劣化擾動(dòng)因素下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

熊 珂，黃 今，孫宇超，劉禮福，馮志昊

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

我國(guó)是露天開采較多的國(guó)家之一，其中有色金屬礦石占50%左右；鐵礦石生產(chǎn)露天開采占總量的90%以上；建材幾乎100%都是由露天礦采出[1]。隨著我國(guó)露天礦床開采事業(yè)的蓬勃發(fā)展、露天礦產(chǎn)量規(guī)模的不斷增加，露天巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題愈來(lái)愈突出，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性時(shí)刻受到威脅。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此進(jìn)行了大量的研究工作，例如：趙洪寶等[2]采用數(shù)值模擬的方法研究了巖體開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了邊坡開挖過(guò)程中巖體的應(yīng)力演化和變形規(guī)律；鄧文學(xué)等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)鉆孔和3GSM攝影測(cè)量技術(shù)并結(jié)合廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖質(zhì)邊坡的巖體參數(shù)進(jìn)行了綜合分析，并對(duì)司家營(yíng)鐵礦東幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；王東等[4]基于極限平衡理論并采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算方式對(duì)露天煤礦巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果揭示了邊坡巖土體應(yīng)力-應(yīng)變演化規(guī)律及破壞機(jī)制，為該礦邊坡的穩(wěn)定性提供了科學(xué)依據(jù)。趙尚毅等[5]將強(qiáng)度折減理論用于有限元法中，這種做法不僅綜合考慮了力的平衡條件還綜合考慮了材料的變形特征，有效驗(yàn)證了有限元法分析邊坡穩(wěn)定性的可行性。MANCONI等[6]利用RTS的測(cè)量數(shù)據(jù)建立了復(fù)雜的三維滑坡變形模型，分析了滑坡的變形機(jī)理，為邊坡巖體的穩(wěn)定性做出了杰出的貢獻(xiàn)；JARNES等[7]通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)地震災(zāi)害的跟蹤調(diào)研，采用GIS技術(shù)對(duì)卡納塔克邦地震引起的滑坡災(zāi)害狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估。以上學(xué)者采用了多種方法對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行分析，但對(duì)于受長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造作用影響，由開采形成的順層終了邊坡的石灰石礦山研究較少。本文以某露天石灰石礦山為研究對(duì)象，對(duì)順層邊坡在劣化因素下的穩(wěn)定性展開深入研究。

1 礦山簡(jiǎn)介

某礦山為新建礦山，地處龍門山印支褶皺帶與四川中坳陷燕山褶皺帶接合部位之牛峰包復(fù)背斜南翼，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶皺破碎不全，主要由走向南西-北東的復(fù)式傾伏背斜組成。礦區(qū)范圍內(nèi)巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層中等傾斜，產(chǎn)狀195°∠22°，礦體開采標(biāo)高高于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面。根據(jù)礦區(qū)氣象條件可知，礦區(qū)內(nèi)降水空間分布不均，南多北少，季節(jié)性降水明顯，降雨多集中于夏秋兩季，冬春兩季降水較少，年降雨量800～1 000 mm，礦區(qū)內(nèi)自然災(zāi)害特別是旱、澇災(zāi)害頻繁。礦區(qū)設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速值為0.05 g。

該礦山開采標(biāo)高為1 050～1 190 m，擬設(shè)計(jì)最終臺(tái)階坡面角為65°、終了邊坡為51°、安全平臺(tái)為6 m、清掃平臺(tái)為8 m，且開采結(jié)束后會(huì)形成巖層傾角為22°、終了邊坡為51°的順層邊坡。為確保礦山安全生產(chǎn)，需對(duì)該礦山終了邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)該礦山終了順層邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析。

2 模型的建立

根據(jù)該礦山的臺(tái)階、終了邊坡參數(shù)及該礦山的巖體結(jié)構(gòu)條件建立該礦山的終了邊坡模型。該礦山為順層邊坡，因此創(chuàng)建終了邊坡巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬。為便于監(jiān)測(cè)，在終了邊坡上、中、下三個(gè)部位分別布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。所建立的模型的尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=160 m×132 m×157 m。共建立6 951個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 880個(gè)單元，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在終了邊坡附近網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。固定模型水平方向和模型底部的位移和加速度，模型頂部及坡面為自由邊界。為保證模擬的正確性需對(duì)模型做出如下假設(shè)：1)各巖層均為各向同性的均質(zhì)體；2)符合摩爾-庫(kù)倫彈塑性理論模型。

由于該礦山為露天開采，因此模擬過(guò)程中不考慮水平應(yīng)力的影響，模型僅受重力影響且重力加速度g取9.8 m/s2。

圖1 礦山開挖模型Fig.1 Mine excavation model

2.1 材料參數(shù)的確定

巖石的物理力學(xué)參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)確定。試驗(yàn)結(jié)果，巖石的平均單軸抗壓強(qiáng)度為63.35 MPa，平均彈性模量為9.56 GPa。試驗(yàn)部分圖件如圖2所示。

圖2 巖石應(yīng)力-位移曲線Fig.2 Rock stress-displacement curve

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)合式(1)～(7)將該礦山巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為巖體力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：σt—巖體的單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；φ—巖體內(nèi)摩擦角，(°)；c—巖體的內(nèi)聚力，MPa；Ei—完整巖石的彈性模量，GPa；Erm—巖體彈性模量，GPa；D—爆破影響系數(shù)，本次研究取D=0.9；mb、s和α—巖體的材料參數(shù)；GSI—巖石地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)對(duì)礦山的地質(zhì)情況的實(shí)際調(diào)查，結(jié)合節(jié)理面發(fā)育情況和水流影響綜合考慮GSI為72。

表1 石灰?guī)r巖體力學(xué)參數(shù)

σt巖體的物理力學(xué)性質(zhì)與彈塑性材料特征相似，巖體的破壞主要受剪切和拉伸破壞影響。因此模擬中材料的的本構(gòu)方程選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型[8]，該模型中需要的抗拉強(qiáng)度體積模量K和切變模量G根據(jù)式(8)～(10)并結(jié)合表1計(jì)算得到。

(8)

(9)

(10)

式中：E—彈性模量，GPa；v—泊松比；c—內(nèi)聚力，MPa；φ—內(nèi)摩擦角，(°)。

2.2 模擬工況

該礦山最低開采標(biāo)高高于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，但區(qū)域內(nèi)季節(jié)性降水明顯，平均年降雨量達(dá)800～1 000 mm。此外，礦山開采過(guò)程中易受爆破振動(dòng)和地震的影響。綜上所述并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本文考慮3種工況，分別為暴雨工況、爆破工況和地震工況。

模擬中暴雨工況設(shè)置靜水壓力界面同時(shí)施加暴雨荷載，爆破工況在此基礎(chǔ)上增加其水平向最大加速度(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.02 g)；已知該礦山的抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速值為0.05 g，因此地震工況在暴雨工況的基礎(chǔ)上增加其水平方向的地震加速度來(lái)模擬。

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收斂計(jì)算，即當(dāng)計(jì)算模型體系的最大不平衡力與典型內(nèi)力的比值R小于定值10-5時(shí)，認(rèn)為模型收斂[9]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 擬設(shè)計(jì)方案

以終了邊坡設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬，得出終了邊坡三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向的應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，水平方向的應(yīng)力如圖4所示。終了邊坡安全系數(shù)及最大滑動(dòng)面位置(以地震工況為例)如圖5所示。

圖3 不同工況條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線Fig.3 Deformation curves of each monitoring point under different working conditions

由圖3可知，終了邊坡在3種不同工況下水平方向的應(yīng)變沿邊坡由上至下逐漸增大。由此可見，暴雨、爆破和地震均會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。其中在暴雨工況下，該邊坡的水平最大變形量為80.96 mm；在爆破工況下該邊坡的水平最大變形量為210.34 mm；在地震工況下該邊坡的水平最大變形量為328.01 mm。根據(jù)上述分析可知，爆破工況比暴雨工況的水平變形量增加了160%，地震工況比暴雨工況的水平變形量增加了305%。由圖4可知，終了邊坡在3種不同工況下其水平方向的應(yīng)力沿邊坡由上至下逐漸增大，且在邊坡中部及以下位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。地震工況條件下的拉應(yīng)力最大，最高可達(dá)0.35 MPa，超過(guò)了巖體的極限抗拉強(qiáng)度?？梢缘贸?，地震對(duì)該終了邊坡的穩(wěn)定性影響最大。

圖4 不同工況條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線Fig.4 Stress change curves of each monitoring point under different working conditions

由圖5可知，地震工況下的最大滑動(dòng)面出現(xiàn)在巖體的結(jié)構(gòu)面處，且該工況下邊坡的安全系數(shù)僅為0.95。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)可知，該工況下的安全系數(shù)應(yīng)為1.10，說(shuō)明該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 終了邊坡安全系數(shù)及最大滑動(dòng)面位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of the final slope safety factor and maximum sliding surface position

3.2 優(yōu)化方案

如前所述，由于擬設(shè)計(jì)方案邊坡不穩(wěn)定，因此需對(duì)終了邊坡的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究地震工況下終了邊坡的穩(wěn)定性。經(jīng)研究，擬定了兩種優(yōu)化方案如表2所示。

表2 優(yōu)化研究方案參數(shù)

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算的方法分別對(duì)兩種優(yōu)化方案進(jìn)行模擬研究，并將兩種優(yōu)化方案的模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，分別如圖6和圖7所示。

圖6 各方案巖石應(yīng)變曲線對(duì)比圖Fig.6 Comparison chart of rock strain curves of various schemes

由圖6可知，優(yōu)化后，終了邊坡在3種不同工況下其水平方向的應(yīng)變顯著降低。其中經(jīng)方案一優(yōu)化后，水平方向的應(yīng)變降低了69.5%；經(jīng)方案二優(yōu)化后水平方向的應(yīng)變降低了74.5%。由圖7可知，優(yōu)化后，終了邊坡在3種不同工況下其水平方向的應(yīng)力顯著降低，且優(yōu)化方案一的最大水平拉應(yīng)力僅為0.065 MPa，遠(yuǎn)低于巖體的極限抗拉強(qiáng)度；優(yōu)化方案二沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。兩種優(yōu)化方案的安全系數(shù)及滑動(dòng)面位置(以地震工況為例)如圖8所示。

圖8 兩種優(yōu)化方案的安全系數(shù)及滑動(dòng)面位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of safety factor and sliding surface position of two optimization schemes

由圖8可知，優(yōu)化后，地震工況下的最大滑動(dòng)面仍然出現(xiàn)在巖體的結(jié)構(gòu)面處，且該工況下兩種優(yōu)化方案的安全系數(shù)分別為1.10和1.12，滿足規(guī)范要求。該終了邊坡在兩種優(yōu)化方案條件下，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)資源最大化開采原則，建議該礦山采用優(yōu)化研究方案一進(jìn)行開采。

4 結(jié)論

本文基于強(qiáng)度折減理論，分析了暴雨、爆破和地震等劣化因素對(duì)露天礦終了邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)該礦山的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)兩種優(yōu)化方案進(jìn)行了對(duì)比論證。

1) 暴雨、爆破和地震工況均對(duì)該終了邊坡的穩(wěn)定性有較大影響，其中地震對(duì)該終了邊坡的影響最大。在地震工況下水平最大變形量為328.01 mm，地震工況比暴雨工況的水平變形量增加了305%，且在地震條件下終了邊坡的最大拉應(yīng)力最高可達(dá)0.35 MPa，已經(jīng)超過(guò)了巖體的極限抗拉強(qiáng)度，該設(shè)計(jì)方案下終了邊坡的安全系數(shù)僅為0.95。邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2)該礦山為順層邊坡，最大滑動(dòng)面主要出現(xiàn)在巖體軟弱結(jié)構(gòu)面處。經(jīng)兩種方案優(yōu)化后，終了邊坡在水平方向的應(yīng)變分別降低了69.5%和74.5%，巖體的最大水平拉應(yīng)力顯著降低，遠(yuǎn)低于巖體的極限抗拉強(qiáng)度。且兩種優(yōu)化方案的安全系數(shù)分別為1.10和1.12，滿足規(guī)范要求，兩種優(yōu)化方案條件下的終了邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)資源最大化開采原則，建議將終了邊坡的參數(shù)設(shè)置為最終臺(tái)階坡面角為60°，終了邊坡為48°。