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    露天礦節(jié)理參數(shù)敏感性研究及邊坡穩(wěn)定性分析

    2020-04-17 11:50:18黃篤學(xué)王建曦楊天鴻王少泉
    金屬礦山 2020年3期
    關(guān)鍵詞:節(jié)理摩擦角巖體

    黃篤學(xué) 董 鑫 王建曦 楊天鴻 王少泉 何 祥

    (1.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司,河北 唐山063009;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽110819;3.中冶北方工程技術(shù)有限公司,遼寧大連116622)

    新疆金寶露天礦為陡傾層狀節(jié)理巖質(zhì)邊坡,隨著開采深度不斷增加,一些不利于邊坡穩(wěn)定性的節(jié)理逐漸揭露出來。這些節(jié)理的分布、位置、發(fā)育程度以及充填介質(zhì)直接影響著巖體的物理力學(xué)參數(shù)。該類節(jié)理的脆弱性易使邊坡失穩(wěn)由其開始發(fā)展,最終形成宏觀斷裂并導(dǎo)致貫通滑移面形成[1-4]。在這些節(jié)理的影響下,金寶露天礦現(xiàn)場出現(xiàn)了順層破壞、楔形破壞、屈曲破壞、傾倒破壞、順層滑移—剪斷破壞等多種破壞模式,對礦山生產(chǎn)與人員安全造成了嚴(yán)重威脅。為提高金寶礦生產(chǎn)的安全性,有必要研究巖石節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響,并對礦山的關(guān)鍵邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評價。

    近年來,有關(guān)巖石節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性影響的研究,研究學(xué)者們進(jìn)行了大量卓有成效的工作。吳順川等[5]采用系統(tǒng)聚類法準(zhǔn)確地給出了巖體節(jié)理的分類方案,并結(jié)合邊坡參數(shù)運(yùn)用赤平極射投影法直觀地判斷出邊坡潛在的失穩(wěn)模式;馮樹榮等[6]在研究節(jié)理巖體邊坡失穩(wěn)破壞時,推導(dǎo)出了2組平行節(jié)理的穩(wěn)定性計算公式,并編寫了相應(yīng)的運(yùn)算程序,為分析2組平行節(jié)理邊坡的穩(wěn)定性提供了新思路;潘皓等[7]采用正交試驗法分析了雙節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素,并依據(jù)權(quán)重大小對各個影響因素進(jìn)行了排序;周子涵等[8]通過建立自重應(yīng)力作用下斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變理論力學(xué)模型,研究了節(jié)理參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律;李克鋼等[9]考慮了巖體爆破擾動產(chǎn)生的節(jié)理裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響,采用強(qiáng)度折減法對受到不同程度擾動的礦山邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析;簡文彬等[10]通過制作室內(nèi)節(jié)理巖體邊坡模型并加載循環(huán)震動荷載,研究了節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性的影響;程愛平等[11]采用斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)分析了邊坡巖體強(qiáng)度及變形參數(shù)與現(xiàn)場調(diào)查獲得的節(jié)理參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系;王宇等[12]在研究反傾層狀邊坡變形破壞機(jī)制的過程中采用了phase2 軟件的節(jié)理有限元法(JFEM-SSR),在實際工程案例應(yīng)用中取得了良好的效果;郭雙楓等[13]將正交試驗法引入到節(jié)理巖質(zhì)邊坡中,并對8個邊坡參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析和排序。

    綜上分析,現(xiàn)階段有關(guān)巖石節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性的影響研究已經(jīng)取得了不少成果,但在有限元中使用摩爾-庫倫準(zhǔn)則來分析節(jié)理力學(xué)參數(shù)的敏感性涉及較少。本研究采用正交試驗法,量化節(jié)理傾角、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強(qiáng)度、剛度對滑坡概率的貢獻(xiàn)程度,并結(jié)合具體的邊坡剖面,基于有限元極限平衡法進(jìn)行模擬計算并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價。通過金寶露天礦邊坡節(jié)理參數(shù)對穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究與邊坡穩(wěn)定性分析,可以采取針對性的治理措施(加固邊坡),從而保證礦山人員、設(shè)備的安全,進(jìn)一步降低礦山事故發(fā)生概率,并為后續(xù)的開采、防護(hù)、建設(shè)等工作提供可靠依據(jù)。

    1 金寶鐵礦概況

    金寶鐵礦位于阿勒泰市南東75 km、距富蘊(yùn)縣城北西約70 km 處,礦區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)為東經(jīng)89°01′28″、北緯47°31′09″,長2 000 m、寬約650 m。礦區(qū)行政區(qū)劃上隸屬新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣庫爾特鄉(xiāng)管轄。礦區(qū)北東和南西兩側(cè)地形受切割影響嚴(yán)重,溝谷多呈“V”型;礦區(qū)地形切割較淺,溝谷多呈“U”型。礦區(qū)地貌由構(gòu)造剝蝕和構(gòu)造侵蝕作用形成,區(qū)內(nèi)最高海拔1 287 m,最低海拔1 072 m。礦區(qū)露天采場及典型剖面如圖1所示。

    根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,近幾年礦區(qū)發(fā)生了數(shù)次小型滑坡、變形現(xiàn)象,例如199#~203#線1 152 m 平臺上出現(xiàn)約220 m 長裂縫,裂縫寬度為12~18 cm。該礦邊坡破壞屬于陡傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞模式,邊坡變形破壞呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性特征,現(xiàn)場破壞模式復(fù)雜多樣,順層破壞、楔形破壞、屈曲破壞、傾倒破壞、順層滑移—剪斷破壞均有發(fā)現(xiàn)。隨著往深部開采,邊坡北幫垂直高差達(dá)196 m,南幫垂直高差達(dá)130 m,臺階坡面傾角為65°~68°。本研究采用3GSM 攝影測量技術(shù)對該礦進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與分析,以北幫1 152 m 標(biāo)高處的測點(diǎn)12 數(shù)據(jù)為例,在獲得每組結(jié)構(gòu)面信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計分析[14],獲得的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、間距、跡長等幾何參數(shù)如表1 所示。

    經(jīng)過結(jié)構(gòu)面測試確定第一組結(jié)構(gòu)面共32 條,線密度為0.65 條/m;第二組結(jié)構(gòu)面共117 條,線密度為1.05 條/m;第三組節(jié)理結(jié)構(gòu)面共26 條,線密度為0.72條/m,則測點(diǎn)12 的結(jié)構(gòu)面密度為2.42 條/m3。該測點(diǎn)處的臺階坡面傾向、傾角分別為214°和68°,該區(qū)域的巖性為變粒巖、局部片麻巖,內(nèi)摩擦角約38°。在繪制出的極射赤平投影圖的基礎(chǔ)上添加了邊坡基本信息(如傾向、傾角、內(nèi)摩擦角),運(yùn)用DIPS 軟件的運(yùn)動學(xué)分析(Kinematic Analysis)功能[15]對該區(qū)域邊坡進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。

    由圖2可知:該區(qū)域邊坡發(fā)生平面破壞的概率為0,發(fā)生楔體破壞的概率為6.31%,發(fā)生傾倒破壞的概率為14.86%。從概率數(shù)值上來看,該區(qū)域邊坡有發(fā)生傾倒破壞的可能性,這與現(xiàn)場實際考察情況基本相符,即在陡傾節(jié)理傾向與邊坡傾向近似一致的情況下,該區(qū)域陡傾節(jié)理面具有發(fā)生傾倒—拉裂的破壞模式。

    2 巖體力學(xué)參數(shù)獲取

    2.1 常規(guī)巖石力學(xué)試驗

    本研究常規(guī)巖石力學(xué)試驗以《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-99)為基準(zhǔn),主要包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度和變形試驗、巖石抗拉強(qiáng)度試驗和三軸壓縮試驗,通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析并按不同的巖性進(jìn)行分類匯總,獲得各組巖性的力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

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    2.2 各分區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

    露天邊坡分布范圍大,各區(qū)域邊坡幾何要素、地質(zhì)構(gòu)造差異較大,因而其變形破壞模式亦有所差別。為準(zhǔn)確獲取邊坡評價信息,需對整個露天采場進(jìn)行邊坡分區(qū),其原則是將工程地質(zhì)條件、邊坡幾何要素和邊坡面傾向基本一致的區(qū)段劃為同一區(qū)[16]。結(jié)合本研究工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,將露天邊坡分為5 個分區(qū),編號為I~V 區(qū)??紤]到Ⅲ、Ⅳ區(qū)域的邊坡高度大、跨度長,控制兩個分區(qū)不同區(qū)域的邊坡穩(wěn)定情況存在差異,故將Ⅲ、Ⅳ區(qū)域按照巖體工程地質(zhì)條件各分為3 個亞區(qū),即III-1、III-2、III-3 區(qū)和IV-1、IV-2、IV-3 區(qū)。邊坡工程地質(zhì)分區(qū)結(jié)果如圖3 所示。

    宏觀上來看,邊坡巖體是由巖石與結(jié)構(gòu)面構(gòu)成,由于工程巖體的強(qiáng)度在自然條件下被大大削弱,因而通過本研究巖石力學(xué)試驗獲得的力學(xué)參數(shù)需經(jīng)過一定的折減方可應(yīng)用于工程實踐。本研究采用費(fèi)辛柯法、格吉(M.Georgi)法和Hoek-Brown 法[17]綜合分析得出的Ⅳ分區(qū)計算所需的巖體力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

    3 節(jié)理參數(shù)敏感性研究

    在使用摩爾-庫倫準(zhǔn)則來分析節(jié)理力學(xué)方面特性時,節(jié)理黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、剛度的取值較為關(guān)鍵。正交試驗法基本步驟有:①使用正交表安排測試;②全面比較測試結(jié)果;③獲得最佳匹配方案;④敏感性排序[18-20]。正交試驗設(shè)計表的設(shè)計原則是均衡分散搭配,綜合比較分析試驗結(jié)果[21]。本研究運(yùn)用正交試驗法時,需不斷改變節(jié)理參數(shù)(傾角、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強(qiáng)度和剛度),每個因素共有5 種情況,即需設(shè)計六因素五水平的正交試驗表并預(yù)留空白列,記為L25(56),采用Phase2 軟件的JFEMSSR 法對節(jié)理展開分析。具體水平參數(shù)取值及方案設(shè)計如表4所示。

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    本研究采用Minitab 軟件進(jìn)行正交試驗分析時,只需輸入試驗結(jié)果便可得到方差分析數(shù)據(jù),如表5所示。設(shè)置置信區(qū)間為95%,即顯著性水平α為0.05。

    注:P<0.01,表示影響極顯著;0.01≤P<0.05,表示影響顯著;P≥0.05,表示影響不顯著。

    方差分析法可用于進(jìn)一步估計誤差的大小,精確估計各因素在試驗結(jié)果中的貢獻(xiàn)情況。由方差分析法初步觀察P 值可知:傾角的影響極為顯著,其次為黏聚力和內(nèi)摩擦角,抗拉強(qiáng)度和剛度對其幾乎無影響。所以在節(jié)理巖質(zhì)邊坡中,采取相關(guān)措施(如疏干排水以減少對節(jié)理面的弱化作用或施加抗剪錨桿以增強(qiáng)節(jié)理面的閉合狀況同時又提供相應(yīng)的抗剪力)控制節(jié)理的內(nèi)摩擦角和黏聚力,對于邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。

    4 金寶鐵礦邊坡穩(wěn)定性分析

    Ⅳ區(qū)邊坡位于露天采場中部南幫,屬于地質(zhì)條件相對較差的高陡邊坡,本研究選取Ⅳ-1 剖面構(gòu)建現(xiàn)狀境界邊坡的有限元節(jié)理模型,分析邊坡的破壞模式,再運(yùn)用極限平衡法分別考慮3種荷載組合下的現(xiàn)狀境界的邊坡穩(wěn)定性情況。對該剖面所建立的有限元節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示,模型下部長507 m,右側(cè)高度為230 m,左側(cè)高度為380 m,模型共劃分為56 877 個單元網(wǎng)格,34 395 個節(jié)點(diǎn),節(jié)理采用平行統(tǒng)計模型(陡傾節(jié)理傾角75°,間距負(fù)指數(shù)分布6 m,跡長對數(shù)正態(tài)分布50 m,連通率正態(tài)分布0.5;緩傾節(jié)理傾角25°,間距負(fù)指數(shù)分布6 m,跡長正態(tài)分布50 m,連通率正態(tài)分布0.5)。

    該區(qū)域受控于F3斷層,其強(qiáng)度較低,潛在的滑坡模式為上部沿F3斷層滑移,下部沿緩傾結(jié)構(gòu)面從坡腳剪出破壞。根據(jù)有限元模擬計算得到開挖后邊坡的變形、應(yīng)力分布,繪制了如圖5 所示的邊坡表面位移變化曲線圖。由圖5 可知:在1 128 m 平臺F3斷層出露處為位移突變點(diǎn),當(dāng)臨界系數(shù)為1.33 時,由于斷層的存在導(dǎo)致位移直接由0.18 cm 突變到4.47 cm,即邊坡由此處開始失穩(wěn),從1 080 m平臺的坡腳處剪出。滑坡區(qū)的范圍略小于滑坡影響區(qū)的范圍,表明該區(qū)域邊坡的潛在危害具有很強(qiáng)的延續(xù)性,隨著距離不斷加大,邊坡的影響逐漸減弱直至消失。

    根據(jù)礦山邊坡現(xiàn)狀,邊坡發(fā)生破壞將影響礦區(qū)正常生產(chǎn),有可能造成人員重大傷亡及財產(chǎn)損失。因此,根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)規(guī)定,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在不同的安全等級下因荷載組合的不同而不同。而邊坡設(shè)計穩(wěn)定性系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標(biāo),它與邊坡治理工作內(nèi)容的原理、方法、代表性以及各項定量參數(shù)取用、邊坡高陡程度和服務(wù)年限、工程重要等級相關(guān)。本研究選定的邊坡工程設(shè)計穩(wěn)定性系數(shù)如表6所示。

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    Ⅳ-1 剖面現(xiàn)狀邊坡高度136 m,邊坡角為44°~53°。如圖6 所示,在3 種工況下,M-P 法計算結(jié)果表明,Ⅳ-1 剖面現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)大于1.20,反映出該區(qū)域現(xiàn)狀邊坡整體雖處于穩(wěn)定狀態(tài),但從現(xiàn)場實際調(diào)查來看,邊坡受褶皺的影響較大,區(qū)內(nèi)受斜長角閃巖、F3斷層和褶皺層面控制,局部滑塌、屈曲破壞較為突出,該區(qū)域局部組合臺階邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),安全儲備不足,建議開展治理工作清理危巖,并加強(qiáng)監(jiān)測、巡檢、安全警示等工作。

    5 結(jié) 論

    (1)通過現(xiàn)場地質(zhì)踏勘并由DIPS 軟件定性分析可知:新疆金寶鐵礦1 152 m 標(biāo)高處發(fā)生傾倒破壞的概率為14.86%,這一點(diǎn)與現(xiàn)場實際考察結(jié)果較為相符。

    (2)由方差分析法初步觀察P 值可知:礦區(qū)節(jié)理傾角的影響極為顯著,其次為黏聚力和內(nèi)摩擦角,抗拉強(qiáng)度和剛度對其幾乎無影響。

    (3)由JFEM-SSR法識別出Ⅳ-1剖面邊坡的潛在破壞模式后,經(jīng)過M-P法計算,認(rèn)為Ⅳ-1剖面現(xiàn)狀邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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