第十一章 非煤矿山岩层控制与边坡稳定

第十一章非煤矿山岩层控制与边坡稳定第十一章非煤矿山岩层控制与边坡稳定金属矿床开采与煤矿开采相比，主要特点是：（1）矿体及围岩坚硬：（2）矿床赋存条件不稳定，矿体厚度、倾角及形状变化大，这就要求有多种采矿方法；（3）在矿床中经常有断层、褶皱、穿入矿体中的岩脉、断层破碎带等地质构造，给采矿和探矿工作带来很大困难[1]。

这些特点就使金属矿山的岩层控制与煤矿相比具有自身的规律。

在金属矿山中通常将矿压称为地压，本章统称为矿压。

第一节金属矿的采场矿压金属矿回采过程中，矿压活动与采矿方法密切相关。

采用房柱采矿法时，一般表现为顶柱、间柱塌落，进而导致上盘岩石崩落，造成大规模矿压活动；崩落采矿法主要表现在出矿水平巷道（耙巷、近路）的破坏。

一、开采水平矿床时顶板中应力分布的弹性力学解开采具有稳定围岩及矿石的水平或倾斜矿体时，根据矿体厚度及规模，广泛采用全面法、房柱法。

此时，通过限制回采空间暴露面积来维护回采空间的稳定性，凭借岩体自身强度支撑采场空间结构，并根据岩体、结构的具体情况，可配合锚杆、金属网、锚索等辅助支护，提高顶板围岩稳定性。

通过合理确定采场的结构参数，使顶板中不出现拉应力，或使出现的拉应力低于顶板岩体的抗拉强度。

同时，亦应使顶板与矿柱衔接处压应力、剪应力低于其抗压、抗剪强度。

顶板中出现拉应力与跨度及高度关系表示于表11－1。

表11－1 矩形采场顶板中拉应力集中系数K t 1/4 1/2 1 4 812 00.2 0.3 0.4 0.5 0.6二、倾斜、急倾斜矿体开采的矿压活动图11-1是有限元计算得出的倾斜矿床围岩及矿柱中的应力分布，从图中看出：（1）在回采空间（矿房）下盘上角和上盘下角发生应力集中；（2）在阶段矿柱中，应力集中发生在上盘存在拉应力区（图11－2a ），阶段高度适中上盘的拉应力区消失；（3）距回采空间附近上、下盘围岩中应力低，为应力降低区；阶段矿柱附近为应力升高区（支承压力区）。

在目前广泛采用的阶段高度条件下（40m~60m ），分布于回采空间周围岩体中应力值远低于构成上、下盘岩石强度，因此应是稳定的，但从湘赣地区和辽宁地区矿山所发生的矿压hl 采场高度采场跨度y tt K σσ=活动看出，采空区周围岩体破坏，主要属于构造控制破坏类型。

我国金属矿山当前在有利于采用房式采矿法的围岩条件下，所出现的矿压活动几乎都归因于采空区周围岩体受构造控制破坏。

图11-1 倾斜矿床的围岩及矿柱中的应力分布图11-2 已采空间上盘拉应力区与阶段高度关系(a) 阶段高度大时，上、下盘应力分布图（虚线范围内为拉应力区）(b) 阶段高度小时，上下盘应力分布图三、崩落采矿法的矿压活动由于崩落采矿法矿石随回采放出，上覆岩层崩落补充原矿石所占据的位置充满采空区，因此崩落采矿法矿压活动有其自身特点。

（一）有底柱崩落采矿法底柱出矿巷道所承受压力有底柱崩落采矿法的矿石是通过底柱放矿巷道放出。

在回采过程中，往往由于底柱承压过大，耙道遭到破坏而影响回采工作正常进行。

所以这种采矿方法的矿压控制主要表现在维持底柱出矿巷道（耙道）的稳定性上。

在回采期间，回采工作不同阶段底柱所承受压力是不同的，一般可分为三个阶段：第一阶段：采场进行切割拉底后（未进行崩矿），此时电耙巷道上部是实体。

虽然此时也有压力作用于下部，但因未采动矿石本身对周围岩体有一定的承载能力，故此时底部所承受压力比较小；第二阶段：采场崩矿之后，受矿巷道上部堆积着崩下的松散矿石，它对围岩的承载能力甚微。

因此，此时底柱不仅要承受崩下矿石自重造成的压力，还要承受上覆崩落岩石传递给底柱的压力，比第一阶段承受压力明显增大。

第三阶段：随放矿进行，作用在底柱上的压力降低。

这是因为随放矿进行，漏斗上部矿石发生二次松散，在每个放矿漏斗上部形成一个椭球状松动空间。

处于松动椭球体内部矿石不再承受上部传递下来的荷载，于其上部形成免压拱。

拱上部松散矿石荷载被传递给附近漏斗上部矿石，从而在放矿过程中，处于放矿的漏斗中心压力降低，出现降压带。

降压带发生在松散椭球体范围内，距放矿漏斗轴线越近，压力值降低越大。

（二）无底柱分段崩落法进路周围岩体中应力分布无底柱分段崩落法较有底柱崩落法结构简单，整个回采过程—凿岩、崩矿、出矿都在同一条回采巷道（进路）中完成。

为了维护回采巷道（进路）的稳定性必须了解进路周围岩体中应力分布，以及回采顺序对它的影响，以便采取相应维护措施。

从图11-3看出，在进路两侧矿柱中形成应力升高区，而在巷道顶板上方形成应力降低区。

11-3 进路周围岩体中应力分布图第二节边坡稳定分析与控制一、露天矿边坡工程特点露天矿边坡是开采矿石后遗留下来的开采边界，从经济开采角度讲，露天矿边坡的角度越大（越陡）开采效益越好，可以少剥离岩石，降低开采成本。

但过大的边坡角必然导致边坡滑坡等破坏的风险增大。

见图11-4所示，露天矿边坡是指由露天采场四周的台阶等构成的倾向采场的岩体。

露天矿边坡分为工作帮边坡和非工作帮边坡。

工作帮边坡是指正在进行采矿或剥岩作业的边坡，如图11－4中的GCD。

非工作帮边坡是指由露天矿境界台阶（永久台阶）组成的不进行采矿或剥岩作业的边坡，如图11－4中的FG和BD两部分。

非工作帮边坡上有许多台阶，这些台阶是采矿作业和维持边坡稳定所必须的。

边坡稳定研究对象是指非工作帮边坡。

随着露天开采的进行，露天矿场必然逐渐延深，最终达到露天矿的设计境界FEAB。

FEAB 也称露天矿最终境界，FE和BA称为露天矿最终边坡，其边坡角称为露天矿最终边坡角，见图11－4中的和。

γβ11-4 露天矿边坡及构成露天矿边坡即是露天开采的边界，同时也是露天开采作业的对象，还担负着提供下部矿石、岩石运输的通道作用，因此与其它岩土边坡相比，具有许多自身特点。

（1）露天矿边坡的形成是一动态开挖过程露天矿边坡是随着采矿工程的延深而逐渐形成的。

在露天矿开采初期，由于边坡高度较小，因此边坡问题并不严重，但对有些矿山，由于岩层赋存条件、岩体结构等原因，即使是较小的边坡也会时常发生一些局部破坏。

因此，有些露天矿山自从开采初期就遇到了边坡失稳问题，一直持续在露天开采的整个过程。

（2）边坡工程地质条件的不可选择性露天矿边坡是露天矿场的边界，它的形成只能根据矿体赋存条件、相关的国家矿产需求、相关行业的经济水平、开采的技术条件等进行设计和开挖，尤其是边坡的形成位置不具有可选择性，只能是在开采的矿体周围形成，亦即边坡的工程地质条件、水文地质条件、岩层条件等不具有选择性，无法避开不良的工程地质区域，无法从根本上调整边坡的方位。

（3）边坡高大且受到日常爆破震动的影响露天矿边坡是目前各类人工形成的岩土边坡中高度最大的，走向长达数公里。

因而露天矿边坡揭露的岩层多，边坡各部分地质条件差异大，边坡陡立，一般的最终边坡角都在400～500之间，甚至更大，这种高大陡立的岩体边坡，对于下部安全开采形成了一定威胁。

同时采矿的日常生产爆破作业、靠帮爆破等也影响到了边坡的稳定。

尽管广泛采用微差爆破技术，但对边坡形成的震动影响仍然是巨大的，导致边坡表面岩体进一步破碎，爆破震动诱发边坡滑动、坡面岩石滚落、台阶局部崩塌等。

二、露天矿边坡常见的破坏类型（1）台阶下沉（2）滑动指边坡岩体在自重或其他外部荷载作用下，在较大范围内沿某一平面或曲面整体向下移动的现象。

这一平面或曲面称为滑动面，整体向下移动的岩体称为滑体。

其破坏机理是由于滑面上的剪力大于抗剪强度所致。

一般滑体的生成至整个滑动的时间较长，从数日至数年不等。

有些滑动前具有明显的变形特征，有些滑动前则变形量较小，滑动迹象不明显。

按滑动面形状又将滑动分为平面滑动、楔体滑动和圆弧滑动等。

平面滑动。

当地质结构面的走向平行边坡坡面，倾向和边坡坡面一致，其倾角小于边坡角而大于摩擦角时，边坡岩体易于发生沿结构面的平面滑动。

圆弧滑动。

滑动面为圆弧形，当岩土非常软弱（土体），或者边坡岩体的裂隙发育，或者岩体已经破碎（废石堆）时，边坡易于发生圆弧滑动。

楔体滑动。

当两个结构面斜交边坡坡面，其交线在边坡坡面出露时，如果此交线的倾角大于结构面的摩擦角而小于边坡角时，则容易发生楔体滑动。

坚硬岩体中的露天矿台阶很多是这种形式破坏的。

由于地质条件的复杂性，露天矿边坡的滑动面又常表现为多种滑面的组合。

三、露天矿边坡工程分析的主要内容与程序（一）影响露天矿边坡稳定的因素影响露天矿边坡稳定的因素很多，主要有如下因素：（1）岩体的物理力学性质。

如岩石抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、纵波波速、重度、空隙率、透水性、吸水性、抗冻性等。

重度、纵波波速大的岩石，通常有较高的力学强度，有利于边坡稳定。

岩石的空隙率大、吸水性强、抗冻性差，则力学性能弱化，不利于边坡稳定。

（2）岩体结构面。

大部分岩体边坡破坏都是沿结构面和弱层发生的。

规模大的结构面会控制边坡的破坏模式，与坡面同倾向的结构面会形成边坡滑动破坏的滑动面。

与边坡反倾向的结构面对边坡稳定影响较小。

小规模结构面，常称为节理面（延展长度在数米以内的）会切割岩体，破坏岩体的完整性，宏观上降低岩体强度。

当这些节理具有明显不利的优势方位时，它们也可控制边坡的破坏模式。

（3）地下水。

地下水、地表水、大气降水对边坡稳定都有明显影响，露天矿边坡等大量滑坡事例都发生在雨季或春季解冻时期，或因排水不利。

水对边坡稳定的影响主要表现为：一是软化岩石，降低其强度，同时增加边坡岩体重度，尤其对于亲水性岩石，如页岩、泥岩等岩石，饱水后，强度急剧下降；二是静水压力的浮托作用降低了岩体的有效抗剪强度；三是地下水的渗透与流动，对边坡体产生不利的渗透压力，同时会带走边坡岩体结构面中的细小颗粒，进一步降低结构面强度。

（4）爆破震动。

露天矿日常爆破和靠帮爆破都影响着边坡稳定。

目前采用如下经验公式反映爆破震动的影响。

（5）几何形状。

露天矿边坡由于受矿体形态、地形地质条件、开采技术条件多方面因素的影响，其几何形状往往是不规则的几何图形。

但总体而言，都可以看成由凹形边坡、直线形边坡和凸形边坡所组成，见图11-5。

（二）露天矿边坡工程稳定性分析与评价的程序露天矿边坡稳定分析与评价的目的就是设计并形成一个使露天矿生产既安全又经济的最佳边坡。

进行边坡稳定分析与评价时一般遵从如下程序：（1）边坡工程地质条件、水文条件与影响边坡稳定因素的调查与分析评价;（2）边坡岩体及结构面等相关物理力学参数的测试与确定，如抗拉强度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、对水的敏感性等;（3）根据地质等调查与分析的结果，以及模拟实验结果确定边坡可能的破坏模式;（4）针对各种可能的破坏模式，选择不同的计算方法进行边坡的稳定性计算，以及各种影响因素的敏感性分析;（5）根据稳定计算与分析结果，对研究区域的边坡进行综合性的稳定评价;（6）对局部不稳定边坡给出工程稳定措施以及加固治理等措施，给出边坡维护方案;（7）给出最佳边坡设计与施工方案。