復雜工況條件下露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

劉小開,李峰鴿

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

近年來,隨著露天礦開采設(shè)備能力及開采技術(shù)水平的提高,露天礦生產(chǎn)規(guī)模逐漸增大,高陡邊坡穩(wěn)定性已成為礦山工程地質(zhì)研究的重要課題之一[1]。目前,學者已開發(fā)了多種穩(wěn)定性評價方法,包括平面失效法、極限平衡法、數(shù)值模擬方法、二維(2D)及三維(3D)空間混合高階分析方法等[2],其中極限平衡法操作簡單,分析時間短,在不同失效機制與不同地質(zhì)條件下可結(jié)合概率及統(tǒng)計函數(shù)來評估安全系數(shù)(F.S),得到了廣泛關(guān)注。

目前對邊坡穩(wěn)定性的分析及判斷大多基于研究假設(shè)的力學理論模型來校驗安全穩(wěn)定系數(shù)[3],由于造成邊坡滑塌的因素眾多,作用機理復雜,單純的一種評價方法存在一定的局限性[4],故采用不同原理的分析方法綜合評價邊坡穩(wěn)定性,可大大提高分析的可靠性,在工程實踐中的應(yīng)用也越來越廣泛[5]。楊再華[6]等結(jié)合某鐵礦邊坡工程實例,分別采用極限平衡法及強度折減法模擬高陡邊坡失穩(wěn)的動態(tài)流程,判定滑坡方式,計算邊坡穩(wěn)定性。鄧帆[7]等基于某露天礦西南邊坡形變發(fā)育狀態(tài),分析地層結(jié)構(gòu)、開采擾動及氣候條件對邊坡的影響效應(yīng),利用FLAC及Slide分別建模,分析各種因素作用下邊坡巖體的變形破壞狀況,預測該露天礦一采區(qū)在暴雨及地震條件下的邊坡致災(zāi)機理。朱濤[8]等結(jié)合準東地區(qū)南露天礦西幫施工實踐,選用極限平衡法及強度折減法,模擬紅黏土在自然情況及飽水情況下的邊坡穩(wěn)定性,闡釋了影響邊坡穩(wěn)定的3個關(guān)鍵問題,提出對應(yīng)的防護措施。本研究采用極限平衡法及強度折減法對邊坡進行綜合分析,以期為礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 概況

礦區(qū)所在位置四周為剝蝕構(gòu)造山地,海拔2000～2500 m,相對高差500 m。由下元古界片麻巖、片巖,奧陶系灰色、灰綠色千枚巖夾大理巖,加侏羅系砂巖、粉砂巖等組成。區(qū)內(nèi)由于多年凍土層存在,地下水類型復雜化。降水通過構(gòu)造、融區(qū)及裂隙滲入地下,轉(zhuǎn)化為地下水,地表土主要為沖洪積相、冰川冰水,巖性多以多孔隙砂礫石為主,結(jié)構(gòu)松散,導水性好,厚度不均,是形成地下水的良好介質(zhì)。地下水埋藏深度大于26 m,補給主要是基巖裂隙水及來自水量極豐富淡潛水的補給。單井計算涌水量均大于5000 m3/d,最大可達18 000 m3/d,滲透系數(shù)35～173 m/d。該地區(qū)年平均氣溫1.53 ℃,氣溫最高月(7月)平均氣溫15.29 ℃,氣溫最低月(1月)平均氣溫-13.85 ℃,極端最高氣溫31.2 ℃,極端最低氣溫-30.7 ℃。年平均自然降水為83.44 mm,且在各月分布極不均勻,多集中在每年的5—8月份,占多年平均降水量的79%。7月份降水量最高,日最大降水量20.1 mm。年均蒸發(fā)量357.17 mm,是降水量的18倍,如圖1所示。相對濕度40%左右,冬、春季風沙較大,風向以西風、西北風為主,年平均風速2.1 m/s。年平均日照時數(shù)達3100 h以上,太陽輻射強。

圖1 礦山降水量、蒸發(fā)量與氣溫月平均變化曲線

該地區(qū)地震發(fā)生頻率較高,強度也較大。據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地震局觀測統(tǒng)計,自1953年建立有感地震記錄以來,該地區(qū)共發(fā)生4級以上地震6次,其中在本區(qū)發(fā)生5級以上地震3次。2008年11月11日及2009年8月28日,該地區(qū)發(fā)生過6.3級及6.4級地震,震中在距本礦工作區(qū)約有75 km左右,工作面有強烈震感,所處位置震動峰值加速度為0.1～0.15 m/s2,平均震害指數(shù)0.11～0.30,因此對于地震引發(fā)的災(zāi)害應(yīng)給予高度重視,地面及地下建筑物按地震烈度Ⅶ級設(shè)防。該地區(qū)地形起伏較大,巖體相對穩(wěn)定,無巖漿活動,未發(fā)生過泥石流、崩塌情況。除礦山開采外無其他生產(chǎn)活動,人為因素對環(huán)境基本無影響。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 極限平衡分析法

極限平衡分析法是邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法之一,通過研究可能滑動面的抗滑力與滑動力之比,基于極限平衡思想,定義了不同滑動面的安全穩(wěn)定系數(shù),通過相關(guān)算法求得最危險滑面的安全穩(wěn)定系數(shù)。采用極限平衡分析法,對該礦典型的L-L′邊坡剖面在自重、暴雨及暴雨+地震3種工況條件下的力學穩(wěn)定性進行分析計算。邊坡穩(wěn)定性建模及系數(shù)計算如圖2所示。

圖2 L-L′剖面在3種工況條件下極限平衡法計算結(jié)果

從L-L′ 剖面在自重條件下穩(wěn)定性計算云圖可以看出,邊坡+500 m區(qū)域至邊坡頂部+530 m區(qū)域穩(wěn)定性最差,此處邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)為2.450。由于此處頂部邊坡坡體較小,容易發(fā)生局部滑移破壞,邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)較高,發(fā)生整體滑移破壞的可能性較小。圖2c和2d分別顯示的是L-L′ 剖面在暴雨、暴雨地震綜合作用下的穩(wěn)定性計算云圖,邊坡+500 m區(qū)域至邊坡頂部+530 m區(qū)域穩(wěn)定性最差,兩種工況條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.158、1.808。礦山在后續(xù)回采過程中要注意暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響,加強對地震災(zāi)害的防控。

2.2 強度折減法

FLAC3D邊坡穩(wěn)定系計算采用強度折減法,根據(jù)強度折減法原理,將理想彈塑體本構(gòu)模型中巖土體的強度指標按照一定的標準不斷折減,從而得到不同的c、φ指標值,當數(shù)值模型發(fā)生破壞時,此時的折減系數(shù)即可表示為巖土體的穩(wěn)定性系數(shù)。強度指標按照式(1)、式(2)進行折減。

cf=c/F

(1)

(2)

其中,c、φ分別為巖體的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角,cf、φf分別為折減后巖體的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角,F為折減系數(shù)。采用穩(wěn)定性系數(shù)及全單元的計算不收斂作為邊坡穩(wěn)定性的判據(jù)。

為了從多角度對比邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果的準確性,在極限平衡法計算的基礎(chǔ)上采用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件,對L-L′ 剖面圖在3種工況(自重、暴雨、暴雨+地震)作用下進行穩(wěn)定性計算分析。利用CAD建立模型基礎(chǔ)框架,導入Ansys劃分單元格,如圖3a所示。將模型導入FLAC3D中進行不斷迭代計算,直至模型發(fā)生剪切破壞,根據(jù)邊坡滑動面云圖,分析邊坡安全穩(wěn)定系數(shù),如圖3b、3c、3d所示。云圖中剪應(yīng)變等值線表示剪切破壞面,即邊坡變形潛在最不利滑動面的位置。L-L′ 剖面模型網(wǎng)格及計算結(jié)果如圖3所示。+475 m至邊坡頂部+530 m區(qū)域最容易發(fā)生剪切破壞,穩(wěn)定性最低,發(fā)生破壞將從此區(qū)域逐漸往頂部擴展,從而造成邊坡整體滑移破壞。其余區(qū)域最大主應(yīng)變增量較小,發(fā)生整體滑移破壞的可能性較小。3種工況條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.55、2.23、1.86,均大于邊坡安全最低系數(shù),邊坡穩(wěn)定性較好,基本上不會發(fā)生邊坡滑坡事故。剪應(yīng)變等值線云圖顯示,暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響作用非常明顯,礦山在后續(xù)回采過程中要注意暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖3 L-L′ 剖面在3種工況條件下強度折減法計算結(jié)果

2.3 邊坡穩(wěn)定性綜合分析

結(jié)合極限平衡法與FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果,對該露天礦邊坡典型的L-L′ 剖面進行穩(wěn)定性分析。分析該現(xiàn)狀邊坡在自重、暴雨及暴雨+地震3種工況下的穩(wěn)定性。結(jié)果如表1所示。

表1 L-L′ 剖面不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)

3 結(jié)論

通過對新疆某露天礦終了臺階邊坡典型剖面的穩(wěn)定性分析可知,該采場終了邊坡剖面在自重、自重加暴雨、自重加暴雨地震3種不同工況下安全系數(shù)大于規(guī)定數(shù)值,均處于穩(wěn)定狀態(tài)。但該礦山只設(shè)計了一個臺階,應(yīng)加強邊坡監(jiān)測,注意滾石對底部人員及設(shè)備的影響。建議重新對臺階進行調(diào)整,合理設(shè)置保安平臺與清掃平臺,減少滾石危害的可能性。