基于Geo-Studio的露天采場邊坡穩(wěn)定性研究

杜志錦,黃 寧,蘇 杰,張茂微,邵金虎,張曉悟

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán),內(nèi)蒙古 鄂爾多斯,017000)

(2.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院,湖北 武漢,430080)

(3.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州,221100)

0 引 言

露天采場邊坡的穩(wěn)定性對于露天礦的安全開采至關(guān)重要,影響著礦山的經(jīng)濟(jì)效益甚至威脅著工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。我國約有礦山 11 萬余座,其中40%的非煤礦山露天采場邊坡存在穩(wěn)定性安全隱患,對礦山的正常生產(chǎn)造成極大的困擾[1]。

邊坡滑坡、垮塌作為露天采場面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害[2],諸多學(xué)者針對邊坡滑坡機(jī)理及防治手段展開了大量研究,馮忠居等[3]針對公路土質(zhì)邊坡的滑坡成因及類型提出了抗滑樁預(yù)應(yīng)力錨索+坡面框架錨索的加固方案,汪軍輝等[4-5]基于傳遞系數(shù)法和FLAC3D數(shù)值模擬對山體滑坡的天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估分析,提出了削坡法和布設(shè)抗滑樁法兩種防治措施。

為深入研究邊露天采場、尾礦庫壩體、排土場壩體邊坡滑移的作用機(jī)理和破壞模式,灰色理論、模糊數(shù)學(xué)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Logistic回歸模型等計(jì)算手段在邊坡穩(wěn)定性預(yù)測分析過程中逐漸被人熟知[6-9],FLAC3D、邁達(dá)斯GTSNX、Geo-Studio、UDEC等數(shù)值計(jì)算軟件被相繼應(yīng)用于工程實(shí)踐中[10-11]。其中Geo-Studio數(shù)值計(jì)算軟件包含邊坡穩(wěn)定性分析、滲流場分析等8個(gè)專業(yè)模塊,能夠有效的對復(fù)雜地質(zhì)工程和復(fù)雜水文地質(zhì)條件的三維場流、地應(yīng)力傳遞、邊坡滑移進(jìn)行分析[12]。HH-Slope/W專業(yè)模塊運(yùn)用極限平衡理論可對不同土體類型、雜亂地層和滑移面形狀的邊坡中的孔隙水壓力散布狀況進(jìn)行精確建模剖析[13]。

根據(jù)上述介紹,露天采場邊坡根據(jù)地質(zhì)條件、環(huán)境因素和開采狀況的不同,其發(fā)生滑移、坍塌的作用機(jī)理、防治措施和研究方式均不相同。本文通過采用數(shù)值模擬軟件Geo-Studio中的HH-Slope/W專業(yè)模塊對石港礦區(qū)在正常采動(dòng)、爆破振動(dòng)和爆破振動(dòng)+地震力耦合作用等3種不同工況條件下的2個(gè)典型邊坡剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析,為礦山的安全開采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

石港礦區(qū)為低山區(qū)地貌,本區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高+175 m,開采最低標(biāo)高+260 m。巖體類型簡單,以碳酸鹽巖類為主,各邊坡面均無大構(gòu)造斷裂面穿過。采場設(shè)計(jì)生產(chǎn)臺階高度為15 m,開采境界內(nèi)有+365 m、+350 m、+335 m、+320 m、+305 m、+290 m、+275 m、+260 m等8個(gè)生產(chǎn)臺階開采,最終臺階坡面角65°,安全平臺寬度為5 m,清掃平臺寬度8 m,每2個(gè)臺階設(shè)1個(gè)清掃平臺,最終邊坡角為49°。現(xiàn)主采水平為+290 m水平,開采境界和現(xiàn)狀分別如圖1、圖2所示。

圖1 開采境界

圖2 開采現(xiàn)狀

2 邊坡巖體力學(xué)指標(biāo)

露天采場礦石為塊狀構(gòu)造石灰?guī)r,以塊狀灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r為主,質(zhì)堅(jiān)性脆,普氏系數(shù)為4～5。通過現(xiàn)場取樣和實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn),得出礦石物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學(xué)性能指標(biāo)

3 邊坡分區(qū)及破壞模式

3.1 露天采場邊坡分區(qū)

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)露天采場東側(cè)邊坡開采安全平臺和清掃平臺均已形成,坡度角較大,西側(cè)邊坡平臺上開采廢石堆積,坡度角較平緩。根據(jù)開采現(xiàn)狀和地質(zhì)條件將露天采場邊坡劃分為東、西兩個(gè)分區(qū),其中西區(qū)剖面線為A-A,東區(qū)剖面線為B-B,以東、西區(qū)邊坡A-A線和B-B線作為最典型剖面,邊坡剖面如圖3所示。

圖3 東、西區(qū)典型剖面圖

3.2 東西區(qū)邊坡破壞模式分析

東區(qū)邊坡剖面坡頂為+380 m安全平臺,坡底為+260 m終了平臺。礦層(體)為灰?guī)r,屬半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬的薄層—厚層狀弱巖溶化的灰?guī)r工程地質(zhì)巖組,結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬、力學(xué)強(qiáng)度高,結(jié)構(gòu)面不發(fā)育,以層面為主,層間結(jié)合力強(qiáng),邊坡節(jié)理、裂隙不發(fā)育。

西區(qū)邊坡剖面坡頂為+320 m安全平臺,坡底為+260 m終了平臺。所處巖組為以碳酸鹽巖為主的堅(jiān)硬巖組,巖性為白云質(zhì)灰?guī)r,局部淺灰灰?guī)r。礦巖層節(jié)理、層理較發(fā)育,傾角較大,構(gòu)成順層滑動(dòng)的條件。結(jié)合礦區(qū)的邊坡結(jié)構(gòu)類型和邊坡破壞類型劃分方法,確定石港礦區(qū)東、西分區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)類型和破壞模式如表2所示。

表2 露天采場東、西分區(qū)邊坡破壞模式

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 數(shù)值計(jì)算方法及工況

根據(jù)上述的邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為層狀巖體邊坡,潛在破壞模式為圓弧形復(fù)合破壞,因此確定采用簡化畢肖普法和摩根斯坦-普萊斯法對其穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析,其中畢肖普法考慮力矩平衡和垂直力平衡,垂直分條間傳遞方式不明顯,理論計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：αi—土條底部的坡角;mαi—土條自重;bi—土條寬度;Wi—土條自重;Qi—水平作用力;ui—土條底部的孔隙水壓力;R—滑弧的半徑;ei—土條水平作用力對滑弧圓心的力臂;ci′—土條底部的土體的有效粘聚力;φi′—土條底部的土體的有效內(nèi)摩擦角;Fs—滑面的安全系數(shù)。

摩根斯坦-普萊斯法認(rèn)為滑移面可為任何形狀,計(jì)算假定條塊的側(cè)向剪應(yīng)力V和法向切應(yīng)力E之間存在一個(gè)可用橫坐標(biāo)表達(dá)的函數(shù)關(guān)系,如公式(2)所示。

(2)

式中：V—側(cè)向剪應(yīng)力;E—法向切應(yīng)力;λ—任意選取的常數(shù);f(x)—任意選取的函數(shù),計(jì)算時(shí)取f(x)=1;β—土條側(cè)面作用力與水平方向的夾角。

采用邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)Slope/W模塊對露天礦邊坡分別按在3種不同工況荷載條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,3種荷載組合分別為： 荷載組合 Ⅰ ：自重+地下水; 荷載組合 Ⅱ ：自重+地下水+爆破振動(dòng)力; 荷載組合 Ⅲ ：自重+地下水+地震力。

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)開采現(xiàn)狀平面圖中西區(qū)A-A和東區(qū)B-B剖面線的各點(diǎn)高程,繪出東、西區(qū)計(jì)算剖面,進(jìn)而建立計(jì)算模型,模型共有1 862個(gè)網(wǎng)格、1 608個(gè)節(jié)點(diǎn)。在3種不同的組合荷載作用下,采用簡化畢肖普法(Bishop)和摩根斯坦-普萊斯法(Morgens-price)對東區(qū)B-B剖面邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖實(shí)比例尺1∶5。

圖4 東區(qū)B-B剖面穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)圖4計(jì)算出的安全系數(shù)顯示,最小的安全系數(shù)是Morgensern-price法在組合荷載Ⅲ條件下的計(jì)算結(jié)果,安全系數(shù)為1.217。通過對單一方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn),隨著組合荷載的增大,邊坡最危險(xiǎn)滑移面逐步向深處推進(jìn)。

針對西區(qū)A-A剖面的邊坡,同樣采用簡化畢肖普法(Bishop)和摩根斯坦-普萊斯法(Morgensern-price)計(jì)算其在3種工況下的邊坡滑移狀態(tài),計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖實(shí)比例尺1∶5。

圖5 西區(qū)A-A剖面穩(wěn)定性計(jì)算

由圖5的計(jì)算結(jié)果分析,當(dāng)采用Morgensern-price法在組合荷載 Ⅲ(爆破震動(dòng)+地震作用)條件計(jì)算時(shí),西區(qū)A-A剖面的安全系數(shù)最小,安全系數(shù)為1.078。通過對比單一計(jì)算方法在不同荷載情況下安全系數(shù)變化情況可以看出,最危險(xiǎn)滑移面隨著組合荷載的增大變化不明顯,安全穩(wěn)定系數(shù)變化不大。3種工況荷載條件下的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 東西分區(qū)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

綜上所述,東、西區(qū)邊坡剖面計(jì)算的安全系數(shù),如表3所示,其中最小安全系數(shù)為1.078,滿足規(guī)范要求,邊坡穩(wěn)定性較高。

5 結(jié) 論

本文在現(xiàn)場調(diào)研和廣泛收集資料的基礎(chǔ)上,分析了石港礦區(qū)露天采場的現(xiàn)有邊坡情況,通過Geo-Studio數(shù)值計(jì)算對露天采場邊坡在3種不同荷載條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析,得出如下結(jié)論：

(1)石港礦區(qū)東、西分區(qū)采場邊坡的在不同計(jì)算方式、不同工況條件下的最小安全系數(shù)分別為1.217和1.078,均滿足相關(guān)規(guī)范要求,邊坡穩(wěn)定可靠。

(2)通過采用控制變量法,對東、西分區(qū)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn),最危險(xiǎn)滑移面的變化隨著臺階數(shù)量、邊坡高度的增加而愈加明顯,安全滑移面數(shù)量逐步增加,安全穩(wěn)定系數(shù)逐步降低。