基于連續(xù)介質(zhì)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(yè)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(chǎn)資源的逐漸消耗，雖然地下開采的礦山規(guī)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(wěn)定性的因素較多，例如爆破震動(dòng)、地下水、節(jié)理裂隙和巖土體物理力學(xué)參數(shù)等，一旦邊坡發(fā)生失穩(wěn)，可能會(huì)導(dǎo)致礦山停產(chǎn)，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)，給礦山帶來不可估量的損失[2，3]，因此，露天礦邊坡的穩(wěn)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(tuán)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(jìn)行，偶有塌方事故發(fā)生，特別是在雨季，由于地表水的影響，且深凹露天礦的臺(tái)階較高，極易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)極為不利。本研究以穆利亞希深凹露天礦邊坡為研究對(duì)象，建立穆利亞希深凹露天礦邊坡的三維數(shù)值計(jì)算模型，研究邊坡的變形機(jī)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(chǔ)。

1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)選擇

5#剖面邊坡高程為1080m～1280m，結(jié)合穆利亞希深凹露天礦的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)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(fēng)化泥質(zhì)石英巖、過渡帶、泥巖、RL7泥質(zhì)石英巖共5個(gè)巖土層，且穆利亞希深凹露天礦巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 剖面5巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 邊坡極限平衡分析

根據(jù)穆利亞希深凹露天礦現(xiàn)場實(shí)際情況，本研究對(duì)穆利亞希深凹露天礦邊坡進(jìn)行極限平衡分析，由于邊坡含有豐富的節(jié)理和層理結(jié)構(gòu)面，因此，采用圓弧滑動(dòng)面和折線滑動(dòng)面分別進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)工程規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)類比法[6-8]，當(dāng)不考慮地震力和爆破震動(dòng)時(shí)，安全系數(shù)大于1.18，則認(rèn)為邊坡穩(wěn)定；當(dāng)考慮爆破震動(dòng)因素影響時(shí)，安全系數(shù)大于1.15，則認(rèn)為邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1 計(jì)算剖面模型

結(jié)合穆利亞希深凹露天礦的現(xiàn)場實(shí)際資料，本研究建立穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對(duì)應(yīng)邊坡的數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 剖面5計(jì)算模型

2.2 不考慮爆破震動(dòng)分析結(jié)果

結(jié)合穆利亞希深凹露天礦工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，在不考慮爆破震動(dòng)和各向異性的情況下，采用簡化Bishop法等極限平衡分析來進(jìn)行計(jì)算，得到穆利亞希深凹露天礦5#剖面對(duì)應(yīng)邊坡的安全系數(shù)如表2所示，可以看出，邊坡安全系數(shù)均小于1.18，則穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對(duì)應(yīng)的邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 剖面5初步分析結(jié)果

2.3 考慮爆破震動(dòng)分析結(jié)果

當(dāng)考慮爆破震動(dòng)時(shí)，結(jié)合工程類比法，對(duì)整個(gè)計(jì)算模型賦予0.02g的水平震動(dòng)加速度，采用簡化Bishop法、瑞典條分法和簡化Janbu等方法計(jì)算穆利亞希深凹露天礦5#剖面邊坡的安全系數(shù)如表3所示，可以看出，考慮爆破震動(dòng)情況下，邊坡的安全系數(shù)均小于1.15，表明邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 剖面5考慮爆破震動(dòng)極限平衡分析結(jié)果

3 邊坡變形機(jī)理分析

本節(jié)研究了在靜荷載作用下邊坡的變形機(jī)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(yīng)力分布、現(xiàn)狀邊坡的變形特征以及開挖至設(shè)計(jì)邊坡時(shí)的變形特征。

5#坑典型區(qū)段三維數(shù)值模擬，從數(shù)值模擬角度揭示了復(fù)雜地形對(duì)該區(qū)段邊坡的變形影響規(guī)律。

3.1 邊坡數(shù)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(duì)象，其中5#勘探線所在邊坡計(jì)算模型如圖2所示，模型包括黏土層、風(fēng)化泥質(zhì)石英巖、過渡帶、泥巖夾云母片巖及泥質(zhì)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(cè)和右側(cè)均施加X方向的固定約束，即X方向的位移為0；前側(cè)和后側(cè)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(yīng)力

對(duì)于剖面5所對(duì)應(yīng)的邊坡，當(dāng)未對(duì)邊坡進(jìn)行開挖之前，即邊坡處于初始應(yīng)力狀態(tài)，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(huì)生成初始應(yīng)力場。初始地應(yīng)力整體呈現(xiàn)出層狀分布的狀態(tài)，靠近地表的地應(yīng)力較小，并初始地應(yīng)力沿著深度的增加而逐漸增加，在模型的底部，其主應(yīng)力大小為4.9Mpa。

3.3 現(xiàn)狀邊坡

如圖3所示為剖面5開挖至現(xiàn)狀邊坡時(shí)的水平位移云圖，其中最大水平位移發(fā)生1235m平臺(tái)坡腳附近，為7mm左右，其他區(qū)域水平位移較小。

圖3 剖面5開采到現(xiàn)狀邊坡水平位移云圖

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

圖4 開采到現(xiàn)狀邊坡塑性區(qū)分布圖

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

圖5 開采到現(xiàn)狀邊坡最大剪應(yīng)變增量圖

3.4 設(shè)計(jì)邊坡

開采至現(xiàn)狀邊坡后，繼續(xù)對(duì)邊坡分步開挖，并計(jì)算至靜力平衡。剖面5開采至設(shè)計(jì)邊坡時(shí)的塑性區(qū)分布圖如圖6所示。1190m及1220m平臺(tái)上發(fā)生大范圍的剪切塑性破壞，這主要是由于該區(qū)域巖層為RL6地層的泥巖，與RL7地層的泥質(zhì)石英巖存在軟弱過渡帶，抗剪強(qiáng)度較低。

圖6 開采到設(shè)計(jì)邊坡的塑性分布圖

剖面5開采至設(shè)計(jì)邊坡的最大剪應(yīng)變增量圖如圖7所示。剖面5最大剪應(yīng)變增量發(fā)生出現(xiàn)在1190m與1220m平臺(tái)下的軟弱過渡帶上，最大剪應(yīng)變增量達(dá)到6m，因此，邊坡在該處的位移相對(duì)較大，可能會(huì)導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)和破壞，在邊坡運(yùn)行期間，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖7 開挖至設(shè)計(jì)邊坡的最大剪應(yīng)變增量圖

4 結(jié)論

（1）采用極限平衡分析方法對(duì)穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對(duì)應(yīng)邊坡進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，不考慮各向異性和爆破震動(dòng)情況下，邊坡的安全系數(shù)均小于1.18；考慮爆破震動(dòng)情況下，邊坡的安全系數(shù)均小于1.15，表明穆利亞希深凹露天礦5#剖面所對(duì)應(yīng)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）剖面5邊坡的初始應(yīng)力呈現(xiàn)出層狀分布的特征；靜荷載作用下，剖面5所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)狀邊坡變形相對(duì)較小，現(xiàn)狀邊坡相對(duì)穩(wěn)定。

（3）開挖至設(shè)計(jì)邊坡時(shí)，剖面5局部臺(tái)階水平位移及最大剪應(yīng)變增量相對(duì)較大，邊坡局部有可能發(fā)生失穩(wěn)，后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)剖面5對(duì)應(yīng)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。