大型露天礦山采場邊坡安全分析與對策

文/龔新華 侯強某

本文借助FLAC3D數值模擬分析軟件，通過建立大型露天礦山采場邊坡的概化模型，來研究該邊坡在不同開采階段的應力應變問題，并提出維護邊坡安全、穩定的建議措施。

礦山邊坡在開挖過程中將引發周邊巖體的應力重新分布，并伴隨一定的位移。分析邊坡因開挖引起周邊巖體的應力、位移變化規律，有助于準確判斷邊坡在開挖后的穩定與否。但傳統的經驗分析及理論計算難以真實反應應力及位移的連續性變化過程，而計算機模擬軟件能夠很好地監測巖體在開挖過程中的應力、位移以及其他一些物理量的變化過程。

目前計算機模擬技術已經在巖土工程領域得到了廣泛的應用，也出現了很多研究方法和模擬軟件，最具代表性的研究方法和軟件包括：以FLAC3D軟件為代表的有限差分法、以和ANSYS為代表的有限單元法、以Examine3D為代表的邊界元法等。

本文采用以FLAC3D為代表的有限差分法，來研究礦山邊坡在開挖過程中有關應力、位移及安全穩定性等問題。

建立邊坡模型進行分析

建立邊坡模型

根據礦山地質剖面圖，結合初步設計的開采境界，在充分考慮邊坡總高度及最終邊幫角的基礎上，選取設計的最終境界中某剖面作為本次分析的邊坡對象來建立數值模擬模型（圖1）。

模擬的開挖范圍為現狀邊坡至最終開采境界之間的區域，沿礦體走向長100 m，因此建立沿X走向長100 m、沿Y傾向長350 m、Z豎直方向從+840 m水平標高至地表的模型。模擬開挖的邊坡模型如圖1所示。

模擬開挖及監測方案

初步設計采用的開采方式為自上而下分臺階開采，每一臺階高度為10 m。由于礦山開采深度較深，開采臺階數量較多，如果每一臺階開采都進行模擬，模擬步驟繁瑣、費時，且開挖步驟分得太細，對模擬結果也無益。因此本次模擬在充分考慮礦山開采實際并保證模擬準確性的基礎上，簡化為兩步驟的開挖方案：以+950 m水平標高為界：+950 m標高以上為第一步驟開挖、+950 m標高至+900 m標高為第二步驟開挖。

為了真實反映邊坡巖體的位移在開挖擾動下隨時間變化的非線性動態過程，分別在+1 164 m臺階標高、+1 090 m臺階標高、+1 010 m臺階標高及+950 m標高臺階上布置監測點K01～K04，開挖擾動過程中的位移為動態位移。

圖1 模擬開挖的邊坡模型

數值模擬參數及約束條件

開挖模型所涉及的巖體力學參數如表1所示。

表1 巖體力學參數表

模型邊界條件受位移約束，即模型在X方向上的兩端(x=0 m、100 m)分別在X方向上固定；在Y方向上的兩端(Y=0 m、350 m)分別在Y方向上固定；底部在Z=850 m處沿垂直方向固定；頂部設為自由邊界。模型巖性按彈塑性體材料考慮，適用于摩爾—庫倫準則（當剪切面上的剪應力與正應力之比達到最大時，材料發生屈服于破壞）。

初始應力場生成

模型開挖之前形成的原始地應力場對開挖的邊坡穩定性影響至關重要，因此有必要在邊坡開挖模擬之前使模型在原始應力狀態下達到平衡，盡量使得邊坡的開挖模擬接近于實際情況。本模型采用彈塑性求解法生成的原始地應力場，在模型生成原始地應力場后即可根據上述分析對模型進行兩步驟開挖。

模擬結果分析

通過對模型實施兩個步驟的開挖，得到了大量的信息及數據。下面分別以最大不平衡力、監測點位移變化曲線、模型最大主應力值以及絕對位移值等4個方面分別分析上述邊坡在開挖后的安全穩定性。

模型的最大不平衡力變化曲線

本次模擬的邊坡共分為兩步驟開挖，從監測點監測到的最大不平衡力變化見圖2，從中可以看出，模型最大不平衡力共出現了2個峰值，隨后從峰值回落，逐漸減小并最終趨近于0。說明每次模型開挖都引起了周邊圍巖應力重新分布，使模型從平衡狀態轉為不平衡狀態，隨著時間的推移，不平衡力逐漸分散到周邊巖體中去，最終整體模型又達到一個新的應力平衡狀態。

圖2 監測點最大不平衡力變化曲線圖

圖3 監測點位移隨不同開挖步驟的變化曲線圖

圖4 一步驟開挖后模型最大主應力圖

圖5 二步驟開挖后模型最大主應力圖

圖6 一步驟開挖后模型絕對位移圖

圖7 二步驟開挖后模型絕對位移圖

監測點位移變化曲線

從設置的4個監測點所監測到的位移隨開挖過程的變化曲線（見圖3）中可以看出，模型在剛開挖后位移有一個劇烈變化的過程，此時段對應的模型最大不平衡力也達到峰值。隨后位移也逐漸趨于平緩，最終位移為兩步驟開挖后的累積位移，說明整體模型達到了穩定平衡狀態。但模型累積位移不大，均在厘米級，最大的1號監測點累積位移為2.0 cm左右，說明邊坡開挖后未產生大規模滑移破壞。

模型的最大主應力

如圖4、5所示，選取模型的最大主應力（Smax）作為分析指標，從兩步驟開挖方案模擬情況來看，模型整體的最大主應力（Smax）呈現逐漸增大的趨勢，從一步驟開挖后的0.096 MPa增大至二步驟開挖后的0.528 MPa。受開采擾動的影響邊坡開挖面附近形成了較大的集中應力，坡頂表現為拉應力，巖體承受了較大的拉力，坡腳表現為壓應力，容易在該區域形成拉裂破壞區，實際生產中應引起足夠的重視。

模型的絕對位移

如圖6、7所示，選取模型的絕對位移（Disp）作為分析指標，從兩步驟開挖方案模擬情況來看，開挖引起的巖體位移最大值主要集中在開挖區域的邊坡坡頂和坡腳，邊坡巖體的變形在坡頂和坡腳處位移最大，從坡面向坡內側位移逐漸減小，但總體模型的位移值均較小。說明邊坡開挖后未產生大規模滑移破壞。

分析結論及建議

上述模型模擬計算得到的結果說明邊坡開挖后處于穩定狀態，監測點未發生較大位移，但是因受到開挖擾動的影響，開挖區的坡頂、坡腳均存在應力集中的現象，且本次模擬未考慮軟弱結構面及爆破震動對于邊坡巖體局部破壞的影響，邊坡實際情況可能比模擬結果更復雜。

因此，實際開采過程還應該充分重視對邊坡的安全保護，盡量減低爆破對邊坡的擾動影響，并及時處理采場上部的陡巖、危巖，加強采場境界外的截、排水工作，必要時可在局部巖體破碎地段采取相應的加固方法，如錨固、注漿等，確保邊坡穩定。