采矿边坡的倾倒破坏(Toppling failure)

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1 引言

尽管岩石边坡的基本破坏模式有平面破坏、楔形破坏、倾倒破坏和圆形破坏，但通过对比一些大型采矿边坡破坏的案例发现，发生的最多破坏模式是倾倒破坏(toppling failure)。在目前的数据库中共有11个这样的案例，本文讨论了其中的3个：Letlhakane, Afton 和Brenda，Letlhakane位于博茨瓦纳，而后两个位于加拿大。在这些案例中，岩体内存在的大量节理是发生倾倒破坏的主要因素。

2 倾倒破坏

2.1 Letlhakane mine

Letlhakane mine是博茨瓦纳(Botswana)的一个钻石矿，于1976年开始开采，主要的岩石类型是强度非常高的玄武岩(basalt)，不过，由于大量的结构不连续，导致岩体强度很低，这也是导致边坡发生倾倒破坏的直接原因[(2001) Pit Slope Design at Orapa Mine]。岩体内存在的拉应力裂纹不断扩大和延伸导致了边坡破坏。2002年该矿引入了GeoMos自动监测系统[(2006) Prediction of slope failure at Letlhakane Mine with the Geomos Slope Monitoring System.]

2.2 Afton Mine

Afton mine的边坡破坏已经讨论过【露天矿边坡多台阶倾倒破坏(multi-bench toppling failure)】，主要的破坏原因是由于多条不连续的切割岩体导致边坡发生了块体倾倒破坏 [(1986) A large scale toppling failure at Afton; (1990) Deformation of Open Pit Mine Slopes by Deep Seated Toppling]。

2.3 Brenda Mine

与Afton矿一样，Brenda矿也是在高强度岩石中发生的不可控制的边坡破坏，主要破坏原因是多组节理切割岩体导致边坡发生了倾倒破坏，而且破坏时没有任何预先警告。下图所示的是Brenda矿的历史遗迹(2022)。

Brenda(布伦达)矿位于BC省Kelowna以西40km的Peachland，主要矿石是铜和钼，主要岩石类型为石英闪长岩，岩石还表现出一些片岩性。矿区内有许多粘土沟，最主要的一组节理是东西走向，与矿坑的长轴方向相同，倾角S70°至80°，平均节理间距约为15~27m。另外两组节理一个是南北走向，倾角向东北方向极倾斜，一个是东西走向，倾角N30°。这两组节理的连续性较差，节理间距很小。南坡完整岩石的单轴抗压强度超过150MPa。气象条件较恶劣，温度变化大，年降雪量高，导致春季径流大。

该矿于1970年开始生产，设计的整体边坡角为45°。自从70年代中期以来，南坡就出现了不稳定迹象。1978年春天，在矿坑的下部出现了破坏，从边坡一直延伸到坑底，高度大约为90 m。这次规模较小的破坏主要是由粘土沟的结构控制引起的，春季的径流可能是引发这次破坏的主要原因。

在1988年南坡的最后开采过程中，观察到了更广泛的不稳定性，南坡的设计坡度为45°，但在开采第一个30m高的台阶后，边坡就出现了崩塌；持续的开采导致了每天约50mm的移动率，但在台阶爆破后移动速度立即增加到每天750mm。于是对南坡下部的边坡采取了削平措施，使得整体边坡角变为40°。同时对边坡进行了降水处理，使得边坡移动暂时得到了控制。1988底南坡的边坡高度大约有200m，测量到的垂直变形在坡顶比在坡下部大，如下图所示。破坏机理被确定为沿着南坡陡峭的、充满沟壑的断层的大规模倾倒。

观察和数值模拟的结果显示倾倒破坏的基底处在边坡上相对较深的位置。1990年发生了一次不可控制的破坏事件，当时边坡高度为335 米，边坡角为45°。破坏的岩石约有15百万吨。一个不可思议的现象是这次破坏是在没有事先警告信息，也就是出现裂缝或位移的情况下发生的，岩石破坏的速度估计为每小时175km。这种突发的快速破坏的边坡案例也给后来的边坡稳定性研究和边坡设计留下了极大的思考空间。

下图所示的是使用UDEC进行的模拟，三个图分别为节点速度、水平位移和发生破坏的节点[(1990) Toppling and deep-seated landslides in natural slopes], 详细的模拟过程参看[(1989) Numerical Modelling Of Large Scale Toppling]。