白云鄂博鐵礦主礦采場邊幫安全穩定性研究*

姬志勇 汪為平

(1.包鋼集團公司白云鄂博鐵礦;2..中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

1 白云鄂博鐵礦主礦開采現狀

礦區呈近東西向狹長帶狀展布，長3.5 km，寬1.9 km，面積4.308 2 km2。設計礦石開采能力為700萬t/a。設計邊坡呈弧形，平均傾向60°，設計開采終了標高為1 230 m，邊坡最終高度420 m，總體邊坡角為41°～44°。該區1 598 m以上臺階已靠界，靠界臺階高度60 m，截止2012年末，主礦采場工作水平有 +1 584、+1 570、+1 556、+1 542、+1 528、+1 514、+1 500 m，共7個臺階;采礦水平有 +1 542、+1 528、+1 514、+1 500 m，共 4個臺階;+1 598、+1 584、+1 570 m臺階北端幫已到界。

2 主礦邊坡地質勘察分區

主礦采場邊坡根據不同的地質構造特征共劃分了5個分區，分別為北幫的A區、東北幫的B區、東南幫的C區、南幫的D區及西南幫E區，如圖1。

從揭露的采場邊坡狀況來看，邊坡的不穩定區主要在南幫，主礦采場南幫的巖性及構造較復雜，斷層破碎帶和巖脈較多且出露寬度大，與邊坡走向相近，傾向直立或反傾，對臺階穩定不利，已靠幫到界的臺階滑塌及傾倒破壞明顯。

主礦南幫主要是D區和E區，該兩區又劃分成3個亞區，即由西向東E1、D1和D2亞區。

E1亞區:平均寬度約260 m，邊坡為直線型，走向N312°W，最終邊坡高度312 m，設計最終邊坡角為 41°。

D1亞區:平均寬度約250 m，邊坡為弧形，凸向采坑，平均走向N305°W，最終邊坡高度420 m，設計最終邊坡角為42°。

D2亞區:平均寬度約240 m，邊坡為直線型，N310°W，最終邊坡高度420 m，設計最終邊坡角為44°。

3 主礦南幫邊坡穩定極限平衡計算

圖1 白云鄂博鐵礦主礦采場邊坡分區

表2 邊坡破壞模式

通過分析主礦南幫D區和E區的斷層、節理，以及節理組合、斷層與節理組合對邊坡的影響，得出可能產生的破壞模式見表2，邊坡穩定安全系數見表3。的安全系數可見:在自然工況條件下，4－4'剖面的安全系數最小，為1.156;大于1.15;自然工況+地下水條件下，6－6'剖面的安全系數最小，為1.135;大于1.10;自然工況+地震+地下水條件下，2－2'剖面的安全系數最小，為1.051，大于1.05。結果表明各種工況下，各剖面最不利滑動面安全系數都大于安全系數限值，即認為總體邊坡是穩定的。

4 主礦南幫邊坡穩定性數值分析

表3 安全系數

4.1 模型的建立

邊坡失穩判據［2－3］:①以數值技術的收斂性作為失穩判據;②以特征局部位移的突變性作為失穩判據;③以塑性區的貫通作為失穩判據。

本研究以主礦南幫邊坡剪脹角 、抗拉強度 、網格疏密程度和邊界因素，建立Flac3D三維模型如圖2。

圖2 主礦南幫邊坡Flac3D三維模型

分析表3中列出的不同破壞模式條件下各剖面

4.2 成果參數選取

采用彈塑性本構模型，破壞準則采用摩爾－庫侖破壞準則。Flac3D中材料參數分成3種，一組為變形參數，另一組為強度參數。

計算采用的巖體強度與變形參數指標，系根據巖石試驗結果，并對某些指標進行適當修正而選定的，具體取值見表4和表5。斷層與巖層間接觸面的參數主要有法向剛度、切向剛度、內聚力、摩擦角、剪脹角和抗拉強度。接觸面參數取值見表6。原巖初始應力場按巖體自重計算，將巖體物理力學參數輸入后，運行模型計算得到初始應力場，如圖3所示。

表4 巖體變形參數指標

表5 巖體強度參數指標

表6 接觸面參數

圖3 初始應力狀態

4.3 計算結果

設定體系最大不平衡力與典型內力比值下限為10－5，迭代計算9 658步時，系統達到近似平衡。為便于分析，沿y軸方向，分別在y=90 m、y=270 m和y=450 m處切出3個典型剖面。下面就數值分析計算結果，從變形(位移)情況、應力情況以及塑性區分布情況3個方面來分析邊坡巖土體的力學響應特性，以及可能的內在變形破壞機理。

(1)位移場規律分析計算結果。圖4、圖5和圖6分別為邊坡的整體位移云圖、豎向位移云圖和指向采場方向水平位移(以下簡稱水平位移)云圖。從整體位移云圖4來看，邊坡整體位移量最大值為97 mm，發生在F17斷層與F15斷層切割體頂部。邊坡位移量自上而下逐漸減小，西部邊坡變形發展止于 +1 346 m平臺，向東逐漸向下發展直至+1 230 m平臺。+1 346 m平臺和+1 230 m平臺邊坡坡腳位置位移量基本為零，表明邊坡未發生整體性滑動。F24、F25斷層破碎帶于 +1 514～+1 458 m出露部分位移值相對較大。邊坡坡形凸向采場部位位移量略大于兩側凹陷部分，表明側向約束對邊坡整體位移略有影響。邊坡豎向位移云圖5與邊坡整體位移云圖4相比較可知位移趨勢較為相似，呈上大下小趨勢。2圖位移值較為接近，表明采場開挖后，邊坡主要的運動形式為自重應力下的下沉。由豎向位移云圖5可知，斷層 F14、F17和F30之間的巖體由于斷層的切割沿斷層軟弱面整體向下移動。由水平位移云圖6可知坡面水平位移較大，向邊坡深部越來越小。斷層F30之后水平位移值很小，主要影響位置在斷層 F14、F17和F30之間，斷層F30之后水平位移值很小，不及坡面最大值的1/3。

圖4 邊坡整體位移云圖

圖5 邊坡豎向位移云圖

圖6 邊坡水平位移云圖

(2)應力場規律分析計算結果。圖7和圖8分別為邊坡的豎向應力和指向采場水平應力云圖。從邊坡應力云圖7、圖8來看應力值均為負值，表明邊坡開挖卸荷并未出現明顯的拉應力區基本上以壓應力為主，即邊坡若發生破壞，則以“壓－剪”破壞模式為主。指向采場方向應力絕對值在+1 230 m平臺以下明顯大于+1 230 m以上邊坡，表明開挖土體卸荷作用產生的回彈效應明顯。

圖7 邊坡豎向應力

圖8 邊坡水平應力

(3)塑性區規律分布計算結果。圖9為整體邊坡塑性區域分布圖。從剪切塑性屈服區域的分布可以看出，產生剪切破壞的單元零星出現分為兩部分。第一部分處于邊坡坡面以下一定深度的區域，表明邊坡內部巖體的在高壓應力作用下發生了剪切屈服;第二部分處于+1 290 m平臺，表明這部分巖體受上部邊坡位移的影響，發生了剪切屈服。圖10、圖11和圖12分別為各剖面的塑性區域分布圖。3個剖面中只有y=90 m剖面出現剪切屈服區域，剪切屈服區域零星出現，未形成貫通的塑性屈服帶，邊坡不會發生整體滑動。從各個剖面的塑性區分布來看，并未出現塑性區貫穿坡體的情況，邊坡處于正常工作狀態。

圖9 整體邊坡塑性區分布

圖10 y=90 m剖面塑性區分布圖

圖11 y=270m剖面塑性區分布圖

圖12 y=450 m剖面塑性區分布圖

綜上極限平衡計算、Flac3D數值分析論證，得出主礦E1、D1、D2區的穩定邊坡角如表7。

表7 穩定邊坡角計算結果

5 結論

露天礦邊坡工程是動態工程地質問題，隨著采掘的推進，其應力應變會發生很大的變化，本研究就白云鄂博鐵礦主礦露天采場南部邊坡的穩定性，采用了極限平衡法計算、Flac3D軟件數值分析論證。結果表明:南幫1－1'～7－7'剖面按不同破壞模式計算在3種工況下的安全系數都大于設定的安全系數最低限值，認為總體邊坡穩定，穩定邊坡角為E1區43°～44°、D1 區41°～44°、D2 區44°。

［1］ 包鋼集團白云鄂博鐵礦.白云鄂博鐵礦主礦南幫2～9行深凹露采(1 230 m以上)邊坡工程地質勘察及治理對策研究報告［R］.包頭:包鋼集團白云鄂博鐵礦，2012.

［2］ 梅松華，盛 謙，李文秀.地表及巖體移動研究進展。巖石力學與工程學報［J］.2004，23(S1):4535-4538.

［3］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.