深凹露天礦順層邊坡穩定性及災變防控技術研究

張國勝 董 鑫 陳彥亭 楊天鴻 鄧文學 李 華

(1.河北鋼鐵集團礦業有限公司,河北 唐山 063009;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;3.河北鋼鐵集團礦山設計有限公司,河北 唐山 063700)

目前,我國露天開采的鐵礦石所占比重巨大,且大部分進入深凹開采或轉入地下開采,深凹露天開采已成為露天采礦的發展趨勢[1]。 隨著露天開采深度不斷增加,邊坡失穩問題越來越突出,開展深凹露天礦高陡邊坡失穩機理研究,進而建立系統的露天礦高陡邊坡穩定性分析、評價與預測方法,對于確保露天礦邊坡穩定,預防滑坡災害和提高經濟效益具有重大意義。

研山鐵礦位于河北省唐山市灤縣境內,露天礦地表長2 870 m,寬1 540 m,設計最終境界邊坡高度達到600 m,露天采場每年總產能為800 萬t,為一典型深凹露天開采礦山。 該礦東臨新河和灤河,第四系表土層厚大,透水性強,滲流對邊坡穩定性影響強烈。同時,東幫邊坡基巖風化巖巖體破碎,存在大量順層結構面,在自重及其他外力擾動作用下,具有明顯的沿軟弱結構面發生順層滑移破壞趨勢[2]。 因此,亟須針對研山鐵礦東幫順層巖質邊坡開展穩定性及治理方案研究。

近年來,在高陡節理巖質邊坡穩定性及災變防控技術研究方面,學者們進行了大量卓有成效的工作。楊天鴻等[1]從高陡邊坡穩定性分析、邊坡監測、預測預報方法等方面總結了目前邊坡穩定性研究方法及預測預報研究現狀,并提出了露天礦邊坡巖體強度參數識別表征方法和動態穩定性評價方法。 朱萬成等[3]圍繞“現場監測和數值模擬相結合的災害預測預警”的學術思想,提出了“地質災害案例匹配、多源數據挖掘、力學機理分析、專家系統診斷”四位一體的災害風險智能預測預警方法。 黃潤秋[4]根據其失穩機理將順層巖質邊坡分為兩類,并提出高巖質邊坡的變形破壞可分為三階段演化模式。 孫書偉等[5]總結了巖質邊坡破壞模式與其坡體結構的關系,提出了5 種順層邊坡體所對應的破壞模式。 ALEJANO 等[6]歸納了層狀邊坡潰屈破壞和滑劈破壞的具體模式,并推導了其穩定性系數計算公式、數值分析和物理模擬方法。 王家臣等[7-8]總結了基于蒙特卡洛方法建立節理巖體三維網絡模型,并通過數值模擬進行邊坡穩定性分析的方法。 王智佼等[9]利用聲波測井、測線法對礦區進行了節理裂隙分析與巖體質量分區,并基于離散元數值模擬佐證了NPR 錨索對破碎邊坡加固的有效性。 賈帥等[10]通過FISH 語言和“二分法”編程,發現固定坡角和節理傾角后,邊坡安全系數隨傾向的改變呈對稱狀分布。

綜上分析,學術界對于深凹露天礦節理巖質邊坡穩定性及破壞模式的硏究已較為深入。 本研究在前人成果基礎上,結合結構面數字攝影測量與數字鉆孔攝像勘察工作,獲取研山深凹露天坑N26勘探線東幫順層邊坡巖體結構特征;考慮層狀巖體具有各向異性力學行為的特征,應用修正的Hoek-Brown 強度準則確定層狀巖體強度;基于考慮巖體各向異性的有限元數值模擬方法,分析邊坡巖體的破壞模式。 結合紅外熱像、數值分析以及現場踏勘結果,提出疏干排水、局部加固以及監測預警相結合的N26勘探線東幫邊坡災變綜合防控措施,對于邊坡穩定性研究和最終境界邊坡優化設計具有一定的參考意義。

1 工程地質分析

研山露天礦境界下部巖質邊坡主要地質構造為石英砂巖(Pt2chd)作為沉積蓋層角度不整合覆蓋在黑云變粒巖(Ar3gnt)、混合化黑云變粒巖(Ar3m-gnt)和鉀長石化云母片巖(Ar3sch)等變質巖系及太古代沉積變質鐵礦(BIF)之上。 除了水平覆蓋于所有地層之上的第四系之外,其余地層均為傾斜巖層,總體傾向W,其中石英砂巖(Pt2chd)傾角(15±2)°,變粒巖系傾角(40±5)°,構造線近SN 向[11]。 以N26勘探線為例,區域工程地質剖面如圖1 所示。

圖1 研山鐵礦邊坡N26 勘探線工程地質剖面Fig.1 Engineering geological profile of the N26 exploration line slope in Yanshan Iron Mine

通過現場鉆孔地質勘探,可知邊坡基巖風化巖巖體破碎,上部黑云變粒巖按風化程度可以分為強風化和中風化兩類,巖體強度較低,下部新鮮黑云變粒巖強度較高。 其中,采場東幫N26勘探線鉆孔巖芯盒照片與計算得到的RQD值如圖2 和圖3 所示。

圖2 N26 勘探線鉆孔巖芯盒照片Fig.2 Photos of the core box in the N26 exploration line

圖3 N26 勘探線鉆孔巖芯RQD 值Fig.3 RQD value of drill core in the N26 exploration line

邊坡巖體主要結構面對層狀邊坡失穩破壞行為起到支配作用[12],同時也是邊坡巖體強度估值的基礎數據。 在結構面數字攝影測量的基礎之上[13],分別對位于東幫邊坡南部和中部鉆孔開展數字鉆孔攝像測量工作。 鉆孔測得的節理、裂隙產狀分別采用赤平極射投影的統計分析結果如圖4 所示。 由圖4可知:東幫邊坡巖體主要含有一組優勢結構面,約為45°,結構面傾角多為30°～60°,傾向230°～270°與邊坡產狀十分接近,為順傾結構面,邊坡潛在破壞模式以順層滑動為主。

圖4 邊坡巖體結構面極點投影等密度圖Fig.4 Stereographic contour point diagram for structure plane of slope

研山鐵礦東臨新河和灤河,第四系表土層厚大,透水性強,根據紅外熱像結果(圖5)發現東幫滲水嚴重。 邊坡變質巖系巖體存在大量順層結構面,在自重及其他外力擾動作用下,斜坡巖體具有沿軟弱結構面向臨空面發生順層滑移趨勢。 總之,巖性、變質巖系的片理與片麻理、節理與斷裂構造、不整合面、表層風化和河流滲水是本采區邊坡穩定的影響因素。

圖5 研山鐵礦露天采場東幫的熱像圖Fig.5 Thermal image of east side of open pit in Yanshan Iron Mine

2 邊坡巖體力學參數確定

東幫邊坡變質巖系存在片理與片麻理、節理,導致層狀巖體具有各向異性性質。 王培濤等[14]通過單軸壓縮試驗研究了研山鐵礦黑云變粒巖強度各向異性特征,得到不同層理傾角(β)黑云變粒巖單軸抗壓強度(UCS),如圖6 所示。 試驗表明:UCS最大值與最小值之比最大達到4.4,最小為2.1,UCS值隨節理傾角增大呈現近似“U”形變化,破壞模式出現剪切破壞—沿節理面滑動—劈裂破壞的變化過程,說明邊坡巖體強度和破壞模式受巖石層理傾角控制,層狀巖體強度估值有必要顧及層狀結構面和應力條件的影響,在穩定性分析時要考慮巖石各向異性破壞模式。

圖6 黑云變粒巖單軸抗壓強度與層理傾角關系曲線[14]Fig.6 Relationship curves of UCS and joint angles of biotite granulite

Hoek-Brown 準則適用于多節理和各向同性巖體強度估值,無法直接應用于預測層狀巖體強度,有必要考慮層狀巖體沿層理或穿層理破壞特征,對該準則加以改進。 如圖7、圖8 所示,本研究通過WHY-600微機控制壓力試驗機開展了不同層理傾角巖石的單軸抗壓強度試驗,獲得了巖塊單軸抗壓強度與層理傾角的關系。 根據文獻[15]提出的用完整巖石試件的單軸抗壓強度來表征層狀巖體強度隨層面傾角的變化規律,以及應用Hoek-Brown 準則來分析層狀巖體強度的方法,本研究將該準則應用到層狀巖體強度估值中。

圖7 WHY-600 微機控制壓力試驗機Fig.7 WHY-600 microcomputer controlled pressure testing machine

圖8 不同層理傾角黑云變粒巖試樣Fig.8 Biotite granulite samples with different bedding dip angles

在修正Hoek-Brown 經驗準則[16]中,HOEK 提出用改進后的廣義Hoek-Brown 強度準則估計節理化巖體強度指標與力學參數,需用3 個基本參數D、mi、GSI取值,結合文獻[16],參數取值見表1。 參考由完整巖石試件的單軸抗壓強度表征層狀巖體強度隨層面傾角變化規律的方法[15],應用Hoek-Brown 強度準則計算研山鐵礦東幫不同層理傾角巖體強度。 考慮風化造成巖石力學性能劣化[17],結合N26勘探線鉆孔取芯得到的巖體質量指標RQD與表2 中不同程度風化類巖石弱化系數取值[18],將強風化黑云變粒巖的強度按微新巖體強度參數的0.045 倍折減,微風化黑云變粒巖的強度按新鮮巖體強度參數的0.55 倍折減,從而確定了不同風化程度黑云變粒巖的抗剪強度參數,結果見表3。 其中,白云母片巖試驗所得單軸抗壓強度均值為20.34 MPa,經計算得到的黏聚力為101 kPa,內摩擦角為38°。

表1 巖體力學計算參數Table 1 Calculation parameters of rock mechanics

表2 不同程度風化類巖石弱化系數[18]Table 2 Weakening coefficient of weathered rocks in different degrees

表3 風化黑云變粒巖力學參數(黏聚力/內摩擦角)修正值Table 3 Correction values of parameters (cohesion/internal friction angle) of weathered biotite granulite

研山鐵礦的層狀黑云變粒巖可視為橫觀各向同性彈性體,當xy平面為各向同性面時,其彈性應變—應力關系矩陣[19]可表示為

式中,ε為正應變;γ為剪應變;μ為泊松比;E為彈性模量,Pa;G為剪切模量,Pa;σ為正應力,Pa;τ為剪應力,Pa;h、v分別表示平行和垂直于橫觀各向同性的方位。

據文獻[20],得到用于數值模型計算的各向異性力學參數見表4。 其中,各向異性剪切模量采用Lekhnitskii 建議的估值公式[21]計算:

表4 邊坡巖體各向異性力學參數Table 4 Anisotropic mechanical parameters of slope rock mass

3 邊坡穩定性分析

東幫邊坡巖體具有明顯的各向異性,穩定性分析有必要考慮其對邊坡破壞模式的影響。 針對該類各向異性巖體,師文豪等[22]基于各向異性材料力學理論,提出的露天礦邊坡巖體各向異性分析方法,能夠反映實際節理分布導致的巖體各向異性特征。 本次邊坡穩定性分析采用考慮巖體各向異性的有限元分析與極限平衡分析相結合的方法,即基于Comsol Multiphysics 有限元軟件,并考慮巖體各向異性性質,分析邊坡巖體破壞模式;在此基礎之上,根據有限元計算的潛在滑動面用極限平衡法計算邊坡穩定性系數,分析其穩定性并驗證數值模型可靠性。 根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB 51016—2014),綜合考慮邊坡小構造比較多、深部未揭露、東幫靠近新河等因素,邊坡安全儲備系數取1.25。 由于東幫邊坡各勘探線剖面地質條件相似,故以最典型的N26勘探線剖面為例,對計算過程進行分析。

N26勘探線剖面位于礦區中部,主要地層為第四系沖積層、強風化黑云變粒巖、中風化黑云變粒巖、微新巖體和白云母片巖,最終幫坡角為34°,屬工作幫。基于Comsol Multiphysics有限元軟件,建立的尺寸為1 856 m×900 m(長×高)的各向異性有限元計算模型如圖9 所示,巖體力學參數按表3 和表4 取值,強度準則選用摩爾-庫倫準則,采用強度折減法計算邊坡破壞模式和安全系數。

圖9 N26 勘探線剖面有限元計算模型Fig.9 The finite element calculation model of N26 exploration line profile

不同折減系數F的邊坡破壞模式的計算結果如圖10 所示。 由圖10 可知:邊坡破壞從上部臺階開始,主要集中在-18～-157 m 臺階處的強風化和中風化帶,當折減系數增加到1.2 左右時,風化帶出現平面型破壞區。 隨著折減系數繼續增大,坡腳處由于應力的集中開始出現損傷,并且損傷區逐漸擴大向上延伸,但由于上下損傷區之間的完整巖體構成了邊坡變形的巖橋,提供了鎖固力并將應力積累剪斷,致使損傷區未發生貫通。 當折減系數超過1.7 后,下部損傷區逐漸貫通到-390 m 平臺,上部強風化黑云變粒巖損傷范圍也逐漸增大,上下破壞區域有了貫通的風險。

圖10 不同折減系數的邊坡破壞模式Fig.10 Failure modes of slopes with different reduction factors

由于層狀巖體物理力學性質的各向異性,本研究進一步分析不同層理傾角下的邊坡破壞模式。 不同層理傾角邊坡在折減系數f為1.4 時,計算得到的各向異性破壞模式如圖11 所示。 由圖11 可知:隨著層理傾角逐漸增加,邊坡上下部損傷破壞范圍均先增大后減小,當巖層傾角為30°～45°,即與最終幫坡角相近時,邊坡損傷區最大。 其中上部損傷區由于風化程度較高,貫通于-18～-187 m 臺階的破壞區域一直存在,破壞模式近似平面型滑坡,而下部臺階由于巖體性質較好,只有當巖層傾角接近最終幫坡角時,邊幫下部巖體發生的破壞才較為明顯,該處近似圓弧型滑坡模式。

圖11 不同層理傾角各向異性破壞模式Fig.11 Anisotropy failure modes with different joint angle

綜上分析可知:在取較大折減系數時,上下部損傷區并未發生貫通,因此邊坡整體基本穩定,但由于N26東幫邊坡優勢結構面傾角與最終幫坡角相近,隨著開挖深度增加,存在上下局部臺階順傾滑坡的風險,因此宜采取邊坡穩定性防控措施,確保研山鐵礦東幫安全開采。

4 邊坡災變綜合防控措施

邊坡災變防控實現的途徑主要是通過增加抗滑力、減小下滑力以防止滑坡災害發生,并借助邊坡監測預警手段保障人員、設備安全。 針對研山鐵礦東幫高陡邊坡存在局部滑坡風險的情況,制定的防控措施實施流程如圖12 所示,其防災減災關鍵技術措施分析如下。

圖12 研山鐵礦東幫邊坡災變防控措施實施流程Fig.12 Implementation process of disaster prevention and control measures for the east slope of Yanshan Iron Mine

(1)疏干排水。 地下水是影響邊坡穩定性的一個極其敏感的因素,多數邊坡的失穩破壞是由地下水作用造成的。 雖然研山鐵礦已在東幫與新河、灤河之間修筑了注漿帷幕和地下防滲墻,但結合現場踏勘情況及紅外熱像結果仍可發現該幫N26勘探線-67～-97 m 臺階附近具有明顯的出水點。 為降低地下水水位,宜在出水區域布置排水孔、排水溝等進行疏干,通過減少地下水動、靜水壓力對邊坡抗滑力的影響,提高邊坡穩定性。

(2)局部加固。 由數值模擬計算結果可知,N26勘探線上部臺階有發生滑坡的風險,且隨著開挖深度增加,下部臺階也具有失穩的可能。 為避免滑坡災害的發生,可以在關鍵臺階分別使用預應力錨索與錨桿對邊坡進行加固。 邊坡的總體加固方案為:① 對上部強風化帶采用錨索與格構梁組合的治理措施對坡面進行加固處理,在格構梁內部分坡面及坡頂部位采用混凝土噴射護坡。 ② 對于中風化及微新巖體區域,運輸平臺和皮帶運輸線用錨桿加固上一個臺階和下一個臺階,清掃平臺用短錨桿加固其下一個臺階,上一個臺階無需加固;安全平臺可無需加固。

(3)監測預警。 隨著研山鐵礦采場開挖不斷加深,臺階坡面角加陡,邊坡高度增加,邊坡的安全監測等級將從目前的Ⅱ～Ⅲ級逐漸上升至Ⅰ～Ⅱ級,按《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監測技術規范》(AQ/T 2063—2018)規定,必須布置在線監測系統。綜合考慮規程要求、現場情況以及數值模擬結果,可在-127～-187 m 臺階布置邊坡錨桿應力計和微震監測等在線監測系統,開展坡表、坡體內空間協同監測。通過監測結果的分析,可以準確并超前預判邊坡變形趨勢、范圍和機理,確保運輸道路運行安全并及時評價加固效果。

結合工程地質勘察與數值分析結果,本研究提出了疏干排水、局部加固以及邊坡監測等措施進行研山鐵礦邊坡穩定性綜合防控,從而提升邊坡風險抵抗和預警能力。 其中東幫N26勘探線綜合防控措施實施剖面如圖13 所示。

圖13 研山鐵礦東幫綜合防控措施實施剖面示意Fig.13 Schematic of the profile of implementing comprehensive prevention and control measures for the east slope of Yanshan Iron Mine

5 結 論

本研究通過工程地質勘察獲取了研山鐵礦N26勘探線邊坡巖體結構,進行了不同層理傾角巖樣的單軸壓縮試驗,應用修正的Hoek-Brown 強度準則確定了層理方向不同的巖體強度參數值,然后基于各向異性的有限元法對邊坡潛在失穩破壞模式及穩定性進行研究,最終提出了研山深凹露天礦順層邊坡災變綜合防控措施。 所得結論如下:

(1)相較于傳統的各向同性邊坡穩定性分析方法,采用基于考慮不同層理方向巖體強度參數取值的各向異性有限元法對研山鐵礦N26勘探線東幫邊坡穩定性進行研究,可以將層理方向對巖體力學性質的影響施加到數值模擬中,從而可發掘層理方向變化對邊坡穩定性的影響規律,對其他層狀巖質邊坡穩定性研究具有借鑒意義。

(2)通過對模擬結果分析可知,當巖層傾角為30°～45°時,即與最終幫坡角相近時,邊坡損傷區最大,上部損傷區呈現近似平面型滑坡模式,下部損傷區呈現近似圓弧型滑坡模式。 其中,上部損傷區發生滑坡的風險更高,但由于巖橋的鎖固作用,不會發生上下損傷區的整體貫通。

(3)研山深凹露天礦東幫邊坡整體基本穩定,但受順層結構與表層風化等不利因素影響,存在局部滑移風險。 因此,提出了對出水臺階疏干排水、對關鍵臺階局部加固以及對危險臺階監測預警相結合的綜合防控措施,從而確保該處邊坡安全開采。

(4)本研究對研山鐵礦N26勘探線邊坡進行了各向異性研究分析,采用的各向同性的摩爾-庫倫強度破壞準則,雖然可以滿足工程需要,但是理論不夠嚴密。 因此,有待在各向異性強度破壞準則選用以及各向異性強度參數確定方面開展進一步研究,為工程實踐提供更加科學合理的理論支撐。