一种确定边坡坡角的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 1. -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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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， l〇m)，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。
[0010] 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。
[0011] 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l〇m (每隔10m-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1 Om;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l〇 8Pa，其摩擦系数均为0.5。
【具体实施方式】
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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169.8 lm。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』 1+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。B 3+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。
[0017] 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。
[0018] 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