基于Geo-Studio的高陡邊坡穩定性分析

艾樹賢,劉學,王道林

(1.江西江銅銀珠山礦業有限公司, 江西 貴溪市 335424;2.江西銅業集團有限公司武山銅礦, 江西 九江市 332200;3.中南大學 資源與安全工程學院, 湖南 長沙 410083)

0 引言

永平銅礦作為江西銅業股份有限公司旗下的主力礦山,多年來為集團及下游產業鏈提供了大量優質銅金屬資源,同時也是國內少有的露天-地下聯合開采礦山,產能達330 t/a。隨著永平銅礦露天及淺部資源的逐步回采完成,產能將迅速下降,且在地表形成了垂高達444 m的深凹露天坑,邊坡坡度大于42°,屬于高陡邊坡。為維持產能穩定,迫切需要對鄰近高陡邊坡的Ⅳ號礦體進行回采。然而對其回采之前,必須通過各種手段研判地下回采對高陡邊坡穩定性的影響。目前的研判手段主要有理論計算、現場監測、數值模擬及物理相似模擬。其中,數值模擬因其建模方便快捷、計算準確的特點在工程實踐中得到廣泛應用。相關數值模擬軟件則主要包括Flac3D、Slide、ABAQUS、Ansys、Geo-Studio等。Geo-Studio中包括的滲流分析模塊(SEEP/W)、應力變形分析模塊(SIGMA/W)、邊坡穩定性分析模塊(SLOPE/W),既可以獨立分析又可以相互進行調用,廣泛應用于分析邊坡穩定性。鑒于此,本文針對礦山目前的生產現狀與高陡邊坡特點,利用Geo-Studio軟件建立不同剖面下的高陡邊坡-地下礦體回采模型,并分別求解礦體初始狀態及開挖狀態下高陡邊坡的安全系數,進而對不同位置的邊坡安全等級進行分析與分級,為地下礦體的安全回采及采準設計提供理論依據。

1 模型及參數確定

用Geo-Studio程序建立數值計算模型求解不同工程地質問題主要包括以下5個方面的內容:設計模型尺寸;規劃計算網格數目和分布;安排工程對象(開挖、支護等);材料力學參數賦值;確定邊界條件。

1.1 模型建立

參考Ⅳ號礦體的賦存形態和礦體與邊坡之間的位置關系(見圖1),依次選取0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地質勘探線。這些勘探線相交于Ⅳ號礦體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。9#勘探線切出的Ⅳ礦體截面如圖2所示。

圖1 Ⅳ號礦體與地質勘探線位置關系

圖2 9#地質勘探線礦體形態

根據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域作為有限元數值模擬的計算剖面。模型范圍內主要巖層結構可以分為上盤、下盤和礦體。結合實際情況及剖面形狀對邊坡計算模型作適當的簡化后建立邊坡數值模型,如圖3所示。

圖3 3#勘探線剖面數值模型

1.2 參數選擇

由于露天礦采礦活動破壞了巖體的自然平衡狀態,不平衡狀態將引起巖體變形,以及巖石中應力場的調整和重新分布。因此,在模擬前先做應力重分布模擬。

在應力重分布模擬中,各巖層材料都選用彈塑性本構模型。一般而言,由于大量結構弱面的存在,巖體力學參數遠小于巖石力學參數。對于地質與采礦條件極為復雜的礦山,礦、巖體力學參數的選取是非常困難的,一般采用工程折減法將巖石力學參數折算為巖體力學參數。其中,彈性模量、泊松比、內摩擦角等參數選自該礦山的地質報告,相關巖石參數見表1。

表1 模型參數

1.3 邊界條件

應力重分布分析時,只考慮模型的重力作用,在設置邊界條件時通常只需要約束研究對象的底邊和左右兩側邊。因此,邊坡應力重分布模擬選用的邊界條件是:邊坡模型左右兩側固定X方向位移,邊坡底部固定X-Y方向位移。

2 模擬結果與分析

2.1 初始邊坡穩定性

使用Geo-Studio 2018版本,選擇SIGMA/W模塊分析,在分析類型中選擇“應力重分布”分析類型,設置收斂性及時間參數。輸入表1中相關模型參數,設置相應的邊界條件,檢查、優化模型,求解。在SLOPE/W中建立模型,繪制材料參數,得到滑移面及安全系數。對不同勘探線剖面進行模擬,得到其邊坡的初始安全系數,如圖4所示。

圖4 不同剖面高陡邊坡-地下礦體回采模型及初始安全系數

不同計算方法對應邊坡的安全系數見表2。由表2可以看出,3#至11#勘探線剖面的初始邊坡安全系數呈現降低的趨勢,而這種變化趨勢主要取決于剖面的坡度。例如,5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大,因此,其穩定性略差于7#勘探線剖面。與此同時,各個剖面初始邊坡安全系數值均在1.3以上,穩定性較好。

表2 邊坡初始安全系數匯總

2.2 礦體開挖后邊坡穩定性

開挖模型穩定性模擬和初始邊坡穩定性模擬相同。根據3#、5#、7#、9#、11#、13#勘探線剖面與0 m水平的投影和0 m高程礦體的位置關系,得到每個礦塊的剖面圖。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,每個中段以嗣后充填法進行開挖,回采順序為由下往上進行回采,共有0 m、50 m、100 m、150 m4個中段。由于每個中段0#至3#礦塊距離邊坡的距離較遠,對邊坡的整體穩定性影響并不大,所以模擬過程僅對W4至W11礦塊進行建模分析,進而得到不同中段及不同礦塊回采時對邊坡穩定性影響的定量分析結果。其中,W4礦塊回采至不同中段高度時,邊坡的安全系數見圖5。

圖5 W4礦塊回采至不同中段高度時邊坡安全系數

不同計算方法對應邊坡的安全系數匯總見表3。由表3可知,同一中段,從W4至W11礦塊,越靠近W11礦塊,開采時邊坡安全系數基本逐漸減小。同一個礦塊,以W5礦塊為例,向上開挖時,0 m、50 m、100 m、150 m中段安全系數均值分別為1.372,1.225,1.169,1.117,即越向上開采,邊坡的安全系數越低。另外,50 m中段開挖W11礦塊邊坡安全性系數有一定提高,原因是礦塊出入地表處較W10礦塊平緩,對邊坡穩定性影響較小。

表3 回采時邊坡安全系數匯總

2.3 邊坡安全分級

根據《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監測技術規范》(AQ 2063—2018)及《冶金礦山采礦設計規范》(GB 50830—2013),采場邊坡高度等級按表4劃分為四級。根據邊坡高度判斷永平露天邊坡屬于高邊坡。

表4 邊坡高度等級

采場邊坡總邊坡角等級按表5劃分為三級。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

根據安全系數F對露天礦山采場邊坡穩定性進行風險分級,按照表6將正常工況和非正常工況條件下邊坡滑坡風險等級分為四級。

表6 采場邊坡滑坡風險等級

根據邊坡穩定性模擬的結果,對開挖礦塊進行安全等級劃分,如圖6所示。從圖6可以看出,邊坡安全等級可分成三級,安全Ⅰ級,安全Ⅱ級和危險。0 m中段W1至W9、50 m中段W1至W8、100 m中段和150 m中段W1至W4的滑坡風險等級均為3級和4級,將其視為安全Ⅰ級,可使用現有采礦工藝開采。0 m中段W10至W11、100 m中段W5至W8、150 m中段W5滑坡風險等級為2級,歸類為安全Ⅱ級,使用現有采礦工藝開采時需根據邊坡現場情況進行調整,如減小爆破藥量、增加爆破段數,采用預裂爆破、緩沖爆破、切槽爆破等減振控爆技術對礦體進行開挖,并進行合理的支護。50 m中段W9至W11、150 m中段W6至W8滑坡風險等級按表6為1級,邊坡安全等級為危險,采用現有開采工藝可能導致西部邊坡出現大塊巖石垮落以及邊坡滑移,損壞、堵塞邊坡布設的運礦公路和水溝,且影響露天和井下的安全生產,帶來安全隱患,應對現有的采礦方法進行改進,以適應礦體的開采。

圖6 開采礦塊安全等級劃分

3 結論

本文使用Geo-Studio系統軟件中的SLOPE/W模塊,以0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地質勘探線剖面為基礎,建立Ⅳ礦體W1至W11礦塊和邊坡模型,運用極限平衡法中的Ordinary法、Janbu法、Bishop法、Morgenstern-Price法4種方法進行邊坡安全系數計算,探究永平銅礦Ⅳ礦體開采對邊坡穩定性的影響規律,得到如下結論。

(1)整體來看,3#至11#勘探線剖面邊坡初始安全系數呈現降低的趨勢。5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大,其穩定性略差于7#勘探線剖面,因此,安全系數也較低。但是3#至11#勘探線剖面邊坡初始安全系數值均在1.3以上,穩定性較好。

(2)同一中段,從W4至W11礦塊,越靠近W11礦塊,開采時邊坡安全系數基本逐漸減小。同一個礦塊,越向上開采,邊坡的安全系數越低。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,邊坡的安全系數較低,開采時需進行調整。

(3)根據模擬得到的邊坡安全系數,可將不同中段的礦塊分為三個安全等級,安全Ⅰ級,可使用現有采礦工藝開采;安全Ⅱ級,使用現有采礦工藝開采時需根據邊坡現場情況進行調整;危險,采用現有開采工藝可能導致西部邊坡出現大塊巖石垮落以及邊坡滑移,帶來安全隱患,應對現有的采礦方法進行改進,以適應礦體的開采。

(4)根據模擬得到的邊坡安全系數,屬于安全Ⅱ級的礦塊有7個,危險礦塊有6個,其他均為安全Ⅰ級礦塊。