某高海拔高寒地區(qū)露天礦邊坡穩(wěn)定性分析*

段進(jìn)超 李華華

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

露天礦山最終境界邊坡角的選取與礦山安全生產(chǎn)關(guān)系密切，準(zhǔn)確獲取礦山最終邊坡角是確定露天礦山最優(yōu)開(kāi)采境界的關(guān)鍵[1-4]。目前，有關(guān)高海拔高寒地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究成果豐碩，但已有的研究主要集中于高寒地區(qū)小尺寸路塹邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面[5-7]。某高海拔高寒地區(qū)露天礦前期研究中采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得的最終境界邊坡角預(yù)測(cè)值為45°，據(jù)此設(shè)計(jì)了露天礦最終境界。本研究結(jié)合邊坡凍融損傷巖體力學(xué)參數(shù)修正方法和有限元CAD-MIDAS耦合建模技術(shù)，對(duì)該礦設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)前期研究推薦的邊坡角進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

某露天礦位于高海拔高寒地區(qū)，采場(chǎng)邊坡揭露的巖體暴露于晝夜循環(huán)、四季更替的大溫差循環(huán)環(huán)境下，經(jīng)受著劇烈的凍融循環(huán)作用，邊坡穩(wěn)定性的影響因素比常溫地區(qū)更多、更復(fù)雜[8]。礦體賦存標(biāo)高為4 000～5 407 m，晝夜溫差達(dá)36 ℃以上。露天采場(chǎng)邊坡巖體主要有大理巖、矽卡巖、灰?guī)r和角巖，其中礦體頂板以角巖、矽卡巖為主，礦體底板以灰?guī)r、大理巖為主。根據(jù)邊坡巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與主要巖石的力學(xué)特性，上述幾類(lèi)巖石除矽卡巖外，其余巖石整體穩(wěn)定性較好，故巖體總體對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小。露天坑底位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，礦區(qū)充水主要為大氣降水，而礦區(qū)處于水資源貧乏地區(qū)，降雨量少，故大氣降水不易補(bǔ)給，加之地形切割強(qiáng)烈，相對(duì)高差大且坡陡，有利于地下水、地表水排泄，故地下水及地表水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也較小[9]。

2 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

鑒于邊坡內(nèi)部巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和巖石力學(xué)參數(shù)與實(shí)際工程存在的差別，本研究以各類(lèi)巖石的實(shí)驗(yàn)室力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，采用工程類(lèi)比法獲得與露天邊坡工程地質(zhì)條件相適應(yīng)的折減方法，并運(yùn)用該方法對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)(黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等)進(jìn)行工程處理，并參考國(guó)內(nèi)外類(lèi)似礦山的相關(guān)資料，獲得了工程處理后的巖石力學(xué)參數(shù)綜合取值，如表1所示。

表1 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)綜合取值

本研究運(yùn)用邊坡凍融損傷巖體力學(xué)參數(shù)修正方法，結(jié)合露天礦開(kāi)采服務(wù)年限等實(shí)際情況，選取凍融循環(huán)次數(shù)為20次，對(duì)邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了凍融損傷修正，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巖體凍融修正后的力學(xué)參數(shù)

3 有限元模型構(gòu)建

3.1 邊坡分析剖面選取

該露天礦采場(chǎng)受礦體產(chǎn)狀及地形制約，采取條帶式開(kāi)采方式，由內(nèi)向外分3個(gè)條帶，分別為第1條帶、中間條帶和最后條帶，各條帶最終邊幫角均為45°，第1條帶、中間條帶以及最后條帶的最大邊坡高度分別為345，405，525 m。邊坡穩(wěn)定性與邊坡高度關(guān)系密切，本研究盡可能選擇各境界內(nèi)最大坡高處的剖面作為穩(wěn)定性分析對(duì)象。計(jì)算剖面由SURPAC軟件對(duì)礦區(qū)邊坡DTM實(shí)體文件進(jìn)行切割獲取，3條分析剖面的切取位置如圖1所示。參照臨近地質(zhì)剖面及露采邊坡參數(shù)分別繪制了如圖2所示的剖面圖。

圖1 露天境界分析剖面切取位置

圖2 各條帶分析剖面

3.2 模型構(gòu)建

首先在CAD軟件中處理剖面圖，使其符合MIDAS軟件的GTS模塊分析要求；然后將處理過(guò)的剖面圖導(dǎo)入GTS模塊中，構(gòu)建露天礦邊坡剖面的有限元模型。計(jì)算范圍根據(jù)圣維南原理選取，即邊坡左右兩側(cè)擴(kuò)展不小于80 m，下部延伸不小于50 m。各剖面的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 各剖面GTS網(wǎng)格模型

4 模擬分析

4.1 應(yīng)力分析

分析圖4可知：①號(hào)剖面最大主應(yīng)力為-1.2～8.4 MPa，邊坡淺層最大主應(yīng)力為-0.4～2.0 MPa，最小主應(yīng)力為-15～5.4 MPa，邊坡淺層最大主應(yīng)力為-1.4～0.3 MPa；②號(hào)剖面最大主應(yīng)力為-0.9～9.9 MPa，邊坡淺層最大主應(yīng)力為-0.9～2.7 MPa；最小主應(yīng)力為-16～5.6 MPa，邊坡淺層最小主應(yīng)力為-1.6～0.9 MPa；③號(hào)剖面最大主應(yīng)力為-1.0～11 MPa，邊坡淺層最大主應(yīng)力為-1.0～3.0 MPa；最小主應(yīng)力為-5～8 MPa，邊坡淺層最小主應(yīng)力為-1.9～1.1 MPa。由此可知，隨著邊坡高度的增加，邊坡最大、最小主應(yīng)力逐漸增加，各邊坡均出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，主要集中于邊坡上部，尤其是最上部的第四系黏土層和風(fēng)化層以及臨近臺(tái)階處的局部最大拉應(yīng)力達(dá)到5 MPa，因此，邊坡頂部表層可能出現(xiàn)土層垮塌，需要進(jìn)行局部加固。

圖4 各剖面最大和最小主應(yīng)力分布特征

4.2 位移分析

由圖5可知：①號(hào)剖面水平位移為-1.62～0.54 cm，垂直位移為-4.6～0.2 cm；②號(hào)剖面水平位移為-2.4～1.2 cm，垂直位移為-6.9～0.3 cm；③號(hào)剖面水平位移為-2.25～1.35 cm，垂直位移為-7.3～1.1 cm。由此可知，隨著邊坡高度的增加，水平位移和垂直位移有逐漸增加的趨勢(shì)，邊坡水平位移最大值即集中于邊坡頂部，局部最大值約為2.4 cm；邊坡垂直方向的位移最大值都集中于邊坡中上部，往兩側(cè)逐漸減小，局部最大值約為7.3 cm；整體上，邊坡位移以垂直位移為主，邊坡穩(wěn)定性較好，礦山可采用邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)邊坡位移變化。

圖5 各剖面水平和垂直位移分布特征

4.3 邊坡安全系數(shù)

①、②、③號(hào)邊坡的安全系數(shù)取值分別為1.356，1.334，1.116。總體上，隨著邊坡高度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，但均大于《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50771—2012)的規(guī)定值1.1，可見(jiàn)設(shè)計(jì)的邊坡均為安全邊坡。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)某露天礦所處的高海拔高寒環(huán)境和礦山實(shí)際開(kāi)采情況，運(yùn)用邊坡凍融損傷巖體力學(xué)參數(shù)修正方法，對(duì)邊坡巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了修正，并對(duì)采場(chǎng)3個(gè)條帶境界的最終邊坡(最終邊坡角為45°)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。研究表明：但隨著邊坡高度的增加，邊坡應(yīng)力和位移逐漸增加，且最大位移較易出現(xiàn)于邊坡中上部；邊坡安全系數(shù)均大于1.1，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，邊坡整體穩(wěn)定性較好，但頂部需進(jìn)行局部加固。