新鋼分宜礦邊坡穩(wěn)定性分析

曾德夸，陳建平，許振華，馬艷玲

（1.新余鋼鐵集團有限公司分宜礦，江西 分宜 336600；2.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；3.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，南昌 330002）

新鋼分宜礦邊坡穩(wěn)定性分析

曾德夸1，陳建平2，許振華3，馬艷玲2

（1.新余鋼鐵集團有限公司分宜礦，江西 分宜 336600；2.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；3.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，南昌 330002）

為了評價新鋼分宜露天礦邊坡的穩(wěn)定性，應用有限差分強度折減法，對該礦山人工邊坡的穩(wěn)定性進行了計算分析，并和現(xiàn)場實際情況進行了對比.結(jié)果表明，由于有限差分強度折減法能夠?qū)嶋H模擬邊坡計算模型，客觀的分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，求得的邊坡安全系數(shù)較為合理.

有限差分；強度折減法；邊坡穩(wěn)定性分析；安全系數(shù)

0 引 言

江西省新余鋼鐵有限責任公司分宜礦位于江西省新余市分宜縣境內(nèi)，礦區(qū)位于分宜縣城南西4 km，隸屬分宜縣分宜鎮(zhèn)，礦山主要開采白云石礦，儲量1108.4萬t，年產(chǎn)30萬t，采場保有儲量至2006年還有233萬t，礦山采用山坡露天開采方式.

分宜礦原設(shè)計服務年限14 a，為增加礦量，延長礦山服務年限，分宜礦于2007年開始，在原開采基礎(chǔ)上進行露天采場擴幫設(shè)計，擴幫工程將對已形成邊坡向北擴約40 m，擴幫后露天底標高為+103 m，最高開采水平為+255 m，采場上部最寬260 m，露天底寬180 m.露天采場擴幫后分12個臺階，135 m水平以上臺階高度定為15 m，135 m以下臺階定為10 m，臺階坡面角為70°，臺階寬度11 m，最終邊坡角為54°.擴幫后只延長礦山的服務年限，不增加產(chǎn)量（30×104t/a）,擴幫后新增礦量205.75萬t，新增服務年限6.5 a.

在目前擴幫工程中，245 m平臺揭露出的斷層（F1）規(guī)模較大，延長2 km左右，走向東西，傾向北西轉(zhuǎn)正北，傾角50°左右，斷層巖體極不穩(wěn)定，有矽化破碎現(xiàn)象，雖然斷層傾向和邊坡傾向相反，但該部分巖體 （現(xiàn)場踏勘為泥巖）在雨水較多時遇水軟化易失穩(wěn)，造成上部265 m、275 m平臺（已到設(shè)計最終邊坡位置）邊坡失穩(wěn)滑坡，嚴重影響下部平臺作業(yè)安全和開采進度.斷層上盤為砂頁巖，下盤為礦體白云巖、白云灰?guī)r，巖體均相對穩(wěn)定，但由于斷層巖體的不穩(wěn)定，已影響到上盤邊坡的整體穩(wěn)定性.采場目前邊坡高陡，坡面上有危石分布,坡頂為松散土層,雨季常發(fā)生不同程度的坍塌，盡管在已靠幫邊坡上留有平臺，但平臺過窄，起不了截止碴的作用，如不及時處理，將成為礦山開采的重大安全隱患.因此，借助FLAC(有限差分法)軟件，應用強度折減法對該礦山邊坡的穩(wěn)定性進行了計算和分析，評價及預測擴幫過程中永久邊坡與過渡邊坡可能發(fā)生的地質(zhì)災害，以指導現(xiàn)場生產(chǎn)施工，對確保下部平臺采礦工程的安全具有重要的現(xiàn)實意義.

1 FLAC強度折減法原理簡介

三維快速拉格朗日法（FLAC）是一種基于三維顯式有限差分方法的數(shù)值分析方法.FLAC3D是土工程專業(yè)分析軟件，它主要用于模擬巖土或其他材料的三維力學特性，是由ITASCA咨詢有限公司研制開發(fā).

所謂強度折減法[1-3]就是在理想彈塑性有限元計算中將邊坡巖土體的抗剪切強度指標c、φ值逐漸地降低，直到其達到臨界破壞狀態(tài)為止.破壞狀態(tài)一般采用非線性程序是否收斂、塑性區(qū)貫通、位移突變性等邊坡失穩(wěn)準則來判斷.達到破壞狀態(tài)的塑性區(qū)即為破壞滑動面，具體計算式為：

式（1），式（2）中：F 為折減系數(shù)；c’、φ’分別為折減后的材料內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角.

2 計算過程

2.1 模型建立

根據(jù)礦山開采設(shè)計資料、地形及其工程特性，概化后的露天邊坡模型剖面網(wǎng)格圖見圖1，邊坡高度從300 m到103 m，最終邊坡坡面角59°，一共劃分3880個節(jié)點，11355個單元.模型兩側(cè)施加水平方向位移約束，底部施加水平、豎直方向位移約束.通過強度折減法尋找開挖后邊坡的滑動面，表1為參考巖石力學參數(shù)手冊，采用內(nèi)插法確定巖石力學參數(shù)，再折減得到巖體的強度參數(shù).

表1 巖石力學參數(shù)

由于礦山為山坡露天開采，在采場走向上各巖層具有較好的一致性，本文以垂直采場走向的A、B、C、D、E剖面為例進行討論分析.

以下計算的各剖面的巖層組成均相類似，如圖1.其中巖層1為第四系土層，2為鐵質(zhì)石英砂巖，3、5、7 為青灰色泥質(zhì)頁巖，4、6 為黑色泥質(zhì)頁巖，底部為白云巖.

2.2 約束條件和初始條件

計算模型除頂部表面自由邊界外，模型底部（z=0）設(shè)為固定約束邊界，模型左側(cè)施加水平方向位移約束，通過強度折減法尋找開挖后邊坡的滑動面.在初始條件中，不考慮構(gòu)造應力，僅考慮自重應力產(chǎn)生的初始應力場.

3 結(jié)果與分析

利用強度折減理論的顯式拉格朗日有限差分法分析邊坡穩(wěn)定性，具有計算簡單方便和結(jié)果可靠的特點，同時避免了極限平衡法需要事先假定滑動面以及其他人為假定等不足[4].

把FLAC和強度折減法結(jié)合起來形成強度折減有限差分法，分析巖土體材料的抗剪強度折減直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)，這樣的做法，適用于任何復雜的邊坡，與實際的邊坡失穩(wěn)過程較吻合[5－7].

用強度折減法算得A、B、C、D、E剖面的安全系數(shù)Ks分別為0.7265625、0.679875、0.9296875、0.8515625、0.7109375，一般來說，數(shù)值模擬安全系數(shù)在 1.2～1.3 以上為穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡［8－9］，說明邊坡整體開挖后處于不穩(wěn)定狀態(tài)；再從剪應變增量云圖看，見圖2～圖6，剪應變增量主要是在245m平臺上部的滑移破壞，而不是整體的滑移破壞.

圖2 A-A剖面強度折減后破壞時的剪應變增量云圖

圖3 B-B剖面強度折減后破壞時的剪應變增量云圖

圖4 C-C剖面強度折減后破壞時的剪應變增量云圖

圖5 D-D剖面強度折減后破壞時的剪應變增量云圖

圖6 E-E剖面強度折減后破壞時的剪應變增量云圖

4 討 論

對比各剖面計算結(jié)果可知，在FLAC強度折減法所計算的邊坡的安全系數(shù)相差很小，且破壞面即剪應變增量集中區(qū)域非常相似，剪應變增量基本上都是集中在245 m平臺上部，而不是整體的滑移破壞.FLAC強度折減法所計算結(jié)果和露天采場現(xiàn)狀十分符合.另外，最為重要的是極限平衡法所能確定的破壞是開始時的，而FLAC不僅包含了應力重分布的影響同時也反應了破壞發(fā)生之后的漸進發(fā)展.由于有限差分強度折減法能夠克服極限平衡法未能考慮材料本構(gòu)關(guān)系的不足，因而能夠更加實際的模擬邊坡穩(wěn)定計算模型，同時更加客觀的分析出邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，求得的邊坡安全系數(shù)也更為合理.

[1]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析—原理·方法·程序[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[2]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京：水利水電出版社，2009.

[3]鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]遲世春，關(guān)立軍.基于強度折減的拉格朗日差分方法分析土坡穩(wěn)定性[J].巖土工程學報，2004，26(1)：42-46.

[5]史 博，袁光明.基于FLAC強度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè)，2010，19(8)：92-94.

[6]陳可文，潘海琳.基于強度折減有限元法的邊坡穩(wěn)定性計算[J].黑龍江水專學報，2010，367(3)：56-58.

[7]楊 萍，陳 洪.對強度折減法中折減系數(shù)的討論[J].四川建筑科學研究，2010，36(4)：142-145.

[8]鄭穎人，趙尚毅.張魯渝.用有限元強度折減法進行邊坡穩(wěn)定分析[J].中國工程科學，2002，4(10)：58-61.

[9]鄭穎人.趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004，23(19)：3381-3388.

Slope Stability Analysis on Fenyi Dolomite Mine

ZENG De-kua1，CHEN Jian-ping2，XU Zhen-hua3，MA Yan-ling2

（1.Xinyu Iron&Steel Co.，Ltd.，F(xiàn)enyi 336600 China;2.Faculty of Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Sciences and Technology,Ganzhou 341000，China；3.China Nerin Engineering Co.,Ltd.，Nanchang 330002，China）

The finite differential strength reduction method is applied to calculate and analyze the stability of the artificial slope in Fenyi Dolomite Mine.The slope safety coefficients obtained is relatively reasonable for the objective analysis on the slope stability and practical simulation.

finite differential;strength reduction method；slope stability analysis；safety coeficient

TD854.6

;A

1674-9669（2011）04-0059-04

2011-04-25

曾德夸（1965- ），男，工程師,主要從事礦山安全工程技術(shù)方面研究，E-mail：angelchen2008@163.com.