡破坏和处理做了许多实验性尝试，
采用了多种加固型式，基本达到了预期的效果，但仍
有许多沉痛的教训值得认真总结。因排水防护不当
使基础的含水量增加引起岩体的整体强度下降造成
的损失更是无法统计。归纳起来存在的问题有：
(1)缺乏系统的加固方案、措施研究和综合设计。
(2)在加固方案、加固型式选择方面缺乏技术、工
程经济比较分析。
(3)土的本构关系研究虽然进行了多年，但是要
想利用一两个简单的力学模型来全面、正确、完整地
反映土体内部的应力应变关系实际上难以做到，大
多数本构关系都是建立在一系列假设基础之上。
(4)施工方法对边坡稳定性的影响，往往是人们
在研究过程中很容易忽视的一点，施工方法不正确、
施工程序的颠倒常常会使本来可稳定的工程变成不
稳定。
(5)由于施工周期短、任务重，很多工程建设成为
“三边”工程，基础研究不够，对边坡稳定性评价的
方法不健全，对边坡破坏的机理不清楚，没有及时采
取适当的工程处理措施，因而造成边坡潜在隐患较
多，设计时常有发生，施工费用大幅度增长。
(6)由于各地区的差异缺乏各分区最佳加固典型
型式，使设计人员难以操作。
4 控制矿山滑坡技术的常用方法
随着岩体稳定性评价由定性向定量阶段的发
展，目前采用的边坡稳定性分析的数学力学计算方
法大体上分为两类：一类是以极限平衡理论为基础
的，计算可能破坏面或滑移面上的破坏与抗破坏的
阻力；另一类是以应力应变理论为基础的，利用有限
单元法或离散单元法等计算岩体中各部位的应力与
应变值，这类方法可以在考虑岩体复杂力学属性的
基础上去分析岩体中应力的变化和位移分布，确定
其稳定性等等。
4．1 极限平衡法
极限平衡法是边坡稳定计算中最广泛采用的方
法，现今的计算边坡稳定的极限平衡方法大多采用
条分法，根据所考虑的因素不同及所设定的滑动面
形状不同有以下几种方法：瑞典条分法、BISHOP
法、余推力法、JANBU法、sARMA法等。
(1)瑞典条分法为最早的条分法，只考虑了所划
分条块受到的重力和粘聚力，而余下几种方法都考
虑到了条块之间相互作用的水平力和剪力，由于瑞
典条分法所考虑因素与实际情况相差较大所以现在
已不采用。
(2)BISHOP法所考虑滑面形状为圆弧形，其适
用于上面所介绍的圆弧形滑动破坏。
(3)余推力法所考虑滑面形状为折线形，其求出
的结果最后一个条块的下滑力，通过这个下滑力来
判断边坡稳定与否，所以其通常用于折线形破坏边
坡与路基的设计中。
(4)JANBU法所考虑滑面形状为直线和曲线组
成的非圆弧滑动面，该法的主要特点在于，不假定条
块界面上的推力的数值或方向，而是假定条块间的
水平推力作用位置，推力作用点一般假设在条块界
面的下部三分之一位置，各条块作用点连成为一光
滑曲线，称为“推力作用线”。假定推力作用线已经
画出，可利用力矩平衡条件，把条块侧边的垂直方向
的剪切力表示成水平方向推力的函数关系，即T=f
(E)。相当于消去了T，使问题得解。
(5)SARMA法是一种普遍使用的极限平衡法，可
用以确定各种形状边坡的稳定性计算。其基本观点
是，滑体破坏必须首先破裂成多个可以相对滑动的
分块体，在滑动时不仅要考虑滑动面上剪应力平衡
条件，而且还要计算滑体内部分块间的侧面剪应力。
在分块划分上，允许根据滑体内部工程地质构造自
由地改变分块两侧边的倾斜度。
随着人们认识水平的提高，大多国内外岩土工
程专家逐渐认识到极限平衡法只是一种近似的计算
方法，采用此方法只能求得一种粗略的综合性近似
解答，它需要其它方法对其进行必要的补充，以得到
切合边坡实际的评价结果。
4．2 有限单元法
有限单元法应用于岩土工程专业的最早论文是
由Clouch和Woodward(1967)为第一届土坡和堤坝
嚣譬搂
26 甘肃冶金 第32卷
的稳定与管理的巴克利会议撰写的。30多年来，随
着计算机技术的不断发展，有限单元法已广泛应用
于岩土工程界的各个领域。岩土工程界对工程对象
的认识从过去的线弹性发展到非线性，有限元分析
中也出现了弹塑性分析，有限元从二维发展到三维，
在边坡稳定分析方面有限单元法比传统的极限平衡
法有如下优点：
(1)有限元数值分析模拟方法不但能够对边坡稳
定性进行定量评价，而且能够考虑岩体应力一应变
关系的非线性特性及力学性质方面的不均匀性和各
向异性。
(2)由于在有限元法中没有条的概念，因此也就
没有关于条间力的假定，有限单元法保证整体平衡
直至破坏发生。
(3)有限单元法能够追踪破坏的过程直至整体剪
切的破坏。
基于有限元的上述优点，它在边坡岩体的稳定
性评价方面得到比较广泛的应用。与此同时，国内
外岩土工程专家提出了不少模拟岩土材料的数学力
学模型如基于Mohr---Coulomb准则的弹性模型、基
于格里菲斯强度理论的岩土断裂模型、邓肯一张、剑
桥弹塑性模型以及逐渐发展起来的粘弹塑性模型
等。基于此，国内外开发了很多有限元软件如
FLAC3D、UDEC、UNSYS、3D一盯、SAP等，这些软件
在岩土工程界得到了比较广泛的应用。但是岩体本
身是一种非常复杂的介质，一般情况下，往往存在着
分层性、裂隙性、力学性质上的非均质性、非线性和
流变性，现今的有限元方法在分析这些问题上存在
着一些缺憾，只能近似的模拟现场的实际状况，将一
些条件省略。
4．3 离散单元法
该方法的一个突出功能是它在反映岩土体之间
接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计
算岩土体内部的变形与应力分布，并且能够再现边
坡的滑移过程。因此自该方法问世以来，得到了广
泛的应用和深入的研究。
但是现今研究边坡稳定性存在的问题在于，虽
然方法有很多种，但是许多从事岩土工程工作的工
程师对边坡稳定性进行分析时总是采用单一的方
法，诸如只采用极限平衡或有限元或离散元等，不能
对边坡进行全面系统的分析。所以在边坡稳定性计
算方面，运用计算机技术，采用多种数值分析方法与
极限平衡法并举，相互校验是今后边坡稳定研究的
一个发展方向。如我国的周维恒教授、张有天等在
长江三峡水电站的船闸边坡工程中，采用五种计算
方法对边坡的稳定性进行了科学评价。还有边坡稳
定性研究与工艺结合，注重边坡监测，注重滑坡预测
与治理，追求技术与经济的完善结合应该是今后边
坡稳定分析的努力方向。
5 控制矿山滑坡技术的新方法
5．1 矿山滑坡预测的非线性混沌模型
矿山滑坡是一个受地质条件、地下水、地震和人
类工程活动等多种因素影响而发展演化的多维非线
性温饨系统。在工程实际中，很容易得到滑坡体某
一监测点的位移时间序列，这也是反映滑坡动态是
重要的一个变量。而影响滑坡变形破坏的其他因素
的时间序列则不易直接得到，往往需要预测。因此，
如何不利用其他因素的数据序列，只用所观察到的
位移时间序列x ，X：，⋯，X ，建立恰当的动态模型来
预测X + ，是一件值得研究的具有十分重要应用价
值的工作。
5．2 矿山滑坡稳定性的可拓聚类预测
矿山边坡稳定性的评价与预测是边坡工程研究
的根本问题，也是边坡研究中最难和最迫切的课题
之一。2O世纪7O年代以前，边坡稳定性的评价是
以定性描述与分析为主，这种方法应用起来有较大
的随意性，不便于设计应用且需要有较丰富的工程
经验。然而，客观上由于边坡体的复杂多变性，使得
人们的认识受到限制，存在很多随机性、不确定性和
模糊性，同时又受数理论的限制。这样就很难获得
“最优解”。使认为获得了“最优解”，实际并非真正
的“最优解”。
5．3 矿山边坡与周边环境安全综合评价方法
在安全性的具体评价过程中也是从边坡岩体强
度的角度去分析岩体的稳定程度或先稳的概率大
小，然后视其稳定程度采取相应的安全措施。这对
于矿坑周边为城市群的老矿区的开采安全来说显然
是不合理的，因为它没有考虑采动效应对周边环境
的影响，从而使得这些矿山的继续开采对周边各种
设施产生严重的破坏作用，并造成巨大的经济损失。
众所周知，任何矿山岩体工程开挖都将改变原
岩的应力状态，致使地质体的原岩应力场发生变化
而重新分布，从而使得岩体产生移动和变形。由于
岩体本身具有一定的承载能力，当岩体变形未达到
其允许变形的极限值时，从强度理论来看岩体是稳
定的，也是安全的，但对于周边为城市群的矿山开采
来说，则未必是安全的，因为对于地质体这种特殊材
料而言，在满足其强度要求的条件下，岩体仍然要产
生一定的变形；又由于位于矿坑周边的各种建筑物、
各种市政设施的抗变形能力有限，有些区域的岩体
虽然从强度方面来看是安全的，但对该区域内的建
黼 糕
第1期 寇明遥，等：露天矿滑坡控制技术的应用与研究 27
筑设施却产生严重的破坏作用，从这方面来看又是
不安全的。因此，对这类矿山的开来就要更新现有
的安全评价方法。原有评价内容仅从岩体抗破坏的
强度方面进行分析与计算，计算结果仅仅评价岩体
是否会产生破坏，最终它只能保证矿山本身的安全，
而对岩体所产生的形变作用不予以考虑。这对于周
边为城市群的老矿区的开采显然是不合理的。
因而对此类矿山来说，需要在满足岩体强度要
求的前提下对是否满足环境安全等内容进行研究和
预测，并确定地面的变形和破坏范围，以便确保矿山
和周边环境的安全。这样评价与分析对矿山后续开
采才具有真正的安全意义。
6 结语
随着计算机技术的飞速发展，断裂力学方法、耗
散结构理论、神经网络方法、基因遗传算法、人工智
能专家系统方法、随机模拟理论、模糊概率分析、动
静分析方法、土壤的流失方程、运用FLAC数值计
算、物理模拟试验、Monte—Cado—Sarma法、三维有
限元方法、离散元方法及极限平衡法等应用于大型
边坡工程的预测、监测、加固等等问题有着广阔的前
景。特别是三维离散元刚性块体模型的研究，提出
并实现了可变形、可断裂模型。使单元的力学行为
更为接近于实际的岩土体，客观反映岩土体的真实
力学特性。使得三维离散单元法应用于土质边坡工
程数值计算更为合理。并在前处理程序中加入了根
据实际地形、地质条件划分块体和边界块体的标识
功能，能根据实际坡体外部形态实现自动划分单元。
然而对于数值计算分析前提的岩土体的宏观力
学参数的合理取用，对计算结果的可靠性也有重大
影响。在这方面，可以和地质的勘探和试验工作结
合，使得计算结果更加合理、可信。可以想象，随着
计算机技术的飞速发展，三维离散单元法应用于大
型边坡工程的预测、监测、加固等等问题有着广阔的
前景。
参考文献：
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收稿日期：2010—01—27
作者简介：寇明遥(1968一)，男，工程师。主要研究方向：矿山技术。
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