基于Geo-Studio的露天采場邊坡穩定性研究

杜志錦,黃 寧,蘇 杰,張茂微,邵金虎,張曉悟

(1.國家能源集團神東煤炭集團,內蒙古 鄂爾多斯,017000)

(2.中鋼集團武漢安全環保研究院,湖北 武漢,430080)

(3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇 徐州,221100)

0 引 言

露天采場邊坡的穩定性對于露天礦的安全開采至關重要,影響著礦山的經濟效益甚至威脅著工作人員的生命財產安全。我國約有礦山 11 萬余座,其中40%的非煤礦山露天采場邊坡存在穩定性安全隱患,對礦山的正常生產造成極大的困擾[1]。

邊坡滑坡、垮塌作為露天采場面臨的主要地質災害[2],諸多學者針對邊坡滑坡機理及防治手段展開了大量研究,馮忠居等[3]針對公路土質邊坡的滑坡成因及類型提出了抗滑樁預應力錨索+坡面框架錨索的加固方案,汪軍輝等[4-5]基于傳遞系數法和FLAC3D數值模擬對山體滑坡的天然狀態和飽和狀態下的穩定性進行了評估分析,提出了削坡法和布設抗滑樁法兩種防治措施。

為深入研究邊露天采場、尾礦庫壩體、排土場壩體邊坡滑移的作用機理和破壞模式,灰色理論、模糊數學、BP神經網絡和Logistic回歸模型等計算手段在邊坡穩定性預測分析過程中逐漸被人熟知[6-9],FLAC3D、邁達斯GTSNX、Geo-Studio、UDEC等數值計算軟件被相繼應用于工程實踐中[10-11]。其中Geo-Studio數值計算軟件包含邊坡穩定性分析、滲流場分析等8個專業模塊,能夠有效的對復雜地質工程和復雜水文地質條件的三維場流、地應力傳遞、邊坡滑移進行分析[12]。HH-Slope/W專業模塊運用極限平衡理論可對不同土體類型、雜亂地層和滑移面形狀的邊坡中的孔隙水壓力散布狀況進行精確建模剖析[13]。

根據上述介紹,露天采場邊坡根據地質條件、環境因素和開采狀況的不同,其發生滑移、坍塌的作用機理、防治措施和研究方式均不相同。本文通過采用數值模擬軟件Geo-Studio中的HH-Slope/W專業模塊對石港礦區在正常采動、爆破振動和爆破振動+地震力耦合作用等3種不同工況條件下的2個典型邊坡剖面進行穩定性分析,為礦山的安全開采提供理論依據。

1 工程概況

石港礦區為低山區地貌,本區最低侵蝕基準面標高+175 m,開采最低標高+260 m。巖體類型簡單,以碳酸鹽巖類為主,各邊坡面均無大構造斷裂面穿過。采場設計生產臺階高度為15 m,開采境界內有+365 m、+350 m、+335 m、+320 m、+305 m、+290 m、+275 m、+260 m等8個生產臺階開采,最終臺階坡面角65°,安全平臺寬度為5 m,清掃平臺寬度8 m,每2個臺階設1個清掃平臺,最終邊坡角為49°。現主采水平為+290 m水平,開采境界和現狀分別如圖1、圖2所示。

圖1 開采境界

圖2 開采現狀

2 邊坡巖體力學指標

露天采場礦石為塊狀構造石灰巖,以塊狀灰巖和白云質灰巖為主,質堅性脆,普氏系數為4～5。通過現場取樣和實驗室力學試驗,得出礦石物理性能參數如表1所示。

表1 巖石力學性能指標

3 邊坡分區及破壞模式

3.1 露天采場邊坡分區

經過現場調研發現露天采場東側邊坡開采安全平臺和清掃平臺均已形成,坡度角較大,西側邊坡平臺上開采廢石堆積,坡度角較平緩。根據開采現狀和地質條件將露天采場邊坡劃分為東、西兩個分區,其中西區剖面線為A-A,東區剖面線為B-B,以東、西區邊坡A-A線和B-B線作為最典型剖面,邊坡剖面如圖3所示。

圖3 東、西區典型剖面圖

3.2 東西區邊坡破壞模式分析

東區邊坡剖面坡頂為+380 m安全平臺,坡底為+260 m終了平臺。礦層(體)為灰巖,屬半堅硬—堅硬的薄層—厚層狀弱巖溶化的灰巖工程地質巖組,結構致密、堅硬、力學強度高,結構面不發育,以層面為主,層間結合力強,邊坡節理、裂隙不發育。

西區邊坡剖面坡頂為+320 m安全平臺,坡底為+260 m終了平臺。所處巖組為以碳酸鹽巖為主的堅硬巖組,巖性為白云質灰巖,局部淺灰灰巖。礦巖層節理、層理較發育,傾角較大,構成順層滑動的條件。結合礦區的邊坡結構類型和邊坡破壞類型劃分方法,確定石港礦區東、西分區邊坡結構類型和破壞模式如表2所示。

表2 露天采場東、西分區邊坡破壞模式

4 數值計算分析

4.1 數值計算方法及工況

根據上述的邊坡地質結構為層狀巖體邊坡,潛在破壞模式為圓弧形復合破壞,因此確定采用簡化畢肖普法和摩根斯坦-普萊斯法對其穩定性進行計算分析,其中畢肖普法考慮力矩平衡和垂直力平衡,垂直分條間傳遞方式不明顯,理論計算如式(1)所示。

(1)

式中：αi—土條底部的坡角;mαi—土條自重;bi—土條寬度;Wi—土條自重;Qi—水平作用力;ui—土條底部的孔隙水壓力;R—滑弧的半徑;ei—土條水平作用力對滑弧圓心的力臂;ci′—土條底部的土體的有效粘聚力;φi′—土條底部的土體的有效內摩擦角;Fs—滑面的安全系數。

摩根斯坦-普萊斯法認為滑移面可為任何形狀,計算假定條塊的側向剪應力V和法向切應力E之間存在一個可用橫坐標表達的函數關系,如公式(2)所示。

(2)

式中：V—側向剪應力;E—法向切應力;λ—任意選取的常數;f(x)—任意選取的函數,計算時取f(x)=1;β—土條側面作用力與水平方向的夾角。

采用邊坡穩定分析系統Slope/W模塊對露天礦邊坡分別按在3種不同工況荷載條件下的邊坡穩定性進行計算,3種荷載組合分別為： 荷載組合 Ⅰ ：自重+地下水; 荷載組合 Ⅱ ：自重+地下水+爆破振動力; 荷載組合 Ⅲ ：自重+地下水+地震力。

4.2 數值計算結果分析

根據開采現狀平面圖中西區A-A和東區B-B剖面線的各點高程,繪出東、西區計算剖面,進而建立計算模型,模型共有1 862個網格、1 608個節點。在3種不同的組合荷載作用下,采用簡化畢肖普法(Bishop)和摩根斯坦-普萊斯法(Morgens-price)對東區B-B剖面邊坡穩定性計算,計算結果如圖4所示。圖實比例尺1∶5。

圖4 東區B-B剖面穩定性計算

根據圖4計算出的安全系數顯示,最小的安全系數是Morgensern-price法在組合荷載Ⅲ條件下的計算結果,安全系數為1.217。通過對單一方法的計算結果進行縱向對比發現,隨著組合荷載的增大,邊坡最危險滑移面逐步向深處推進。

針對西區A-A剖面的邊坡,同樣采用簡化畢肖普法(Bishop)和摩根斯坦-普萊斯法(Morgensern-price)計算其在3種工況下的邊坡滑移狀態,計算結果如圖5所示。圖實比例尺1∶5。

圖5 西區A-A剖面穩定性計算

由圖5的計算結果分析,當采用Morgensern-price法在組合荷載 Ⅲ(爆破震動+地震作用)條件計算時,西區A-A剖面的安全系數最小,安全系數為1.078。通過對比單一計算方法在不同荷載情況下安全系數變化情況可以看出,最危險滑移面隨著組合荷載的增大變化不明顯,安全穩定系數變化不大。3種工況荷載條件下的安全系數計算結果如表3所示。

表3 東西分區安全系數計算結果

綜上所述,東、西區邊坡剖面計算的安全系數,如表3所示,其中最小安全系數為1.078,滿足規范要求,邊坡穩定性較高。

5 結 論

本文在現場調研和廣泛收集資料的基礎上,分析了石港礦區露天采場的現有邊坡情況,通過Geo-Studio數值計算對露天采場邊坡在3種不同荷載條件下的穩定性進行計算分析,得出如下結論：

(1)石港礦區東、西分區采場邊坡的在不同計算方式、不同工況條件下的最小安全系數分別為1.217和1.078,均滿足相關規范要求,邊坡穩定可靠。

(2)通過采用控制變量法,對東、西分區的計算結果進行對比分析發現,最危險滑移面的變化隨著臺階數量、邊坡高度的增加而愈加明顯,安全滑移面數量逐步增加,安全穩定系數逐步降低。