白云鄂博鐵礦主礦采場邊幫安全穩(wěn)定性研究*

姬志勇 汪為平

(1.包鋼集團(tuán)公司白云鄂博鐵礦;2..中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

1 白云鄂博鐵礦主礦開采現(xiàn)狀

礦區(qū)呈近東西向狹長帶狀展布，長3.5 km，寬1.9 km，面積4.308 2 km2。設(shè)計礦石開采能力為700萬t/a。設(shè)計邊坡呈弧形，平均傾向60°，設(shè)計開采終了標(biāo)高為1 230 m，邊坡最終高度420 m，總體邊坡角為41°～44°。該區(qū)1 598 m以上臺階已靠界，靠界臺階高度60 m，截止2012年末，主礦采場工作水平有 +1 584、+1 570、+1 556、+1 542、+1 528、+1 514、+1 500 m，共7個臺階;采礦水平有 +1 542、+1 528、+1 514、+1 500 m，共 4個臺階;+1 598、+1 584、+1 570 m臺階北端幫已到界。

2 主礦邊坡地質(zhì)勘察分區(qū)

主礦采場邊坡根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造特征共劃分了5個分區(qū)，分別為北幫的A區(qū)、東北幫的B區(qū)、東南幫的C區(qū)、南幫的D區(qū)及西南幫E區(qū)，如圖1。

從揭露的采場邊坡狀況來看，邊坡的不穩(wěn)定區(qū)主要在南幫，主礦采場南幫的巖性及構(gòu)造較復(fù)雜，斷層破碎帶和巖脈較多且出露寬度大，與邊坡走向相近，傾向直立或反傾，對臺階穩(wěn)定不利，已靠幫到界的臺階滑塌及傾倒破壞明顯。

主礦南幫主要是D區(qū)和E區(qū)，該兩區(qū)又劃分成3個亞區(qū)，即由西向東E1、D1和D2亞區(qū)。

E1亞區(qū):平均寬度約260 m，邊坡為直線型，走向N312°W，最終邊坡高度312 m，設(shè)計最終邊坡角為 41°。

D1亞區(qū):平均寬度約250 m，邊坡為弧形，凸向采坑，平均走向N305°W，最終邊坡高度420 m，設(shè)計最終邊坡角為42°。

D2亞區(qū):平均寬度約240 m，邊坡為直線型，N310°W，最終邊坡高度420 m，設(shè)計最終邊坡角為44°。

3 主礦南幫邊坡穩(wěn)定極限平衡計算

圖1 白云鄂博鐵礦主礦采場邊坡分區(qū)

表2 邊坡破壞模式

通過分析主礦南幫D區(qū)和E區(qū)的斷層、節(jié)理，以及節(jié)理組合、斷層與節(jié)理組合對邊坡的影響，得出可能產(chǎn)生的破壞模式見表2，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。的安全系數(shù)可見:在自然工況條件下，4－4'剖面的安全系數(shù)最小，為1.156;大于1.15;自然工況+地下水條件下，6－6'剖面的安全系數(shù)最小，為1.135;大于1.10;自然工況+地震+地下水條件下，2－2'剖面的安全系數(shù)最小，為1.051，大于1.05。結(jié)果表明各種工況下，各剖面最不利滑動面安全系數(shù)都大于安全系數(shù)限值，即認(rèn)為總體邊坡是穩(wěn)定的。

4 主礦南幫邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

表3 安全系數(shù)

4.1 模型的建立

邊坡失穩(wěn)判據(jù)［2－3］:①以數(shù)值技術(shù)的收斂性作為失穩(wěn)判據(jù);②以特征局部位移的突變性作為失穩(wěn)判據(jù);③以塑性區(qū)的貫通作為失穩(wěn)判據(jù)。

本研究以主礦南幫邊坡剪脹角 、抗拉強(qiáng)度 、網(wǎng)格疏密程度和邊界因素，建立Flac3D三維模型如圖2。

圖2 主礦南幫邊坡Flac3D三維模型

分析表3中列出的不同破壞模式條件下各剖面

4.2 成果參數(shù)選取

采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用摩爾－庫侖破壞準(zhǔn)則。Flac3D中材料參數(shù)分成3種，一組為變形參數(shù)，另一組為強(qiáng)度參數(shù)。

計算采用的巖體強(qiáng)度與變形參數(shù)指標(biāo)，系根據(jù)巖石試驗結(jié)果，并對某些指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)修正而選定的，具體取值見表4和表5。斷層與巖層間接觸面的參數(shù)主要有法向剛度、切向剛度、內(nèi)聚力、摩擦角、剪脹角和抗拉強(qiáng)度。接觸面參數(shù)取值見表6。原巖初始應(yīng)力場按巖體自重計算，將巖體物理力學(xué)參數(shù)輸入后，運行模型計算得到初始應(yīng)力場，如圖3所示。

表4 巖體變形參數(shù)指標(biāo)

表5 巖體強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)

表6 接觸面參數(shù)

圖3 初始應(yīng)力狀態(tài)

4.3 計算結(jié)果

設(shè)定體系最大不平衡力與典型內(nèi)力比值下限為10－5，迭代計算9 658步時，系統(tǒng)達(dá)到近似平衡。為便于分析，沿y軸方向，分別在y=90 m、y=270 m和y=450 m處切出3個典型剖面。下面就數(shù)值分析計算結(jié)果，從變形(位移)情況、應(yīng)力情況以及塑性區(qū)分布情況3個方面來分析邊坡巖土體的力學(xué)響應(yīng)特性，以及可能的內(nèi)在變形破壞機(jī)理。

(1)位移場規(guī)律分析計算結(jié)果。圖4、圖5和圖6分別為邊坡的整體位移云圖、豎向位移云圖和指向采場方向水平位移(以下簡稱水平位移)云圖。從整體位移云圖4來看，邊坡整體位移量最大值為97 mm，發(fā)生在F17斷層與F15斷層切割體頂部。邊坡位移量自上而下逐漸減小，西部邊坡變形發(fā)展止于 +1 346 m平臺，向東逐漸向下發(fā)展直至+1 230 m平臺。+1 346 m平臺和+1 230 m平臺邊坡坡腳位置位移量基本為零，表明邊坡未發(fā)生整體性滑動。F24、F25斷層破碎帶于 +1 514～+1 458 m出露部分位移值相對較大。邊坡坡形凸向采場部位位移量略大于兩側(cè)凹陷部分，表明側(cè)向約束對邊坡整體位移略有影響。邊坡豎向位移云圖5與邊坡整體位移云圖4相比較可知位移趨勢較為相似，呈上大下小趨勢。2圖位移值較為接近，表明采場開挖后，邊坡主要的運動形式為自重應(yīng)力下的下沉。由豎向位移云圖5可知，斷層 F14、F17和F30之間的巖體由于斷層的切割沿斷層軟弱面整體向下移動。由水平位移云圖6可知坡面水平位移較大，向邊坡深部越來越小。斷層F30之后水平位移值很小，主要影響位置在斷層 F14、F17和F30之間，斷層F30之后水平位移值很小，不及坡面最大值的1/3。

圖4 邊坡整體位移云圖

圖5 邊坡豎向位移云圖

圖6 邊坡水平位移云圖

(2)應(yīng)力場規(guī)律分析計算結(jié)果。圖7和圖8分別為邊坡的豎向應(yīng)力和指向采場水平應(yīng)力云圖。從邊坡應(yīng)力云圖7、圖8來看應(yīng)力值均為負(fù)值，表明邊坡開挖卸荷并未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)基本上以壓應(yīng)力為主，即邊坡若發(fā)生破壞，則以“壓－剪”破壞模式為主。指向采場方向應(yīng)力絕對值在+1 230 m平臺以下明顯大于+1 230 m以上邊坡，表明開挖土體卸荷作用產(chǎn)生的回彈效應(yīng)明顯。

圖7 邊坡豎向應(yīng)力

圖8 邊坡水平應(yīng)力

(3)塑性區(qū)規(guī)律分布計算結(jié)果。圖9為整體邊坡塑性區(qū)域分布圖。從剪切塑性屈服區(qū)域的分布可以看出，產(chǎn)生剪切破壞的單元零星出現(xiàn)分為兩部分。第一部分處于邊坡坡面以下一定深度的區(qū)域，表明邊坡內(nèi)部巖體的在高壓應(yīng)力作用下發(fā)生了剪切屈服;第二部分處于+1 290 m平臺，表明這部分巖體受上部邊坡位移的影響，發(fā)生了剪切屈服。圖10、圖11和圖12分別為各剖面的塑性區(qū)域分布圖。3個剖面中只有y=90 m剖面出現(xiàn)剪切屈服區(qū)域，剪切屈服區(qū)域零星出現(xiàn)，未形成貫通的塑性屈服帶，邊坡不會發(fā)生整體滑動。從各個剖面的塑性區(qū)分布來看，并未出現(xiàn)塑性區(qū)貫穿坡體的情況，邊坡處于正常工作狀態(tài)。

圖9 整體邊坡塑性區(qū)分布

圖10 y=90 m剖面塑性區(qū)分布圖

圖11 y=270m剖面塑性區(qū)分布圖

圖12 y=450 m剖面塑性區(qū)分布圖

綜上極限平衡計算、Flac3D數(shù)值分析論證，得出主礦E1、D1、D2區(qū)的穩(wěn)定邊坡角如表7。

表7 穩(wěn)定邊坡角計算結(jié)果

5 結(jié)論

露天礦邊坡工程是動態(tài)工程地質(zhì)問題，隨著采掘的推進(jìn)，其應(yīng)力應(yīng)變會發(fā)生很大的變化，本研究就白云鄂博鐵礦主礦露天采場南部邊坡的穩(wěn)定性，采用了極限平衡法計算、Flac3D軟件數(shù)值分析論證。結(jié)果表明:南幫1－1'～7－7'剖面按不同破壞模式計算在3種工況下的安全系數(shù)都大于設(shè)定的安全系數(shù)最低限值，認(rèn)為總體邊坡穩(wěn)定，穩(wěn)定邊坡角為E1區(qū)43°～44°、D1 區(qū)41°～44°、D2 區(qū)44°。

［1］ 包鋼集團(tuán)白云鄂博鐵礦.白云鄂博鐵礦主礦南幫2～9行深凹露采(1 230 m以上)邊坡工程地質(zhì)勘察及治理對策研究報告［R］.包頭:包鋼集團(tuán)白云鄂博鐵礦，2012.

［2］ 梅松華，盛 謙，李文秀.地表及巖體移動研究進(jìn)展。巖石力學(xué)與工程學(xué)報［J］.2004，23(S1):4535-4538.

［3］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.