露天鋁土礦山開(kāi)采邊坡力學(xué)與穩(wěn)定性分析＊

胡建軍

（北京礦冶研究總院， 北京 100160）

露采邊坡工程受采礦工程本身特點(diǎn)的影響，與一般工程不同，在既定的工程地質(zhì)條件下，采掘過(guò)程貫穿整個(gè)采礦過(guò)程，開(kāi)挖形成的露天邊坡在其服務(wù)年限內(nèi)始終處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)發(fā)生不斷變化，邊坡允許有一定的變形和破壞，但需要維持自身穩(wěn)定［1－7］。鋁土礦開(kāi)采不同于一般硬質(zhì)巖體開(kāi)采，邊坡力學(xué)性質(zhì)具有其自身特點(diǎn)，研究鋁土礦露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性對(duì)于正確指導(dǎo)礦山設(shè)計(jì)具有重要意義［8－10］。

1 礦區(qū)基本情況

某鋁土礦礦區(qū)出露地層由老至新有奧陶系中統(tǒng)白云質(zhì)泥灰?guī)r、白云巖，石炭系中統(tǒng)鐵質(zhì)粘土巖、鋁土礦，耐火粘土、粘土巖，上統(tǒng)灰?guī)r，砂巖、泥巖及薄煤層等。第四系紅土、黃土、殘坡積及沖洪積物約占全區(qū)面積的79.5%。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂與褶皺對(duì)鋁土礦有一定控制作用，但破壞性不大。礦區(qū)雖有斷層，但由于規(guī)模不大，對(duì)鋁土礦礦體影響不大。

露天開(kāi)采采用臺(tái)階式開(kāi)采，開(kāi)拓運(yùn)輸方案為公路開(kāi)拓、汽車運(yùn)輸方案。開(kāi)采工藝為開(kāi)溝—平整—穿孔—爆破—鏟裝—運(yùn)輸，剝離臺(tái)階高12m，臺(tái)階開(kāi)挖坡角65°。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析，合理的簡(jiǎn)化可以節(jié)約大量的時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源，本研究根據(jù)彈性力學(xué)理論，將這種縱向比較長(zhǎng)的邊坡體結(jié)構(gòu)其受力變形特點(diǎn)可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題［6－7］，本次研究選擇具有代表性的垂直邊坡坡面的典型剖面作為研究對(duì)象。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)該礦山的工程地質(zhì)勘察報(bào)告及相關(guān)地質(zhì)資料選取本次研究的典型剖面，礦山從地表往下主要巖土體有粘土、砂巖、灰?guī)r、鋁土礦、石灰?guī)r和白云質(zhì)泥灰?guī)r等，最終建立數(shù)值分析模型如圖1所示。模型底寬350m，左側(cè)高144m，右側(cè)高76m。模型共2982個(gè)單元，6166個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊界條件為下部約束水平及垂直位移，左右兩側(cè)約束水平位移，上部為自由邊界。研究范圍內(nèi)巖體以灰?guī)r、石灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則，分析軟件利用FLAC軟件。

礦區(qū)周圍為溝壑，地勢(shì)較低，巖體地應(yīng)力不大，地下水也較弱，本計(jì)算不考慮地下水作用。

圖1 模型網(wǎng)格及尺寸

2.3 參數(shù)的確定

綜合該鋁土礦主要圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)以及節(jié)理裂隙摩擦試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮試件的尺寸效應(yīng)、圍巖所處環(huán)境等多方面的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理的工程處理后，確定此次計(jì)算的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦巖巖體力學(xué)參數(shù)

2.4 開(kāi)采順序及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

露天邊坡開(kāi)采是個(gè)順序開(kāi)挖的過(guò)程，巖體應(yīng)力逐漸釋放［11－15］。由于地層本身存在著原始應(yīng)力，地層中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的巖石都受著三向應(yīng)力的作用，應(yīng)力是受約束的，并處于平衡狀態(tài)。一旦開(kāi)挖，原巖體的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力、變形相伴而生，上部巖體的移除會(huì)導(dǎo)致下方巖體回彈變形，不同開(kāi)挖階段邊坡應(yīng)力、變形、破壞形態(tài)不同。本次計(jì)算考慮簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí)盡量與實(shí)際相符，按照從上至下的開(kāi)挖順序，單次模擬開(kāi)挖一個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階高度12m。

為了研究礦山開(kāi)采過(guò)程中邊坡坡面的位移變化趨勢(shì)，本研究對(duì)每次開(kāi)挖的邊坡坡腳位置布置了位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)K01～K11，具體位置如圖2所示，其中K01～K07位于礦體上盤邊坡內(nèi)，K08～K11位于下盤邊坡內(nèi)，①～⑥為邊坡開(kāi)采順序。

圖2 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況

3 應(yīng)力分析

從豎向應(yīng)力分布來(lái)看，由于邊坡開(kāi)挖后邊界條件的改變，原巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了重新分布，巖體大部分區(qū)域仍為壓應(yīng)力區(qū)；隨著礦山開(kāi)挖的進(jìn)行，巖體豎向應(yīng)力逐漸釋放，自由面附近豎向應(yīng)力較小，向巖體深處應(yīng)力逐漸增大，巖體豎向應(yīng)力等值區(qū)域隨坡面起伏而變化，這一特點(diǎn)隨開(kāi)挖進(jìn)行逐漸向下發(fā)展（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同開(kāi)挖階段邊坡巖體豎向應(yīng)力分布（單位：MPa）

開(kāi)挖坡體的水平應(yīng)力場(chǎng)（見(jiàn)圖4）顯示，由于開(kāi)挖的卸荷作用，解除了坡面的邊界約束，這是巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)的一個(gè)誘導(dǎo)因素；同時(shí)看到，在上覆巖層自重作用下，水平應(yīng)力在邊坡坡腳處疊加產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，說(shuō)明水平應(yīng)力是形成坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象的主要因素；巖體水平應(yīng)力的變化梯度與上述豎向應(yīng)力的變化梯度相比較大，且水平應(yīng)力分布不均勻，說(shuō)明巖體水平應(yīng)力傳遞效果受邊界條件的影響較大。

圖4 不同開(kāi)挖階段邊坡巖體水平應(yīng)力場(chǎng)（單位：MPa）

4 位移分析

邊坡移動(dòng)或潛在滑動(dòng)的最明顯特點(diǎn)就是水平位移的不斷發(fā)展［16－18］。邊坡巖體開(kāi)挖過(guò)程是地質(zhì)巖體水平邊界約束能力逐漸減弱的過(guò)程，邊界約束能力降低后，在原巖初始應(yīng)力作用下，巖體水平方向變形能力增強(qiáng)，發(fā)生巖體水平位移，帶動(dòng)上覆巖體移動(dòng)，最終會(huì)對(duì)遠(yuǎn)處巖體引起拉應(yīng)力作用。巖體具有弱抗拉性質(zhì)，如果巖體抗拉強(qiáng)度不足則會(huì)產(chǎn)生初始裂隙，進(jìn)而逐漸發(fā)展、貫通為滑坡。

本次分析布置的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，監(jiān)測(cè)的水平位移值最終趨于一個(gè)定值，見(jiàn)圖5和圖6，說(shuō)明開(kāi)挖擾動(dòng)結(jié)束后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終位移見(jiàn)表2（正負(fù)號(hào)分別表示位移值與坐標(biāo)軸同向和反向）。

圖5 K01～K07監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移曲線

圖6 K08～K11監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移曲線

表2 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處最終水平位移量

K01～K07監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于上盤巖體坡腳處，各點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨著邊坡開(kāi)挖不斷增大，最大水平位移位置發(fā)生在K05、K06監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，這一位置即為石灰?guī)r與砂巖的地質(zhì)分界面附近，在巖體應(yīng)力作用下此處發(fā)生巖體破壞，巖體水平位移量較大；K07監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于邊坡坡腳處，受到周圍巖體的側(cè)向限制，水平位移量相對(duì)較小。頂部巖體水平位移量沒(méi)有隨下方巖體移動(dòng)而增大，說(shuō)明邊坡整體性很好，沒(méi)有發(fā)生整體移動(dòng)。下盤邊坡內(nèi)K09監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移量相對(duì)較大。

5 穩(wěn)定性分析

有限元強(qiáng)度折減法的基本原理［19－21］是將巖體強(qiáng)度參數(shù)c和φ值同除以一個(gè)折減系數(shù)f，得到折減后 的 抗 剪 強(qiáng) 度 指 標(biāo) 為 c1＝c／f、φ1＝arctan（ta n φ／f），將c1、φ1作為新的計(jì)算參數(shù)輸入，當(dāng)坡體恰好達(dá)到應(yīng)力極限狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的f即為安全系數(shù)，同時(shí)可得到坡體的破壞滑動(dòng)面。

通過(guò)FLAC程序邊坡強(qiáng)度折減FOS計(jì)算，得到其潛在滑移面的位置如圖7所示，潛在滑移面的下緣位于石灰?guī)r和砂巖的地質(zhì)分界面，形狀似圓弧狀，邊坡其余位置巖體的變形較為一致，趨于連續(xù)，無(wú)變形突變，邊坡的安全系數(shù)為1.71，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，與邊坡位移分析結(jié)論基本一致。

圖7 安全系數(shù)及潛在滑動(dòng)面（位移單位：mm）

6 結(jié) 語(yǔ)

利用大型非線性有限差分軟件對(duì)鋁土礦露天邊坡的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，可以反映礦山露天開(kāi)采過(guò)程中的力學(xué)變化特點(diǎn)，揭示引起邊坡失穩(wěn)的主要原因，與程序自帶強(qiáng)度折減算法FOS結(jié)合，可以判斷邊坡的潛在破壞滑動(dòng)面，判定其穩(wěn)定性，對(duì)礦山設(shè)計(jì)具有重要意義，該分析方法可供類似礦山借鑒。

［1］ 李愛(ài)兵.露采邊坡工程特點(diǎn)與有關(guān)問(wèn)題的探討［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2002，22（1）：28－30.

［2］ 張力民.黑山鐵礦露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究［D］.唐山：河北理工大學(xué)，2006：4－15.

［3］ 周劬惟，常忠義.露天礦邊坡巖體內(nèi)的應(yīng)力集中［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2001，21（2）：11－13.

［4］ 王曰國(guó)，王星華，林 杭.某大型露天礦合理邊坡角設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析［J］.工程勘察，2007（12）：1－5.

［5］ 張小飛.露天礦巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及開(kāi)挖邊坡角的確定［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008：57－80.

［6］ 沈金瑞，林 杭.巖質(zhì)高邊坡開(kāi)挖優(yōu)化及穩(wěn)定性分析的復(fù)合方法［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，32（4）：350－357.

［7］ 徐愛(ài)民，柳群義，朱自強(qiáng)，等.層狀巖體邊坡抗滑樁加固效應(yīng)的數(shù)值分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（8）：2453－2458.

［8］ 陽(yáng)雨平，侯 斌.露天鋁土礦邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)研究及其控制技術(shù)［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2006，26（6）：35－38.

［9］ 鄭海力.軟巖鋁土礦巖體質(zhì)量可視化分級(jí)及工程應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010：75－92.

［10］柳群義.紅層路塹邊坡穩(wěn)定性與防治研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010：68－89.

［11］姚 寅，黃再興.非局部平面應(yīng)變和平面應(yīng)力問(wèn)題界定及其精確性討論［J］.固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（4）：332－338.

［12］簡(jiǎn) 東，崔利富.ANSYS有限元程序在壩體工程中的應(yīng)用［J］.科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2006（9）：56－59.

［13］馮 君，宋勝武，周德培，等.考慮邊坡開(kāi)挖中地應(yīng)力釋放的改進(jìn)Sarma法［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（1）：50－53，59.

［14］高喜才.露天礦邊坡開(kāi)挖過(guò)程變形破壞特征及穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2006：45－59.

［15］孫志彬，楊小禮.基于深部位移的邊坡滑動(dòng)特征分析［J］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，7（2）：43－47.

［16］張 衡，劉秋實(shí)，廖信根.露天邊坡控制及支護(hù)［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2011，31（4）：34－36，40.

［17］林 杭，曹 平，李江騰，等.全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿加固節(jié)理邊坡的動(dòng)靜態(tài)位移響應(yīng)［J］.巖土力學(xué)，2009，30（6）：1787－1792.

［18］林 杭，曹 平，李江騰，等.基于Hoek－Brown準(zhǔn)則的三維邊坡變形穩(wěn)定性分析 ［J］.巖土力學(xué)，2010，31（11）：3656－3660.

［19］李富平，李聞杰，南世卿，等.石人溝鐵礦露天邊坡殘采后穩(wěn)定性分析［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2010，30（1）：9－11，110.

［20］馬業(yè)禹，艾國(guó)棟.節(jié)理巖質(zhì)邊坡長(zhǎng)短相間錨桿支護(hù)系統(tǒng)分析［J］.公路工程，2007，32（6）：62－69，149.

［21］沈金瑞，林 杭，許世遠(yuǎn)，等.邊坡巖體弱面注漿宏觀效應(yīng)數(shù)值模擬分析［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，18（3）：82－87.