楊勝勇

摘要：分析可靠度理論下礦山法開(kāi)挖的穩(wěn)定性，以某礦場(chǎng)為研究對(duì)象，采用蒙特卡洛分析法對(duì)應(yīng)用礦山法開(kāi)挖的礦場(chǎng)邊坡進(jìn)行可靠性分析，得出穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)，試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：可靠度理論；礦山法；開(kāi)挖；穩(wěn)定性分析

0? ?引言

決定礦山法施工的核心影響因素是施工開(kāi)挖表面的穩(wěn)定性，即周邊圍巖施工后的動(dòng)態(tài)，如圍巖穩(wěn)定性差則無(wú)法施工[1]。礦山法挖掘施工的常規(guī)模式為“先挖后支”，即在挖掘進(jìn)尺至一定程度后再進(jìn)行巷道圍巖支撐，以保證挖掘工作面的穩(wěn)定性。挖掘斷面與進(jìn)尺之間呈反比例關(guān)系[2]，斷面越大則進(jìn)尺也越小，而在實(shí)際施工過(guò)程中，對(duì)挖掘進(jìn)尺則主要采用經(jīng)驗(yàn)判斷[3]，這種方法具有一定的局限性。本文以某礦場(chǎng)為研究對(duì)象，采用蒙特卡洛分析法對(duì)應(yīng)用礦山法開(kāi)挖的礦場(chǎng)邊坡進(jìn)行可靠性分析，得出穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)，

1? ?礦山法開(kāi)挖的穩(wěn)定性影響因素

1.1? ?巖體的物理力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征

質(zhì)地較為堅(jiān)硬的巖體通常具有較高的抗水性與抗風(fēng)化性[4]，可較好地防止出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。若巖體的巖性較弱，則發(fā)生滑坡的可能性較大。巖體的結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)體與基本單元，通常分為層狀、散體、塊狀以及碎裂4種結(jié)構(gòu)。巖層穩(wěn)定性與其傾斜度存在正向關(guān)系，對(duì)施工巖體進(jìn)行可靠性分析，需要先掌握巖體的結(jié)構(gòu)面特征與結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

1.2? ?地下水賦存情況

在礦山法施工過(guò)程中，工程穩(wěn)定性可能受到地下水的影響，具體體現(xiàn)在巖體被侵蝕、軟化，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)被破壞，力學(xué)性質(zhì)下降，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致巖體含水量增加，從而提升容重。受地表水與地下水的影響，巖體抗剪強(qiáng)度下降，極易出現(xiàn)滑坡情況。

1.3? ?人為因素

人為因素也是影響礦山法開(kāi)挖穩(wěn)定性重要因素之一。如在修改工程開(kāi)挖角度時(shí)，忽略具體的巖體結(jié)構(gòu)特征，削除巖性較弱的部分形成空洞，則易導(dǎo)致巖體變形。若在施工時(shí)忽略工序，造成坡腳與坡頂?shù)拈_(kāi)挖速度不一致，則容易導(dǎo)致倒坡。

2? ?可靠度理論

可靠度分析方法主要包括可靠指標(biāo)法、統(tǒng)計(jì)矩陣法、蒙特卡洛法等。其中，蒙特卡洛分析法也叫做隨機(jī)模擬法，主要運(yùn)用于在滿足假設(shè)的前提下研究隨機(jī)變量概率分布形式的變化情況，準(zhǔn)確性很好。蒙特卡洛法因計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便、限制因素較少等特征受到了廣泛應(yīng)用。本文采用蒙特卡洛法分析礦山法開(kāi)挖的穩(wěn)定性。

3? ?礦山法開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

3.1? ?工程概況

3.1.1? ?工程基本情況

某礦區(qū)面積較大且位于丘陵與山地地貌之間，年開(kāi)挖量高達(dá)7000萬(wàn)t，開(kāi)挖面積超過(guò)5km2，設(shè)計(jì)礦區(qū)的上口尺寸為2500m×3000cm，極大、極小臺(tái)階標(biāo)高分別為500m、-250m，邊坡高度大于600m。該礦藏開(kāi)挖區(qū)域地勢(shì)較高，巖體較多，主要為山區(qū)，當(dāng)前已開(kāi)挖至地下150m，下方含有大量礦藏，開(kāi)挖過(guò)程中存在邊坡延伸，具有較大的穩(wěn)定性威脅，巖質(zhì)邊坡的整體危險(xiǎn)系數(shù)較高。

3.1.2? ?土層狀況

通過(guò)實(shí)際勘察采樣獲取巖土力學(xué)參數(shù)，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2? ?初期支護(hù)設(shè)計(jì)

礦山法施工時(shí)，根據(jù)所穿越地層的圍巖等級(jí)設(shè)計(jì)支護(hù)斷面。其中ⅱ-ⅲ類(lèi)、ⅳ類(lèi)、ⅴ類(lèi)屬圍巖類(lèi)型的主要支護(hù)方式。依次采用“砂漿錨桿+鋼筋網(wǎng)+混凝土”、“砂漿錨桿+鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+混凝土”、“超前小導(dǎo)管+砂漿錨桿+鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+混凝土”等施工工藝進(jìn)行施工。在完成初期支護(hù)設(shè)計(jì)后，按照圍巖級(jí)別設(shè)計(jì)不同厚度的內(nèi)襯，并回填、固結(jié)灌漿澆筑內(nèi)襯，以減曉圍巖變形與不規(guī)則沉降。礦山法開(kāi)挖各斷面初期支護(hù)參數(shù)具體見(jiàn)表2。

3.3? ?開(kāi)挖方法

基于圍巖級(jí)別與開(kāi)挖斷面尺寸，可將礦山法開(kāi)挖分為全斷面開(kāi)挖、中隔壁法等。ⅱ-ⅲ類(lèi)圍巖較為穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生塌方掉塊，且斷面尺寸小，可選擇全斷面開(kāi)挖法。結(jié)合鑿巖臺(tái)架與手風(fēng)鉆鉆孔，采用光面爆破，要求循環(huán)進(jìn)尺小于3m。開(kāi)挖后通過(guò)噴、錨、網(wǎng)共同支護(hù)。采用非電毫秒級(jí)雷管起爆，一次爆破開(kāi)挖成型，結(jié)合挖掘機(jī)與裝載機(jī)扒渣、裝渣，利用自卸車(chē)出渣。

ⅳ類(lèi)圍巖應(yīng)用臺(tái)階開(kāi)挖法，上、下臺(tái)階之間距離為4m，開(kāi)挖后噴厚度為5cm的混凝土，然后打錨掛網(wǎng)。在上臺(tái)階設(shè)計(jì)鋼拱架并噴10cm厚的混凝土。同理進(jìn)行下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)，完成初期支護(hù)封閉成環(huán)。

ⅴ類(lèi)圍巖一般應(yīng)用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土開(kāi)挖法。劃分?jǐn)嗝鏋榄h(huán)形拱部、上部核心土以及下部臺(tái)階，開(kāi)挖進(jìn)尺范圍為0.5～1m。開(kāi)挖前通過(guò)超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，環(huán)形拱部開(kāi)挖后展開(kāi)初期支護(hù)，通過(guò)核心土和下臺(tái)階開(kāi)挖實(shí)現(xiàn)支護(hù)封閉成環(huán)。

3.4? ?邊坡穩(wěn)定性分析

利用蒙特卡洛法分析礦石法開(kāi)挖研究區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性，通過(guò)ANSYS軟件構(gòu)建仿真環(huán)境，設(shè)定自然和飽水兩種工況，經(jīng)模擬計(jì)算獲得邊坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中能夠看出：自然狀況下研究區(qū)域的平均穩(wěn)定系數(shù)大于1，存在30.98%的破壞概率；在飽水狀態(tài)下，破壞概率為100%，屬于一定會(huì)發(fā)生破壞的邊坡類(lèi)型。對(duì)比兩種工況模擬計(jì)算結(jié)果，飽水狀態(tài)下的破壞率嚴(yán)重高于自然狀態(tài)下的破壞概率，說(shuō)明水分的增加嚴(yán)重影響研究區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性。

自然、飽水工況下，模擬計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)分布直方圖結(jié)果見(jiàn)圖1。分析圖1能夠看出，自然、飽水工況下，經(jīng)模擬計(jì)算獲得的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)正態(tài)分布狀態(tài)，最大和最小穩(wěn)定系數(shù)在兩側(cè)分布，所占份額較小，中間位置集中平均穩(wěn)定系數(shù)，分布形式接近穩(wěn)定性分布規(guī)律。

3.5? ?外部影響下巖土邊坡穩(wěn)定性分析

3.5.1? ?巖土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化

內(nèi)排壓腳技術(shù)是一種常用的邊坡穩(wěn)定維持技術(shù)，基于該技術(shù)，分析不同內(nèi)排壓腳跟蹤距離、深部開(kāi)挖角度等因素，對(duì)礦石法開(kāi)挖過(guò)程中巖土邊坡穩(wěn)定性的影響。巖土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)變化情況見(jiàn)圖2。

通過(guò)圖2可以看出，深度開(kāi)挖角越小，礦石法開(kāi)挖的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越小，巖土邊坡越缺乏安全性；若深部開(kāi)挖角較大，即使內(nèi)排跟蹤距離較大，邊坡表層也不會(huì)出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象。所以需要在實(shí)際施工時(shí)，控制礦石法開(kāi)挖的角度，確保巖土邊坡不失穩(wěn)。

不同跟蹤距離均會(huì)隨著深部開(kāi)挖角的增大而增大，內(nèi)排跟蹤距離越大，巖土邊坡的穩(wěn)定性越差，所以礦石法開(kāi)挖過(guò)程中，需要注重開(kāi)挖角度與內(nèi)排跟蹤距離等控制因素的設(shè)定。

3.5.2? ?坡腳傾斜度與邊坡安全系數(shù)關(guān)系

礦石法開(kāi)挖過(guò)程中，邊坡坡腳傾斜度大小也會(huì)影響其穩(wěn)定性。弱面傾角為75?、邊坡高度不變條件下，坡腳傾斜度變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系如圖3所示。

通過(guò)圖3可以明顯看出，順、傾向邊坡安全系數(shù)均跟隨坡腳傾斜度的增大而逐漸降低，但順傾向邊坡安全系數(shù)略高于反傾向邊坡安全系數(shù)。坡腳傾斜度越高，邊坡的安全系數(shù)越低。邊坡穩(wěn)定性受坡腳傾斜度影響，坡腳傾斜度過(guò)高易導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以某礦場(chǎng)為研究對(duì)象，采用蒙特卡洛分析法對(duì)應(yīng)用礦山法開(kāi)挖的礦場(chǎng)邊坡進(jìn)行可靠性分析，得出穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)。試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有較好的應(yīng)用效果。本方法簡(jiǎn)便易行，所得結(jié)果較為可靠，具有較高的安全性，相關(guān)成果可為相關(guān)人員提供參考。

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