可靠度理論下礦山法開挖的穩(wěn)定性分析

楊勝勇

摘要：分析可靠度理論下礦山法開挖的穩(wěn)定性，以某礦場為研究對象，采用蒙特卡洛分析法對應(yīng)用礦山法開挖的礦場邊坡進行可靠性分析，得出穩(wěn)定性相關(guān)指標，試驗驗證了該方法具有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：可靠度理論；礦山法；開挖；穩(wěn)定性分析

0? ?引言

決定礦山法施工的核心影響因素是施工開挖表面的穩(wěn)定性，即周邊圍巖施工后的動態(tài)，如圍巖穩(wěn)定性差則無法施工[1]。礦山法挖掘施工的常規(guī)模式為“先挖后支”，即在挖掘進尺至一定程度后再進行巷道圍巖支撐，以保證挖掘工作面的穩(wěn)定性。挖掘斷面與進尺之間呈反比例關(guān)系[2]，斷面越大則進尺也越小，而在實際施工過程中，對挖掘進尺則主要采用經(jīng)驗判斷[3]，這種方法具有一定的局限性。本文以某礦場為研究對象，采用蒙特卡洛分析法對應(yīng)用礦山法開挖的礦場邊坡進行可靠性分析，得出穩(wěn)定性相關(guān)指標，

1? ?礦山法開挖的穩(wěn)定性影響因素

1.1? ?巖體的物理力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征

質(zhì)地較為堅硬的巖體通常具有較高的抗水性與抗風(fēng)化性[4]，可較好地防止出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。若巖體的巖性較弱，則發(fā)生滑坡的可能性較大。巖體的結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)體與基本單元，通常分為層狀、散體、塊狀以及碎裂4種結(jié)構(gòu)。巖層穩(wěn)定性與其傾斜度存在正向關(guān)系，對施工巖體進行可靠性分析，需要先掌握巖體的結(jié)構(gòu)面特征與結(jié)構(gòu)類型。

1.2? ?地下水賦存情況

在礦山法施工過程中，工程穩(wěn)定性可能受到地下水的影響，具體體現(xiàn)在巖體被侵蝕、軟化，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)被破壞，力學(xué)性質(zhì)下降，同時還會導(dǎo)致巖體含水量增加，從而提升容重。受地表水與地下水的影響，巖體抗剪強度下降，極易出現(xiàn)滑坡情況。

1.3? ?人為因素

人為因素也是影響礦山法開挖穩(wěn)定性重要因素之一。如在修改工程開挖角度時，忽略具體的巖體結(jié)構(gòu)特征，削除巖性較弱的部分形成空洞，則易導(dǎo)致巖體變形。若在施工時忽略工序，造成坡腳與坡頂?shù)拈_挖速度不一致，則容易導(dǎo)致倒坡。

2? ?可靠度理論

可靠度分析方法主要包括可靠指標法、統(tǒng)計矩陣法、蒙特卡洛法等。其中，蒙特卡洛分析法也叫做隨機模擬法，主要運用于在滿足假設(shè)的前提下研究隨機變量概率分布形式的變化情況，準確性很好。蒙特卡洛法因計算過程簡便、限制因素較少等特征受到了廣泛應(yīng)用。本文采用蒙特卡洛法分析礦山法開挖的穩(wěn)定性。

3? ?礦山法開挖穩(wěn)定性分析

3.1? ?工程概況

3.1.1? ?工程基本情況

某礦區(qū)面積較大且位于丘陵與山地地貌之間，年開挖量高達7000萬t，開挖面積超過5km2，設(shè)計礦區(qū)的上口尺寸為2500m×3000cm，極大、極小臺階標高分別為500m、-250m，邊坡高度大于600m。該礦藏開挖區(qū)域地勢較高，巖體較多，主要為山區(qū)，當(dāng)前已開挖至地下150m，下方含有大量礦藏，開挖過程中存在邊坡延伸，具有較大的穩(wěn)定性威脅，巖質(zhì)邊坡的整體危險系數(shù)較高。

3.1.2? ?土層狀況

通過實際勘察采樣獲取巖土力學(xué)參數(shù)，具體結(jié)果見表1。

3.2? ?初期支護設(shè)計

礦山法施工時，根據(jù)所穿越地層的圍巖等級設(shè)計支護斷面。其中ⅱ-ⅲ類、ⅳ類、ⅴ類屬圍巖類型的主要支護方式。依次采用“砂漿錨桿+鋼筋網(wǎng)+混凝土”、“砂漿錨桿+鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+混凝土”、“超前小導(dǎo)管+砂漿錨桿+鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+混凝土”等施工工藝進行施工。在完成初期支護設(shè)計后，按照圍巖級別設(shè)計不同厚度的內(nèi)襯，并回填、固結(jié)灌漿澆筑內(nèi)襯，以減曉圍巖變形與不規(guī)則沉降。礦山法開挖各斷面初期支護參數(shù)具體見表2。

3.3? ?開挖方法

基于圍巖級別與開挖斷面尺寸，可將礦山法開挖分為全斷面開挖、中隔壁法等。ⅱ-ⅲ類圍巖較為穩(wěn)定，不會發(fā)生塌方掉塊，且斷面尺寸小，可選擇全斷面開挖法。結(jié)合鑿巖臺架與手風(fēng)鉆鉆孔，采用光面爆破，要求循環(huán)進尺小于3m。開挖后通過噴、錨、網(wǎng)共同支護。采用非電毫秒級雷管起爆，一次爆破開挖成型，結(jié)合挖掘機與裝載機扒渣、裝渣，利用自卸車出渣。

ⅳ類圍巖應(yīng)用臺階開挖法，上、下臺階之間距離為4m，開挖后噴厚度為5cm的混凝土，然后打錨掛網(wǎng)。在上臺階設(shè)計鋼拱架并噴10cm厚的混凝土。同理進行下臺階開挖支護，完成初期支護封閉成環(huán)。

ⅴ類圍巖一般應(yīng)用環(huán)形開挖預(yù)留核心土開挖法。劃分斷面為環(huán)形拱部、上部核心土以及下部臺階，開挖進尺范圍為0.5～1m。開挖前通過超前小導(dǎo)管預(yù)支護，環(huán)形拱部開挖后展開初期支護，通過核心土和下臺階開挖實現(xiàn)支護封閉成環(huán)。

3.4? ?邊坡穩(wěn)定性分析

利用蒙特卡洛法分析礦石法開挖研究區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性，通過ANSYS軟件構(gòu)建仿真環(huán)境，設(shè)定自然和飽水兩種工況，經(jīng)模擬計算獲得邊坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，具體結(jié)果見表3。

從表3中能夠看出：自然狀況下研究區(qū)域的平均穩(wěn)定系數(shù)大于1，存在30.98%的破壞概率；在飽水狀態(tài)下，破壞概率為100%，屬于一定會發(fā)生破壞的邊坡類型。對比兩種工況模擬計算結(jié)果，飽水狀態(tài)下的破壞率嚴重高于自然狀態(tài)下的破壞概率，說明水分的增加嚴重影響研究區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性。

自然、飽水工況下，模擬計算的穩(wěn)定性系數(shù)分布直方圖結(jié)果見圖1。分析圖1能夠看出，自然、飽水工況下，經(jīng)模擬計算獲得的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)正態(tài)分布狀態(tài)，最大和最小穩(wěn)定系數(shù)在兩側(cè)分布，所占份額較小，中間位置集中平均穩(wěn)定系數(shù)，分布形式接近穩(wěn)定性分布規(guī)律。

3.5? ?外部影響下巖土邊坡穩(wěn)定性分析

3.5.1? ?巖土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化

內(nèi)排壓腳技術(shù)是一種常用的邊坡穩(wěn)定維持技術(shù)，基于該技術(shù)，分析不同內(nèi)排壓腳跟蹤距離、深部開挖角度等因素，對礦石法開挖過程中巖土邊坡穩(wěn)定性的影響。巖土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)變化情況見圖2。

通過圖2可以看出，深度開挖角越小，礦石法開挖的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越小，巖土邊坡越缺乏安全性；若深部開挖角較大，即使內(nèi)排跟蹤距離較大，邊坡表層也不會出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象。所以需要在實際施工時，控制礦石法開挖的角度，確保巖土邊坡不失穩(wěn)。

不同跟蹤距離均會隨著深部開挖角的增大而增大，內(nèi)排跟蹤距離越大，巖土邊坡的穩(wěn)定性越差，所以礦石法開挖過程中，需要注重開挖角度與內(nèi)排跟蹤距離等控制因素的設(shè)定。

3.5.2? ?坡腳傾斜度與邊坡安全系數(shù)關(guān)系

礦石法開挖過程中，邊坡坡腳傾斜度大小也會影響其穩(wěn)定性。弱面傾角為75?、邊坡高度不變條件下，坡腳傾斜度變化對邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系如圖3所示。

通過圖3可以明顯看出，順、傾向邊坡安全系數(shù)均跟隨坡腳傾斜度的增大而逐漸降低，但順傾向邊坡安全系數(shù)略高于反傾向邊坡安全系數(shù)。坡腳傾斜度越高，邊坡的安全系數(shù)越低。邊坡穩(wěn)定性受坡腳傾斜度影響，坡腳傾斜度過高易導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)。

4? ?結(jié)束語

本文以某礦場為研究對象，采用蒙特卡洛分析法對應(yīng)用礦山法開挖的礦場邊坡進行可靠性分析，得出穩(wěn)定性相關(guān)指標。試驗驗證了該方法具有較好的應(yīng)用效果。本方法簡便易行，所得結(jié)果較為可靠，具有較高的安全性，相關(guān)成果可為相關(guān)人員提供參考。

參考文獻

[1] 李博平，武軍，張笈瑋，等.考慮未支護段的礦山法隧道開挖面穩(wěn)定性研究[J].施工技術(shù)，2018，47（10）：105-108.

[2] 趙慧龍，宋戰(zhàn)平，王軍保.某礦山法施工隧道下穿公路數(shù)值模擬分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（S2）：340-346.

[3] 鄭濤，孫捷城，王國富.地鐵隧道礦山法施工事故風(fēng)險分析與評價[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2018，15（5）：1356-1362.

[4] 晉婉晴，陳潔金，胡敏.不同開挖方法下炭質(zhì)板巖隧道圍巖穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)可靠度分析[J].公路與汽運，2021（4）：170-174+179.