基于強度折減法的露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

王永松，黃小燕，許保國，李孝敏

（1.廣東廣物金屬產(chǎn)業(yè)集團有限公司，廣東 廣州 510000；2.紫金礦業(yè)集團股份有限公司紫金山金銅礦，福建 上杭 364200）

0 引言

廣東廣物金屬產(chǎn)業(yè)集團有限公司旗下大紗帽礦區(qū)為建筑用花崗巖露天礦，該露天礦最低開采標高80 m，最高開采標高245 m，最大邊坡高度達165 m，設(shè)計最終邊坡角為42°～48°。隨著采場向下延伸，邊坡破壞的風險越高，邊坡安全管理成為公司安全管理中最重要的環(huán)節(jié)之一，因此對露天礦邊坡穩(wěn)定性進行分析是必不可少的步驟[1]，其中數(shù)值模擬方法是邊坡穩(wěn)定性分析方法中一種較成熟的方法[2]。本文采用RS2軟件進行模型構(gòu)建與分析計算，基于強度折減法模擬分析廣東大紗帽花崗巖露天礦終了邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，對于邊坡安全管理具有指導意義。

1 礦區(qū)終了邊坡區(qū)劃

1.1 邊坡工程地質(zhì)

通過鉆孔揭露情況及現(xiàn)場地質(zhì)勘查，礦體上部覆蓋層為殘坡積層、全-半風化花崗巖，殘坡積層、全風化花崗巖主要呈散體結(jié)構(gòu)，全風化花崗巖下部呈半巖半土狀，工程物理力學性質(zhì)較差，遇水易軟化崩解，穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)條件差。半風化花崗巖屬較堅硬巖組，巖石風化裂隙發(fā)育，大多破碎，質(zhì)量指標RQD 值為0～94%，平均43%，多在20%～40%；飽和抗壓強度較差-中等，組成的邊坡總體穩(wěn)定性一般-中等，工程地質(zhì)條件一般-中等。礦體及圍巖巖性均為微-未風化花崗巖，均為堅硬巖組，巖礦石裂隙不發(fā)育，巖石質(zhì)量指標RQD 值70%～92%、平均83%，局部巖石破碎，整體上巖礦石較完整；飽和抗壓強度較好，其組成的邊坡總體穩(wěn)定性好，工程地質(zhì)條件好。

1.2 邊坡分區(qū)

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同方位邊坡工程地質(zhì)情況及礦山設(shè)計的終了邊坡的坡面傾向、坡度及高度等參數(shù)，將該礦山設(shè)計的終了邊坡劃分為3 個區(qū)域，即A 區(qū)、B區(qū)和C 區(qū)，各區(qū)域的位置如圖1 所示。

各個區(qū)域的邊坡要素如表1 所示。

表1 各分區(qū)邊坡要素

2 數(shù)值計算基本條件

RS2 屬于數(shù)值模擬方法中的有限單位分析方法，將邊坡離散成有限個單元體，通過分析單元體應力或應變來評價整個邊坡穩(wěn)定性[3]，為了保證本次計算結(jié)果更加貼近大紗帽礦區(qū)實際，需要對邊坡巖體介質(zhì)的性質(zhì)以及本次計算模型作出適當?shù)募僭O(shè)及必要的簡化處理[4]。該露天礦采用的假設(shè)條件如表2 所示。

表2 數(shù)值模擬假設(shè)條件

3 模型構(gòu)建

本次模型構(gòu)建計算分析程序采用加拿大巖土工程分析軟件RS2，軟件使用mohr-Coulomb 或者Hoek-Brown 強度準則，對強度折減的安全系數(shù)的計算完全自動進行。根據(jù)各分區(qū)邊坡剖面要素及工程地質(zhì)條件，采用如下力學模型：

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；c為材料內(nèi)聚力；φ 為材料內(nèi)摩擦角；fs為破壞判斷系數(shù)。

計算模型采用的邊界條件為：固定邊坡模型左右兩側(cè)，采場底部x 方向與y 方向、z 方向的速度以及邊坡上部速度不作固定，以此作為該模型的自由邊界，只考慮自重應力場，忽略該礦區(qū)的構(gòu)造應力場影響。各剖面模型構(gòu)建如圖2 所示。

圖2 各剖面模型構(gòu)建

4 計算結(jié)果

由彈塑性力學理論及mohr-Coulomb 強度理論[5-8]可知，采用RS2 軟件進行強度折減法時破壞面由剪應變增量控制。因此，剪切應變增量對大紗帽礦區(qū)終了邊坡的穩(wěn)定具有很重要的影響。

A 區(qū)邊坡I-I'—Ⅲ-Ⅲ'剖面最大剪切應變增量云圖如圖3—圖5 所示。以圖3 為例，在自然工況下，在巖體力學參數(shù)折減系數(shù)fos達到1.55 時，邊坡處于即將失穩(wěn)狀態(tài)，此刻折減系數(shù)即為穩(wěn)定性系數(shù)。由此可知，此時最大剪切應變增量位置處于80 m 水平坡腳位置并指向臨空自由面方向。

圖3 Ⅰ-Ⅰ'剖面最大剪切應變增量云圖

圖4 Ⅱ-Ⅱ'剖面最大剪切應變增量云圖

圖5 Ⅲ-Ⅲ'剖面最大剪切應變增量云圖

根據(jù)以上強度折減法計算分析結(jié)果，匯總得到該露天礦各分區(qū)邊坡的代表性剖面在各種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，如表3 所示。

表3 穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果

5 結(jié)論

1）利用RS2 軟件建模并計算，同時基于強度折減法分析了設(shè)計的終了邊坡在自重+地下水工況、自重+地下水+爆破工況、自重+暴雨+地震工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)果表明，三種工況下各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范要求的許用安全系數(shù)，表明設(shè)計的邊坡角滿足安全要求，該露天花崗巖礦山終了邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）通過各分區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)對比可以知道，分區(qū)B在三種工況下的穩(wěn)定系數(shù)均比其他分區(qū)小，在實際邊坡安全管理中應重點關(guān)注B 分區(qū)的邊坡穩(wěn)定。

3）在日常管理中，即非地震工況下，各分區(qū)在自重+地下水+爆破工況下邊坡安全系數(shù)較接近于規(guī)范的安全系數(shù)，因此在完成采場爆破作業(yè)后，因加強邊坡巡檢。