[发明专利]一种确定边坡坡角的方法

说明书

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。