胡建釗

(金誠(chéng)信礦山工程設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100070)

0 引 言

某金屬礦采用露天開采多年,隨著露天坑深度增加,露天邊坡高度也越來(lái)越高,且因露天資源枯竭需轉(zhuǎn)為地下開采,而地下開采活動(dòng)會(huì)使露天邊坡圍巖原有的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變,對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性造成影響,而露天邊坡的失穩(wěn)將直接威脅地下開采的生產(chǎn)安全,因此有必要對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估[1-3]。

過(guò)去邊坡的穩(wěn)定性分析方法主要是極限平衡法,這一方法可用于分析具有少量節(jié)理切割的塊體,對(duì)于強(qiáng)節(jié)理化巖體顯得略有不足。該金屬礦露天采場(chǎng)主要巖體為千枚巖,片理結(jié)構(gòu)較發(fā)育,若采用極限平衡法對(duì)礦山露天邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計(jì)算結(jié)果可能產(chǎn)生較大的誤差。

針對(duì)極限平衡法的不足,數(shù)值分析方法逐步被引入用于邊坡穩(wěn)定性分析,同時(shí),隨著強(qiáng)度折減理論的發(fā)展,將強(qiáng)度折減理論與數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算分析應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析,取得了一定的成效。

強(qiáng)度折減法是通過(guò)強(qiáng)度折減計(jì)算程序自動(dòng)求得巖土工程邊坡的潛在滑動(dòng)面以及相應(yīng)的安全系數(shù),為邊坡穩(wěn)定性分析提供依據(jù)與分析基礎(chǔ)。計(jì)算時(shí),不斷折減巖體的強(qiáng)度直至邊坡失穩(wěn),得到強(qiáng)度折減的系數(shù)就是邊坡安全系數(shù)[4]。

從物理意義上來(lái)說(shuō),強(qiáng)度折減法是基于材料強(qiáng)度儲(chǔ)備的概念,其物理意義與極限平衡法的安全系數(shù)意義是相同的[5]。因而,強(qiáng)度折減法可以說(shuō)是一種新的安全系數(shù)求解方法,豐富了極限平衡分析的思想。

強(qiáng)度折減法能夠?qū)哂袕?fù)雜地貌、地質(zhì)構(gòu)造的邊坡進(jìn)行計(jì)算,并且考慮了巖土體的本構(gòu)關(guān)系及變形對(duì)應(yīng)力的影響,能夠模擬邊坡的變形過(guò)程及其滑動(dòng)面形狀以及巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨桿、錨索、襯砌等)的共同作用,在求解安全系數(shù)時(shí),不需要事先假定滑動(dòng)面的形狀,也無(wú)需進(jìn)行條分[6-7]。

從工程應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō),強(qiáng)度折減法和極限平衡法,均適用于邊坡工程的穩(wěn)定性分析。

現(xiàn)針對(duì)某金屬礦露天轉(zhuǎn)地下開采后,采用數(shù)值模擬和強(qiáng)度折減法相結(jié)合的方法,選取典型剖面建立單元數(shù)值計(jì)算模型,考慮不同工況下進(jìn)行最終邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,得到不同工況下各邊坡的安全系數(shù),為后續(xù)地下開采的方案優(yōu)化提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

某金屬礦原采用露天開采,隨著露天開采資源的逐漸枯竭,現(xiàn)轉(zhuǎn)為地下開采[8]。礦床屬銀山背斜斷裂裂隙帶格架下的中生代陸相火山—次火山期后中低溫?zé)嵋毫严冻涮钚偷V床。礦區(qū)礦石自然類型劃分為細(xì)網(wǎng)脈浸染蝕變巖型礦石和致密塊狀硫化物脈型兩種礦石類型。

礦區(qū)大致可分為第四系松散孔隙含水層、雙橋山群淺變質(zhì)巖和火山巖風(fēng)化帶含水層(帶)及構(gòu)造裂隙含水帶3個(gè)含水層(帶)?？紤]露天坑降雨時(shí)可能的滲水情況礦區(qū)涌水量為正常涌水量5 000 m3/d,最大涌水量14 000 m3/d。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

礦體分布在非巖溶地區(qū),頂、底板圍巖主要為千枚巖,其次為火山碎屑巖、熔巖和次火山巖,結(jié)構(gòu)較緊密。采區(qū)或采空暴露面僅見(jiàn)局部遇構(gòu)造破碎帶有支護(hù),較多采區(qū)采空暴露面積10 m×10 m,高度2～3 m,沒(méi)有任何支護(hù),歷經(jīng)數(shù)年,至今仍保持完好,礦床工程地質(zhì)條件屬中等類型。

2 模型建立

2.1 剖面選取

礦體走向近東西,平均傾角80°以上。以礦體、露采最終邊坡、地表和預(yù)留保安礦柱等組合的復(fù)合三維模型為基礎(chǔ),結(jié)合露采礦坑的范圍,選取9個(gè)剖面進(jìn)行查看,其空間相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 剖面線及礦體相對(duì)位置

根據(jù)初步選取的剖面位置,在三維礦業(yè)軟件中切出相應(yīng)的剖面,綜合各剖面的回采區(qū)域大小及回采區(qū)域所處露采最終境界的相對(duì)位置等因素,最終選取03#、06#、08#3個(gè)典型剖面建立單元數(shù)值計(jì)算模型,進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算[9]。

2.2 數(shù)值模型建立

2.2.1 礦巖力學(xué)參數(shù)選擇

巖性主要包括絹云母化千枚巖、砂質(zhì)千枚巖和斑巖,其主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1[10]。

表1 巖體和充填體力學(xué)參數(shù)

2.2.2 邊坡巖體本構(gòu)模型

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題主要是力與強(qiáng)度的問(wèn)題,對(duì)于有限元強(qiáng)度折減法而言,通常選用理想彈塑性模型作為邊坡土體本構(gòu)模型,而屈服準(zhǔn)則的選取又直接影響到穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算,選取的屈服準(zhǔn)則不同,所計(jì)算出的系數(shù)不同。結(jié)合礦區(qū)實(shí)際邊坡,邊坡巖體本構(gòu)模型選擇理想彈塑性體,建立模型后,使用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷的巖體的破壞情況[11-12]。

2.2.3 數(shù)值模型建立

根據(jù)選取的03#、06#、08#3個(gè)典型剖面,然后合理選取剖面建模范圍[13]。使用三維建模工具,將剖面模型導(dǎo)入其中,建立可供Flac3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算使用的網(wǎng)格模型,并依據(jù)不同巖性進(jìn)行模型中的區(qū)域分組[14-15]。

建立的三維模型尺寸為820 m×650 m×450 m,模型共劃分143 945節(jié)點(diǎn)和124 018單元。計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 03#典型剖面slope-03網(wǎng)格模型

從圖2可以看出,4種顏色分別表示礦體、采空區(qū)、保安礦柱和巖石。03#典型剖面沿礦體走向布置,可以最大程度的展示礦體,03#剖面位于礦體西部,而06#和08#剖面均位于礦體東部,06#和08#剖面布置在礦體上下盤位置,和03#剖面一起揭示了采場(chǎng)采空區(qū)和礦體上下盤位置最終邊坡的情況。

3 模擬方案及模擬結(jié)果分析

3.1 模擬方案

考慮在露天坑底留設(shè)50 m保安礦柱,評(píng)價(jià)地下充填法開采對(duì)露采最終邊坡的穩(wěn)定性影響。采場(chǎng)主要參數(shù)為：采場(chǎng)采用沿走向布置,中段高度為60 m,采場(chǎng)長(zhǎng)為50 m,采場(chǎng)寬為礦體厚度。共選擇3個(gè)采空區(qū),其中2個(gè)采空區(qū)位于礦體東部,1個(gè)采空區(qū)位于礦體西部。

進(jìn)行以下3種工況下邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算分析[16]。(1)原始邊坡,地下礦未開采時(shí),最終邊坡的穩(wěn)定情況;(2)空?qǐng)龇ㄩ_采礦體后,最終邊坡的穩(wěn)定情況;(3)充填法開采礦體后,最終邊坡的穩(wěn)定情況。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬方案,03#剖面原始邊坡、空?qǐng)龇ㄩ_采和充填法開采的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3～圖5,06#剖面原始邊坡、空?qǐng)龇ㄩ_采和充填法開采的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6～圖8,08#剖面原始邊坡、空?qǐng)龇ㄩ_采和充填法開采的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9～圖11。

圖3 03#剖面原始邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖4 03#剖面空?qǐng)龇ㄩ_采邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖5 03#剖面充填法開采邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖6 06#剖面原始邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖7 06#剖面空?qǐng)龇ㄟ吰录魬?yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖8 06#剖面充填法開采邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖9 08#剖面原始邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖10 08#剖面空?qǐng)龇ㄟ吰录魬?yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

圖11 08#剖面充填法開采邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖

邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D表明了邊坡可能出現(xiàn)的潛在滑動(dòng)面的大致位置,從圖3～圖11可以看出：采用空?qǐng)龇ㄩ_采后,邊坡剪應(yīng)力發(fā)生較為明顯的變化,其值一般呈逐步增大的趨勢(shì)。而采用充填法開采后,邊坡剪應(yīng)力值一般呈略微下降的趨勢(shì)?？?qǐng)龇ㄩ_采后對(duì)剪應(yīng)變?cè)隽康募袇^(qū)域產(chǎn)生影響,改變了潛在滑動(dòng)面可能出現(xiàn)的位置,而充填法開采則影響不大。

邊坡最大主應(yīng)力云圖可以反映出每種工況下邊坡的主應(yīng)力分布情況,從圖3～圖11可以看出采用空?qǐng)龇ㄩ_采后,最大主應(yīng)力發(fā)生較為明顯的變化,其值呈逐步增大的趨勢(shì)。采用充填法開采,最大主應(yīng)力則一般呈下降的趨勢(shì)。

空?qǐng)龇ê统涮罘ㄩ_采和最大主應(yīng)力關(guān)系見(jiàn)圖12。從圖12可以看出：03#剖面采用充填法開采后最大主應(yīng)力由1.31 MPa微降至1.29 MPa,而采用空?qǐng)龇ㄩ_采后最大主應(yīng)力由1.31 MPa增加到2.30 MPa;06#剖面采用充填法開采后最大主應(yīng)力由1.36 MPa增加至1.50 MPa,采用空?qǐng)龇ㄩ_采后最大主應(yīng)力由1.36 MPa增加到2.40 MPa;08#剖面采用充填法開采后最大主應(yīng)力由2.00 MPa大幅降低至1.37 MPa,采用空?qǐng)龇ㄩ_采后最大主應(yīng)力由2.00 MPa增加到2.20 MPa。

圖12 空?qǐng)龇ê统涮罘ㄩ_采和最大主應(yīng)力關(guān)系

采用充填法開采后最大主應(yīng)力下降趨勢(shì)明顯,大大提高了邊坡穩(wěn)定性,增強(qiáng)了采場(chǎng)開采的安全性;而采用空?qǐng)龇ㄩ_采后最大主應(yīng)力表現(xiàn)出大幅度增加的規(guī)律,導(dǎo)致露天邊坡不穩(wěn)定,降低了采場(chǎng)開采的安全性。

總體來(lái)說(shuō),相對(duì)空?qǐng)龇ㄩ_采,采用充填法開采對(duì)緩解邊坡最大主應(yīng)力有較好的效果,可以提高露天邊坡穩(wěn)定,有利于安全回采。

3.3 不同工況條件下露天最終邊坡安全系數(shù)

某金屬礦由露天轉(zhuǎn)為地下開采,采場(chǎng)垂直礦體走向布置,同時(shí)勘探線剖面垂直礦體走向。采用原始邊坡、空?qǐng)龇ㄩ_采和充填法開采3種工況下露天最終邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算分析。

根據(jù)前述建立的數(shù)值計(jì)算模型,導(dǎo)入Flac3D,設(shè)定模型的邊界條件、不同巖性物理力學(xué)參數(shù),采用強(qiáng)度折減法,以計(jì)算不收斂為判據(jù),進(jìn)行最終邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,得到不同工況下各邊坡的安全系數(shù)[17-18],見(jiàn)表2。

表2 3種工況下露天最終邊坡安全系數(shù)

4 露天轉(zhuǎn)地下開采后最終露天邊坡穩(wěn)定性分析

安全系數(shù)是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的主要指標(biāo),是較復(fù)雜的系統(tǒng)工程,且一般邊坡安全系數(shù)的計(jì)算與邊坡研究的深度和廣度、研究方法、所選參數(shù)的代表性和可靠性、邊坡高度與坡角堆及對(duì)邊坡工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等諸多因素的認(rèn)識(shí)程度有關(guān)。安全系數(shù)限值的確定要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估、 工程類比及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[19]。

依據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》中的滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分,當(dāng)邊坡安全系數(shù)大于1.15,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[20]。

從表2的計(jì)算結(jié)果并結(jié)合該金屬礦實(shí)際情況,整體上看,3個(gè)典型剖面的原始邊坡安全系數(shù)都在1.15以上,根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》中的滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分,可以知道礦山原始邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

如果采用空?qǐng)龇ㄩ_采礦體,03#剖面邊坡安全系數(shù)為0.35,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);06#和08#剖面邊坡的安全系數(shù)處于安全臨界狀態(tài)(安全系數(shù)=1.0時(shí))。由此說(shuō)明礦體不能采用空?qǐng)龇ɑ夭?否則境界最終邊坡會(huì)不穩(wěn)定[21]。

當(dāng)采用充填法并且充填體強(qiáng)度不小于1 MPa時(shí),03#、06#和08#剖面邊坡的安全系數(shù)均大于1.15,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 論

為確定露天邊坡的穩(wěn)定性,選取了3種不同工況下的露天邊坡并采用數(shù)值模擬軟件建立了礦體三維模型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,通過(guò)分析不同工況下的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和最大主應(yīng)力云圖,可得到以下結(jié)論：

(1)原始邊坡因沒(méi)有采動(dòng)因素干擾,滑動(dòng)面處于穩(wěn)定狀態(tài),最大主應(yīng)力無(wú)變化,對(duì)邊坡無(wú)影響。邊坡安全系數(shù)大于1.15,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)采用空?qǐng)龇ㄩ_采,邊坡剪應(yīng)力呈逐步增大的趨勢(shì),大大增加了滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)最大主應(yīng)力同樣呈逐步增大的趨勢(shì),3個(gè)剖面邊坡安全系數(shù)均小于1.15,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),因此空?qǐng)龇ú贿m用。

(3)采用充填體強(qiáng)度不小于1 MPa的充填法開采,邊坡剪應(yīng)力值呈下降的趨勢(shì),滑動(dòng)面處于穩(wěn)定狀態(tài);而最大主應(yīng)力一般呈下降的趨勢(shì),3個(gè)剖面邊坡安全系數(shù)均大于1.15,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)雖然采用一定強(qiáng)度的充填體進(jìn)行充填法開采可以保持邊坡總體穩(wěn)定,但在礦山生產(chǎn)過(guò)程中仍需嚴(yán)格控制邊坡坡度,做好邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作,發(fā)現(xiàn)邊坡存在較大裂隙時(shí)及時(shí)進(jìn)行加固,避免裂隙擴(kuò)大造成邊坡失穩(wěn),加強(qiáng)雨季露天邊坡監(jiān)測(cè)和安全防控。

(5)綜合利用強(qiáng)度折減法和數(shù)值分析方法,能科學(xué)準(zhǔn)確的對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性狀況做出評(píng)判,同時(shí)為地下安全開采提供了依據(jù),研究的方法和結(jié)果對(duì)相似條件下的露天邊坡穩(wěn)定性分析具有一定的借鑒意義。