露天轉地下開采露天邊坡穩定性數值模擬分析及研究

胡建釗

(金誠信礦山工程設計院有限公司,北京 100070)

0 引 言

某金屬礦采用露天開采多年,隨著露天坑深度增加,露天邊坡高度也越來越高,且因露天資源枯竭需轉為地下開采,而地下開采活動會使露天邊坡圍巖原有的應力應變狀態發生改變,對露天邊坡穩定性造成影響,而露天邊坡的失穩將直接威脅地下開采的生產安全,因此有必要對露天邊坡穩定性進行評估[1-3]。

過去邊坡的穩定性分析方法主要是極限平衡法,這一方法可用于分析具有少量節理切割的塊體,對于強節理化巖體顯得略有不足。該金屬礦露天采場主要巖體為千枚巖,片理結構較發育,若采用極限平衡法對礦山露天邊坡進行穩定性分析,計算結果可能產生較大的誤差。

針對極限平衡法的不足,數值分析方法逐步被引入用于邊坡穩定性分析,同時,隨著強度折減理論的發展,將強度折減理論與數值計算方法相結合進行計算分析應用于邊坡穩定性分析,取得了一定的成效。

強度折減法是通過強度折減計算程序自動求得巖土工程邊坡的潛在滑動面以及相應的安全系數,為邊坡穩定性分析提供依據與分析基礎。計算時,不斷折減巖體的強度直至邊坡失穩,得到強度折減的系數就是邊坡安全系數[4]。

從物理意義上來說,強度折減法是基于材料強度儲備的概念,其物理意義與極限平衡法的安全系數意義是相同的[5]。因而,強度折減法可以說是一種新的安全系數求解方法,豐富了極限平衡分析的思想。

強度折減法能夠對具有復雜地貌、地質構造的邊坡進行計算,并且考慮了巖土體的本構關系及變形對應力的影響,能夠模擬邊坡的變形過程及其滑動面形狀以及巖土體與支護結構(錨桿、錨索、襯砌等)的共同作用,在求解安全系數時,不需要事先假定滑動面的形狀,也無需進行條分[6-7]。

從工程應用的角度來說,強度折減法和極限平衡法,均適用于邊坡工程的穩定性分析。

現針對某金屬礦露天轉地下開采后,采用數值模擬和強度折減法相結合的方法,選取典型剖面建立單元數值計算模型,考慮不同工況下進行最終邊坡穩定性計算,得到不同工況下各邊坡的安全系數,為后續地下開采的方案優化提供參考。

1 工程地質條件

某金屬礦原采用露天開采,隨著露天開采資源的逐漸枯竭,現轉為地下開采[8]。礦床屬銀山背斜斷裂裂隙帶格架下的中生代陸相火山—次火山期后中低溫熱液裂隙充填型礦床。礦區礦石自然類型劃分為細網脈浸染蝕變巖型礦石和致密塊狀硫化物脈型兩種礦石類型。

礦區大致可分為第四系松散孔隙含水層、雙橋山群淺變質巖和火山巖風化帶含水層(帶)及構造裂隙含水帶3個含水層(帶)。考慮露天坑降雨時可能的滲水情況礦區涌水量為正常涌水量5 000 m3/d,最大涌水量14 000 m3/d。礦區水文地質條件簡單。

礦體分布在非巖溶地區,頂、底板圍巖主要為千枚巖,其次為火山碎屑巖、熔巖和次火山巖,結構較緊密。采區或采空暴露面僅見局部遇構造破碎帶有支護,較多采區采空暴露面積10 m×10 m,高度2～3 m,沒有任何支護,歷經數年,至今仍保持完好,礦床工程地質條件屬中等類型。

2 模型建立

2.1 剖面選取

礦體走向近東西,平均傾角80°以上。以礦體、露采最終邊坡、地表和預留保安礦柱等組合的復合三維模型為基礎,結合露采礦坑的范圍,選取9個剖面進行查看,其空間相對位置如圖1所示。

圖1 剖面線及礦體相對位置

根據初步選取的剖面位置,在三維礦業軟件中切出相應的剖面,綜合各剖面的回采區域大小及回采區域所處露采最終境界的相對位置等因素,最終選取03#、06#、08#3個典型剖面建立單元數值計算模型,進行穩定性計算[9]。

2.2 數值模型建立

2.2.1 礦巖力學參數選擇

巖性主要包括絹云母化千枚巖、砂質千枚巖和斑巖,其主要力學參數見表 1[10]。

表1 巖體和充填體力學參數

2.2.2 邊坡巖體本構模型

邊坡穩定性問題主要是力與強度的問題,對于有限元強度折減法而言,通常選用理想彈塑性模型作為邊坡土體本構模型,而屈服準則的選取又直接影響到穩定系數的計算,選取的屈服準則不同,所計算出的系數不同。結合礦區實際邊坡,邊坡巖體本構模型選擇理想彈塑性體,建立模型后,使用Mohr-Coulomb屈服準則判斷的巖體的破壞情況[11-12]。

2.2.3 數值模型建立

根據選取的03#、06#、08#3個典型剖面,然后合理選取剖面建模范圍[13]。使用三維建模工具,將剖面模型導入其中,建立可供Flac3D有限差分數值計算使用的網格模型,并依據不同巖性進行模型中的區域分組[14-15]。

建立的三維模型尺寸為820 m×650 m×450 m,模型共劃分143 945節點和124 018單元。計算模型見圖2。

圖2 03#典型剖面slope-03網格模型

從圖2可以看出,4種顏色分別表示礦體、采空區、保安礦柱和巖石。03#典型剖面沿礦體走向布置,可以最大程度的展示礦體,03#剖面位于礦體西部,而06#和08#剖面均位于礦體東部,06#和08#剖面布置在礦體上下盤位置,和03#剖面一起揭示了采場采空區和礦體上下盤位置最終邊坡的情況。

3 模擬方案及模擬結果分析

3.1 模擬方案

考慮在露天坑底留設50 m保安礦柱,評價地下充填法開采對露采最終邊坡的穩定性影響。采場主要參數為：采場采用沿走向布置,中段高度為60 m,采場長為50 m,采場寬為礦體厚度。共選擇3個采空區,其中2個采空區位于礦體東部,1個采空區位于礦體西部。

進行以下3種工況下邊坡的穩定性計算分析[16]。(1)原始邊坡,地下礦未開采時,最終邊坡的穩定情況;(2)空場法開采礦體后,最終邊坡的穩定情況;(3)充填法開采礦體后,最終邊坡的穩定情況。

3.2 數值模擬結果分析

根據模擬方案,03#剖面原始邊坡、空場法開采和充填法開采的剪應變增量云圖和最大主應力云圖見圖3～圖5,06#剖面原始邊坡、空場法開采和充填法開采的剪應變增量云圖和最大主應力云圖見圖6～圖8,08#剖面原始邊坡、空場法開采和充填法開采的剪應變增量云圖和最大主應力云圖見圖9～圖11。

圖3 03#剖面原始邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖4 03#剖面空場法開采邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖5 03#剖面充填法開采邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖6 06#剖面原始邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖7 06#剖面空場法邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖8 06#剖面充填法開采邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖9 08#剖面原始邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖10 08#剖面空場法邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

圖11 08#剖面充填法開采邊坡剪應變增量云圖和最大主應力云圖

邊坡剪應變增量云圖表明了邊坡可能出現的潛在滑動面的大致位置,從圖3～圖11可以看出：采用空場法開采后,邊坡剪應力發生較為明顯的變化,其值一般呈逐步增大的趨勢。而采用充填法開采后,邊坡剪應力值一般呈略微下降的趨勢。空場法開采后對剪應變增量的集中區域產生影響,改變了潛在滑動面可能出現的位置,而充填法開采則影響不大。

邊坡最大主應力云圖可以反映出每種工況下邊坡的主應力分布情況,從圖3～圖11可以看出采用空場法開采后,最大主應力發生較為明顯的變化,其值呈逐步增大的趨勢。采用充填法開采,最大主應力則一般呈下降的趨勢。

空場法和充填法開采和最大主應力關系見圖12。從圖12可以看出：03#剖面采用充填法開采后最大主應力由1.31 MPa微降至1.29 MPa,而采用空場法開采后最大主應力由1.31 MPa增加到2.30 MPa;06#剖面采用充填法開采后最大主應力由1.36 MPa增加至1.50 MPa,采用空場法開采后最大主應力由1.36 MPa增加到2.40 MPa;08#剖面采用充填法開采后最大主應力由2.00 MPa大幅降低至1.37 MPa,采用空場法開采后最大主應力由2.00 MPa增加到2.20 MPa。

圖12 空場法和充填法開采和最大主應力關系

采用充填法開采后最大主應力下降趨勢明顯,大大提高了邊坡穩定性,增強了采場開采的安全性;而采用空場法開采后最大主應力表現出大幅度增加的規律,導致露天邊坡不穩定,降低了采場開采的安全性。

總體來說,相對空場法開采,采用充填法開采對緩解邊坡最大主應力有較好的效果,可以提高露天邊坡穩定,有利于安全回采。

3.3 不同工況條件下露天最終邊坡安全系數

某金屬礦由露天轉為地下開采,采場垂直礦體走向布置,同時勘探線剖面垂直礦體走向。采用原始邊坡、空場法開采和充填法開采3種工況下露天最終邊坡的穩定性計算分析。

根據前述建立的數值計算模型,導入Flac3D,設定模型的邊界條件、不同巖性物理力學參數,采用強度折減法,以計算不收斂為判據,進行最終邊坡穩定性計算,得到不同工況下各邊坡的安全系數[17-18],見表2。

表2 3種工況下露天最終邊坡安全系數

4 露天轉地下開采后最終露天邊坡穩定性分析

安全系數是評價邊坡穩定性的主要指標,是較復雜的系統工程,且一般邊坡安全系數的計算與邊坡研究的深度和廣度、研究方法、所選參數的代表性和可靠性、邊坡高度與坡角堆及對邊坡工程地質和水文地質條件等諸多因素的認識程度有關。安全系數限值的確定要綜合考慮現場評估、 工程類比及有關設計規范[19]。

依據《滑坡防治工程勘察規范》中的滑坡穩定性狀態劃分,當邊坡安全系數大于1.15,邊坡處于穩定狀態[20]。

從表2的計算結果并結合該金屬礦實際情況,整體上看,3個典型剖面的原始邊坡安全系數都在1.15以上,根據《滑坡防治工程勘察規范》中的滑坡穩定性狀態劃分,可以知道礦山原始邊坡整體處于穩定狀態。

如果采用空場法開采礦體,03#剖面邊坡安全系數為0.35,邊坡處于不穩定狀態;06#和08#剖面邊坡的安全系數處于安全臨界狀態(安全系數=1.0時)。由此說明礦體不能采用空場法回采,否則境界最終邊坡會不穩定[21]。

當采用充填法并且充填體強度不小于1 MPa時,03#、06#和08#剖面邊坡的安全系數均大于1.15,邊坡處于穩定狀態。

5 結 論

為確定露天邊坡的穩定性,選取了3種不同工況下的露天邊坡并采用數值模擬軟件建立了礦體三維模型進行穩定性計算,通過分析不同工況下的剪應變增量云圖和最大主應力云圖,可得到以下結論：

(1)原始邊坡因沒有采動因素干擾,滑動面處于穩定狀態,最大主應力無變化,對邊坡無影響。邊坡安全系數大于1.15,邊坡處于穩定狀態。

(2)采用空場法開采,邊坡剪應力呈逐步增大的趨勢,大大增加了滑坡的風險。同時最大主應力同樣呈逐步增大的趨勢,3個剖面邊坡安全系數均小于1.15,邊坡處于不穩定狀態,因此空場法不適用。

(3)采用充填體強度不小于1 MPa的充填法開采,邊坡剪應力值呈下降的趨勢,滑動面處于穩定狀態;而最大主應力一般呈下降的趨勢,3個剖面邊坡安全系數均大于1.15,邊坡處于穩定狀態。

(4)雖然采用一定強度的充填體進行充填法開采可以保持邊坡總體穩定,但在礦山生產過程中仍需嚴格控制邊坡坡度,做好邊坡穩定性監測工作,發現邊坡存在較大裂隙時及時進行加固,避免裂隙擴大造成邊坡失穩,加強雨季露天邊坡監測和安全防控。

(5)綜合利用強度折減法和數值分析方法,能科學準確的對露天邊坡穩定性狀況做出評判,同時為地下安全開采提供了依據,研究的方法和結果對相似條件下的露天邊坡穩定性分析具有一定的借鑒意義。