露天礦凸邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 徵

（煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 礦井設(shè)計(jì)一所，河南 鄭州 450000）

露天礦凸邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 徵

（煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 礦井設(shè)計(jì)一所，河南 鄭州 450000）

針對露天礦凸邊坡穩(wěn)定性較差的問題，以白音華一號露天礦東幫工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，基于剛體極限平衡理論和強(qiáng)度折減理論，定量評價該礦山凸邊坡的穩(wěn)定性，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過在坡面處設(shè)置水平位移監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測位移變化特征。

露天礦；凸邊坡；監(jiān)測；邊坡穩(wěn)定性

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性是露天開采領(lǐng)域的重要研究課題，直接影響露天礦山的安全效益及經(jīng)濟(jì)利益。國內(nèi)大型露天礦山邊坡高度達(dá)到數(shù)百米，邊坡角每增加1°，其剝離量可減少數(shù)千萬m3，帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的[1]。因此，露天礦在形成到界邊坡時往往在下部進(jìn)行局部加陡，造成整體邊坡坡面局部凸起，形成凸邊坡，相對于平面邊坡、凹形邊坡其穩(wěn)定性較差。統(tǒng)計(jì)的300個滑坡資料中，凸形邊坡占49.3%，平面邊坡占37.3%，凹形邊坡占13.4%[2]，因此對于凸邊坡穩(wěn)定性的研究具有重要的研究意義。

對于凸邊坡穩(wěn)定性的研究可追溯至20世紀(jì)70年代。蔣斌松等[3]對張裂縫和靜水壓力的凸邊坡進(jìn)行極限平衡原理分析，并對函數(shù)極值進(jìn)行求導(dǎo)分析，確定張裂縫、靜水壓力及地震力對凸邊坡的影響進(jìn)行分析，建立了最不利滑動面傾角和最小安全系數(shù)的解析計(jì)算公式。李靜濤等[4]基于IBIS-M監(jiān)測系統(tǒng)對于安家?guī)X露天煤礦凸邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而對礦體邊幫微小變形進(jìn)行評價分析，確定該礦山邊坡變形的發(fā)生區(qū)域，并反映該礦山凸邊坡的變化規(guī)律。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，基于RFPA2D、FLAC3D等計(jì)算機(jī)模型對于凸邊坡穩(wěn)定性的分析逐漸引入到邊坡評價體系中。曹蘭柱等[5]基于平莊西露天礦凸邊坡的地質(zhì)條件，應(yīng)用RFPA2D模型進(jìn)行邊坡巖體破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并應(yīng)用FLAC3D理論進(jìn)行應(yīng)力、位移分析，將分析結(jié)果與剛體極限平衡分析法進(jìn)行比對，取得了良好效果,進(jìn)而確定平莊西露天礦深部開采境界最終幫坡角。

白音華一號露天礦東幫靠幫開采過程中，三系地層以下形成的局部邊坡角高達(dá)41°，邊坡局部加陡形成凸邊坡，造成2#煤頂板在距坡腳65 m附近出現(xiàn)地裂縫現(xiàn)象。地鼓區(qū)邊坡穩(wěn)定與否直接關(guān)系到露天礦山的安全生產(chǎn)，一旦滑坡將嚴(yán)重影響露天礦的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。對于這類特殊坡面形態(tài)的邊坡穩(wěn)定性問題，傳統(tǒng)的剛體極限平衡理論無法分析邊坡巖體內(nèi)部變形破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，不能揭示滑坡機(jī)理[3]。因此，以白音華一號露天礦東幫凸邊坡為研究對象，采用剛體極限平衡理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對凸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評價，揭示凸邊坡變形破壞機(jī)理，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而解決了白音華一號露天礦東幫凸邊坡的安全問題，同時為類似邊坡穩(wěn)定性問題提供借鑒。

1 邊坡工程地質(zhì)特征

白音華一號礦東幫揭露的地層自下而上依次是白堊系煤系地層、第三系、第四系。白堊系是主要煤系地層，煤質(zhì)為褐煤煤質(zhì)，厚度變化為3.5～14.5 m，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；第四系主要由細(xì)砂、中砂、粉砂質(zhì)黏土及礫砂等構(gòu)成，區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育厚度變化在3.50～17.35 m，其巖體結(jié)構(gòu)形狀態(tài)為細(xì)顆粒均勻介質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)各向同性，屬不穩(wěn)定土體，受地下水作用易于流動，地下水會加劇邊坡失穩(wěn)。第三系主要為棕紅色黏土層，賦存厚度小于28.20 m，因系泥質(zhì)膠結(jié)并呈半膠結(jié)狀，故巖體固結(jié)程度較差，可視為均質(zhì)連續(xù)的介質(zhì)。該黏土層粘結(jié)性較強(qiáng)，一般呈硬塑狀，風(fēng)干后破碎，由于其親水性好，工程地質(zhì)性質(zhì)差，邊坡失穩(wěn)率亦高。

東幫在靠幫過程中，在三系地層以下形成凸邊坡，通過在地鼓區(qū)挖掘探槽發(fā)現(xiàn)2#煤頂板存在有以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主的軟弱夾層，其控制該區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。2#煤頂板在距坡腳65 m附近出現(xiàn)地裂縫現(xiàn)象?？紤]到邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性選取典型工程地質(zhì)剖面2-2作為計(jì)算剖面，所選剖面線的平面位置如圖1所示，各地層巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

圖1 邊坡計(jì)算剖面位置

2 凸邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)定性分析方法與安全儲備系數(shù)的確定

表1巖土體變形參數(shù)

采用二維剛體極限平衡分析法與FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對白音華一號露天礦東幫凸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，2種計(jì)算方法之間可以相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，進(jìn)而提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。

工程界常用的剛體極限平衡分析方法主要包括簡化bishop法、剩余推力法以及janbu法等[7]。其中簡化bishop法主要適用于土質(zhì)邊坡、均質(zhì)邊坡等圓弧滑面滑動計(jì)算[8]，任意形滑面邊坡穩(wěn)定性計(jì)算易采用剩余推力法?？紤]到白音華一號露天礦東幫凸邊坡區(qū)域邊坡滑坡模式為剪切圓弧-切層順層滑動，因此基于簡化bishop法計(jì)算原理進(jìn)行軟件開發(fā)，用于計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)。由于剛體極限平衡法無法考慮地形以及應(yīng)力應(yīng)變對邊坡穩(wěn)定性的影響，因此在二維剛體極限平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上應(yīng)用大型巖土分析軟件FLAC3D對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析[9-11]。

FLAC3D是一款基于強(qiáng)度折減原理的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件[12-13]，采用了混合-離散分區(qū)技術(shù)和顯式拉格朗日算法，在分析計(jì)算過程中采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，能夠非常準(zhǔn)確地模擬松散或膠結(jié)的粒狀材料的塑性破壞和流動，能夠?qū)ν临|(zhì)邊坡、巖石邊坡等其它類型邊坡進(jìn)行塑性流動分析以及三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬。單元材料的本構(gòu)模型可以是線性亦或是非線性，當(dāng)外界力作用于模型材料時，其會發(fā)生屈服流動，與此同時網(wǎng)格也隨之能夠發(fā)生相應(yīng)的變形和移動[14]。

根據(jù)GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范，服務(wù)年限在10～20 a非工作幫邊坡安全儲備系數(shù)Fs宜取1.2～1.3?？紤]到白音華一號露天礦東幫已出現(xiàn)地裂縫以及在1#煤底板上布置有膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際情況現(xiàn)選取安全儲備系數(shù)為1.2。

2.2 結(jié)果分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

研究區(qū)2#煤頂板在距坡腳65 m附近出現(xiàn)地鼓現(xiàn)象，一旦滑坡將影響1#煤底板上膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及整個露天礦的經(jīng)濟(jì)效益。因此，需對現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價，并對不滿足安全要求的區(qū)段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。位移監(jiān)測點(diǎn)分布與數(shù)值模擬模型如圖2所示，現(xiàn)狀邊坡剛體極限平衡計(jì)算結(jié)果為1.04，如圖3所示，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明邊坡安全儲備系數(shù)為1.05，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖2 位移監(jiān)測點(diǎn)分布與模型

圖3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

圖4中（a）與（b）分別為x方向位移云圖與x方向位移曲線，從圖4（a）中可以清晰的看出凸邊坡區(qū)域以及地裂縫與坡角之間位移最大，其中位移最大可達(dá)到 0.69 m；由圖 4（b）可知坡角處、1#頂板、凸邊坡坡肩處位移較大，地裂縫處位移由小逐漸增大，在折減到7×104步后其位移急劇變大直到邊坡破壞。兩種計(jì)算方法結(jié)果相差無幾，且在誤差范圍之內(nèi)，計(jì)算結(jié)果可靠度高。

由于白音華一號露天礦開采現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性無法滿足安全儲備系數(shù)的要求，因此，現(xiàn)需對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，考慮到1#底板位置處布置有膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)，平盤寬度不得小于40 m，設(shè)計(jì)1#底板平盤寬度按40 m計(jì)算，其他各平盤寬度平分。優(yōu)化后邊坡參數(shù)為：臺階高度11 m，平盤寬度16 m，臺階坡面角55°，整體邊坡角23°。優(yōu)化后邊坡安全儲備系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.2，如圖5所示，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果邊坡安全儲備系數(shù)為1.22，剛體極限平衡計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有很高的一致性。

圖5 優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

經(jīng)過以上研究結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

1）弱層是控制白音華一號礦東幫凸邊坡穩(wěn)定性的主要因素，極限平衡理論與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明白音華一號露天礦開采現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性無法滿足安全儲備系數(shù)的要求；

2）從位移分布云圖與邊坡位移監(jiān)測曲線結(jié)果顯示白音華一號露天礦東幫凸邊坡在地裂縫處、坡角處、1#頂板以及凸邊坡坡肩處位移較大，反映了該處凸邊坡的穩(wěn)定性較差；

3）針對白音華一號露天礦東幫凸邊坡存在的安全隱患，提出合理的優(yōu)化方法，優(yōu)化后邊坡參數(shù)為：臺階高度11 m，平盤寬度16 m，臺階坡面角55°，整體邊坡角23°。

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【責(zé)任編輯：解連江】

Stability analysis and optimization design for convex slope in open-pit mine

CHEN Zheng
(Mining Design Institute,Zhengzhou Design and Research Institute of Coal Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China)

In view of the poor problems of the convex slope stability,for the geological engineering conditions of eastern convex slope in Baiyinhua NO.1 Open-pit Mine,based on the limit equilibrium theory and the strength reduction theory,the article evaluates the stability of convex slope in quantitative,and carries out the optimization design on the convex slope.By setting horizontal displacement monitoring on the slope surface,the mine monitors the displacement variation characteristics of the model.

open-pit mine;convex slope;monitoring;slope stability

TD824

B

1671－9816（2017）07－0031－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.009

陳徵.露天礦凸邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：31-34.

2017-03-04

陳 徵（1990—）男，河南鄭州人，助理工程師，學(xué)士，2013年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)露天開采專業(yè)。