齊大山露天鐵礦邊坡開挖穩定性分析

孟磊磊，孟興濤，王 潤，王永增，曹 洋，劉小剛

（1.鞍鋼集團礦業有限公司，遼寧 鞍山 114001；2.遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新 123000）

齊大山鐵礦是鞍鋼大型露天鐵礦之一，同時也是鞍山本溪地區開采歷史最悠久的礦山之一，目前屬于典型的大型深凹露天采坑[1]。隨著露天礦開采深度的增加，邊坡高度、面積也相應大幅度增加，邊坡滑坡災害問題也日益突出[2]，因此，露天礦邊坡開挖穩定性分析與控制成為了露天礦開采的重點問題之一。張俊陽[3]等結合露天礦邊坡實例，應用FLAC程序不斷降低土體抗剪強度參數得到邊坡破壞滑動面，表明FLAC 強度折減法適用于露天礦開挖邊坡的穩定性分析。曹蘭柱[4]等對寶日希勒露天礦南幫52#剖面邊坡的應力應變和位移進行數值模擬，表明南幫邊坡失穩時，邊坡變形失穩雖以剪切破壞為主，拉伸破壞也相伴發生，坡頂起主要作用。孫光林[5]等應用有限差分數值計算軟件，對比分析了分步開挖條件下含有和不含有軟弱夾層邊坡的影響情況，表明含有軟弱巖層邊坡對工程開挖十分敏感。周子涵[6-7]等以大孤山西井邊坡為例進行了計算，通過能量突變分析和安全系數變化分析說明邊坡受開挖擾動的影響較為嚴重。黃輝[8]等模擬巖質邊坡開挖后邊坡應力、應變，體現了開挖卸荷對邊坡穩定性的影響以及易發生變形破壞的部位。屈春來[9]等通過露天開挖的數值計算發現，每步開挖對巖體均有破壞性擾動，沿片理的臺階型破壞與整體失穩的可能性較大。在借鑒以上研究的基礎上，采用FLAC3D6.0 軟件和slide 軟件模擬了齊大山鐵礦東幫860 勘察線邊坡開挖穩定性，為采區接下來的開挖提供預測數據。

日式唐草的紋樣選材上相對比較單一，植物紋樣種類不超過三五種，也都是以美國西部植物紋樣為主。這也正是其來源于美式唐草的原因，其本土的植物紋樣幾乎沒有。

1 工程概況

齊大山露天鐵礦位于遼河沖積平原，緊連千山山脈，東高西低。二采區東幫860 勘查線附近邊坡產狀為NE60°∠35°，邊坡呈舒緩微凸形，設計高度由北向南增高。邊坡以混合巖為主，巖體比較破碎，風化較為嚴重，節理發育，特別是花崗類混合巖（黃色）力學強度較南部花崗混合巖低，上覆土層為第四系坡積、殘積、沖積層，此層由淤泥、黏土、粉質黏土和砂卵石組成，低洼處厚度達到40 m。該處邊坡比較高陡，且邊坡未留設寬大碎石平臺，邊坡表面受風化和爆破振動等作用，碎石易滑落，對下部運輸道路造成嚴重安全隱患。

探討我國醫學影像互認共享的情況，首先要界定“互認”與“共享”。《關于醫療機構間醫學檢驗、醫學影像互認有關問題的通知》中把醫療機構間檢查檢驗互認界定為檢查資料互認和檢驗結果互認，具體內容則包括四個方面：①具體內容包括醫學檢驗結果和醫學影像檢查資料；②臨床生化、免疫、血液和體液等臨床檢驗中結果相對穩定、費用較高的項目；③醫學影像檢查中根據客觀檢查結果出具報告的項目；④醫學影像檢查中依據動態觀察過程出具診斷報告的，或診斷報告與檢查過程高度相關的項目。互認強調的是結果性內容或是客觀檢查項目，其目的是確定互認項目以及避免重復檢查。

2 數值模擬模型及參數

2.1 模型的建立

根據地質條件及邊坡形態，選取東幫滑坡位置860 勘察線典型剖面做力學分析。該剖面邊坡以花崗類混合巖為主，下部出露含鐵石英巖，局部邊坡夾雜少量閃長巖。通過FLAC3D6.0 軟件建立的齊大山鐵礦860 勘察線東幫邊坡開挖數值計算模型如圖1。

圖1 數值計算模型

模型寬度為425 m，高度從水平-120 m 起，一直模擬到地表，高度為248 m。計算模型共用2 747個單元，5 760 個節點，局部地方進行網格加密。由于齊大山露天鐵礦開采范圍較大，并且整個采場在環線方向上的變形很小，可以忽略不計，故設定模型坡體表面為自由面，四周及底部進行法向約束。邊坡共開挖3 次，開挖垂直范圍分別為+65～+40 m 水平、-15～-30 m 水平、-30～-45 m 水平，采用Mohr-Coulomb屈服準則進行數值計算。

從圖3 中可以看出，隨著分步開挖的進行，最大剪切應變總是出現在最危險區域的坡腳，且剪切應變增量較大區域不斷向坡頂方向擴展，呈現逐漸貫通的趨勢，對邊坡穩定性造成不利的影響。因此，有必要加強標高-50 m 水平至坡頂的監測，重點監測該區域的邊坡位移。同時，需對總體邊坡進行全面、定期檢測，力求早發現不穩定區域，為修改設計和治理邊坡積累資料，提前給出邊坡合理治理措施。

2.2 模型參數

從表1 中可以看出，Bishop 法、Spencer 法、M-P法計算的邊坡穩定性系數相近，Ordinary 法得到的邊坡穩定性系數最小，Bishop 法得到的邊坡穩定性系數最大。開挖前Ordinary 法與Bishop 法計算的邊坡穩定性系數相差9.23%，開挖后Ordinary 法與Bishop 法計算的邊坡穩定性系數相差10.22%。

3 邊坡穩定性分析

1302主撤巷和3003措施巷掘進過程中，不同等級的狀態預警結果所占比例如圖5所示，由圖5可知：1302主撤巷預警結果全部為“正常”，而3303措施巷非正常報警比例達60%，其中“威脅”的占34%，“危險”的占26%。對兩工作面的預警結果進行比較可知，3303措施巷的突出危險性遠大于1302主撤巷，與實際情況完全相符。

本次模擬為反演邊坡開挖以及采動作用下滑坡的啟動過程，特別針對開采過程中的3 個狀態：第1階段主要按照設計線將邊坡滑動部位清理，主要開挖未達到設計線部位，并計算開挖后的該區域邊坡的穩定性情況；第2 階段主要開挖區域為坡體下部，其臺階以上基本挖至設計坡型，下部未開挖至廠區設計標高，計算開挖后的邊坡穩定情況；第3 階段主要開挖坡體最下部，其臺階以上基本挖至設計坡型，下部開挖至下一個臺階頂部位置，計算開挖后邊坡穩定情況。

3.1 有限差分法

有限差分強度折減法的基本原理是將巖土體的黏聚力和內摩擦角的值同時用1 個折減系數Fs進行折減，得到一組新的黏聚力和內摩擦角數值作為新的材料參數進行試算。當計算不收斂時，對應的折減系數值被稱為坡體的最小安全系數，如式（1）：

開挖前后邊坡位移變化云圖如圖2，開挖前后邊坡最大剪切應變增量變化云圖如圖3。

式中：C′為折減后巖土體黏聚力，N；C 為折減前巖土體黏聚力，N；Fs為折減系數；φ′為折減后巖土體內摩擦角，（°）；φ 為折減前巖土體內摩擦角，（°）。

圖3 開挖前后邊坡最大剪切應變增量變化云圖

Janbu 法的計算的邊坡穩定性系數最接近限差分法的計算結果，開挖前邊坡安全系數為1.159，小于東幫的安全系數設計值1.2，但是大于1，表明邊坡坡當前狀態下穩定性較差，不適宜繼續開挖，要進行邊坡處理；第1 步開挖按照設計線將邊坡滑動部位清理使得安全系數降低了0.016；第2 步開挖使得邊坡安全系數降低了0.091；第3 步開挖后邊坡安全系數保持在1.068，接近于1，安全儲備降低，滑坡發生的幾率增加。

圖2 開挖前后邊坡位移變化云圖

由于電子運動速度快，很快在端部集聚，與中部行成電位差，出現超熱電子泄漏，使溫度，密度降低，約束時間變短。達不到勞森條件,Q<1。

3.2 極限平衡法

極限平衡法大多以條分法為基礎，依據靜力平衡方程，通過分析條塊體的抗滑力和滑動力之間的關系來分析邊坡的穩定性。從工程實用觀點看，各種計算方法的假定對最后所求邊坡穩定性的系數影響并不大。本次計算采用Ordinary 法、Bishop 法、Janbu法、Spencer 法、M-P 法多種方法尋找安全系數解集中的最小值，將最小值定義為邊坡穩定安全系數。利用slide 軟件對齊礦東幫勘探線860 線剖面進行極限平衡分析，開挖前后邊坡穩定性系數見表1。

表1 開挖前后邊坡穩定性系數變化表

根據前期研究資料及后期室內巖石物理力學試驗，對選取的巖性參數進行統計分析及試算驗證，最終確定的巖性物理力學參數為：①第四系土層：密度1.885 t/m3，黏聚力53.10 kPa，內摩擦角17.40°，彈性模量65 MPa，剪切模量23.89 MPa；②混合巖：密度2.529 t/m3，黏聚力748.64 kPa，內摩擦角32.40°，彈性模量5 462 MPa，剪切模量2 134 MPa；③鐵礦體：密度2.657 t/m3，黏聚力1 053.76 kPa，內摩擦角40°，彈性模量6 375 MPa，剪切模量2 510 MPa。

從圖2 中可以發現，開挖前+40 m 水平處位移最大，為40～70 mm，坡頂處位移為20～35 mm，邊坡安全系數為1.144；第1 步開挖后+40 m 水平處位移依然最大，并且開挖后導致其最大位移達70 mm，但邊坡整體安全系數稍有提高，開挖后此平臺可以有效防止+40 m 水平處巖石滾落；第2 步開挖后其最大位移位于-15 m 水平處坡腳及+40 m 水平平臺處，最大位移增加至980 mm，邊坡安全系數為1.110；第3 步開挖后-35 m 水平至-45 m 水平邊坡最大位移達100 mm，邊坡安全系數降低至1.066。說明開挖會引起潛在滑坡區位移增大，邊坡安全系數降低，增加滑坡風險。勘查線860 邊坡-50 m 水平平臺以上開采線已經接近設計線，邊坡由工作幫轉為非工作幫，不宜采取削坡措施。若邊坡位移依然持續增加，需盡快采用錨桿（索）并施加預應力增大潛在滑動面上的正壓力以加固深層滑坡，提高巖體的整體強度。部分臺階位移相對較小，滑面較單一、清楚，在容易發生滑移的位置設置抗滑樁支擋即可。

3.3 2 種方法對比

與極限平衡法相比，FLAC3D中的有限差分數值模擬方法考慮了巖體內部的本構關系，可以直觀地得到巖體內部各點的位移、應力應變和塑性區域圖，分析邊坡的發展及破壞過程；有限差分法得到的滑動面為一條滑動帶，而極限平衡法得到的是一個圓弧，而滑動帶更符合邊坡實際情況。但有限差分法在模型建立等前處理方面較復雜，計算分析速度較慢，而極限平衡法剛好相反，且可以得到多條滑動面的穩定性系數。兩種方法的計算的邊坡穩定性系數相差不大，各有利弊，在實際工程中可以相互驗證。極限平衡法中的Janbu 法計算的邊坡穩定性系數最接近有限差分法的計算結果，所以Janbu 法相比于極限平衡中的其它方法更適合高度礦山邊坡穩定性系數計算。

4 結語

1）有限差分法計算表明，齊大山露天礦860 勘查線邊坡在開挖后穩定性系數小于1.1，最大剪切應變總是出現在最危險區域的坡腳，且剪切應變增量較大區域不斷向坡頂方向擴展，呈現逐漸貫通的趨勢，接近滑坡，與現場情況吻合。

2）Janbu 法相比于極限平衡中的其它方法更適合高度礦山邊坡穩定性系數計算，其計算結果最接近有限差分法計算結果。

式中 A為過水斷面面積；t為時間坐標；Q為流量；x為距離坐標；q為旁側入流量；g為重力加速度；h為水位；C為謝才系數；R為水力半徑。

3）2 種方法計算結果相差不大，其結果可以作為邊坡治理依據，下一步礦體開挖前需做好削坡或者支護方案，避免邊坡出現滑塌。