某露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析及參數(shù)優(yōu)化

任衛(wèi)東

摘要：露天采場邊坡角的選取是露天開采境界確定的首要前提。針對某露天采場普遍存在邊坡角較小，露天邊坡壓覆較多資源的情況，結(jié)合礦山巖石力學情況及礦體賦存條件，對現(xiàn)有邊坡角進行優(yōu)化，確定最優(yōu)邊坡角。采用CAD與有限元軟件耦合的方式創(chuàng)建生成模型，采用摩爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系選取具有代表性的剖面，結(jié)合開挖過程中不同臺階的位移變化，進行穩(wěn)定性分析，確定露天采場終了邊坡角為38°～42°，為礦山開采方案優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：露天邊坡;穩(wěn)定性;邊坡角;有限元軟件;數(shù)值模擬

中圖分類號：TD854+.6文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）06-0044-04?doi：10.11792/hj20200610

引?言

露天采場邊坡設(shè)計是露天開采設(shè)計所面臨的重要課題，而露天邊坡角的選取是重中之重。邊坡角過大，容易造成邊坡失穩(wěn)而產(chǎn)生一系列問題;邊坡角過小，雖然保證了邊坡的穩(wěn)定，但造成了可露采資源的減少，降低了礦山企業(yè)的利潤。

隨著系統(tǒng)科學、計算機科學、人工智能技術(shù)等不斷發(fā)展，尤其在控制邊坡上的應(yīng)用，促使邊坡工程設(shè)計不斷達到最優(yōu)狀態(tài)。有不少學者通過 ANYSY、PHASE2等有限元法更加準確地進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算，依靠Flac3D數(shù)值計算模擬建立二維或三維邊坡地質(zhì)模型，進而更加優(yōu)化計算的可信度[1-3]。本次研究采用某有限元軟件數(shù)值模擬分析計算方法，以某露天礦采場邊坡為對象，按照GB 51016—2014 《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》和GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，研究了露天境界及最終邊坡角設(shè)計時露天礦邊坡的穩(wěn)定性，分析了邊坡的位移變化，驗算了露天邊坡安全系數(shù)，確定最終邊坡角。

1?工程概況

1.1?地質(zhì)條件

某金礦采用露天開采，礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜，可溶性巖類半堅硬巖組、半堅硬—堅硬巖組分布廣泛，厚度大，并可見溶蝕現(xiàn)象;主要礦體賦存于斷裂帶中，巖體破碎，穩(wěn)定性差;礦體頂板厚度不穩(wěn)定且屬軟弱層，局部地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題。礦區(qū)工程地質(zhì)屬以可溶巖層堅硬—半堅硬巖石為主、工程地質(zhì)條件中等偏復雜類型。

根據(jù)礦體及圍巖工程地質(zhì)特征和巖石物理力學性質(zhì)（見表1），對礦區(qū)工程地質(zhì)巖組進行劃分，結(jié)果見表2。

1.2?開采現(xiàn)狀

礦區(qū)現(xiàn)有露天坑南北長約950 m，東西寬約850 m，坑底標高1 690 m，邊坡角37°～41°，經(jīng)多年生產(chǎn)，邊坡總體較穩(wěn)定。

礦區(qū)為一寬緩式短軸向斜，走向NNE，采場西高東低。采場西緣頂面標高1 965 m，與現(xiàn)有露天坑底相對高差275 m，巖層傾向東，傾角30°～60°，為順向坡。在采場剝離期間，對采場及其外圍地段同類型的自然和人工邊坡進行了系統(tǒng)調(diào)查與分析，自然邊坡角為20°～35°，人工邊坡角為25°～38°。

露天采場東部邊坡，位于向斜東翼，地層傾向西，傾角10°～40°，亦屬順向坡。東南幫采場上緣最高點標高為1 840 m，與現(xiàn)有露天坑底高差為150 m，切割的地層主要是蛇山組，巖石力學性能差，巖體結(jié)構(gòu)松散，現(xiàn)露天采場東幫幫坡角為36°～41°，南幫幫坡角為29°～37°。礦山通過對東、南幫邊坡采用疏水、注漿等維護措施，目前邊坡較穩(wěn)定。

生產(chǎn)多年來，雖然邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象鮮有發(fā)生，但礦山普遍存在邊坡角較小，露天邊坡壓覆較多資源的現(xiàn)象，結(jié)合礦山巖石力學情況及礦體賦存條件，礦山邊坡角還有進一步優(yōu)化的可能。因此，在露天邊坡不同方位選取不同的邊坡角進行驗證分析，從而進一步優(yōu)化采場邊坡，盡可能地采用露天開采的方式回收資源，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

1.3?邊坡設(shè)計參數(shù)

本次工程為露天延深開采設(shè)計，根據(jù)開采地段礦巖的物理力學性質(zhì)及礦巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時參照國內(nèi)外同類礦山實際生產(chǎn)的最終邊坡角資料和礦山多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，按類比法確定采場的最終邊坡參數(shù)，見表3。

2?邊坡穩(wěn)定性分析

某有限元軟件是一款適用于地面開挖設(shè)計和計算的彈塑性有限元分析軟件，同時還可以進行邊坡穩(wěn)定的有限元分析。目前基于有限元分析的強度折減法廣泛用于露天礦邊坡穩(wěn)定性分析。

2.1?計算程序

根據(jù)露天剝離揭露的巖性及各類結(jié)構(gòu)面、軟弱層分布情況，采用有限元軟件[1-3]進行邊坡穩(wěn)定性分析驗證，從而確定經(jīng)濟合理的最終邊坡角，盡可能地減少廢石剝離，多回收資源，增加礦山的經(jīng)濟效益。數(shù)值模擬采用的礦巖物理力學參數(shù)見表1。

2.2?分析剖面選取

設(shè)計的采場最終邊坡參數(shù)見表3，根據(jù)設(shè)計確定的參數(shù)對該采場邊坡做進一步的數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析驗證。

分析剖面選擇在縱Ⅰ號勘探線和56號勘探線，其中每條勘探線上各取2個計算邊坡，取縱Ⅰ號勘探線上的計算剖面為剖面①和剖面②，56號勘探線上的計算剖面為剖面③和剖面④。選取的剖面基本上是最大邊坡角處和最大邊坡高度處，具有代表性，所選4個計算剖面位置見圖1。

2.3?力學分析模型

本次模擬采用某有限元軟件巖土分析模塊，模型采用CAD與其耦合的方式創(chuàng)建，即將所選地質(zhì)剖面（CAD，dwg 格式文件轉(zhuǎn)換成dxf格式文件）導入有限元軟件中，其建立的模型為數(shù)值計算的網(wǎng)格模型，有限元軟件按各向同性考慮，選用摩爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系計算[4-10]。計算范圍根據(jù)圣維南原理選取，即邊坡左右兩側(cè)擴展不小于30 m，下部延深不小于40 m。計算剖面①、②、③和④導入分析軟件后進行網(wǎng)格劃分后的情形見圖2和圖3。

2.4?計算結(jié)果及分析

2.4.1?位?移

剖面①和剖面②初始應(yīng)力水平位移云圖見圖4，剖面③和剖面④初始應(yīng)力水平位移云圖見圖5。

采用有限元軟件模擬礦體開挖過程，開挖至1 480 m臺階時剖面①和剖面②水平位移云圖見圖6，開挖至1 390 m臺階時剖面①和剖面②總位移云圖見圖7。

開挖至1 435 m臺階時剖面③和剖面④水平位移云圖見圖8，開挖至1 390 m臺階時剖面③和剖面④總位移云圖見圖9。

從圖6～9可以看出：露天境界南部和北部邊坡開挖至1 480 m臺階時，1 555 m至1 480 m之間邊坡的水平位移為66 mm和69 mm;西部邊坡開挖至1 435 m時，1 435 m至1 525 m之間邊坡的水平位移最大為63 mm，出現(xiàn)位移突變現(xiàn)象。

位移的變化量在正常的移動范圍內(nèi)，但在實際生產(chǎn)中需引起注意，必要時需對上述地段邊坡進行局部加固，礦區(qū)東部邊坡位移較小，相對較安全。

2.4.2?安全系數(shù)

安全系數(shù)計算結(jié)果見表4。

從計算結(jié)果來看，2個方向、4個剖面的邊坡安全系數(shù)均大于1.20，符合GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》的要求，說明露天開采服務(wù)年限內(nèi)，邊坡整體穩(wěn)定，設(shè)計所選取的最終邊坡角參數(shù)合理。

因此，根據(jù)露天采場終了境界邊坡高度、露天采場服務(wù)年限及開采技術(shù)條件、礦巖物理力學性質(zhì)參數(shù)和邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，參照露天采場現(xiàn)有邊坡參數(shù)及其穩(wěn)定性[11-12]，確定露天采場終了邊坡角為38°～42°。

3?結(jié)?論

1）采用CAD與有限元軟件耦合的方式，分別選取的2個方向、4個剖面的邊坡較典型，具有一定的代表性。

2）采用有限元軟件分別對露天開挖過程中的不同臺階斷面進行位移云圖模擬，結(jié)合位移偏移量，說明所選取邊坡角的合理性。

3）根據(jù)露天采場實際工況條件，參照露天采場現(xiàn)有邊坡參數(shù)及其穩(wěn)定性，確定露天采場終了邊坡角為38°～42°。

4）根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析，設(shè)計確定的終了邊坡角整體來說應(yīng)能保證露天采場邊坡整體穩(wěn)定，但不排除局部出現(xiàn)垮塌的可能，建議臨近露天采場最終邊坡爆破時，為保護邊坡安全，實行控制爆破，通過地震波計算控制爆破藥量，形成終了境界邊坡坡面時采用預(yù)裂爆破;建立邊坡監(jiān)測體系，對邊坡的穩(wěn)定性定期進行監(jiān)測預(yù)報。

[參 考 文 獻]

[1]?張君毅.基于Phase2的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].山西建筑，2016，42（23）：74.

[2]?宋鵬程，江巍，王彥海，等.基于Phase2的軟硬互層反傾巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與破壞模式研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2019，41（3）：46-50.

[3]?翟棟.基于PHASE2.0邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].內(nèi)蒙古經(jīng)濟，2019（5）：154-155.

[4]?趙大千.安徽烏石山石灰?guī)r礦設(shè)計采場終了邊坡穩(wěn)定性分析[J].采礦技術(shù)，2013，13（6）：25-49.

[5]?姜群，張欽禮，王浩，等.事故樹分析法在露天邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].黃金，2018，39（6）：69-72.

[6]?熊爽，胡斌，姚文敏.露天石灰石礦山巖質(zhì)邊坡坡角優(yōu)化設(shè)計研究[J].礦冶工程，2018，38（4）：32-35.

[7]?周英茂.寧化行洛坑鎢礦露天邊坡穩(wěn)定性計算及邊坡角優(yōu)化[J].福建冶金，2019，48（5）：1-5.

[8]?白忠榮，王坤，尹福興.運輸載荷下北衙金礦露天邊坡穩(wěn)定性分析[J].黃金，2017，38（5）：47-50.

[9]?武震，李文秀，雷振，等.露天鐵礦邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].礦冶工程，2017，37（1）：18-24.

[10]?王海強，張成良，龐鑫.蘭營徐露天采場高陡邊坡特殊段穩(wěn)定性分析[J].黃金，2016，37（3）：32-36.

[11]?鄧雄武，余洋，李紹波.動載下巖石邊坡穩(wěn)定性研究[J].礦冶工程，2018，38（5）：29-35.

[12]?潘懿，阮琰文，黃英華.高寒地區(qū)露天礦邊坡治理技術(shù)應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2017，37（7）：31-33.