多巖性分布的露天采場邊坡穩(wěn)定性分析

趙 亮

(中國有色金屬長沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南長沙 410000)

露天采場邊坡的穩(wěn)定性受多種因素影響, 例如：邊坡高度、邊坡角、巖土力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面等等, 其中邊坡坡體巖性越復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性越難以穩(wěn)定, 尤其多種巖性中存在軟硬互夾型邊坡[1-3]。為了研究邊坡坡體多巖性條件下的穩(wěn)定性問題, 以具體礦山工程實(shí)例為依托開展了相關(guān)研究。

在露天采場邊坡穩(wěn)定性方面, 多位學(xué)者開展了相關(guān)研究工作。羅建林[4]以某露天采場凝灰?guī)r巖質(zhì)邊坡為工程背景, 采用Geo-Slope及極限平衡法分析了邊坡3個典型剖面的穩(wěn)定性。馬熹焱[5]以安家?guī)X露天礦北幫為研究對象, 并開展了含弱層破碎帶軟弱結(jié)構(gòu)不良地質(zhì)條件下露天礦邊坡變形和破壞規(guī)律的相似模型試驗(yàn)研究。孫世國[6]結(jié)合某露井聯(lián)合開采工程實(shí)例, 采用有限元軟件建立三維模型并通過有限差分法計(jì)算邊坡體的位移與應(yīng)力, 研究了多階段露井聯(lián)采對邊坡穩(wěn)定性的影響特點(diǎn)及其邊坡位移應(yīng)力分布狀況。

礦山采用陡幫剝巖, 緩幫采礦, 設(shè)計(jì)臺階高度12m, 并段后高度24m, 最終臺階坡面角65°。露天采場巖性較多, 且各個巖性復(fù)雜交錯, 影響邊坡穩(wěn)定性。采用Phase二維有限元模擬軟件開展了邊坡穩(wěn)定性分析。

1 礦山地質(zhì)

1.1 礦山巖性

礦區(qū)內(nèi)巖脈發(fā)育, 主要有云斜煌斑巖脈、花崗閃長巖脈。巖脈規(guī)模較小, 長數(shù)米至數(shù)十米, 寬度不足1m至數(shù)米。巖脈長軸分布方向基本同礦區(qū)構(gòu)造線一致, 巖脈一般呈不規(guī)則脈狀與礦體伴生產(chǎn)出。

（1）云斜煌斑巖脈：灰黑色, 風(fēng)化后呈黃綠色, 煌斑結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。斑晶有斜長石及角閃石, 約占10%左右?；|(zhì)主要為斜長石, 占70%左右, 其次為黑云母、角閃石、石英、毒砂、榍石等。巖脈主要分布于6號礦帶F3斷裂破碎帶內(nèi), 空間上基本與礦體平行相伴產(chǎn)出, 少量切割礦體。巖脈寬度一般1～10m, 長度在10m至逾百米, 延深一般在10～80m, 呈透鏡狀或扁豆?fàn)町a(chǎn)出。

（2）花崗斑巖脈：淺肉紅色、灰白色、風(fēng)化面黃褐白色, 斑狀結(jié)構(gòu), 斑晶為石英（21%）、角閃石（5%）、條紋長石（3%）及白云母（1%）, 粒度0.5～5mm, 呈渾圓狀, 基質(zhì)為正長石（62%）、黑云母（8%）、石英（2%）等, 粒度0.02～0.05mm。巖脈主要產(chǎn)出于26號礦帶F29斷裂破碎帶內(nèi), 產(chǎn)狀與破碎帶一致, 呈東西向展布, 規(guī)模一般從寬1～20m, 長10～400m不等, 共圈出13條。

（3）閃長玢巖脈：灰白色, 斑狀結(jié)構(gòu), 基質(zhì)為細(xì)晶結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。斑晶為長石、黑云母、石英, 基質(zhì)為更長石、角閃石、黑云母、白云母、綠泥石等。斑晶含量一般為1%～3%, 基質(zhì)含量在95%以上。

閃長玢巖脈在礦區(qū)少見, 也有穿插礦體現(xiàn)象, 與礦體關(guān)系不甚密切。

（4）閃長巖脈：灰白色, 自型中—粗粒結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造, 主要礦物成分：中長石、白云母、石英、黑云母, 次有少量綠泥石、金紅石、黃鐵礦。與礦體關(guān)系不密切。這種巖脈規(guī)模不大, 且不多見。

1.2 邊坡巖性調(diào)查

（1）粉砂質(zhì)板巖。該巖組巖體結(jié)構(gòu)類型為薄層狀結(jié)構(gòu), 板狀構(gòu)造, 靠近斷層及其破碎帶。節(jié)理方位較清晰, 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查共發(fā)育有三組節(jié)理, 主要發(fā)育節(jié)理產(chǎn)狀為：①26°∠25°；②225°∠64°；③9°∠19°。

節(jié)理裂隙多為剪節(jié)理, 結(jié)構(gòu)面較發(fā)育, 中—未風(fēng)化, 結(jié)構(gòu)面平直、光滑, 半閉合—閉合, 局部充填有少量泥質(zhì), 主要蝕變有硅化、碳酸鹽化。節(jié)理間距3～23cm, 寬一般1～3mm, 平均節(jié)理間距8.47cm, 平均線節(jié)理密度為11.8條/m, 現(xiàn)場鉆孔統(tǒng)計(jì)RQD平均值為32.0%。

（2）斑點(diǎn)狀板巖。該巖組巖體結(jié)構(gòu)類型為層狀結(jié)構(gòu), 巖體完整性較好。節(jié)理方位清晰, 現(xiàn)場調(diào)查主要發(fā)育有兩組節(jié)理, 主要發(fā)育節(jié)理產(chǎn)狀為：①59°∠65°；②213°∠8°。

節(jié)理裂隙以剪節(jié)理為主, 中—未風(fēng)化, 結(jié)構(gòu)面平直、光滑, 半閉合—閉合, 局部充填有少量泥質(zhì), 主要蝕變有硅化、碳酸鹽化。節(jié)理、裂隙較干燥, 節(jié)理間距10～18cm, 平均節(jié)理間距16.9cm, 平均線節(jié)理密度為5.9條/m, 現(xiàn)場鉆孔統(tǒng)計(jì)RQD平均值為44%。

（3）構(gòu)造角礫巖。該巖組巖體結(jié)構(gòu)類型為碎裂—散體結(jié)構(gòu), 完整性極差。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面均有發(fā)育, Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面呈無序狀發(fā)育, 現(xiàn)場調(diào)查主要發(fā)現(xiàn)四組節(jié)理, 主要節(jié)理產(chǎn)狀為：①318°∠64°；②153°∠27°；③270°∠16°；④64°∠68°。

節(jié)理間距小于6cm, 平均節(jié)理間距3.2cm, 平均線節(jié)理密度為31.3條/m, 現(xiàn)場鉆孔統(tǒng)計(jì)RQD平均值為12%。

（4）花崗斑巖。該巖組巖體結(jié)構(gòu)類型多為層狀結(jié)構(gòu), 遠(yuǎn)離斷裂破碎帶。節(jié)理方位較清晰, 主要發(fā)育有三組節(jié)理加紊亂節(jié)理, 節(jié)理產(chǎn)狀為：①243°∠41°；②157°∠75°；③317°∠46°。

節(jié)理間距5～20cm, 平均節(jié)理間距12.8cm, 平均線節(jié)理密度為7.8條/m, 現(xiàn)場鉆孔統(tǒng)計(jì)RQD平均值為42%。

1.3 巖體力學(xué)參數(shù)

在露天采場選取了典型的巖樣, 開展了各種巖性巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn), 得到了巖石力學(xué)參數(shù)。采用多種工程折減方法, 得到了各種巖性的巖體力學(xué)參數(shù), 具體如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2 二維有限元分析

分析程序采用加拿大巖土工程分析軟件Phase2 8.0版本, 開展了二維模型計(jì)算分析。剪應(yīng)力模擬分析結(jié)果如圖1～圖3所示。邊坡位移計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖1 剖面1剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

圖3 剖面3剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

圖4 剖面1位移計(jì)算結(jié)果云圖

圖6 剖面3位移計(jì)算結(jié)果云圖

基于二維有限元數(shù)值模擬得到邊坡最大剪應(yīng)力情況, 最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在邊坡坡腳處, 局部第四系土的位置會出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力, 剪應(yīng)力在68～122.5MPa, 主要與邊坡高度, 且不同巖性條件有關(guān)。邊坡安全系數(shù)最小為1.11, 滿足規(guī)范要求, 說明邊坡處于安全狀態(tài)。

基于二維有限元數(shù)值模擬得到邊坡位移變形情況, 最大位移值出現(xiàn)在邊坡坡腳或坡頂處, 在0.3～ 0.85m之間, 局部第四系土的位置會出現(xiàn)較大的位移變化。

圖2 剖面2剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

圖5 剖面2位移計(jì)算結(jié)果云圖

3 結(jié)論

露天采場巖性較多, 且各個巖性復(fù)雜交錯, 影響邊坡穩(wěn)定性。采用Phase二維有限元模擬軟件開展了邊坡穩(wěn)定性分析。經(jīng)過分析總結(jié)后得到以下結(jié)論：

（1）邊坡最大剪應(yīng)力情況, 最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在邊坡坡腳處, 局部第四系土的位置會出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力。

（2）邊坡安全系數(shù)最小為1.11, 滿足規(guī)范要求, 說明邊坡處于安全狀態(tài)。

（3）邊坡最大位移值出現(xiàn)在邊坡坡腳或坡頂處, 局部第四系土的位置會出現(xiàn)較大的位移變化。