CN108776854B9 - 大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法 - Google Patents

Abstract

一种大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法，按照结构面空间位置与边坡部位相匹配、结构面规模与边坡规模相匹配的原则，系统全面的找出控制边坡稳定的关键性结构面及其组合，将组合台阶边坡和台阶边坡放大至总体边坡相同的几何尺度，分别建立总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡稳定性计算模型，提高组合台阶边坡和台阶边坡稳定性计算建模的几何精度，消除几何随机误差；针对可能破坏的总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡，找准边坡潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向，分别进行岩体结构面抗剪强度精细取值。本发明运用边坡稳定性分级分析方法和岩体结构面抗剪强度精细取值技术实现了大型露天矿山边坡稳定性的准确评价。

Description

大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法

技术领域

本发明涉及一种大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法，本发 明属于工程技术领域。

背景技术

露天矿山边坡稳定性评价与公路、铁路、建筑、水利等工程边坡 相比，具有鲜明的特色和复杂性。首先，公路、铁路、建筑、水利等 工程涉及到的边坡稳定性评价对象通常是具有可选择性的，人们可通 过绕避改线方式选择工程地质条件相对优越的地段开挖边坡。矿山生 产只能在既定的工程地质条件下进行开挖和施工，其目的是为了开采 赋存于特定的地质环境或地质结构之中的地下矿产资源，所以露天矿 山没有这种对象的选择性。因此，矿山边坡工程地质条件一般远比其 他工程边坡复杂多变。其次，大型露天矿山按构成要素与规模大小可 划分为总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡3个层次，需分别评价它 们的整体稳定性和局部稳定性。对于公路、铁路、建筑、水利等边坡 工程而言，边坡稳定性评价对象一般不存在这么多层次，通常只需要 保证边坡总体稳定即可。露天矿山边坡的结构性导致了其稳定性评价 的复杂性。第三，安全性与经济性是边坡工程中的一对矛盾统一体， 不同类型的边坡，对经济性和安全性要求的侧重不同。水利、公路、 铁路等工程边坡更注重边坡的安全性，尤其是大型或特大型工程，往 往是百年大计或千年大计，确保安全是重中之重，从保证工程安全的 角度，较高的工程资金投入是可以接受的，通常的做法是取更高的设 计安全系数来预留足够大的安全储备，对此类工程边坡而言，边坡稳 定性计算的精度显得不那么重要。采矿是一项经济活动，经济性显得 更加重要，与其他工程边坡相比，矿山边坡更加注重经济性和安全性 的平衡。矿山边坡工程安全与稳定只需要满足安全采出矿产资源，只 要求边坡在生产服务期内稳定即可，即边坡在开采服务期内确保边坡 “安全使用”的前提下，实现边坡工程的最大经济效益和社会效益。 在大多数的情况下，开采结束后，边坡仍处于稳定状态并非最佳方案， 而是在即将闭坑的较短时间内边坡处于临界稳定状态或发生渐近破 坏，才是最佳设计结果。第四，水利、公路、铁路等工程边坡都需要 在未开挖前开展工程地质勘察、岩体结构面几何特征调查和物理力学 参数获取，这些工程与尚未开采的矿山一样，由于地表工程地质调查 条件的局限性、物探资料的多解性和勘探成果的零散性，工程地质勘 察所获取的边坡稳定性计算所需的几何建模和参数取值存在诸多不确 定性，直接影响边坡稳定性计算的精度，边坡稳定性评价可靠性相对 较低，在边坡工程设计时，预留较高安全储备不但是可以接受的，而 且是必须的。露天矿山开采是最完整的工程地质勘探工程，全面、系 统、完整地揭露了矿山边坡的工程地质信息，完全有条件开展详细的 工程地质现场调查和精细的工程地质描述，完全有可能高精度地建立 边坡稳定性评价计算模型、定准物理力学参数取值对象和精细获取边 坡稳定性计算参数，实现更高精度的边坡稳定性计算和更加可靠的边 坡稳定性评价，更精确地确定边坡设计安全系数，设计最优边坡角。

基于大型露天矿山边坡的自身特点，以及日益突出的边坡安全和 经济效益之间的矛盾，露天矿开采应该重视边坡稳定性评价精度的研 究。因此，迫切需要开展大型露天矿山边坡稳定性等精度评价，在工 程地质条件详细调查和精细描述，空间几何参数和物理力学参数精确 测定基础上，考虑结构面与边坡的匹配性，并对岩体结构面计算参数 进行精细取值，实现总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡稳定性等精 度评价。

发明内容

为了构建大型露天矿山边坡稳定性的统一评价标准，提高评价精 度，均衡稳定协调性，为大型露天矿山边坡精准设计提供可靠依据， 本发明提供一种大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法，实现了大 型露天矿山边坡稳定性的准确评价。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法，包括以下步骤：

(1)按照结构面空间位置与边坡部位相匹配、结构面规模与边 坡规模相匹配的原则，系统全面的找出控制边坡稳定的关 键性结构面及其组合；

(2)将组合台阶边坡和台阶边坡放大至总体边坡相同的几何尺 度，分别建立总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡稳定性 计算模型，提高组合台阶边坡和台阶边坡稳定性计算建模 的几何精度，消除几何随机误差；

(3)根据赤平投影方法对边坡稳定性进行判断，将边坡划分成 稳定的和可能破坏的两种类型，针对可能破坏的边坡，找 准边坡潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向；

(4)依据边坡岩体稳定性赤平投影分析确定的潜在滑移面及其 潜在滑移方向，在对应的结构面上测量不少于16组壁岩的 回弹值；

(5)沿潜在滑移方向，采用结构面轮廓曲线仪，绘制不少于30

条表面轮廓曲线，将结构面轮廓曲线的图纸数字化，并对 结构面轮廓曲线按灰度值进行提取，根据结构面实际测量 长度与图形数字化矩阵的大小关系，自动化读取并存储每 一条结构面轮廓曲线的坐标数据；采用全域搜索方法，进

行结构面表面轮廓曲线的粗糙度系数的计算和统计分析；

(6)结合结构面粗糙度系数尺寸效应分形模型，运用借小议大

技术，确定结构面粗糙度系数尺寸效应分维数，依据岩体 结构面粗糙度系数尺寸效应规律，计算结构面粗糙度系数 稳定阈值，结合结构面粗糙度系数的尺寸效应分维数的实 际值与结构面粗糙度系数稳定阈值，计算实际尺寸结构面 的结构面粗糙度系数值；

(7)根据施密特回弹仪统计测量结果，确定代表结构面壁岩强

度所对应的回弹值，依据回弹值与壁岩强度关系，壁岩状 态，确定结构面壁岩强度大小；

(8)基于结构面粗糙度系数稳定阈值与尺寸效应分维数的实际

值，计算实际尺寸结构面的壁岩强度大小；

(9)依据回弹值与结构面基本摩擦角的定量关系式，分别确定

结构面的基本摩擦角和残余摩擦角；

(10)基于步骤(1)～(4)建立准确的边坡稳定性评价模型，基于

步骤(5)～(9)获得Barton-Bandis非线性破坏准则中的关键参 数，精确表达满足的岩体结构面抗剪强度，为岩体边坡稳 定性评价提供了可靠计算参数；基于建立的计算模型和确 定的计算参数，定量评价边坡的稳定性。

本发明的技术构思为：由于人们对客观地质条件认识与工程地质 建模的局限性引起的边坡稳定性计算误差，并提出了提高边坡稳定性 计算精度的大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法。该方法是基于 结构面与边坡的匹配性，并对岩体结构面计算参数进行精细取值，努 力消除边坡稳定计算的随机误差，并将实现随机误差最小的技术固化， 削弱“人为性”提高“技术性”，通过减少人为误差来降低误差水平， 提高边坡稳定性计算精度的方法。

按照结构面空间位置与边坡部位相匹配、结构面规模与边坡规模 相匹配的原则，系统全面的找出控制边坡稳定的关键性结构面及其组 合，将组合台阶边坡和台阶边坡放大至总体边坡相同的几何尺度，分 别建立总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡稳定性计算模型，提高组 合台阶边坡和台阶边坡稳定性计算建模的几何精度，消除几何随机误 差；针对可能破坏的总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡，找准边坡 潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向，分别进行岩体结构面 抗剪强度精细取值，提高边坡稳定性计算过程的计算精度，消除计算 随机误差。实现了大型露天矿山边坡稳定性的准确评价。

本发明的有益效果主要表现在：

1)统一评价标准。消除边坡稳定性计算的随机误差，使总体边坡、 组合台阶边坡、台阶边坡的相对误差δ(系统误差δ_s和随机误差δ_r) 相同或相近，可以用相同的设计安全系数评价不同级别边坡的稳定性， 开展边坡加固治理设计。

2)均衡稳定协调性。用边坡稳定性评价结论指导边坡角设计或加 固设计时，确保总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡具有相同的稳定 性。一方面，使不同级次边坡具有很好的稳定协调性，避免稳定性不 均衡现象，如总体边坡稳定性很差，台阶边坡稳定性很好；另一方面， 使整体稳定性与局部稳定性相协调，不要出现整体稳定与局部稳定不 协调的现象，如整体稳定性很差，局部稳定性很好。

3)实现高精度评价。提高几何精度与计算精度，降低随机误差， 实现矿山边坡稳定性高精度评价，为最优边坡角精准设计保驾护航。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。

一种大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法，包括以下步骤：

(1)按照结构面空间位置与边坡部位相匹配、结构面规模与边 坡规模相匹配的原则，系统全面的找出控制边坡稳定的关 键性结构面及其组合；

(2)将组合台阶边坡和台阶边坡放大至总体边坡相同的几何尺 度，分别建立总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡稳定性 计算模型，提高组合台阶边坡和台阶边坡稳定性计算建模 的几何精度，消除几何随机误差；

(3)根据赤平投影方法对边坡稳定性进行判断，将边坡划分成 稳定的和可能破坏的两种类型，针对可能破坏的边坡，找 准边坡潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向；

(4)依据边坡岩体稳定性赤平投影分析确定的潜在滑移面及其 潜在滑移方向，在对应的结构面上测量不少于16组壁岩的 回弹值；

(5)沿潜在滑移方向，采用结构面轮廓曲线仪，绘制不少于30 条表面轮廓曲线，将结构面轮廓曲线的图纸数字化，并对 结构面轮廓曲线按灰度值进行提取，根据结构面实际测量 长度与图形数字化矩阵的大小关系，自动化读取并存储每 一条结构面轮廓曲线的坐标数据；采用全域搜索方法，进 行结构面表面轮廓曲线的粗糙度系数的计算和统计分析；

(6)结合结构面粗糙度系数尺寸效应分形模型，运用借小议大 技术，确定结构面粗糙度系数尺寸效应分维数，依据岩体 结构面粗糙度系数尺寸效应规律，计算结构面粗糙度系数 稳定阈值，结合结构面粗糙度系数的尺寸效应分维数的实 际值与结构面粗糙度系数稳定阈值，计算实际尺寸结构面 的结构面粗糙度系数值；

(7)根据施密特回弹仪统计测量结果，确定代表结构面壁岩强 度所对应的回弹值。依据回弹值与壁岩强度关系，壁岩状 态(含水、风化情况)，确定结构面壁岩强度大小；

(8)基于结构面粗糙度系数稳定阈值与尺寸效应分维数的实际 值，计算实际尺寸结构面的壁岩强度大小；

(9)依据回弹值与结构面基本摩擦角的定量关系式，分别确定 结构面的基本摩擦角和残余摩擦角；

(10)基于步骤(1)～(4)建立准确的边坡稳定性评价模型，基于 步骤(5)～(9)获得Barton-Bandis非线性破坏准则中的关键参 数，精确表达满足的岩体结构面抗剪强度，为岩体边坡稳 定性评价提供了可靠计算参数；基于建立的计算模型和确 定的计算参数，定量评价边坡的稳定性。

通过以上方法，既提高了大型露天矿山组合台阶边坡和台阶边坡 稳定性计算建模的几何精度，又提高了边坡稳定性计算过程的计算精 度，消除计算随机误差，进而实现了大型露天矿山边坡稳定性的准确 评价。

Claims (1)

1.一种大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法，其特征在于，所述 方法包括以下步骤：

(1)按照结构面空间位置与边坡部位相匹配、结构面规模与边 坡规模相匹配的原则，系统全面的找出控制边坡稳定的关 键性结构面及其组合；

(2)将组合台阶边坡和台阶边坡放大至总体边坡相同的几何尺 度，分别建立总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡稳定性 计算模型，提高组合台阶边坡和台阶边坡稳定性计算建模 的几何精度，消除几何随机误差；

(3)根据赤平投影方法对边坡稳定性进行判断，将边坡划分成 稳定的和可能破坏的两种类型，针对可能破坏的边坡，找 准边坡潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向；

(4)依据边坡岩体稳定性赤平投影分析确定的潜在滑移面及其 潜在滑移方向，在对应的结构面上测量不少于16组壁岩的 回弹值；

(5)沿潜在滑移方向，采用结构面轮廓曲线仪，绘制不少于30 条表面轮廓曲线，将结构面轮廓曲线的图纸数字化，并对 结构面轮廓曲线按灰度值进行提取，根据结构面实际测量 长度与图形数字化矩阵的大小关系，自动化读取并存储每 一条结构面轮廓曲线的坐标数据；采用全域搜索方法，进 行结构面表面轮廓曲线的粗糙度系数的计算和统计分析；

(6)结合结构面粗糙度系数尺寸效应分形模型，运用借小议大 技术，确定结构面粗糙度系数尺寸效应分维数，依据岩体 结构面粗糙度系数尺寸效应规律，计算结构面粗糙度系数 稳定阈值，结合结构面粗糙度系数的尺寸效应分维数的实 际值与结构面粗糙度系数稳定阈值，计算实际尺寸结构面 的结构面粗糙度系数值；

(7)根据施密特回弹仪统计测量结果，确定代表结构面壁岩强 度所对应的回弹值，依据回弹值与壁岩强度关系，壁岩状 态，确定结构面壁岩强度大小；

(8)基于结构面粗糙度系数稳定阈值与尺寸效应分维数的实际 值，计算实际尺寸结构面的壁岩强度大小；

(9)依据回弹值与结构面基本摩擦角的定量关系式，分别确定 结构面的基本摩擦角和残余摩擦角；

(10)基于步骤(1)～(4)建立准确的边坡稳定性评价模型，基于 步骤(5)～(9)获得Barton-Bandis非线性破坏准则中的关键参 数，精确表达满足的岩体结构面抗剪强度，为岩体边坡稳 定性评价提供了可靠计算参数；基于建立的计算模型和确 定的计算参数，定量评价边坡的稳定性。