基于連續介質模型的深凹露天礦邊坡變形特征研究

姚高輝，肖云濤，劉建耀

（中色盧安夏銅業有限公司）

礦山開采主要包括露天開采和地下開采，隨著礦產資源的逐漸消耗，雖然地下開采的礦山規模逐漸增加，但仍然有較多礦山為露天開采方式[1]。影響露天礦邊坡穩定性的因素較多，例如爆破震動、地下水、節理裂隙和巖土體物理力學參數等，一旦邊坡發生失穩，可能會導致礦山停產，造成巨大的生命財產，給礦山帶來不可估量的損失[2，3]，因此，露天礦邊坡的穩定性是礦山在開采過程中需要長期研究的重要課題之一[4，5]。

穆利亞希露天礦是中國有色集團在海外收購的重要礦山之一，其為深凹露天礦。在礦山的開采過程中，隨著開采的逐漸進行，偶有塌方事故發生，特別是在雨季，由于地表水的影響，且深凹露天礦的臺階較高，極易出現邊坡失穩，對礦山的安全生產極為不利。本研究以穆利亞希深凹露天礦邊坡為研究對象，建立穆利亞希深凹露天礦邊坡的三維數值計算模型，研究邊坡的變形機理，為保證穆利亞希深凹露天礦的安全高效開采奠定理論基礎。

1 邊坡巖土體物理力學參數選擇

5#剖面邊坡高程為1080m～1280m，結合穆利亞希深凹露天礦的水文地質條件和工程地質條件，穆利亞希深凹露天礦邊坡巖土層的巖性自上而下依次為粘土層、RL7風化泥質石英巖、過渡帶、泥巖、RL7泥質石英巖共5個巖土層，且穆利亞希深凹露天礦巖土體的物理力學參數如表1所示。

表1 剖面5巖土體物理力學參數

2 邊坡極限平衡分析

根據穆利亞希深凹露天礦現場實際情況，本研究對穆利亞希深凹露天礦邊坡進行極限平衡分析，由于邊坡含有豐富的節理和層理結構面，因此，采用圓弧滑動面和折線滑動面分別進行計算。

根據工程規范和經驗類比法[6-8]，當不考慮地震力和爆破震動時，安全系數大于1.18，則認為邊坡穩定；當考慮爆破震動因素影響時，安全系數大于1.15，則認為邊坡處于穩定狀態。

2.1 計算剖面模型

結合穆利亞希深凹露天礦的現場實際資料，本研究建立穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對應邊坡的數值計算模型如圖1所示。

圖1 剖面5計算模型

2.2 不考慮爆破震動分析結果

結合穆利亞希深凹露天礦工程地質條件和水文地質條件，在不考慮爆破震動和各向異性的情況下，采用簡化Bishop法等極限平衡分析來進行計算，得到穆利亞希深凹露天礦5#剖面對應邊坡的安全系數如表2所示，可以看出，邊坡安全系數均小于1.18，則穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對應的邊坡處于不穩定狀態。

表2 剖面5初步分析結果

2.3 考慮爆破震動分析結果

當考慮爆破震動時，結合工程類比法，對整個計算模型賦予0.02g的水平震動加速度，采用簡化Bishop法、瑞典條分法和簡化Janbu等方法計算穆利亞希深凹露天礦5#剖面邊坡的安全系數如表3所示，可以看出，考慮爆破震動情況下，邊坡的安全系數均小于1.15，表明邊坡為不穩定狀態。

表3 剖面5考慮爆破震動極限平衡分析結果

3 邊坡變形機理分析

本節研究了在靜荷載作用下邊坡的變形機理，其中5#典型邊坡模型采用分步開挖模擬方法，模擬分析了邊坡開挖前初始地應力分布、現狀邊坡的變形特征以及開挖至設計邊坡時的變形特征。

5#坑典型區段三維數值模擬，從數值模擬角度揭示了復雜地形對該區段邊坡的變形影響規律。

3.1 邊坡數值模型建立

本研究選取5#勘探線的邊坡作為典型剖面的研究對象，其中5#勘探線所在邊坡計算模型如圖2所示，模型包括黏土層、風化泥質石英巖、過渡帶、泥巖夾云母片巖及泥質石英巖，尺寸為350m×100m×200m。

圖2 剖面5邊坡模型

模型的邊界條件為：底部為固定約束，模型的左側和右側均施加X方向的固定約束，即X方向的位移為0；前側和后側均施加Y方向的固定約束，即Y方向的位移為0。

3.2 初始地應力

對于剖面5所對應的邊坡，當未對邊坡進行開挖之前，即邊坡處于初始應力狀態，由于邊坡巖體是由不同類型的巖體所組成，由于重力的存在，巖體的重力會生成初始應力場。初始地應力整體呈現出層狀分布的狀態，靠近地表的地應力較小，并初始地應力沿著深度的增加而逐漸增加，在模型的底部，其主應力大小為4.9Mpa。

3.3 現狀邊坡

如圖3所示為剖面5開挖至現狀邊坡時的水平位移云圖，其中最大水平位移發生1235m平臺坡腳附近，為7mm左右，其他區域水平位移較小。

圖3 剖面5開采到現狀邊坡水平位移云圖

如圖4所示為剖面5開采至現狀邊坡時的塑性區分布情況顯示云圖，在開挖過程中，邊坡出現了拉伸破壞和剪切破壞，剪切塑性區主要分布在風化泥質石英巖層和泥質石英巖層之間順坡軟弱過渡帶上。

圖4 開采到現狀邊坡塑性區分布圖

如圖5所示為剖面5開采至現狀時的最大剪應變增量，在風化泥質石英巖層和泥質石英巖層之間順坡軟弱過渡帶上存在最大剪應變增量，僅為6mm左右，邊坡整體剪應變增量較小。

圖5 開采到現狀邊坡最大剪應變增量圖

3.4 設計邊坡

開采至現狀邊坡后，繼續對邊坡分步開挖，并計算至靜力平衡。剖面5開采至設計邊坡時的塑性區分布圖如圖6所示。1190m及1220m平臺上發生大范圍的剪切塑性破壞，這主要是由于該區域巖層為RL6地層的泥巖，與RL7地層的泥質石英巖存在軟弱過渡帶，抗剪強度較低。

圖6 開采到設計邊坡的塑性分布圖

剖面5開采至設計邊坡的最大剪應變增量圖如圖7所示。剖面5最大剪應變增量發生出現在1190m與1220m平臺下的軟弱過渡帶上，最大剪應變增量達到6m，因此，邊坡在該處的位移相對較大，可能會導致邊坡發生失穩和破壞，在邊坡運行期間，應加強對邊坡的實時監測。

圖7 開挖至設計邊坡的最大剪應變增量圖

4 結論

（1）采用極限平衡分析方法對穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對應邊坡進行計算，結果表明，不考慮各向異性和爆破震動情況下，邊坡的安全系數均小于1.18；考慮爆破震動情況下，邊坡的安全系數均小于1.15，表明穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對應邊坡處于不穩定狀態。

（2）剖面5邊坡的初始應力呈現出層狀分布的特征；靜荷載作用下，剖面5所對應的現狀邊坡變形相對較小，現狀邊坡相對穩定。

（3）開挖至設計邊坡時，剖面5局部臺階水平位移及最大剪應變增量相對較大，邊坡局部有可能發生失穩，后期應加強對剖面5對應邊坡進行實時監測。