CN105699627A - 一种确定边坡坡角的方法 - Google Patents

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崔铁军
李莎莎
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Abstract

本发明公开了一种确定边坡爆破合理高度的方法，其特征在于，为了解爆破后由急倾斜且具有水平裂隙发育岩体组成的边坡稳定性，及其内部破坏规律，最终总结出爆破高度对边坡稳定性的影响，方法使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟；利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续和连续性的岩体构造形式；对设置了13个爆破点的6个爆破方案进行模拟；其包括如下步骤：基本模型的建立，爆破模型的建立；本发明可用于确定边坡爆破合理高度。

Description

一种确定边坡坡角的方法
技术领域
本发明涉及矿业工程，特别是涉及确定露天矿边坡的合理坡角。
背景技术
边坡广泛存在于自然界和人类工程环境中。自然形成的边坡在非较强动荷载条件下比较稳定，不影响人们的正常生产活动。对于边坡的研究我们更关注于人工边坡，特别是矿业生产主要方式——露天矿的边坡。露天矿边坡有着其自身特点使其与一般自然形成边坡有一定的区别。露天矿边坡自由面原本在自然状态下是在地表以下的，但是由于人工开采使其暴露于外界环境中，自由面上不会形成残积土层，且由于采动作用一般以碎石堆积为主；自然边坡常因造山运动而形成，依附山体，边坡构造面向地下延伸方向常有断层存在，而露天矿边坡为人工开采，自由面并不延伸至地表下，边坡下基岩仍是完整的。特别地，如果边坡内部节理裂隙构造复杂，除边坡高度和坡角外，构造形式也是影响边坡稳定的关键因素。
尽管如《露天矿边坡工程地质勘察规范》、《非煤露天矿边坡工程技术规范》等给出了相关的边坡设计方法，但这些方法基本上只满足安全的最低标准。况且有些地质条件可能有利于边坡的稳定性，而另一些则相反，这些现象仅凭借规范的要求是难以处理的。所以针对具体的工程地质情况确定适当的坡角以保证边坡稳定是值得研究的问题。
对于边坡稳定和影响稳定的相关因素研究主要有：范军富等研究了白音华一号露天煤矿合理帮坡角的确定及边坡稳定性评价方法；金爱兵等进行了坡角对坡间挡土墙稳定性影响的数值模拟分析；朱乃龙等提出了岩石深凹边坡稳定性坡角的初步确定方法；梁烨等基于运动学分析研究了高切坡稳定性评价方法；邓东平等研究了两种滑动面型式下边坡稳定性计算方法；魏翠玲等对含硬性贯通结构面的岩质边坡稳定性进行了研究。
对某露天矿地质条件包含向斜成层急倾斜构造面且伴有水平裂隙发育的实际情况，使用PFC3D作为模拟平台，基于上述边坡特点建立了离散颗粒的边坡模型。使用该模型模拟了坡角分别为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡。
发明内容
1.一种确定边坡坡角的方法，其特征在于，为了解在由急倾斜且具有水平裂隙发育岩体形成顺层和逆层的边坡时，不同坡角对于边坡稳定性的影响，使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟；其包括如下步骤：利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续和连续性的岩体构造形式；构建了坡角为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡，并对边坡的稳定性进行了模拟；本发明可用于确定露天矿边坡的合理坡角。
2.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，考虑到岩土体形成过程是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积形成的，并经过自然压实的过程，使用下落法构造模型。
3.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，该边坡地质剖面模型(x方向)长300m，高(z方向)300m；地质条件复杂，从左向右分层较多，且岩性不同，平均倾角达87°；由于PFC3D建模的特殊性，结合地质勘查结果，考虑到砂岩、砂质泥岩和砂岩形成的岩体，及其之间裂隙尺度，将颗粒(ball)半径设为0.6~0.9m的正太分布。
4.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，由于边坡正对两帮均在相同地质条件下，所以使用同一模型进行边坡构造；顺层情况下坡脚坐标为(x,z)=(300m,10m)，坡角从40°~80°的边坡坡面。逆层情况下坡脚坐标为(x,z)=(0m,10m)，坡角从40°~80°的边坡坡面；竖直方向(z方向)0~10m高度的颗粒模拟边坡下部岩层与坡体之间的相互作用，考虑到实际情况，限制了这部分颗粒的水平运动能力。
5.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，模型边界条件：当顺层时x=0m和z=0m面固定，其余边界自由；当逆层时x=300m和z=0m面固定，其余边界自由；同时为了表现该模型边缘与外界岩体接触的实际效果，设固定面的摩擦系数为平均值0.5。
6.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，为了模拟向斜左翼分层构造和水平方向存在的裂隙发育，根据发育的特征使用PFC3D中的JSET来模拟这些构造；表层黄土和碎石中不存在裂隙发育，不设施JSET。在模型z方向的10~250m区域内设置JSET；对于向斜左翼的模拟，考虑到实际情况和计算量的因素，设置构造面间岩层水平方向厚度为10m（每隔10m一个构造面），倾斜角87°高度10~250m。对于水平裂隙的模拟，根据勘察所得，设距地表50~100m，裂隙间距为5m；距地表100~150m，裂隙间距为10m；距地表150~210m，裂隙间距为20m；分层的层间和水平裂隙间的法向和切向连接强度为0，岩体内部的法向和切向连接强度为108Pa，其摩擦系数均为0.5。
具体实施方式
颗粒流理论是通过离散单元法来模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，允许离散的颗粒单元发生平移和旋转，可以彼此分离并且在计算过程中重新构成新的接触。颗粒流方法中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布,可以通过调整颗粒单元直径调节孔隙率。它以牛顿第二定律和力-位移定律为基础，对模型颗粒进行循环计算,采用显式时步循环运算规则。
颗粒流理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为
线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型；连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能
传递作用力,并行连接模型可以承受作用力和力矩。
离散体和连续体主要的区别在于，离散体之间可以承受压力，但基本不承受拉力，也不能承受力矩；连续体可以承受压力、拉力和力矩。使用PFC3D中接触连接模型和并行连接模型可以满足对连续体和非连续体混合共存条件下的模拟，只是参数设置不同，采用不同的接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)对颗粒进行设置，以模拟砂岩层、砂质泥岩层、砂岩层、煤层、泥岩和砂质页岩不同的拉、压、剪的性质。
对于任意建模过程，具体来说包括：颗粒的生成、边界条件和初始条件的设置、选择接触模型和材料属性、加载，解算和模型修改、结果分析。
该矿基本构造形态呈一向南倾斜的单斜构造，煤层走向北东67°，倾向南东157°，煤层倾角43°～89°。其中，含煤地层是中侏罗统的西山窑组，呈北东～南西向带状展布，含煤32层，总厚169.81m。主采煤层为B1+2煤层和B3+6煤层，由岩柱隔开，岩柱从西向东逐渐变薄，宽度范围在53-110m之间，平均厚度79.53m。B1+2煤层最大厚度39.45m，最小厚度31.83m，平均厚度37.45m，含夹矸4～11层，夹矸单层厚0.06～2.43m，直接顶为粉砂岩及砂质泥岩，直接底为粉砂岩。B3+6煤层位于B1+2煤层北部，煤层最大厚度52.3m，最小厚度39.85m，平均厚度48.87m。内含夹矸4～20层，夹矸总厚0.08～4.40m。直接顶为粉砂岩，直接底亦为粉砂岩。两煤层平均倾角均达87°，属急倾斜特厚煤层。同时由于沉积和古代风化等作用岩层沿水平方向也存在裂隙发育。表层黄土及碎石层松散，深度约50m。50m以下为向斜左翼，岩体相对较完整，但水平方向存在裂隙，随着深度的增加，裂隙间隔逐渐增大。岩体之间裂隙是极不平整的，存在较大的机械咬合力和摩擦力。
由于该地层构造特点（含煤32层，水平总厚169.81m），对300m以上赋存煤体采用露天形式进行开采。该边坡岩体中存在87°的结构面，及水平裂隙发育。这些节理和裂隙在稳定的自然状态下具有一定的自稳定性，可保证露天矿的正常开采活动。关键问题在于如何确定在急倾斜岩体顺层和逆层构造中修建边坡的坡角。在该地质条件下一侧岩体倾斜87°，该侧边坡岩体是顺层的；所对另一侧仍在该地质条件下，所以为逆层。尽管87°是急倾斜的，顺层逆层破坏特征表现较弱，但研究能使建成后边坡稳定的确切坡角仍有实际和理论上的价值
表1为相关岩质性质。由于该地区地质条件复杂，岩层性质也有所差异，表1中列出的性质是大体上的平均值。
表1物理力学参数
该边坡地质剖面模型(x方向)长300m，高(z方向)300m。地质条件复杂，从左向右分层较多，且岩性不同，平均倾角达87°。由于PFC3D建模的特殊性，结合地质勘查结果，考虑到砂岩、砂质泥岩和砂岩形成的岩体，及其之间裂隙尺度，将颗粒(ball)半径设为0.6~0.9m的正太分布。
由于边坡正对两帮均在相同地质条件下，所以使用同一模型进行边坡构造。顺层情况下坡脚坐标为(x,z)=(300m,10m)，坡角从40°~80°的边坡坡面。逆层情况下坡脚坐标为(x,z)=(0m,10m)，坡角从40°~80°的边坡坡面。竖直方向(z方向)0~10m高度的颗粒模拟边坡下部岩层与坡体之间的相互作用，考虑到实际情况，限制了这部分颗粒的水平运动能力（实际代表的是边坡下覆岩层）。
模型边界条件：当顺层时x=0m和z=0m面固定，其余边界自由；当逆层时x=300m和z=0m面固定，其余边界自由。同时为了表现该模型边缘与外界岩体接触的实际效果，设固定面的摩擦系数为平均值0.5。
为了模拟向斜左翼分层构造和水平方向存在的裂隙发育，根据发育的特征使用PFC3D中的JSET来模拟这些构造。JSET命令可以模拟岩体中节理等软弱面。表层黄土和碎石中不存在裂隙发育，不设施JSET。在模型z方向的10~250m区域（左翼岩体所在位置）内设置JSET。对于向斜左翼的模拟，考虑到实际情况和计算量的因素，设置构造面间岩层水平方向厚度为10m（每隔10m一个构造面），倾斜角87°高度10~250m。对于水平裂隙的模拟，根据勘察所得，设距地表50~100m，裂隙间距为5m；距地表100~150m，裂隙间距为10m；距地表150~210m，裂隙间距为20m。分层的层间和水平裂隙间的法向和切向连接强度为0，岩体内部的法向和切向连接强度为108Pa，其摩擦系数均为0.5。
在PFC3D中使用JSET划分模型后，将分割模型中颗粒。“cluster”用以表示具有一定整体性的岩体，即表示岩体中的大块岩石。颗粒之间的连接线为“ContactBonds”,表示颗粒已连接作为整体。不同岩石块(cluster)之间不存在ContactBonds，即表示两块完全分离。使用JSET模拟岩石间的裂隙优势在于可以体现裂隙之间的摩擦力和机械咬合力，进而使模拟更接近于实际。
对于逆层脚条件下不同坡角时边坡的稳定性进行分析。从40°~80°时的边坡裂隙可知，其裂隙的发展具有一定的规律性。当坡角在40°时，裂隙集中在坡顶下部岩体，且形成的裂隙均沿向斜构造面(87°)发展。这样的裂隙形成是由于形成边坡时，边坡外部岩体挖除，坡内岩体失去约束应力释放；同时由于岩体岩性不同，应力释放产生的变形不同，造成坡顶下部岩体的裂隙。
坡角为50°时，裂隙主要集中在坡面附近，裂隙发展深度较浅。形成原因是坡角的增大且岩体倾向逆层，使坡面附近岩体在重力作用下有沿坡面向下滑动的趋势，这样的趋势造成了裂隙。裂隙不但有急倾斜的，由于岩体外倾翘起，开始出现水平裂隙。这时应力释放产生的裂隙基本消失，边坡附近岩体由于重力和构造面作用的破坏逐渐增强。60°的边坡破坏继承了50°边坡的趋势，裂隙范围更大，深入坡面更深。
在70°时，岩体所受上覆岩层传来的重力作用较强，岩体倾向逆层且中部岩体较下部更为破碎，所以在边坡的中部形成了较大的变形区。之所以出现在边坡中下部是因为下部急倾斜岩体沿倾向较为完整，并未发生断裂，限制了变形区域。如果下部岩体与上部岩体同样破碎，那么这个变形区应在边坡下部出现。在80°时，较大变形区向坡角发展，岩体向外突出，形成明显的裂隙。这时边坡是极其不稳定的。
分析从40°~80°时的边坡位移可知，在各坡角形成的边坡内，白色虚线倾斜度基本不变，而只是随着坡角的增加向坡角处靠近。这一方面说明该倾斜度受坡角的影响不大（可能是由于坡角较大的缘故），另一方面说明了岩体位移原因由应力释向重力作用转变。
顺层与逆层进行对比说明。从40°~80°的裂隙发展规律与逆层相同，但是程度有所不同。由于倾斜87°岩层的重力作用在逆层时对岩体外倾是有利的，而在顺层时抑制岩体的外倾。所以直至坡角较为60°时仍未出现明显的边坡内部裂隙，这期间裂隙位置变化与逆层时相同。70°时坡角上部岩体出现了明显的沿着87°构造面的裂隙，贯穿坡面中下部。80°时坡面中下部岩体有明显的突出形成，边坡变得极不稳定。对位移来说，坡角小于70°时，边坡内部岩体位移没有明显的分布规律，仅由于重力作用坡面附近和坡顶岩体向下运动。大于70°时，由于中下部岩体产生较大变形，形成裂隙，才出现了明显的位移分界线。
综上所述可得到：岩层的重力作用在逆层时对岩体外倾是有利的，而在顺层时抑制岩体的外倾。在该地质条件且相同坡角条件下顺层较逆层更为稳定。大变形裂隙区的出现位置与岩体构造形式有很大关系。对于该实际工程而言，顺层时其坡角不应大于60°，逆层时坡角不应大于50°。

Claims (6)

1.一种确定边坡坡角的方法，其特征在于，为了解在由急倾斜且具有水平裂隙发育岩体形成顺层和逆层的边坡时，不同坡角对于边坡稳定性的影响，使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟；其包括如下步骤：利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续和连续性的岩体构造形式；构建了坡角为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡，并对边坡的稳定性进行了模拟；本发明可用于确定露天矿边坡的合理坡角。
2.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，考虑到岩土体形成过程是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积形成的，并经过自然压实的过程，使用下落法构造模型。
3.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，该边坡地质剖面模型x方向长300m，高z方向300m；地质条件复杂，从左向右分层较多，且岩性不同，平均倾角达87°；由于PFC3D建模的特殊性，结合地质勘查结果，考虑到砂岩、砂质泥岩和砂岩形成的岩体，及其之间裂隙尺度，将颗粒ball半径设为0.6~0.9m的正太分布。
4.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，由于边坡正对两帮均在相同地质条件下，所以使用同一模型进行边坡构造；顺层情况下坡脚坐标为(x,z)=(300m,10m)，坡角从40°~80°的边坡坡面；逆层情况下坡脚坐标为(x,z)=(0m,10m)，坡角从40°~80°的边坡坡面；竖直方向z方向0~10m高度的颗粒模拟边坡下部岩层与坡体之间的相互作用，考虑到实际情况，限制了这部分颗粒的水平运动能力。
5.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，模型边界条件：当顺层时x=0m和z=0m面固定，其余边界自由；当逆层时x=300m和z=0m面固定，其余边界自由；同时为了表现该模型边缘与外界岩体接触的实际效果，设固定面的摩擦系数为平均值0.5。
6.根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，为了模拟向斜左翼分层构造和水平方向存在的裂隙发育，根据发育的特征使用PFC3D中的JSET来模拟这些构造；表层黄土和碎石中不存在裂隙发育，不设施JSET；在模型z方向的10~250m区域内设置JSET；对于向斜左翼的模拟，考虑到实际情况和计算量的因素，设置构造面间岩层水平方向厚度为10m，倾斜角87°高度10~250m；对于水平裂隙的模拟，根据勘察所得，设距地表50~100m，裂隙间距为5m；距地表100~150m，裂隙间距为10m；距地表150~210m，裂隙间距为20m；分层的层间和水平裂隙间的法向和切向连接强度为0，岩体内部的法向和切向连接强度为108Pa，其摩擦系数均为0.5。
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