基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性分析

黎俊華

(江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦, 江西 上饒市 334001)

0 引言

永平銅礦是一座現(xiàn)代化大型露天-地下聯(lián)合開采礦山,目前礦山整體規(guī)模達(dá)10 000 t/d,其中露天和地下各為5 000 t/d。回采形成了最大垂直高度達(dá)444 m的深凹露天礦坑,其中＋154 m水平以下、1～15線西部鄰近高陡邊坡周圍賦存了大量的銅礦石資源。近年來,隨著露天淺部資源的消耗殆盡,礦山整體生產(chǎn)能力受到嚴(yán)重制約,穩(wěn)定增長(zhǎng)甚至達(dá)產(chǎn)均難以得到保證。為保證穩(wěn)定的礦石產(chǎn)量和最大限度回收礦產(chǎn)資源,亟需對(duì)鄰近高陡邊坡的礦產(chǎn)資源(Ⅳ號(hào)礦體為主)進(jìn)行回采。然而,隨著礦山開采深度的增加和工程地質(zhì)條件的改變,高陡邊坡局部已出現(xiàn)滑塌破壞等風(fēng)險(xiǎn)[1];另一方面,陡幫上仍需保留礦石運(yùn)輸?shù)缆芳胺篮樵O(shè)施等。在此條件下,對(duì)鄰近高陡邊坡的Ⅳ號(hào)礦體進(jìn)行地下回采時(shí),勢(shì)必會(huì)對(duì)高陡邊坡帶來難以預(yù)測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,研判Ⅳ號(hào)礦體回采對(duì)高陡邊坡的安全穩(wěn)定性影響,并據(jù)此制定相關(guān)解決對(duì)策是安全回采Ⅳ號(hào)礦體的重中之重[2]。

從礦山整體來看,西部邊坡是否穩(wěn)定取決于整體中最薄弱、穩(wěn)定性最差的部分。對(duì)于一個(gè)含有采空區(qū)的邊坡系統(tǒng)來說,其穩(wěn)定性是由一個(gè)集中應(yīng)力最大、穩(wěn)定性最差的部位決定的。因此,對(duì)于露天-地下聯(lián)合開采下的邊坡穩(wěn)定性問題,既要分析邊坡的穩(wěn)定性也要分析采空區(qū)的穩(wěn)定性[3]。

鑒于此,本文針對(duì)礦山目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀與高陡邊坡特點(diǎn),采用簡(jiǎn)化Bishop法、Ordinary法、Morgenstern-Price法以及Janbu法確定邊坡安全系數(shù)[4],分析永平銅礦Ⅳ礦體開采對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。最后按照井下Ⅳ號(hào)礦體不同中段的不同采場(chǎng)回采后對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律,確定Ⅳ號(hào)礦體不同采場(chǎng)的安全等級(jí),為該礦山的安全生產(chǎn)提供實(shí)踐依據(jù)。

1 模型建立與參數(shù)選擇

1.1 工程概況

永平銅礦Ⅳ號(hào)礦體走向北北東,傾向東,傾角為60°～70°,形態(tài)為似層狀及透鏡狀,地下開采標(biāo)高范圍為200 m至-200 m,首采中段設(shè)置在-50 m中段,目前回采中段為0 m中段,開拓中段為-200 m中段。礦體圍巖上盤為綠泥石,下盤為混合巖(Su)礦體,巖石總體穩(wěn)固性屬中等。0 m中段礦體的長(zhǎng)度約626 m,劃分為12個(gè)盤區(qū),每個(gè)盤區(qū)的長(zhǎng)度為50 m,采場(chǎng)沿走向布置,其采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。

1.2 模型建立

參考Ⅳ礦體的賦存形態(tài)和礦體與邊坡之間的位置關(guān)系,依次選取0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地質(zhì)勘探線,這些勘探線相交于Ⅳ礦體1#～11#礦房和礦塊,勘探線剖面高程跨度大且特征界限明顯,具有代表性。0#～11#勘探線切出的Ⅳ礦體截面,簡(jiǎn)化后如圖1所示。

圖1 Ⅳ礦體與地質(zhì)勘探線位置關(guān)系

根據(jù)勘探線剖面圖分別建立邊坡模型,選定邊坡的下界為-100 m,上界視剖面而定的區(qū)域作為有限元數(shù)值模擬的計(jì)算剖面[5]。模型范圍內(nèi)主要巖層結(jié)構(gòu)可以分為上盤、下盤和礦體。結(jié)合實(shí)際情況及剖面形狀對(duì)邊坡計(jì)算模型做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化后建立邊坡數(shù)值模型,如圖2所示。

圖2 3#勘探線數(shù)剖面數(shù)值模型

1.3 參數(shù)選擇

由于露天礦采礦活動(dòng)破壞了巖體的自然平衡狀態(tài),不平衡狀態(tài)將引起巖體變形、以及巖石中應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整和重新分布[6]。因此,在模擬前先做應(yīng)力重分布模擬。在應(yīng)力重分布模擬中,各巖層材料都選用彈塑性本構(gòu)模型[7]。一般而言,由于大量結(jié)構(gòu)弱面的存在,巖體力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)小于巖石力學(xué)參數(shù)。對(duì)于地質(zhì)與采礦條件極為復(fù)雜的礦山,礦體、巖體力學(xué)參數(shù)的選取是非常困難的,一般采用工程折減的辦法獲得[8]。其中彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等參數(shù)選自該礦山的地質(zhì)報(bào)告,相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料模型參數(shù)

1.4 邊界條件

應(yīng)力重分布分析時(shí),只考慮模型的重力作用,在設(shè)置邊界條件時(shí)通常只需要約束研究對(duì)象的底邊和左右兩側(cè)邊。因此,邊坡應(yīng)力重分布模擬的邊界條件是:邊坡模型左右兩側(cè)固定X方向位移,邊坡底部固定X-Y方向位移。

2 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果與分析

2.1 初始邊坡安全系數(shù)

使用Geo-Studio中的SIGMA/W模塊分析,分析類型選擇“應(yīng)力重分布”,設(shè)置收斂性及時(shí)間參數(shù)。輸入模型材料相關(guān)參數(shù)(見表1),繪制材料到模型。繪制相應(yīng)的邊界條件,檢查、優(yōu)化模型,求解。在SLOPE/W中建立模型,繪制材料參數(shù),得到滑移面及安全系數(shù)。根據(jù)以上步驟對(duì)不同勘探線剖面進(jìn)行模擬,得到其邊坡的初始安全系數(shù),如圖3所示。

圖3 不同勘探線模型安全系數(shù)

由不同計(jì)算方法得到的邊坡的安全系數(shù)見表2,從表2可以看出,整體上3#～11#勘探線剖面初始邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)[9]。5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大,其穩(wěn)定性略差于7#勘探線剖面。同時(shí),各個(gè)剖面初始邊坡安全系數(shù)值均在1.3以上,穩(wěn)定性較好。

表2 計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)

2.2 礦體開挖模型

開挖模型穩(wěn)定性模擬和初始邊坡穩(wěn)定性模擬相同。根據(jù)3#、5#、7#、9#、11#、13#勘探線剖面與0 m水平的投影和0 m高程礦體的位置關(guān)系,得到每個(gè)礦塊的剖面圖。礦塊的寬度由勘探線所截剖面確定,高度為50 m。從0 m中段開始,每個(gè)中段以嗣后充填法進(jìn)行開挖。不同中段從下往上開挖。

由于每個(gè)中段0#～3#礦塊距離邊坡的距離較遠(yuǎn),對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性影響并不大,所以對(duì)W4～W11礦塊進(jìn)行建模分析,W8～W9礦塊不同中段安全系數(shù)模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 W8礦塊不同中段安全性系數(shù)

圖5 W9礦塊不同中段安全性系數(shù)

由不同計(jì)算方法得到的邊坡安全系數(shù)匯總見表3。根據(jù)模擬的結(jié)果,得到Ⅳ號(hào)礦體上部邊坡安全系數(shù)隨礦體開采位置的變化,如圖6所示。從圖6中可以看出,同一中段,從W4～W11礦塊,越靠近W11礦塊,開采時(shí)邊坡安全性系數(shù)基本逐漸減小。同一個(gè)礦塊,以W5礦塊為例,向上開挖時(shí),0,50,100,150 m中段安全系數(shù)分別為1.372,1.225,1.169和1.117,即越向上開采,邊坡的安全系數(shù)越低。同時(shí)曲線在W7礦塊處出現(xiàn)一個(gè)小峰值,其原因是W5和W6礦塊上部邊坡的傾角較大,達(dá)到了41°,使其穩(wěn)定性較差于開挖W7礦塊的邊坡穩(wěn)定性。另外50 m中段開挖W11礦塊邊坡安全性系數(shù)有一定提高,原因是礦塊出入地表處較W10礦塊平緩,對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。

圖6 穩(wěn)定性系數(shù)變化

表3 計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

3 西部邊坡穩(wěn)定性分級(jí)

參考《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全技術(shù)監(jiān)測(cè)規(guī)范》,根據(jù)《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50830—2013),采場(chǎng)邊坡高度等級(jí)按表4劃分為4級(jí)。高度小于100 m的為低邊坡,100～209 m(含100 m)為中高邊坡,200 m以上(含200 m)的為高邊坡,其中大于500 m的為超高邊坡,對(duì)應(yīng)的高度等級(jí)指數(shù)分別為4,3,2,1。根據(jù)邊坡高度判斷該礦山邊坡屬于高邊坡。

表4 邊坡高度等級(jí)

采場(chǎng)邊坡總邊坡角等級(jí)按表5劃分為3級(jí)。坡度小于30°的為緩坡,坡度在30°～42°之間(含30°)的為斜坡,坡度大于42°(含42°)的為陡坡,對(duì)應(yīng)的坡度等級(jí)指數(shù)分別為3,2,1。該礦山露天邊坡坡度大于42°,屬于陡坡。

表5 總體坡度角等級(jí)

根據(jù)安全系數(shù)F對(duì)露天礦山采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí),按照表6將正常工況和非正常工況條件下邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為4級(jí)。非正常工況為考慮暴雨或爆破震動(dòng)、或地震等荷載情況下的安全系數(shù)。

表6 采場(chǎng)邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性模擬的結(jié)果,對(duì)開挖礦塊進(jìn)行安全等級(jí)劃分,如圖7所示。從圖7中可以看出,將邊坡安全等級(jí)分成3級(jí),安全Ⅰ級(jí),安全Ⅱ級(jí)和危險(xiǎn)。0 m中段W1～W9、50 m中段W1～W8、100 m中段和150 m中段W1～W4的滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為3級(jí)和4級(jí),將其視為安全Ⅰ級(jí),可使用現(xiàn)有采礦工藝開采;0 m中段W10～W11、100 m中段W5～W8、150 m中段W5滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí),歸類為安全Ⅱ級(jí),使用現(xiàn)有采礦工藝開采時(shí)需根據(jù)邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整,如減小爆破藥量、增加爆破段數(shù),采用預(yù)裂爆破、緩沖爆破、切槽爆破等減振控爆技術(shù)對(duì)礦體進(jìn)行開挖,并進(jìn)行合理的支護(hù)[10];50 m中段W9～W11、150 m中段W6～W8滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為1級(jí),邊坡安全等級(jí)為危險(xiǎn),采用現(xiàn)有開采工藝可能導(dǎo)致西部邊坡出現(xiàn)大塊巖石垮落以及邊坡滑移,損壞、堵塞邊坡布設(shè)的運(yùn)礦公路和水溝,且影響露天和井下的安全生產(chǎn),帶來安全隱患,應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的采礦方法進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)礦體的開采[11]。

圖7 Ⅳ礦體礦塊安全分級(jí)

4 結(jié)論

采用Geo-Studio軟件中的SLOPE/W模塊,以0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地質(zhì)勘探線剖面為基礎(chǔ),建立Ⅳ礦體1#～11#礦塊和邊坡模型,運(yùn)用極限平 衡 法 中 的Odinary法、Janbu法、Bishop法、Morgenstern法4種方法進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計(jì)算,探究永平銅礦Ⅳ礦體開采對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,得到如下結(jié)論。

(1)從整體上來看,3#～11#勘探線剖面邊坡初始安全系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大,使其穩(wěn)定性略差于7#勘探線剖面,因此安全系數(shù)也較低。但是3#～11#勘探線剖面邊坡初始安全系數(shù)值均在1.3以上,穩(wěn)定性較好。

(2)同一中段,從W4～W11礦塊,越靠近W11礦塊,開采時(shí)邊坡安全性系數(shù)基本逐漸減小。同一個(gè)礦塊,越向上開采,邊坡的安全系數(shù)越低。W5和W6礦塊,由于上部邊坡的坡度較大,屬于高陡邊坡,因此在開采W5和W6礦塊時(shí),邊坡的安全系數(shù)較低。

(3)根據(jù)模擬得到的邊坡安全系數(shù),可將不同中段的礦塊分為3個(gè)安全等級(jí),安全Ⅰ級(jí),可使用現(xiàn)有采礦工藝開采;安全Ⅱ級(jí),使用現(xiàn)有采礦工藝開采時(shí),需根據(jù)邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整;危險(xiǎn),采用現(xiàn)有開采工藝可能導(dǎo)致西部邊坡出現(xiàn)大塊巖石垮落以及邊坡滑移,帶來安全隱患,應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的采礦方法進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)礦體的開采。

(4)根據(jù)模擬得到的邊坡安全系數(shù),屬于安全Ⅱ級(jí)的礦塊有7個(gè),危險(xiǎn)礦塊有6個(gè),其他均為安全Ⅰ級(jí)礦塊。