田延哲，徐拴海

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)



露天矿边坡稳定性评价岩体力学参数修正

田延哲，徐拴海

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

摘要：由于天然岩体中存在着层理、节理、弱面、断层面等，使得岩体的宏观力学参数与实验室获取的标准岩块的力学参数之间存在差异，因此需要将实验室得到岩块的宏观力学参数经过一系列修正以得到岩体的物理参数，才能将其运用到边坡稳定性评价中。通过Hoek-Brown经验法、地质力学法及RMI法对露天矿室内力学试验进行了修正，给出了边坡岩体力学参数建议值，同时考虑到露天矿边坡在开挖过程中岩体的风化、爆破震动、施工机具扰动尤其是冻融循环等不利因素对岩体强度的影响，给出了边坡稳定性计算岩体力学参数建议值。结论为：天然状态下，粘聚力最大值为3.22 MPa，最小值为1.84 MPa，内摩擦角最大值为32.44°，最小值为24.42°；饱和状态下，粘聚力最大值为2.77 MPa，最小值为1.55 MPa，内摩擦角最大值为27.49°，最小值为21.35°。

关键词：露天矿；力学参数；Hoek-Brown经验法；地质力学法；RMI法

露天矿边坡是一个极其复杂的地质结构体，边坡的稳定性受地下水埋深、地层倾角，综合帮坡角等多种因素影响，露天矿边坡稳定性评价结果与岩体强度密切相关，准确确定岩体的力学指标不仅可以缩短工期，而且可以提高工程质量。目前将岩石的力学参数修正到岩体力学参数的取值方法有许多，比如试验法、反分析法和数值计算法[1-3]等。由于天然岩体中存在着层理、节理、弱面、断层面等，使得野外现场岩体的宏观力学参数与实验室获取的标准岩块的力学参数之间存在差异，因此需要将实验室得到岩块的宏观力学参数经过一系列修正以得到岩体的物理参数，才能将其运用到边坡稳定性评价中。

本文在室内岩石力学试验指标基础上通过Hoek-Brown经验法、地质力学法及准岩体强度估算法等多种方法综合分析、计算获得边坡岩(土)体强度[4-5]，最终提出适合于该边坡岩(土)稳定性计算建议参数值。

1　岩(土)体物理力学试验指标

岩石力学试验是本次试验重点内容。现场取样主要以非工作帮、东端帮、西端帮、排土场为单元分别进行，每单元均按层采取，比较破碎的泥岩只能取回碎块进行测试。现场岩样采取时技术要求如下：① 每孔不同地层实际层位长度大于0.5 m时,取样不得少于两组，岩芯要及时封存与送检。本工程需要采集的试样有扰动土样，原状岩样。岩层用岩芯管取样；② 所有原状岩土样，必须保证其天然结构，天然含水率，做到轻拿轻放、避免人为扰动。岩土样取出后，及时封装和粘贴标签，严禁曝晒，运输时轻拿轻放，采取防震和防冻措施。由于当地没有相应的测试设备和仪器，所以所有岩石试验均委托西安理工大学岩土工程省级重点实验室完成，对加工好的岩样分别做了天然状态和饱和状态下各岩样的单轴压缩实验和剪切试验，各组岩样要严格按照《工程岩体试验方法标准》[6](GB/T 50266-2013)、《水利水电工程岩石试验规程》[7](SL264-2001)等国家现行的试验规范和规程进行测试，具体指标测试结果如表1。

表1　采场各帮坡岩石物理力学参数

2　边坡岩体强度的修正

本节在露天矿边坡室内岩石(土)力学试验指标基础上通过Hoek-Brown经验法、地质力学法及RMI法等多种方法综合分析、计算获得边坡岩(土)体强度，考虑到岩石风化，冻融循环等因素的影响，根据强度折减法最终提出适合边坡岩(土)稳定性计算参数建议值。

2.1Hoek-Brown经验准则法

国外学者根据对节理化岩体试验的研究成果，提出天然节理化岩体应满足下面关系式：

σ1=σ3+(mσ3σc+sσc2)1/2

(1)

式中：σ1、σ3分别为三轴压缩试验过程中最大主应力、最小主应力；σc为单轴压缩试验中岩石的强度；m、s为常数，取决于岩石性质。依据Hoek—Brown准则推导出了节理化岩体抗剪强度指标c、φ值。其表达式为：

τ=(ctgφi-cosφi)mσc/8

(2)

结合以上Hook-Brown强度准则和摩尔库仑准则，可以得到弱化后岩体的c,φ值，对于给定的σ3，粘聚力和摩擦角可由下式获得：

φ=2tan-1(Nφ(σ3))1/2-90°

(3)

c=σcm/2(Nφ(σ3))1/2

(4)

(5)

(6)

2.1.1m、s值的确定

(1)通过对露天矿野外岩体节理、裂隙调查，根据Hook-Brown强度准则和摩尔-库仑准则的节理化岩体分类经验表从而确定岩体模型。

本区共勘测了2处地质点，各点的产状测试结果如下：

第1勘测点产状为210°∠35°，方位坐标为(4221224.98,509120.85)，勘测到的节理组数：

1)85°∠70°，线密度3 条/m～8 条/m，节面平直。延伸3 m～5 m，张开度2 mm～4 mm；

2)285°∠76°，线密度2 条/m～6 条/m，延伸3 m～6 m，张开度1 mm～3 mm；

3)280°∠72°，线密度2 条/米～5 条/米，延伸5 m～6 m，张开度2 mm～4 mm；

4)225°∠63°，线密度2 条/米～5 条/米，延伸3 m～8 m，张开度1 mm～3 mm；

第2勘测点产状为215°∠30°，方位坐标为(4221265.40,509150.07)，勘测到的节理组数：

1)265°∠85°，线密度2 条/m～6 条/m，节面平直。延伸3 m～8 m，张开度1 mm～3 mm；

2)15°∠67°，线密度2 条/m～5 条/m，延伸3 m～8 m，张开度1 mm～3 mm；

3)20°∠76°，线密度2 条/米～4 条/米，延伸2 m～6 m，张开度1 mm～3 mm；

第3勘测点产状为255°∠39°，方位坐标为(4221268.97,509029.41)，勘测到的节理组数：

1)183°∠60°，线密度1 条/m～4 条/m，节面平直。延伸2 m～5 m，张开度1 mm～3 mm；

2)121°∠72°，线密度3 条/m～10 条/m，延伸2 m～6 m，张开度1 mm～3 mm；

(2)根据Hook-Brown强度准则和摩尔-库仑准则的节理化岩体分类经验表，可获得节理化岩体的m、s值。

根据地质环境及节理、裂隙调查结果：岩石的工程地质特征相当于强-中等风化，质量较差～一般，确定出m、s值应取m=0.05、s=0.00001。

2.1.2σc值确定

σc由计算机控制的专门对岩石类工程材料进行力学性能试验的多功能电液伺服试验机确定。

2.1.3指标求取

用已经得到的σc、m、s值，用式(3)、式(4)进行计算并做出Mohr破坏包络线，根据Mohr破坏包络线的特性，可以计算出所岩体的内摩擦角φ与粘聚力c值。根据Hoek-Brown经验公式，岩体强度指标计算结果如表2所示。

表2　Hoek-Brown经验计算值

2.2RMI法

RMI值以通过结构面参数对岩石单轴抗压强度进行折减来反映岩体的强度特性。其表达式为:

PRMI=σc×K

(7)

式中：σc为为岩块单轴抗压强度(MPa)，由直径为50 mm的岩石试件在实验室测得；K为结构面参数，其值变化在0～1间。对完整岩块取1，破碎岩体取0。

该方法是在考虑了节理、裂隙等结构面对岩体的影响，根据弹性波在这些结构面内传播速度的变化情况，利用弹性波在试块和岩体中的传播速度比值的平方作为岩体的完整系数K判断岩体中裂隙的发育程度[9]：

K=(Vml/Vcl)2

(8)

其中：Vml为岩体中弹性波纵波的传播速度；Vcl为岩块中弹性波纵波的传播速度。

结合岩体完整系数[10-11]和结合中国科学院地质研究所岩体分类标准，该区岩体的完整性系数取K=0.6，这样岩体的准强度就可以利用完整性系数和岩石强度指标的乘积K来计算。岩体强度计算结果见表3。

表3　RMI法计算结果

2.3地质力学分类法

由南非科学和工业研究委员会提出的CSIR分类指标值RMR由RQD值、岩块强度、节理间距、地下水、节理条件和节理方向修正值6项指标组成，然后对每项指标评分，求得总分RMR值，再对总分做适当修正，最后利用修正后的总分来判定岩体的类别和强度值。评分中相关参数结合岩石力学试验和现场节理裂隙勘测而知。根据岩体地质力学分类表的标准[12]要求，对5部分的评分结果如表4所示。

通过以上分析，依据岩体级别和岩体质量评价标准表的要求，本勘查区岩体属于Ⅲ级的一般岩体，岩体内聚力为200 kPa～300 kPa，内摩擦角为25°～35°。

表4　各项分类参数评分结果

3　边坡岩体强度建议值与质量综评

3.1边坡岩体强度建议值

通过对以上岩体强度几种分析方法计算结果的综合分析，结合其它类似露天矿边坡的工程实践，在遵循Hoek-Brown经验计算法的基础上，考虑RMI法，兼顾地质力学分类法对露天矿首采区边坡岩体物理力学参数做出综合分析，给出建议值如表5所示。

3.2边坡稳定性计算强度参数建议值

考虑到露天矿边坡在开挖过程中岩体的风化、爆破震动[13]、施工机具扰动尤其是冻融循环等不利因素对岩体强度的影响，所以在边坡稳定性计算时，相关强度指标需做必要折减[14-18]。

岩体强度指标折减依据：

(1)地温监测表明，该区季节性冻岩深度在5.75 m，多年冻岩深度在59.75 m，之下为稳定岩体；随着煤岩采剥量的增加，边坡高度也随之增加，出现冻岩厚度会沿坡体向下逐渐延深，且不断的风化侵蚀和冻融循环会加快这种延深。所以建议坡体面以下6 m内需考虑季节性冻土影响，6 m～70 m深度范围内考虑多年冻土的影响。

(2)冻土试验表明：边坡岩体在冻融循环作用下，抗压强度损失在39%～97%。

(3)爆破震动、开挖机具以及运输车辆的扰动会加剧岩体原生结构面的扩展，形成较多的次生结构面，加之冻融循环影响，使冻岩深度会进一步增加。

(4)剥掉的草甸覆盖层失去对地层的保温作用，会加剧冻岩深度的增加。

综合上述各种依据，边坡稳定性计算时，深度在70 m范围内时，建议计算强度指标按岩体力学参数建议值的0.4折减,70 m～120 m按0.6折减，120 m～170 m按0.7折减。计算参数采用值见表6。

表5　边坡岩体力学参数建议值

表6　边坡稳定性计算岩体力学参数建议值

4　边坡岩体质量综评

4.1结构类型

根据岩石力学室内试验以及2节～3节分析，结合岩石质量指标(RQD)、中科院地质研究所岩体分类法、以及地质力学标准相关的分类以及《工程岩体分级标准》[19](GB50218-1994)3.3中的相关规定，本次勘察区岩体结构类型属于：一般的、完整性为Ⅱ类(层状结构)中Ⅱ1型的较坚硬性岩体[20-21]。

4.2质量分级

岩体质量指标BQ以103个典型工程为抽样总体，采用多元逐步回归和判别分析法建立了岩体基本质量指标表达式：BQ=90+3σcw+250KV计算。其中，σcw为32.44 MPa，KV为0.6，这样BQ值为410.19。根据《工程岩体分级标准》[19](GB50218-1994)4.1.1中的标准，本勘察区岩体基本质量等级为Ⅲ级。

4.3强度大小

天然状态下，岩体的抗压强度最大值为63.84 MPa，最小值为26.57 MPa，平均值为45.21 MPa；饱和状态下岩体的抗压强度最大值为55.50 MPa，最小值为21.09 MPa，平均值为38.30 MPa；抗剪强度指标，天然状态下，粘聚力最大值为3.22 MPa，最小值为1.84 MPa，内摩擦角最大值为32.44°，最小值为24.42°；饱和状态下，粘聚力最大值为2.77 MPa，最小值为1.55 MPa，内摩擦角最大值为27.49°，最小值为21.35°。

5　结　论

(1)根据现场采集到岩样经过加工分别进行了天然状态和饱水状态下的单轴压缩试验和剪切试验，获得了不同状态下岩石的单轴抗压强度、粘聚力和内摩擦角。

(2)通过Hoek-Brown经验法、地质力学法及RMI法对室内岩石力学试验的数据进行了修正，给出了边坡岩体力学参数建议值，同时考虑到露天矿边坡在开挖过程中岩体的风化、爆破震动、施工机具扰动尤其是冻融循环等不利因素对岩体强度的影响，给出了边坡稳定性计算岩体力学参数建议值。

(3)结合工程岩体分类标准，对岩体进行了结构类型、质量分级和强度大小的综合质量评价。

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TheCorrectionoftheRockmassMechanicsParametersfortheStripMineSlopeStabilityEvaluation

TIAN Yan-zhe,XU Shuan-hai

(CCTEGXi'anResearchInstitute,Xi'an,Shaanxi710077,China)

Abstract：In the process of open-pit slope stability analysis,due to the existence of the layers,joints,weak interfaces and fault planes,the macromechanical parameters of the rockmass are different from those of the laboratary standard rock.Therefore the parameters obtained in the laboratory should be corrected in order to derive the physical parameters of the rockmass and then applied to the stability evaluation of the slope At first,the suggested mechanical parameters of the rockmass were obtained through the correction of Hoek Brown experience method,geomechanical law and RMI method.And then,the unfavorable factors of weathering,blasting vibration,construction disturbance and freeze-thaw cycle were taken into account to calculate the suggested mechanical parameter value of the slope stability.The results showed that under natural state,the maximum value of the cohesion was 3.22 MPa,the minimum was 1.84 MPa;the maximum value of internal friction angle was 32.44°,the minimum value was 24.42°.Under the saturated state,the maximum value of the cohesion was 2.77 MPa and the minimum value was 1.55 MPa;the maximum value of internal friction angle was 27.49°,the minimum value was 21.35°.

Keywords：strip mine;physical and mechanical parameters;Hoek-Brown experience method;geomechanical law;RMI method

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.022

中图分类号：TD824

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0112—06

作者简介：田延哲(1988—)，男，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为露天矿山边坡。

基金项目：中铁资源集团有限公司科技开发计划项目(2012-重点-61)；中煤科工集团西安研究院有限公司创新基金(2012XAYCX020)；中科院冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201311)

收稿日期：2014-08-06修稿日期：2014-09-27