節理裂隙對露天采場陡傾邊坡穩定性的影響研究

王智佼 李 勇 尹健斌 楊 帆 陶志剛

(1.甘肅長達路業有限責任公司,甘肅 蘭州 730000;2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083;3.煤炭精細勘探與智能開發全國重點實驗室,北京 100083; 4.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083)

露天礦開采過程中主要的安全隱患為邊坡的失穩問題,節理裂隙的存在嚴重影響巖體的強度,是導致邊坡變形和破壞的主要因素之一[1]。因此,對礦區的節理裂隙進行研究,有助于探明露天采場的薄弱區域,從而為礦區的安全治理提供依據。

國內外學者對含節理裂隙的巖體進行了許多研究。室內試驗方面:靳瑾等[2]利用單軸壓縮試驗,分析了裂隙傾角對巖體破壞模式的影響規律;唐禮忠等[3]通過對節理裂隙傾角進行研究,得出傾角較大時,巖石有明顯的脆性性質的結論。理論分析方面:周震[4]通過研究巖石內部的節理裂隙分布特征,提出一種新型的節理裂隙提取分割算法;吳愛祥等[5]通過CT掃描技術對含節理裂隙的巖體進行研究,驗證了巖體顆粒與堆體滲透性的關系;沈寶堂等[6]基于G準則提出了F準則。隨著計算機技術的不斷發展,有限元法、邊界元法、有限差分法等數值模擬技術不斷地深入工程應用分析中[7]。

上述對含節理裂隙的巖體的研究過于單一,實際的礦區開采中現場工況復雜多變,應采用多數據、多對比的方式對其進行分析[8]。因此,本文基于土屋銅礦露天采場復雜的工程地質背景,使用數學公式與現場聲波監測相結合的方法(正態擬合分級)對礦區邊坡破碎度進行研究,再利用測線法和節理張開度對礦區節理裂隙進行現場調查(輔助赤平極射投影的生成),佐證正態擬合分級的可行性,最后再利用離散元數值模擬的方法進一步驗證上述現場調查3種方法的正確性,并利用離散元數值模擬的方法證明NPR錨索的超常力學特性,為其他破碎巖體的支護提供依據。

1 礦區工程地質概述

土屋銅礦露天采場位于新疆哈密市,位于塔里木板塊與準格爾板塊對接帶北側,南距板塊邊緣斷裂——康古爾塔格深大斷裂僅3 km,斷裂及其以南即為兩大板塊縫合帶——秋格明塔什——黃山韌性剪切帶。由于礦區附近存在多個斷裂帶,故礦區巖體的穩定性受斷裂帶的影響較大,內部巖體存在多條節理裂隙。本次調查主要研究616、628、640、652和664 m臺階邊坡,如圖1所示。

圖1 露天采場示意Fig.1 Schematic of the open pit

由于礦區位于板塊交界處,板塊運動較為強烈,因此礦區內部主要以侵入巖和火山巖為主,巖性主要表現為玄武巖、安山玢巖和次閃長玢巖等,如表1所示。根據單軸壓縮試驗,三軸壓縮試驗得出邊坡巖性參數如表2所示。

表1 巖組劃分及巖性特征Table 1 Division and lithologic characteristics of rock groups

表2 邊坡巖性參數Table 2 Slope lithology parameters

2 正態擬合分級下的聲波測井試驗研究

全波列聲波測井主要是利用沿井壁傳播的聲波—滑行波,來探測井壁巖體的裂隙損傷結構[9]。應用射線聲學理論分析,當發射聲源(發射換能器)的幾何尺寸小于聲波的波長時,發射聲波的指向性較差,在井孔中激發的聲波則以不同的角度輻射到井壁上,并在井液與井壁的界面上發生反射及折射,而折射使部分聲波能量進入巖體[10]。同理,滑行波在傳播過程中亦可以90°入射角,不斷折射回井液,并被接收換能器拾取。

2.1 正態擬合分布分級法

采用最小二乘法的正態擬合分布模型分析縱波波速數據,在工程應用上經過實踐已經能夠很好地對縱波波速進行分段,從而更有針對性地對工程上的巖體進行質量分級,可以真實地反映巖體的實際狀況,其推導公式如下[11]。

將縱波波速轉換成概率密度曲線:

式中,Vpi為第i巖體的聲速值;Ni為第i個巖體的聲速值個數;S為聲波數據曲線與坐標橫軸之間的面積;Di為概率歸一化后的第i個巖體指標。

正態分布的概率密度函數:

式中,μ為正態分布的期望值;σ為正態分布的標準差。

隨后利用正態分布概率密度函數推導出函數:

即

式中,n為正態分布概率密度函數數量;λi為第i個正態分布概率密度函數權重;μi為第i個正態分布概率密度函數中期望值;σi為第i個正態分布概率密度函數中標準差。

由圖2所示,擬合后的曲線根據縱波波速將巖體質量分成4個等級,且與縱波波速測得的巖體完整性系數分級法相近,因此具有較強的科學性。具體分級如下:

圖2 正態分布擬合曲線示意Fig.2 Schematic of the normal distribution fitting curves

(1)將縱波波速大于5 100 m/s的區域劃分為Ⅰ級。

(2)將縱波波速為4 400～5 100 m/s的區域劃分為Ⅱ級。

(3)將縱波波速為3 500～4 400 m/s的區域劃分為Ⅲ級。其中3 500～3 900 m/s劃分為Ⅲ2級,3 900～4 400 m/s劃分為Ⅲ1級。

(4)將縱波波速小于3 500 m/s的區域劃分為Ⅳ級。

2.2 現場聲波鉆孔分析

由于橫波在穿過相同地層時比縱波的傳播速度慢,因此在地球物理勘探中橫波波速Vs的分辨率要比縱波波速Vp高[12]。本次采用全波列聲波測井儀器對礦區不同區域的5個鉆孔(A、B、C、D、F)進行橫波波速監測,利用縱波波速約為橫波波速的1.6～1.7倍計算出縱波波速[13],再參考縱波波速正態擬合巖體分級曲線(如圖2所示),進而得到礦區的巖體質量等級。

由圖3可知,A孔區域的縱波波速范圍約為1.4～2.6 km/s;B孔區域的縱波波速范圍約為1.6～2.2 km/s;C孔區域的縱波波速范圍約為1.5～2.6 km/s;D孔區域的縱波波速范圍約為1.6～2.7 km/s;F孔區域的縱波波速范圍約為1.5～2.5 km/s。對比圖2的正態分布擬合曲線示意圖可知,鉆孔區域的巖體質量等級表現為Ⅳ級,巖體完整性較差,因此內部巖體的節理裂隙較為發育,巖體較為破碎。

圖3 礦區波速監測曲線Fig.3 Mine wave velocity monitoring curves

3 現場邊坡節理裂隙地質調查分析研究

3.1 測線法分析礦區邊坡節理裂隙

節理裂隙是影響邊坡穩定性的重要因素之一,通常可以從以下幾個幾何參數來加以描述:節理產狀、節理組數、節理間距、粗糙度和節理裂隙寬度等[14]。因此,從以上幾何參數入手,采用測線法對露天采場的邊坡穩定性進行現場節理調查分析,邊坡部分參數如表3所示。

表3 邊坡參數Table 3 Slope parameters

采用測線法選擇臺階上露頭良好、地面平整、具有永久標識的地段布置詳細測線。每條測線上根據臺階長度設置若干個測站,測站沿著邊坡走向設置,長度不等,約10～50 m一個。測線沿著邊坡傾向間距12 m,每個測站輻射范圍600 m2。

(1)604 m臺階邊坡。604 m臺階邊坡共設置9個測點,經過現場調查,604 m臺階邊坡累計測量節理19條,軟弱夾層7條。節理和裂隙分布密度f=1～15條/m。邊坡東部南北走向邊坡坡面節理最為發育,巖體完整性分類屬于破碎和較破碎,由于604 m臺階范圍較小,因此沒有發現明顯的滑坡、崩塌等災害,底部未見積水。

(2)616 m臺階邊坡。616 m臺階共設置30個測點,經過現場調查,616 m臺階邊坡節理裂隙、弱層極其發育,其中累計調查21組節理,20組軟弱夾層;具體表現為局部滑坡體2處、楔形破壞1處、小斷層1處、危巖體2處。節理和裂隙分布密度f=3～23條/m。

(3)628 m臺階邊坡。628 m臺階共設置48個測點,經過現場調查,整個臺階東北角邊坡和西南角邊坡受F16斷層控制,巖體極其破碎;南側和東側邊坡巖體較破碎,北側和南側邊坡中部巖體較完整。經過現場工程地質調查,628 m臺階上發現:節理裂隙和弱層極其發育,其中累計調查28組節理,50組軟弱夾層;局部滑坡體2處、楔形破壞1處、F16斷層1處、危巖體1處。節理和裂隙分布密度f=1～25條/m。

(4)640 m臺階邊坡。640 m臺階邊坡共設置33個測點,經過現場調查,640 m臺階邊坡上發現節理裂隙、弱層極其發育,其中累計調查25組節理,38組軟弱夾層;F16斷層1處、危巖體3處。節理和裂隙分布密度f=1～25條/m。

(5)652 m臺階邊坡。652 m臺階邊坡共設置10個測點,經過現場調查,整個邊坡中部巖體較完整,東西端幫邊坡碎石、礫石及砂土堆積。652 m臺階上發現節理裂隙、弱層極其發育,其中累計調查21組節理,10組軟弱夾層,危巖體1處。節理和裂隙分布密度f=2～22條/m。

(6)664 m臺階邊坡。664 m臺階邊坡共設置12個測點,經過現場調查,整個邊坡中部巖體較完整,東西端幫邊坡碎石、礫石及砂土堆積。節理裂隙、弱層極其發育,其中累計調查1組節理、16組軟弱夾層、危巖體1處。節理和裂隙分布密度f=5～8條/m。

綜上所述,經過現場地質調查,礦區內的節理裂隙較為發育,巖體完整性較差,部分區域存在滑坡、危巖失穩等問題,如圖4所示。

圖4 現場調查工況Fig.4 On-site investigation working diagram

3.2 根據節理寬度分析礦區邊坡巖體質量

節理裂隙的寬度是評價一個礦區巖體穩定性的重要指標之一,一定程度上可以直觀地反映出礦區的巖體破碎程度。節理裂隙的寬度代表巖體的張開度,張開度越大代表結構面失穩越嚴重,根據鐵道工程地質技術規范(TBJ 12-85)可以把節理裂隙的張開度分成4個等級[15],如表4所示。

表4 節理裂隙張開度劃分Table 4 Division of joint crack opening degree

根據露天采場對節理裂隙和軟弱夾層的現場工程地質調查得出604 m臺階邊坡、616 m臺階邊坡、628 m臺階邊坡、640 m臺階邊坡、652 m臺階邊坡和664 m臺階邊坡的節理裂隙寬度值如圖5所示,再對比表4的節理裂隙張開度劃分,對礦區邊坡的穩定性進行分析。

圖5 礦區邊坡節理寬度統計柱狀圖Fig.5 Statistical bar chart of joint width in mining area

由圖5可知,604 m臺階邊坡節理裂隙最小寬度為5 mm,616 m臺階邊坡節理裂隙最小寬度為9 mm,628 m臺階邊坡節理裂隙最小寬度為17 mm,640m臺階邊坡節理裂隙最小寬度為5 mm,652 m臺階邊坡節理裂隙最小寬度為5 mm,664 m臺階邊坡節理裂隙最小寬度為8 mm。經對比可知,礦區邊坡的節理裂隙張開度均大于5 mm,屬于寬開程度,節理裂隙較為發育,巖體完整性較差,容易發生邊坡滑移、失穩等問題。

綜上所述,可以將整個礦區劃分為4個分區(如圖6所示)。運用節理分析軟件DIPS程序,統計分析4個分區調查結果,得到土屋銅礦采場總體境界內節理裂隙構造赤平極射投影統計如圖7所示。

圖7 節理裂隙構造統計分析(整個礦區)Fig.7 Statistical analysis of joint and fracture structure(whole mining area)

由節理調查資料結合赤平極射投影圖可知,礦區節理走向主要沿NE向和EW向。通過對巖體節理裂隙統計數據分析可以看出,從不同分區的礦巖節理密度來看,Ⅰ區巖體平均節理密度較小,為4.8條/m,Ⅱ區巖體平均節理密度較大,為7.2條/m,Ⅲ區巖體平均節理密度較小,為3.1條/m,Ⅳ區巖體平均節理密度較大,為6.7條/m。因此可將礦區內Ⅰ區和Ⅲ區邊坡巖石劃分為4級圍巖,Ⅱ區和Ⅳ區邊坡巖體劃分為5級圍巖。從整個現場節理裂隙統計分析結果來看,平均節理密度為5.45條/m,礦區的節理裂隙發育程度為較發育程度,礦區邊坡巖體存在失穩問題。

4 節理裂隙對邊坡影響的數值模擬試驗研究

根據上述調查研究發現,不同節理傾向和不同節理密度的邊坡穩定性各不相同[16]。因此,基于表3的現場工程地質調查背景,以616 m臺階邊坡(順層傾向邊坡)、628 m臺階邊坡(破碎巖體邊坡)、652 m臺階邊坡(反傾向密集節理邊坡)和664 m臺階邊坡(反傾向稀疏節理邊坡)部分區域為研究對象(如圖8所示),利用3DEC離散元數值模擬技術分別模擬4個邊坡的失穩情況,佐證調查結果,為邊坡失穩的防治提供科學依據。

圖8 不同邊坡模型示意Fig.8 Schematic of different slope models

根據現場邊坡調查研究,建立長×寬×高為45 m×10 m×17 m的數值模擬模型,節理走向的選取方式主要根據實際節理調查中破碎較為嚴重區域,選取較多走向的節理為建模依據,忽略其他影響較小的節理,因此主要把礦區露天采場的邊坡類型分成三類:

(1)不同節理密度的邊坡破壞數值模擬對比研究,以652 m臺階邊坡與664 m臺階邊坡為例。

(2)順層節理邊坡與反傾向節理邊坡的數值模擬對比研究,以616 m臺階邊坡與652 m臺階邊坡為例。

(3)層狀節理結構邊坡與塊體節理結構邊坡的數值模擬對比研究,以616 m臺階邊坡與628 m臺階邊坡為例。

由圖9對比可知(由于現場對比圖較多,因此只用628 m臺階邊坡的數值模擬結果對比628 m臺階邊坡的實際情況):

不同節理密度的邊坡穩定性對比研究:由圖9(a)和圖9(b)對比可知,反傾向邊坡中652 m臺階邊坡的節理數量大于664 m臺階邊坡的節理數量。在邊坡角度與節理傾向相同的情況下,664 m臺階邊坡的最大位移約為0.18 m,652 m臺階邊坡的最大位移約為0.25 m。說明節理的數量與邊坡的位移呈正相關關系。

順層節理邊坡與反傾向節理邊坡穩定性對比研究:由圖9(b)和圖9(d)對比可知,在邊坡角度與節理數量相同的情況下,順層節理邊坡(616 m臺階邊坡)的最大位移約為0.20 m,反傾向邊坡(652 m臺階邊坡)的最大位移約為0.25 m。說明節理的走向也是影響邊坡穩定性的重要因素之一,相比之下反傾邊坡更容易發生滑移,邊坡失穩更為嚴重。

層狀結構邊坡與塊狀結構邊坡穩定性對比研究:由圖9(c)和圖9(d)對比可知,在邊坡角度與節理走向相同的情況下,層狀結構邊坡(616 m臺階邊坡)的最大位移約為0.20 m,塊狀結構邊坡(628 m臺階邊坡)的最大位移約為0.79 m。塊狀結構的邊坡巖體破碎程度較為嚴重,巖體強度更低,因此邊坡失穩更加嚴重,更容易造成邊坡失穩,再與現場調查圖9(e)對比得知現場滑落的塊體較多,與實際情況符合。

由邊坡放大云圖可以看出:圖9(a)和圖9(b)屬于反傾向邊坡,容易出現張拉破壞,致使節理發生錯斷滑移,在邊坡處形成疊瓦狀傾倒。圖9(c)的邊坡塊體較為破碎,在邊坡滑移中出現碎塊滑動的現象。圖9(d)屬于順傾向邊坡,受剪切破壞較為明顯,因此邊坡的位移沿節理發育方向滑動。

綜上所述,由圖9可以看出,邊坡的滑移與節理數量、節理傾向和節理的結構狀態等參數密切相關,隨著參數的增大,邊坡失穩越來越嚴重。

5 NPR錨索超常力學支護效果研究

傳統錨索多為正泊松比材料,強度較低導致其支護條件有限,在大變形區和高地應力區往往會發生斷裂現象,不能滿足工程需求。隨著我國工程建設需求的不斷增大,具有負泊松比效應的NPR錨索由此誕生,NPR錨索可以對破碎圍巖進行補償力學做功,從而使圍巖變形減小。

NPR錨索主要由套筒、恒阻體和鋼絞線組合的普通錨索構成(如圖10所示),實現恒阻特性的主要部件為可以在套筒內部進行滑移的恒阻體,恒阻體的滑移會使巖體與錨索處于平衡狀態,具體表現[17-18]為:當外力強度超過錨索屈服強度的90%時,錨索內部的恒阻體會在恒阻體內發生滑移抵抗外部載荷,使承載能力繼續增加。即:當外加荷載由巖體對NPR錨索小于變形所需的最大載荷時,此時NPR錨索處于彈性變形階段,圍巖體是穩定的;當巖體對NPR錨索施加的外部載荷大于變形所需的最大載荷時,NPR錨索將發揮其恒阻特性,抵消圍巖中的荷載,此時巷道圍巖再次處于相對穩定狀態[19]。

工程應用中為了對巖體失穩區域進行加固,通常使用錨索進行圍巖支護操作。高恒阻能量吸收錨索(NPR錨索)與傳統錨索(PR錨索)的區別在于利用負泊松比效應抵御外力,具有更強的吸能效果,如圖11、圖12所示。NPR錨索的參數具體表現為:鋼絞線長度一般為40 m,密度為7.85 g/cm3,泊松比為0.269,彈性模量為210 GPa,抗拉強度為800 MPa,屈服強度為355 MPa。套筒的長度為1 m,密度為7.80 g/cm3,泊松比為0.3,彈性模量為206 GPa,經過靜力拉伸試驗得出NPR錨索的恒阻值可達350 kN。

圖11 NPR錨索與PR錨索的變形示意Fig.11 Deformation diagram of NPR anchor cable and PR anchor cable

圖12 NPR錨索支護原理Fig.12 Support principle of NPR anchor cable

研究表明,NPR錨索相比于其他大變形錨桿具有更強的吸能效果[20]。為了證明NPR錨索比PR錨索具有更強的支護效果,本節以616 m臺階邊坡為例,分別對邊坡進行PR支護和NPR支護的數值模擬試驗研究,并在邊坡表面設置A、B、C 3個監測點,進一步驗證NPR良好的抵御外力的能力,錨索支護位置如圖13所示。

圖13 錨索支護示意Fig.13 Schematic of anchor ride support

由圖14宏觀位移分析可知:錨索的支護對邊坡的穩定性具有很強的約束效果,NPR錨索支護后的位移量整體小于PR錨索支護后的位移。當對邊坡進行PR錨索支護時,邊坡的最大位移約為0.09 m,其支護位置的位移由原來的0.20 m下降到0.05～0.07 m,位移約束效果較為明顯。當對邊坡進行NPR錨索支護時,邊坡的最大位移約為0.009 7 m,其支護位置的位移由原來的0.20 m下降到0.004 8～0.007 2 m,位移約束效果極其明顯(由放大后的邊坡云圖可以看出)。

圖14 錨索支護效果對比Fig.14 Comparison of anchor cable support effect

6 結 論

(1)由礦區內聲波波速對比正態擬合試驗研究可知:露天礦區內縱波波速介于1.4～2.6 km/s之間,巖體質量等級表現為Ⅳ級,巖體完整性較差,因此內部巖體的節理裂隙較為發育。

(2)由測線法和節理寬度分析法對礦區邊坡進行現場勘測可知:礦區內邊坡的節理裂隙較為發育,張開度均大于5 mm,屬于寬開程度,容易發生滑坡等邊坡失穩問題。結合赤平極射投影法可將礦區分成4個區域,其中Ⅰ區和Ⅲ區邊坡巖體為4級圍巖,Ⅱ區和Ⅳ區邊坡巖體為5級圍巖,礦區整體巖性較差,存在邊坡失穩問題。

(3)通過離散元數值模擬的方法從節理密度、節理走向等方面對邊坡進行分析研究,得出628 m臺階邊坡的巖體穩定性最低,坡面產生的最大位移為0.79 m,通過對比得出與現場工程監測到的位移結果相近,驗證了現場節理發育的調查結果。

(4)以616 m臺階邊坡為例,利用數值模擬的方法對坡面進行PR和NPR錨索支護,得出PR錨索支護時邊坡的最大位移約為0.09 m,NPR錨索支護時邊坡的最大位移為0.009 7 m,從數值模擬的角度驗證了NPR錨索的超常力學特性。綜上所述,基于土屋露天銅礦復雜的工程背景,利用數學與工程監測相結合、現場監測與數值模擬相互佐證的研究方法,得出礦區內巖體較為破碎、節理較為發育的試驗結果,并提出可用NPR錨索進行支護的加固方式,為其他破碎邊坡及軟弱圍巖的地下工程提供科學依據。