含軟弱夾層露天礦高邊坡臺階寬度及臺階坡面角協(xié)同優(yōu)化研究①

方慶紅，胡 斌，2，盛建龍，2，李 京，馬利遙

（1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081）

露天礦山邊坡臺階寬度及臺階坡面角設(shè)計直接決定礦山邊坡形態(tài)與穩(wěn)定性，也決定邊坡最終邊幫角，對礦山安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益有重要影響［1］。目前在邊坡優(yōu)化方面，眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究并取得了豐富成果［2－7］。但已有研究要么主要針對礦山經(jīng)濟效益，而對邊坡參數(shù)改變對邊坡穩(wěn)定性的影響欠缺考量；要么主要集中在露天邊坡穩(wěn)定性，研究最終邊幫角對邊坡的影響、確定最優(yōu)最終邊幫角，但無法得到具體的臺階寬度與臺階坡面角。

本文擬建立系統(tǒng)化臺階寬度及臺階坡面角協(xié)同優(yōu)化循環(huán)流程圖，以含軟弱夾層的四川黃山石灰石礦山高邊坡為例，設(shè)計不同臺階寬度及臺階坡面角優(yōu)化方案，采用強度折減法計算得到各方案的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，確定最優(yōu)臺階寬度及臺階坡面角取值。

1 協(xié)同優(yōu)化原理

1.1 臺階寬度及臺階坡面角協(xié)同優(yōu)化設(shè)計思路

綜合分析和整理現(xiàn)場勘查筆記、工程地質(zhì)資料、試驗資料等，科學(xué)合理概化礦山地質(zhì)情況，結(jié)合礦山開采實際情況，逐步優(yōu)化邊坡參數(shù)，綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定性的諸多因素，建立系統(tǒng)化臺階寬度及臺階坡面角協(xié)同優(yōu)化循環(huán)流程圖，如圖1所示。

圖1 協(xié)同優(yōu)化循環(huán)流程

1.2 強度折減法

強度折減法和極限平衡法是2種常見的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算方法，雖然2種方法所得到的穩(wěn)定性系數(shù)物理意義不同，但2種方法均能反映邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)［8］。研究表明：強度折減法考慮了邊坡體的應(yīng)力，能對邊坡進行變形穩(wěn)定性分析，揭示邊坡的變形破壞機制［9］，相對于極限平衡法，強度折減法的主要優(yōu)勢是不用預(yù)先定義滑動面，而是通過相關(guān)計算結(jié)果云圖得到邊坡的潛在滑動面，預(yù)測邊坡變形的關(guān)鍵部位［10］。為了準確分析露天礦邊坡穩(wěn)定性，達到邊坡優(yōu)化的研究目的，本文采用FLAC3D進行數(shù)值模擬計算，采用強度折減法計算不同邊坡形態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)。

2 工程實例

2.1 工程概況

四川黃山石灰石礦山礦區(qū)地勢南高、北低，最高標高1 229 m，最低標高640 m，相對標高589 m。礦區(qū)主要開采礦層為二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）和茅口組（P1m）水泥用灰?guī)r，由于沉積間斷，奧陶系與二疊系之間缺少了部分地層。含粉砂質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r層理發(fā)育，構(gòu)成軟弱結(jié)構(gòu)面，巖層呈微弧形單斜層狀產(chǎn)出。受礦山斷層F1及魚洞口斷層F2構(gòu)造影響，于東部羅溝近峨眉山玄武巖一帶略有倒轉(zhuǎn)，向東倒轉(zhuǎn)逐漸加劇，產(chǎn)狀直立乃至倒轉(zhuǎn)。該石灰石礦山邊坡巖體位于礦區(qū)中部羅溝高程720 m以上，開挖邊坡最高高程約895 m，殘坡積物（Q4）主要分布在700 m標高以上平緩地帶和低洼處，間夾少量灰?guī)r、燧石碎塊。受單斜層狀軟弱夾層影響，該軟弱夾層力學(xué)強度低，發(fā)生滑坡主要滑動面為二疊系炭質(zhì)泥頁巖所形成的軟弱夾層面。

2.2 計算模型和優(yōu)化方案

2.2.1 計算模型

根據(jù)礦山開采及初步設(shè)計，該石灰石礦山邊坡原設(shè)計參數(shù)見表1。其中每隔2個安全平臺設(shè)置1個清掃平臺。礦山與開采直接有關(guān)的地層為出露的二疊系下統(tǒng)茅口組，其巖性主要為石灰?guī)r。其中含力學(xué)強度低的軟弱夾層。選取典型剖面3-3′為例進行邊坡臺階寬度及臺階坡面角協(xié)同優(yōu)化計算，圖2為剖面3-3′工程地質(zhì)圖。對剖面3-3′進行科學(xué)合理的概化，得到原設(shè)計計算模型如圖3所示。

圖2 典型剖面3-3′工程地質(zhì)圖

圖3 原設(shè)計計算模型

表1 邊坡初步設(shè)計相關(guān)參數(shù)

2.2.2 優(yōu)化方案設(shè)計

在邊坡原設(shè)計方案上，依據(jù)《現(xiàn)代采礦手冊》［11］，始終保持清掃平臺是安全平臺的2～2.5倍，設(shè)計如表2的臺階寬度優(yōu)化方案。經(jīng)驗類比國內(nèi)外石灰石礦山開采設(shè)計，臺階坡面角60°～70°，以2°為步長，逐步增陡臺階坡面角，將臺階坡面角劃分為6個角度值。用i，j分別表示臺階寬度優(yōu)化設(shè)計方案和臺階坡面角的6個不同取值，則計算方案矩陣為Ci×j（i＝1，2，3，4，5；j＝1，2，3，4，5，6），共30種計算方案。

表2 臺階寬度優(yōu)化設(shè)計方案

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)礦山邊坡工程地質(zhì)條件，分別建立不同方案下剖面3-3′的數(shù)值模型，運用FLAC3D及強度折減法對不同方案下的礦山邊坡穩(wěn)定性進行計算分析。

3.1 FLAC3D數(shù)值網(wǎng)絡(luò)模型及邊界條件

為消除邊界效應(yīng)及尺寸效應(yīng)的影響，剖面3-3′劃定計算區(qū)域取X軸計算范圍為0～393 m，Z軸數(shù)值向上，取計算范圍為0～210 m。網(wǎng)格剖分時，對于軟弱夾層采用較密集的單元。模型其余部分采用合理的網(wǎng)格劃分技術(shù)進行過渡。列舉C11數(shù)值網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。根據(jù)工程地質(zhì)條件、巖石力學(xué)試驗結(jié)果和現(xiàn)場勘察報告，巖體力學(xué)參數(shù)見表3。數(shù)值網(wǎng)格模型的計算域底部采用固定約束，垂直于X、Z軸向的左右端面均采用法向約束，山頂及開采臨空面均取自由邊界。

圖4 C11數(shù)值網(wǎng)絡(luò)模型

表3 某石灰石礦巖體物理力學(xué)參數(shù)［9］

3.2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算

基于數(shù)值模擬軟件FLAC3D，采用強度折減法對各個方案進行計算。以C11為例，采用Mohr-Coulomb準則，對有無軟弱夾層兩種模型進行強度折減計算。圖5、圖6分別為穩(wěn)定性系數(shù)、剪切應(yīng)變增量及速度矢量結(jié)果和水平位移及位移矢量結(jié)果。

由圖5及圖6可知，不考慮軟弱夾層時，剪切應(yīng)變增量從坡頂至坡腳貫通，計算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)F＝3.23，水平方向最大位移2.2 mm，主要出現(xiàn)在邊坡中下部位；考慮軟弱夾層時，剪切應(yīng)變增量沿著軟弱夾層至640平臺貫通，此區(qū)域即為邊坡潛在滑動面，且速度矢量沿潛在滑動面朝向坡外，與該礦山邊坡實際情況相吻合。計算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)F′＝1.78，水平方向最大位移2.6 mm。證明軟弱夾層大大降低了邊坡穩(wěn)定性，且易成為邊坡潛在滑動面，對邊坡穩(wěn)定性影響巨大。

圖5 C11穩(wěn)定性系數(shù)、剪切應(yīng)變增量及速度矢量結(jié)果

圖6 C11水平位移及位移矢量結(jié)果

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）［12］，確定邊坡工程安全等級為I級，考慮開采過程中機械與爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響，為確保礦山邊坡安全，邊坡工程設(shè)計安全系數(shù)取1.25。而現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性系數(shù)F′＝1.78，遠遠大于1.25，因此存在優(yōu)化設(shè)計空間，為滿足礦山既安全又經(jīng)濟生產(chǎn)，對邊坡現(xiàn)狀進行優(yōu)化是十分必要的。

通過對所有方案Ci×j進行計算，得出各方案邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果如圖7所示。由于方案C46、C55、C56開挖至軟弱夾層，形成潛在滑動面剪出口，致使邊坡必然以軟弱夾層為滑動面產(chǎn)生滑坡，因此舍棄這3種方案。

圖7 各方案邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

由圖7可知，當(dāng)臺階寬度確定時，隨著臺階坡面角逐漸增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，如安全平臺5 m、清掃平臺10 m時，臺階坡面角從60°逐漸增大至70°，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.62減至1.11；當(dāng)邊坡臺階坡面角一定時，隨著臺階寬度減小，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小，如臺階坡面角64°時，臺階寬度總共減小6 m，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.64減至1.25。

在確保礦山安全前提下，以“多采礦”為原則，取工程設(shè)計的安全系數(shù)1.25為臨界值，篩選出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全系數(shù)的組合設(shè)計為C26、C35、C53方案，其CAD設(shè)計開采面積分別為8 141.82 m2、7 910.76 m2和8 806.27 m2。因此最終確定最優(yōu)設(shè)計方案為安全平臺4 m、清掃平臺8 m、臺階坡面角64°。

4 結(jié) 論

1）建立了系統(tǒng)化邊坡臺階寬度及臺階坡面角協(xié)同優(yōu)化循環(huán)流程圖，更直觀清晰地展示了礦山邊坡臺階寬度及臺階坡面角協(xié)同優(yōu)化的整個過程，可直接獲得最優(yōu)臺階寬度及臺階坡面角的組合取值，對礦山開采初步設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計有很好的指導(dǎo)作用。

2）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與臺階寬度成正比關(guān)系，與臺階坡面角成反比關(guān)系。隨著臺階寬度減小、臺階坡面角增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。

3）軟弱夾層大大降低了邊坡穩(wěn)定性，且易成為邊坡的潛在滑動面。在礦山開采過程中應(yīng)實時監(jiān)測，防止邊坡以軟弱夾層為滑動面產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。

4）該露天礦優(yōu)化后的組合取值為安全平臺寬度4 m、清掃平臺8 m、臺階坡面角64°。相比現(xiàn)開采設(shè)計，安全平臺寬度減小了2 m，清掃平臺寬度減小了4 m，臺階坡面角增陡了4°。