復雜工況條件下露天礦邊坡穩定性分析

劉小開,李峰鴿

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

近年來,隨著露天礦開采設備能力及開采技術水平的提高,露天礦生產規模逐漸增大,高陡邊坡穩定性已成為礦山工程地質研究的重要課題之一[1]。目前,學者已開發了多種穩定性評價方法,包括平面失效法、極限平衡法、數值模擬方法、二維(2D)及三維(3D)空間混合高階分析方法等[2],其中極限平衡法操作簡單,分析時間短,在不同失效機制與不同地質條件下可結合概率及統計函數來評估安全系數(F.S),得到了廣泛關注。

目前對邊坡穩定性的分析及判斷大多基于研究假設的力學理論模型來校驗安全穩定系數[3],由于造成邊坡滑塌的因素眾多,作用機理復雜,單純的一種評價方法存在一定的局限性[4],故采用不同原理的分析方法綜合評價邊坡穩定性,可大大提高分析的可靠性,在工程實踐中的應用也越來越廣泛[5]。楊再華[6]等結合某鐵礦邊坡工程實例,分別采用極限平衡法及強度折減法模擬高陡邊坡失穩的動態流程,判定滑坡方式,計算邊坡穩定性。鄧帆[7]等基于某露天礦西南邊坡形變發育狀態,分析地層結構、開采擾動及氣候條件對邊坡的影響效應,利用FLAC及Slide分別建模,分析各種因素作用下邊坡巖體的變形破壞狀況,預測該露天礦一采區在暴雨及地震條件下的邊坡致災機理。朱濤[8]等結合準東地區南露天礦西幫施工實踐,選用極限平衡法及強度折減法,模擬紅黏土在自然情況及飽水情況下的邊坡穩定性,闡釋了影響邊坡穩定的3個關鍵問題,提出對應的防護措施。本研究采用極限平衡法及強度折減法對邊坡進行綜合分析,以期為礦山安全生產提供理論依據。

1 概況

礦區所在位置四周為剝蝕構造山地,海拔2000～2500 m,相對高差500 m。由下元古界片麻巖、片巖,奧陶系灰色、灰綠色千枚巖夾大理巖,加侏羅系砂巖、粉砂巖等組成。區內由于多年凍土層存在,地下水類型復雜化。降水通過構造、融區及裂隙滲入地下,轉化為地下水,地表土主要為沖洪積相、冰川冰水,巖性多以多孔隙砂礫石為主,結構松散,導水性好,厚度不均,是形成地下水的良好介質。地下水埋藏深度大于26 m,補給主要是基巖裂隙水及來自水量極豐富淡潛水的補給。單井計算涌水量均大于5000 m3/d,最大可達18 000 m3/d,滲透系數35～173 m/d。該地區年平均氣溫1.53 ℃,氣溫最高月(7月)平均氣溫15.29 ℃,氣溫最低月(1月)平均氣溫-13.85 ℃,極端最高氣溫31.2 ℃,極端最低氣溫-30.7 ℃。年平均自然降水為83.44 mm,且在各月分布極不均勻,多集中在每年的5—8月份,占多年平均降水量的79%。7月份降水量最高,日最大降水量20.1 mm。年均蒸發量357.17 mm,是降水量的18倍,如圖1所示。相對濕度40%左右,冬、春季風沙較大,風向以西風、西北風為主,年平均風速2.1 m/s。年平均日照時數達3100 h以上,太陽輻射強。

圖1 礦山降水量、蒸發量與氣溫月平均變化曲線

該地區地震發生頻率較高,強度也較大。據新疆維吾爾自治區地震局觀測統計,自1953年建立有感地震記錄以來,該地區共發生4級以上地震6次,其中在本區發生5級以上地震3次。2008年11月11日及2009年8月28日,該地區發生過6.3級及6.4級地震,震中在距本礦工作區約有75 km左右,工作面有強烈震感,所處位置震動峰值加速度為0.1～0.15 m/s2,平均震害指數0.11～0.30,因此對于地震引發的災害應給予高度重視,地面及地下建筑物按地震烈度Ⅶ級設防。該地區地形起伏較大,巖體相對穩定,無巖漿活動,未發生過泥石流、崩塌情況。除礦山開采外無其他生產活動,人為因素對環境基本無影響。

2 邊坡穩定性分析

2.1 極限平衡分析法

極限平衡分析法是邊坡穩定性分析的基本方法之一,通過研究可能滑動面的抗滑力與滑動力之比,基于極限平衡思想,定義了不同滑動面的安全穩定系數,通過相關算法求得最危險滑面的安全穩定系數。采用極限平衡分析法,對該礦典型的L-L′邊坡剖面在自重、暴雨及暴雨+地震3種工況條件下的力學穩定性進行分析計算。邊坡穩定性建模及系數計算如圖2所示。

圖2 L-L′剖面在3種工況條件下極限平衡法計算結果

從L-L′ 剖面在自重條件下穩定性計算云圖可以看出,邊坡+500 m區域至邊坡頂部+530 m區域穩定性最差,此處邊坡整體穩定性系數為2.450。由于此處頂部邊坡坡體較小,容易發生局部滑移破壞,邊坡整體穩定性系數較高,發生整體滑移破壞的可能性較小。圖2c和2d分別顯示的是L-L′ 剖面在暴雨、暴雨地震綜合作用下的穩定性計算云圖,邊坡+500 m區域至邊坡頂部+530 m區域穩定性最差,兩種工況條件下邊坡穩定性系數分別為2.158、1.808。礦山在后續回采過程中要注意暴雨對邊坡穩定性的影響,加強對地震災害的防控。

2.2 強度折減法

FLAC3D邊坡穩定系計算采用強度折減法,根據強度折減法原理,將理想彈塑體本構模型中巖土體的強度指標按照一定的標準不斷折減,從而得到不同的c、φ指標值,當數值模型發生破壞時,此時的折減系數即可表示為巖土體的穩定性系數。強度指標按照式(1)、式(2)進行折減。

cf=c/F

(1)

(2)

其中,c、φ分別為巖體的內聚力及內摩擦角,cf、φf分別為折減后巖體的內聚力及內摩擦角,F為折減系數。采用穩定性系數及全單元的計算不收斂作為邊坡穩定性的判據。

為了從多角度對比邊坡穩定性計算結果的準確性,在極限平衡法計算的基礎上采用FLAC3D有限元數值模擬軟件,對L-L′ 剖面圖在3種工況(自重、暴雨、暴雨+地震)作用下進行穩定性計算分析。利用CAD建立模型基礎框架,導入Ansys劃分單元格,如圖3a所示。將模型導入FLAC3D中進行不斷迭代計算,直至模型發生剪切破壞,根據邊坡滑動面云圖,分析邊坡安全穩定系數,如圖3b、3c、3d所示。云圖中剪應變等值線表示剪切破壞面,即邊坡變形潛在最不利滑動面的位置。L-L′ 剖面模型網格及計算結果如圖3所示。+475 m至邊坡頂部+530 m區域最容易發生剪切破壞,穩定性最低,發生破壞將從此區域逐漸往頂部擴展,從而造成邊坡整體滑移破壞。其余區域最大主應變增量較小,發生整體滑移破壞的可能性較小。3種工況條件下邊坡穩定性系數分別為2.55、2.23、1.86,均大于邊坡安全最低系數,邊坡穩定性較好,基本上不會發生邊坡滑坡事故。剪應變等值線云圖顯示,暴雨對邊坡穩定性的影響作用非常明顯,礦山在后續回采過程中要注意暴雨對邊坡穩定性的影響。

圖3 L-L′ 剖面在3種工況條件下強度折減法計算結果

2.3 邊坡穩定性綜合分析

結合極限平衡法與FLAC3D數值模擬結果,對該露天礦邊坡典型的L-L′ 剖面進行穩定性分析。分析該現狀邊坡在自重、暴雨及暴雨+地震3種工況下的穩定性。結果如表1所示。

表1 L-L′ 剖面不同工況下的穩定性系數

3 結論

通過對新疆某露天礦終了臺階邊坡典型剖面的穩定性分析可知,該采場終了邊坡剖面在自重、自重加暴雨、自重加暴雨地震3種不同工況下安全系數大于規定數值,均處于穩定狀態。但該礦山只設計了一個臺階,應加強邊坡監測,注意滾石對底部人員及設備的影響。建議重新對臺階進行調整,合理設置保安平臺與清掃平臺,減少滾石危害的可能性。