使用Slide3管理南美洲和澳大利亚的煤矿边坡破坏

使用Slide3管理南美洲和澳大利亚的煤矿边坡破坏

煤矿很容易遭受边坡破坏，因为它们面临着各向异性岩体、软粘土层、地下水压力波动和大雨的作用力。N.Bar和JCCobián的最新研究表明，使用正确的软件可以有效管理这种风险。

他们利用3D边坡稳定性建模和雷达监测，以及遥感和钻孔岩芯测井等传统技术，对两个煤矿进行了故障恢复分析。这两座矿山（一座位于澳大利亚，另一座位于南美）得到了安全管理，该论文展示了收集的数据如何帮助减轻未来的风险。

在这里，我们将重点介绍原始研究成果，并展示如何使用我们的3D极限平衡分析软件Slide3。    

地质环境

研究中的两个煤矿地质环境复杂，这为高级边坡稳定性分析带来了独特的挑战和机遇。该南美矿区面积广阔，拥有多个露天矿坑，每个矿坑深达300米，开采砂岩、粉砂岩和粘土岩互层序列中的50多个独立煤层。地质环境的特点是中等各向异性岩体，各向异性指数(RC)范围为3至4，并且由于轻微褶皱而在煤接触面上存在剪切力。

图1.左侧为南美煤矿的照片，右侧为Slide3中创建的模型

澳大利亚矿山有一个新的露天矿坑，长10公里，低壁台阶高度为20米，高壁台阶陡峭，面角为70°。地层序列包括煤层以下2米和10米深度的软弱粘土层，这对边坡稳定性产生了显着影响。构造地质相对简单，但具有薄弱的粘土层，是稳定性模型中的关键界面。

图2.左侧澳大利亚煤矿的照片，右侧为Slide3中创建的模型

研究挑战

两种采矿作业都需要在高度复杂的地质环境中管理半延性边坡破坏。具体而言，南美矿场涉及多个露天矿坑，开采砂岩、粉砂岩和粘土岩互层序列中的50多个独立煤层，而澳大利亚矿场则具有陡峭、高壁台和显着的地层变化，包括软弱粘土层。

在分析从这些地点收集的数据后，研究人员旨在验证和完善用于管理边坡稳定性的方法，进一步了解岩土工程，并提高未来设计风险预测的可靠性。

解决方案

Slide3的3D极限平衡(LE)分析是完美的解决方案，因为该软件允许：

• 复杂斜坡几何形状的详细建模。

• 结合不同的材料强度和各向异性行为。

• 使用先进参数准确模拟地下水状况。

  
  

在南美矿山，Slide3用于预测未来潜在的多台故障，以便岩土工程师可以主动管理风险。该软件能够使用振弦式渗压计（VWP）数据和Hu系数精确模拟地下水条件，帮助研究人员了解孔隙压力对边坡稳定性的影响。    

在澳大利亚矿山，Slide3的3D建模功能根据实时雷达位移数据进行了验证。该验证过程涉及迭代反分析和调整摩擦角以匹配观察到的现场数据。该软件能够对不同深度的滑动面进行建模，从而可以识别多台和单台失效机制，从而全面了解潜在的不稳定问题。

结果

南美矿山：Slide3准确预测了矿山寿命（LoM）设计的稳定性条件。它确定了在不久的将来（1至3年）存在较大的低FoS区域（FoS≈1.1）和几个小的潜在故障（FoS<1），允许进行较小的设计更改以管理风险，同时保持煤炭回收率并增强安全性。

从长远来看（5至10年），模型预测故障量将显著增加，超过600万吨（FoS<1），这可能会产生重大经济影响。值得庆幸的是，这些风险还需要几年的时间，并且有时间进行进一步的现场调查并进一步完善设计。    

图3. 3DLE模型已投入使用3年和5年。请注意低FoS区域，这表明需要进行设计更改，例如额外去除覆盖层

澳大利亚矿山：Slide3的预测根据斜坡失稳预测的雷达位移数据进行了验证（见图4）。在一场大雨期间，粘土层发生了摩擦角为17°的低墙破坏，通过雷达进行了安全管理。研究人员在Slide3中创建的FoS地图与雷达位移图几乎相同，证实了该模型的可靠性。

图4. 左：雷达位移数据。中：具有17°粘土接缝角度的3DLE模型，其中红色是FoS<1区域。右：具有13°粘土接缝角度的3DLE模型，其中红色是FoS<1区域

Slide3的LE模型还用于预测矿井的下一阶段（见图5），并定位了一些不稳定因素。这一过程为决策提供了宝贵的数据，特别是在提高稳定性和更彻底地了解代价高昂的生产力延迟的潜力方面。

左：最小滑动面深度为5m的多台秤机构。右：没有最小滑移面深度

结论

总体而言，Slide3的精确建模经过雷达数据验证，可实现主动风险管理，在本例中，它提供了对低墙故障的洞察，并确定了未来的关键不稳定区域。Slide3将复杂的地质数据转化为清晰、可操作的见解，证明了其对于提高采矿安全性和效率的价值。

有关煤矿边坡破坏的常见问题

露天煤矿的边坡破坏可能是由各向异性岩体、软弱粘土层、地下水压力波动、暴雨事件等引起的；它们会在斜坡内造成薄弱区和不稳定。

例如，各向异性岩体根据载荷方向表现出不同的强度，并使某些方向更容易发生破坏。薄弱的粘土缝隙充当自然滑移面，降低整体稳定性。地下水压力会导致岩石内的孔隙压力增加，从而削弱有效应力并促进破坏。大雨会迅速改变地下水位并引发突然的斜坡运动。

边坡塌陷可能会因停产、昂贵的修复工作、设备损坏以及可采煤炭储量的潜在损失而导致重大经济损失。采矿作业的中断直接影响生产力和收入，因为修复和稳定需要大量资源。

此外，由于斜坡破坏而损坏或掩埋的设备可能会产生进一步的成本。重新评估和重新设计斜坡的必要性可能会延迟采矿进度，在严重的情况下，整个矿区可能无法进入，导致资源永久损失。

各向异性材料在不同方向上具有不同的强度，使得边坡稳定性分析变得复杂。他们需要先进的建模来准确预测整体边坡稳定性将如何受到影响。    

叶理、层理面、节理组等都会导致各向异性，从而在岩体中产生薄弱面。准确的建模需要对其方向特性进行详细的表征和理解，这通常涉及复杂的数学表示，而Slide3等岩土工程软件可以帮助您完成这些表示。

煤矿可以采用一些策略来主动管理边坡稳定性风险，包括使用先进的3D建模和实时雷达监测、进行彻底的现场调查以及结合地下水数据来预测和减轻潜在的故障。

先进的3D建模有助于模拟斜坡的复杂几何形状和不同的材料特性，以进行准确的风险评估。实时雷达监测可以连续观察斜坡运动，从而能够立即响应新出现的危险。全面的现场调查为您提供有关地质条件的关键数据，地下水监测可跟踪影响稳定性的孔隙压力变化。

雷达位移监测、振弦式渗压计、摄影测量和激光扫描都是监测边坡稳定性的常用技术，因为它们可以提供实时数据以进行准确分析。

雷达位移监测器可检测斜坡内的微小移动，并可及早发现潜在故障。振弦式渗压计测量孔隙水压力，这对于了解地下水对稳定性的影响至关重要。摄影测量涉及捕获高分辨率图像以创建斜坡表面的详细3D模型，而激光扫描则提供斜坡几何形状的精确测量。    

3D建模提供了斜坡几何形状、材料属性、环境条件等详细而真实的表示，以实现更准确的稳定性预测。

与传统的2D模型不同，3D模型捕捉斜坡内不同层、结构和力之间的复杂相互作用。他们可以模拟各种场景，例如不同的失效机制和环境变化，以预测斜坡将如何响应。

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