某高海拔高寒地區(qū)露天礦邊坡穩(wěn)定性分析*

段進超 李華華

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

露天礦山最終境界邊坡角的選取與礦山安全生產(chǎn)關系密切，準確獲取礦山最終邊坡角是確定露天礦山最優(yōu)開采境界的關鍵[1-4]。目前，有關高海拔高寒地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評價的研究成果豐碩，但已有的研究主要集中于高寒地區(qū)小尺寸路塹邊坡穩(wěn)定性評價方面[5-7]。某高海拔高寒地區(qū)露天礦前期研究中采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡獲得的最終境界邊坡角預測值為45°，據(jù)此設計了露天礦最終境界。本研究結合邊坡凍融損傷巖體力學參數(shù)修正方法和有限元CAD-MIDAS耦合建模技術，對該礦設計邊坡的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，對前期研究推薦的邊坡角進行驗證。

1 工程概況

某露天礦位于高海拔高寒地區(qū)，采場邊坡揭露的巖體暴露于晝夜循環(huán)、四季更替的大溫差循環(huán)環(huán)境下，經(jīng)受著劇烈的凍融循環(huán)作用，邊坡穩(wěn)定性的影響因素比常溫地區(qū)更多、更復雜[8]。礦體賦存標高為4 000～5 407 m，晝夜溫差達36 ℃以上。露天采場邊坡巖體主要有大理巖、矽卡巖、灰?guī)r和角巖，其中礦體頂板以角巖、矽卡巖為主，礦體底板以灰?guī)r、大理巖為主。根據(jù)邊坡巖石物理力學試驗結果與主要巖石的力學特性，上述幾類巖石除矽卡巖外，其余巖石整體穩(wěn)定性較好，故巖體總體對邊坡穩(wěn)定性的影響較小。露天坑底位于當?shù)厍治g基準面以上，礦區(qū)充水主要為大氣降水，而礦區(qū)處于水資源貧乏地區(qū)，降雨量少，故大氣降水不易補給，加之地形切割強烈，相對高差大且坡陡，有利于地下水、地表水排泄，故地下水及地表水對邊坡穩(wěn)定性的影響也較小[9]。

2 邊坡巖體物理力學參數(shù)

鑒于邊坡內(nèi)部巖體結構的復雜性和巖石力學參數(shù)與實際工程存在的差別，本研究以各類巖石的實驗室力學參數(shù)為基礎，采用工程類比法獲得與露天邊坡工程地質(zhì)條件相適應的折減方法，并運用該方法對巖石力學參數(shù)(黏結力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、抗壓強度、抗拉強度等)進行工程處理，并參考國內(nèi)外類似礦山的相關資料，獲得了工程處理后的巖石力學參數(shù)綜合取值，如表1所示。

表1 邊坡巖體力學參數(shù)綜合取值

本研究運用邊坡凍融損傷巖體力學參數(shù)修正方法，結合露天礦開采服務年限等實際情況，選取凍融循環(huán)次數(shù)為20次，對邊坡巖體的力學參數(shù)進行了凍融損傷修正，結果見表2。

表2 巖體凍融修正后的力學參數(shù)

3 有限元模型構建

3.1 邊坡分析剖面選取

該露天礦采場受礦體產(chǎn)狀及地形制約，采取條帶式開采方式，由內(nèi)向外分3個條帶，分別為第1條帶、中間條帶和最后條帶，各條帶最終邊幫角均為45°，第1條帶、中間條帶以及最后條帶的最大邊坡高度分別為345，405，525 m。邊坡穩(wěn)定性與邊坡高度關系密切，本研究盡可能選擇各境界內(nèi)最大坡高處的剖面作為穩(wěn)定性分析對象。計算剖面由SURPAC軟件對礦區(qū)邊坡DTM實體文件進行切割獲取，3條分析剖面的切取位置如圖1所示。參照臨近地質(zhì)剖面及露采邊坡參數(shù)分別繪制了如圖2所示的剖面圖。

圖1 露天境界分析剖面切取位置

圖2 各條帶分析剖面

3.2 模型構建

首先在CAD軟件中處理剖面圖，使其符合MIDAS軟件的GTS模塊分析要求；然后將處理過的剖面圖導入GTS模塊中，構建露天礦邊坡剖面的有限元模型。計算范圍根據(jù)圣維南原理選取，即邊坡左右兩側擴展不小于80 m，下部延伸不小于50 m。各剖面的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 各剖面GTS網(wǎng)格模型

4 模擬分析

4.1 應力分析

分析圖4可知：①號剖面最大主應力為-1.2～8.4 MPa，邊坡淺層最大主應力為-0.4～2.0 MPa，最小主應力為-15～5.4 MPa，邊坡淺層最大主應力為-1.4～0.3 MPa；②號剖面最大主應力為-0.9～9.9 MPa，邊坡淺層最大主應力為-0.9～2.7 MPa；最小主應力為-16～5.6 MPa，邊坡淺層最小主應力為-1.6～0.9 MPa；③號剖面最大主應力為-1.0～11 MPa，邊坡淺層最大主應力為-1.0～3.0 MPa；最小主應力為-5～8 MPa，邊坡淺層最小主應力為-1.9～1.1 MPa。由此可知，隨著邊坡高度的增加，邊坡最大、最小主應力逐漸增加，各邊坡均出現(xiàn)了拉應力區(qū)，主要集中于邊坡上部，尤其是最上部的第四系黏土層和風化層以及臨近臺階處的局部最大拉應力達到5 MPa，因此，邊坡頂部表層可能出現(xiàn)土層垮塌，需要進行局部加固。

圖4 各剖面最大和最小主應力分布特征

4.2 位移分析

由圖5可知：①號剖面水平位移為-1.62～0.54 cm，垂直位移為-4.6～0.2 cm；②號剖面水平位移為-2.4～1.2 cm，垂直位移為-6.9～0.3 cm；③號剖面水平位移為-2.25～1.35 cm，垂直位移為-7.3～1.1 cm。由此可知，隨著邊坡高度的增加，水平位移和垂直位移有逐漸增加的趨勢，邊坡水平位移最大值即集中于邊坡頂部，局部最大值約為2.4 cm；邊坡垂直方向的位移最大值都集中于邊坡中上部，往兩側逐漸減小，局部最大值約為7.3 cm；整體上，邊坡位移以垂直位移為主，邊坡穩(wěn)定性較好，礦山可采用邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)實時觀測邊坡位移變化。

圖5 各剖面水平和垂直位移分布特征

4.3 邊坡安全系數(shù)

①、②、③號邊坡的安全系數(shù)取值分別為1.356，1.334，1.116?？傮w上，隨著邊坡高度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，但均大于《有色金屬采礦設計規(guī)范》(GB 50771—2012)的規(guī)定值1.1，可見設計的邊坡均為安全邊坡。

5 結 語

根據(jù)某露天礦所處的高海拔高寒環(huán)境和礦山實際開采情況，運用邊坡凍融損傷巖體力學參數(shù)修正方法，對邊坡巖體力學參數(shù)進行了修正，并對采場3個條帶境界的最終邊坡(最終邊坡角為45°)進行了數(shù)值模擬分析。研究表明：但隨著邊坡高度的增加，邊坡應力和位移逐漸增加，且最大位移較易出現(xiàn)于邊坡中上部；邊坡安全系數(shù)均大于1.1，滿足設計要求，邊坡整體穩(wěn)定性較好，但頂部需進行局部加固。