磷石膏露天坑膠結堆存邊坡穩定性分析

肖祖榮 王貽明 張敏哲 胡 勝 王 劍 李劍秋

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083;3.貴州大學化學與化工學院,貴州 貴陽 550025)

露天礦山的閉坑,往往遺留下陡峭的邊坡,存在滑坡風險,易在降雨后發生泥石流等災害,造成人員損傷和環境的破壞[1-2]。尾礦作為全球數量最大的工業廢渣,如何處置一直是難題,閻文慶[3]總結了各堆存方式的特點、適用環境和對應需注意的因素。任思潼等[4]提出誘導冒落協同地表充填塌陷坑來治理采空區。廉杰等[5]概括了各種治理露天坑的措施,闡述了各方法的優缺點及適用條件。

利用露天坑改建尾礦庫的回填方式有很多種,代永新[6]系統闡述了采坑改建尾礦庫的關鍵技術,王玉文等[7]對露天坑做尾礦庫和地下礦巖穩定性進行了巖體力學研究。謝盛青等[8]利用全尾砂膠結充填對中南地區某銅礦進行治理,有效隔斷了地表水灌入井下的通道,同時降低了邊坡高度,解決了尾礦堆存問題。盧宏建等[9]針對提出的露天采坑尾砂膠結充填治理方案,利用石人溝鐵礦尾砂解決礦山遺留的露天采坑和地下空區的安全隱患問題。王曉帆[10]探討了尾礦地表堆存的技術原理,總結了影響膏體堆存的各種因素。郭雷等[11]創新性設計了白音查干多金屬礦全尾砂膏體充填與膏體堆存聯合處置系統。

目前對于磷石膏干堆和濕排的尾礦壩穩定性研究較多,但是對于磷石膏膠結堆存的研究較少,且大多是針對整體設計圖進行模擬分析。本研究依托貴州某磷礦山,運用極限平衡法和數值模擬方法,綜合分析磷石膏堆積體邊坡的穩定性,并進行分次堆積模擬對比一次成形堆積的差異,所得的結論更具有科學性,同時也為其他礦山磷石膏堆存提供了一定的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本研究以貴州省福泉市某磷礦采坑為工程背景,采坑由周邊村民私采濫挖所致,礦坑容積高達1.15×106m3,陡峭的邊坡存在滑坡的巨大隱患,嚴重影響周邊公路的穩定性,故采用磷石膏堆存對該礦坑進行治理。提前利用堿性激發劑激發磷石膏膠凝活性,經制漿系統制備完成后,通過管道自流輸送到露天坑堆積區域。初期壩采用C20混凝土澆筑,高度為12 m,每一個子臺階尺寸為1.2 m×1.2 m(高度×寬度),6個子臺階構成1個堆積子壩,充填子壩最上部臺階充填完畢,向山體方向后退7 m,繼續充填下一個子壩,最終形成邊坡高度為66 m,邊坡角度為32°。充填體內泌水采用DN100軟式透水管和PE管進行排水,同時收集泌出水以防止污染。露天坑實景和堆積設計見圖1。壩體抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g,地震反應譜特征周期為0.35 s,地震基本烈度小于Ⅵ度,露天坑區域地殼較穩定。由于采用膠結堆存形式進行排放,磷石膏自身含水量很低,料漿到庫里很快固結,沒有尾礦庫類似的庫尾積水區,且滲透系數很小,故分析安全系數時不需要考慮浸潤線。

圖1 露天坑堆積設計圖Fig.1 Design diagram of open pit accumulation

1.2 堆積壩物理力學參數

巖石相關物理力學參數以地質勘察報告及相關資料為參考,堆積體采用3種配方:(a)磷石膏、(b)磷石膏+石膏和(c)磷石膏+尾礦,利用此3種配方進行制塊,參照《巖石物理力學性質試驗規程》進行實驗室試驗并折減后得到堆積體的物理力學參數,具體參數如表1所示。

表1 物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters

2 堆積體邊坡穩定性分析

2.1 極限平衡法原理

目前,磷石膏充填壩的穩定性分析沿用土力學的傳統分析方法,可將其視為土質邊坡,采用極限平衡法。其原理為假定邊坡內部產生滑動面造成了巖土體破壞,確定滑面的位置和形狀,然后在已知滑面上對邊坡進行靜力平衡計算,求得邊坡穩定安全系數[12-14]。瑞典圓弧法于1915年由瑞典K.E.Peterson提出,該法將滑動土體當成剛體,不考慮條間作用力。Bishop法考慮條間法向力和切向力的作用。Janbu法假定土條法向力的作用點位于其地面以上1/3土條高度處,然后調整作用點的位置以獲取其安全系數,適用于任何滑動面而不必規定滑動面是一個圓弧面。

2.2 模型建立

根據充填壩施工總圖和地形地質圖,選定垂直于初期壩剖面進行分析,利用SLIDE軟件構建磷石膏堆積壩的計算模型,模型以白云巖、富水白云巖和磷灰質粉砂巖為基巖,以碎石土填筑基坑后向上分別堆積3種充填體,右下角為初期壩,具體見圖2。

圖2 磷石膏堆積壩體計算模型示意Fig.2 Schematic of calculation model for phosphogypsum accumulation dam

2.3 穩定性分析

由《AQ 2059—2016磷石膏庫安全技術規程》可知我國磷石膏庫等級和壩體抗滑穩定最小安全系數,具體見表2和表3。

表2 磷石膏庫等級劃分Table 2 Classification of phosphogypsum repositories

表3 壩體抗滑穩定最小安全系數Table 3 Minimum safety factors for anti-sliding stability of dam body

選擇自動搜索網格,網格數默認為20×20,分析方法選擇瑞典圓弧法、Bishop法和Janbu法,物理力學參數根據表1選取。搜索最危險滑動面并分析該滑面的最小安全系數,運行工況見表4。

表4 穩定性分析荷載工況Table 4 Load conditions for stability analysis

該磷石膏充填壩設計為四等庫,根據《AQ 2059—2016磷石膏庫安全技術規程》,壩體抗滑穩定的最小安全系數(Kmin)要求,正常運行期間Kmin=1.25;特殊運行期間Kmin=1.10。計算結果見表5和圖3、圖4。

表5 堆積壩穩定性計算結果Table 5 Calculation results for stability of accumulation dam

圖3 正常運行時的計算結果云圖Fig.3 Cloud chart of calculation results at normal operation

圖4 特殊運行時的計算結果云圖Fig.4 Nephogram of the calculation results in the case of particular runtime

由表5可知,充填壩在2種工況下的平均安全系數為1.331和1.196,各種方法計算的安全系數都滿足《AQ 2059—2016磷石膏庫安全技術規程》的要求,邊坡整體處于穩定狀態。

查閱相關文獻[15-16]選取磷石膏濕排和干堆下的物理力學參數進行數值模擬分析,具體結果見表6。從表6中可以看出,磷石膏在干堆和濕排下的安全系數遠低于采用膠結堆存的安全系數,不滿足安全技術規程的要求,堆積體有失穩下滑的風險。故按照膠結堆存排放磷石膏,堆積體穩定性有顯著的提升。

表6 磷石膏干堆和濕排穩定性計算結果Table 6 Calculation results of dry stack and wet stack stability of phosphogypsum

3 堆積體邊坡穩定性數值模擬

3.1 計算模型和邊界條件

通過南方cass將地形高程點轉換為等高線,再利用GTS/NX中的地形生成器生成露天坑區域曲面,向下拉伸形成地質體。根據尾礦壩設計圖建立堆積邊坡,補全基坑后進行耦合,然后劃分網格并導入至FLAC3D中,如圖5所示。整個模型由四面體組成,共899 169個單元,164 503個節點。

圖5 FLAC3D數值模型Fig.5 FLAC3D numerical model

計算本構模型采用Mor-Coulomb模型。模型底部為固定約束邊界,地質體四周約束位移,坡面設自由邊界。初始條件僅考慮自重應力產生的初始應力場。計算所用物理力學參數沿用表1,利用FLAC3D強度折減法計算安全系數時,地質體僅參與初始應力場計算,不參與強度折減計算,將地質體和基坑碎石土內摩擦角調整至50°[17]。

3.2 整體成形模擬計算結果

將地質體隱藏以觀察邊坡的模擬計算結果,圖6為邊坡的整體位移變化。從圖6可以看出,邊坡左右兩側和地質體交界處X軸位移——即順坡向位移較大,將近20cm的變形,向堆積體中部位移遞減至5cm左右。而邊坡在垂直方向上的最大變形出現在壩頂,最大沉降在50～60 cm之間,沉降由上至下遞減,總體上遠小于磷石膏干堆變形量[18]。經過強度折減法計算出堆積體的安全系數為1.39,略大于極限平衡法的計算值,滿足規程的要求。邊坡的潛在滑移面是判斷邊坡失穩和加固的重要依據,堆積體邊坡的剪應變速率表明滑移面各點的剪應變改變速率要快于沿該點滑移面法線方向上的各點[19]。以初期壩為起點,垂直壩軸進行切片分析,圖7為數值模擬所得剪應變速率分布圖,可以看出邊坡的最危險滑移面經過坡腳,而坡腳為混凝土初期壩和地質體,能夠有效防止上部堆積體沿潛在滑移面下滑導致邊坡失穩。

圖6 堆積體位移變化云圖Fig.6 Cloud diagram of displacement variation of accumulation body

圖7 堆積體最大剪應變速率云圖Fig.7 Cloud diagram of maximum shear strain rate of accumulation body

3.3 分次成形模擬計算結果

實際工程中,堆積體是由底部分層向上堆積,期間存在應力的循環加載和平衡,故分多次計算來模擬堆積過程中應力應變的變化。由于45個臺階劃分網格計算量過大,故按照子壩進行堆積,共堆積八次,為避免篇幅過多,僅列出最后堆積計算結果。對比一次成形模擬結果,位移分布發生顯著的變化。從圖8中可以看出,X方向上,一至四級子壩中部位移變化不大,仍為30～40 cm之間,但是兩側位移降低20 cm,五級至八級子壩整體位移降幅巨大,基本在15 cm之內。Z方向上,最大沉降處由壩頂轉變為四級子壩,沉降在70 cm以上,表現為由中部向兩側遞減,由四級和五級子壩向上下子壩遞減。

圖8 分次堆積位移變化云圖Fig.8 Cloud diagram of fractional accumulation displacement variation

由于分次堆積顯示的是各子壩獨立的位移變化,故綜合來說,邊坡整體的沉降和位移都遠大于一次性堆積的結果,這是由于在不斷的堆積過程中應力發生了消散,重新應力平衡使蠕變增加。由分次堆積模擬位移變化云圖可以看出,水平位移和沉降致使坡角發生了較大的變化,也將導致邊坡的安全系數發生改變。因此,在堆積體的穩定性分析中,可對設計邊坡的安全系數進行一定的增加。

選定同一剖面各子壩臺階上的點進行位移監測,其位移數據如圖9所示。每級子壩堆積后,首先向內回縮1～5cm,然后隨著應力的不斷加載,向坡外持續位移。前三級子壩位移較大,最大位移有50 cm以上,上部子壩位移在20 cm以內。從Z方向位移來看,各子壩臺階未出現隆起現象,皆向下沉降。一級和二級子壩臺階位移增大至30 cm左右后變形速率迅速下降,穩定在30～40 cm之間。三級和四級子壩變形速率基本不變,持續變形至60 cm以上,四級子壩第五臺階位移最大,達到70 cm。六級至八級子壩變形速率最大,但是由于計算時步相對比較短,邊坡內部應力場很快穩定下來,位移最小。該位移監測結果與礦山利用RTK監測位移數據大部分吻合,但上部分堆積體現場監測數據稍大,推測是由于現場堆積時下方邊坡并未達到應力平衡。整體來說,數值模擬結果與實際工程情況相近,為磷石膏堆積體邊坡穩定性分析提供了一定的理論支持。

圖9 堆積體監測點位移變化Fig.9 Displacement variation diagram of accumulation body monitoring point

4 結 論

(1)采用瑞典圓弧法、Bishop法、Janbu法和數值模擬,通過對磷石膏膠結堆存邊坡典型剖面進行分析,堆積壩在正常運行和特殊運行下的平均安全系數為1.331和1.196,滿足磷石膏庫安全技術規程的要求。

(2)通過對比分析磷石膏在濕排、干堆和膠結堆存下的穩定性,發現相同條件下的堆積壩安全系數對比干堆和濕排提高30%～50%,對其他廢料的堆存有一定的借鑒意義。

(3)利用FLAC3D對膠結堆存邊坡分次堆積模擬,相較于一次成形堆積邊坡,分次堆積模擬的水平位移和沉降較大。同時,磷石膏的堆積蠕變和邊坡的坡角減小使堆積體安全系數發生變化,因此判斷實際堆積體邊坡穩定性時應考慮堆積體變形因素,并結合現場監測結果綜合分析。