基于GeoStudio的露天礦邊坡穩(wěn)定性影響特征研究

席 偉，張?jiān)t飛

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司， 河北 廊坊 065000)

露天礦開采過程中，邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)直接決定礦區(qū)生產(chǎn)效率。在實(shí)際工程中，因?yàn)槁短觳蓤?chǎng)邊坡失穩(wěn)造成人員和經(jīng)濟(jì)損失是非常慘重的。因此對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析判斷是重要的研究課題。

目前，針對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究，除了傳統(tǒng)的極限平衡方法，眾多專家學(xué)者將數(shù)值模擬分析方法運(yùn)用到邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和礦區(qū)生產(chǎn)領(lǐng)域[1-4]. 何保等[5]以大連某邊坡為例，基于GeoStudio軟件分析其穩(wěn)定性，并提出支護(hù)方案。盧茜等[6]基于GeoStudio軟件分析模擬土質(zhì)邊坡壩體的安全系數(shù)和臨界滑動(dòng)面，確保工程的安全。胡海等[7]基于GeoStudio軟件分析某露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，為減少安全事故提供技術(shù)支持。劉淵釗等[8]以銅仁市某滑坡為例，采用GeoStudio軟件計(jì)算邊坡在降雨工況下的安全系數(shù)，分析了其在不同降雨條件下的穩(wěn)定性。趙宇宸[9]以甘肅西和某滑坡為研究對(duì)象，利用GeoStudio軟件對(duì)目標(biāo)滑坡在天然狀態(tài)下和地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行建模分析計(jì)算。張紅良[10]采用GeoStudio軟件建立某尾礦庫(kù)的模型，計(jì)算分析了該尾礦庫(kù)校核水位、設(shè)計(jì)水位兩種工況條件下的穩(wěn)定性。

上述研究表明，采用數(shù)值模擬研究邊坡穩(wěn)定性，是一種簡(jiǎn)便高效的分析方法，GeoStudio軟件被廣泛運(yùn)用到滑坡穩(wěn)定研究和各項(xiàng)礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)中。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)地層

剛果(金)某銅鈷礦出露地層主要為第四系、新近系及羅安群地層。

第四系、新近系在近地表廣泛發(fā)育，厚度一般5～8 m，主要是腐殖層、泥沙質(zhì)及殘坡積物。

羅安群是本區(qū)的主要地層，是一套淺海相的細(xì)碎屑巖和化學(xué)巖，層厚>500 m，原巖為白云巖、頁巖、黏土巖、砂巖等，主要分為R1組、R2和R3組地層。上部巖層(RGS、CMN、部分SDS、BOMZ)常受構(gòu)造作用較為松散破碎呈沙狀、次棱角、渾圓狀角礫狀，中下部巖層(部分SDS、BOMZ以及大部分SDB、RSC、RSF、RAT)較為完整。羅安群礦山組地層柱狀圖見圖1.

圖1 某礦區(qū)羅安群礦山組地層柱狀圖

1.2 剖面設(shè)置

露天采場(chǎng)邊坡工程勘察成果資料表明，采場(chǎng)邊坡現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著采場(chǎng)范圍、深度的增加，采場(chǎng)邊坡逐漸變化，最終達(dá)到設(shè)計(jì)境界邊坡。在設(shè)計(jì)境界邊坡布置5條具有代表性地質(zhì)剖面，分別為DE-1剖面、DE-2剖面、MN-1剖面、MN-2剖面、DS-P剖面；采用GeoStudio軟件建立設(shè)計(jì)境界邊坡的地質(zhì)模型，研究分析設(shè)計(jì)境界邊坡的穩(wěn)定性。各剖面位置見圖2.

圖2 設(shè)計(jì)境界邊坡剖面位置圖

1.3 巖體結(jié)構(gòu)類型

受剖面邊坡巖層特性及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響，將每個(gè)巖組分為3個(gè)亞巖組，即：-1為散體狀結(jié)構(gòu)體亞巖組,-2為碎裂狀結(jié)構(gòu)體亞巖組,-3為層狀、塊狀結(jié)構(gòu)體亞巖組，見圖3.

圖3 巖體結(jié)構(gòu)圖

1.4 剖面參數(shù)

根據(jù)采場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)勘察成果，設(shè)計(jì)境界邊坡巖層參數(shù)見表1，巖組物理力學(xué)參數(shù)見表2.

表1 剖面巖層參數(shù)表

表2 剖面巖組的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查規(guī)范》[11]，研究區(qū)域內(nèi)影響剖面邊坡穩(wěn)定性主要為Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面，表現(xiàn)為散體結(jié)構(gòu)巖組，其受層間斷裂和地下水浸蝕作用的雙重影響，膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞，呈現(xiàn)出散沙狀態(tài)，力學(xué)強(qiáng)度低，發(fā)育厚度約10 m. 根據(jù)勘察鉆孔、采場(chǎng)外圍疏干井和采坑底水位綜合形成水頭計(jì)算邊界。

2 數(shù)值模擬

2.1 安全系數(shù)和極限平衡方法的選取

通過參考國(guó)內(nèi)外礦山邊坡的安全系數(shù)，結(jié)合露天采場(chǎng)邊坡實(shí)際情況，綜合確定在天然狀態(tài)自重+地下水工況下，設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)[K]是1.15.若剖面計(jì)算所得的安全系數(shù)：K>[K]時(shí)屬邊坡穩(wěn)定；1

一般情況下，穩(wěn)定邊坡：邊坡不會(huì)發(fā)生明顯的變形，對(duì)邊坡失穩(wěn)無不利影響?；痉€(wěn)定邊坡：邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但近期可能發(fā)生明顯變形造成小規(guī)模的塌滑等地質(zhì)災(zāi)害。不穩(wěn)定邊坡：邊界條件不利，邊坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須進(jìn)行處理才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

因剖面巖體存在第四系殘坡積物、三組及以上軟弱結(jié)構(gòu)面、碎裂結(jié)構(gòu)巖體等，則綜合判定邊坡潛在滑坡模式為圓弧形。依據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[12]，“碎裂邊坡﹑散體介質(zhì)邊坡，當(dāng)破壞模式為圓弧破壞時(shí)，宜采用簡(jiǎn)化Bishop 法和M-P進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算”。

2.2 Geo-SLOPE/W模擬計(jì)算

通過Geo-SLOPE /W 模塊進(jìn)行極限平衡分析，首先根據(jù)露天采場(chǎng)邊坡工程勘察成果，建立設(shè)計(jì)境界剖面的2 D模型，將模型導(dǎo)入SLOPE /W 模塊中，形成模擬邊界范圍。采用Fix約束模型水平方向和底部位移，模型頂部為自由邊界不受約束，研究天然工況(自重+地下水)下剖面最終境界邊坡的穩(wěn)定性。模塊的可視圖形化界面可以清晰地看到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面、滑動(dòng)中心位置和相應(yīng)的安全系數(shù)，計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)的效率高。

2.3 剖面穩(wěn)定性分析

1) DE-1剖面。

該剖面位于采場(chǎng)東北部，現(xiàn)狀邊坡高度155 m. 隨著邊坡開采境界逐漸向北擴(kuò)展，最終在剖面北段(1 290～1 425 m)形成坡面角50°左右、總邊坡角27°的緩坡，南段1 290 m以下為寬大臺(tái)階的設(shè)計(jì)境界邊坡，模型見圖4.

圖4 DE-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，DE-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3，圖5. 結(jié)果顯示：剖面整體安全系數(shù)大于設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)，剖面上部巖體安全系數(shù)小于設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)。表明DE-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但上部巖體的極軟巖組RGS和散體結(jié)構(gòu)巖組CMN2是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素，邊坡巖體在自重、地下水作用下，上部的極軟巖體易發(fā)生變形，可能沿以上巖組的接觸面剪出，潛在破壞模式為沿軟弱結(jié)構(gòu)面的圓弧型滑動(dòng)。

圖5 DE-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖

表3 DE-1設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算表

2) DE-2剖面。

該剖面位于采場(chǎng)西北部，現(xiàn)狀邊坡高度205 m. 隨著邊坡開采境界逐漸向北擴(kuò)展，最終形成坡底標(biāo)高達(dá)1 155 m，邊坡總高度達(dá)到247 m，總邊坡角27°，南段1 155 m為寬大臺(tái)階的設(shè)計(jì)境界邊坡，模型見圖6.

圖6 DE-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，DE-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4，圖7. 結(jié)果顯示：剖面上部、中部安全系數(shù)均大于設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)。表明DE-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡上部的RGS極軟巖組是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素，在自重力、水壓力的作用下，潛在破壞模式為巖層內(nèi)部的圓弧型滑動(dòng)。

圖7 DE-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖

表4 DE-2設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算表

3) MN-1剖面。

該剖面位于采場(chǎng)東部，現(xiàn)狀邊坡高度156 m. 隨著邊坡采深進(jìn)一步推進(jìn)，最終形成坡底標(biāo)高為1 260 m，邊坡總高度達(dá)到173 m，總邊坡角32°，坡底1 260 m為寬大臺(tái)階的設(shè)計(jì)境界邊坡，模型見圖8.

圖8 MN-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，MN-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表5，圖9. 結(jié)果顯示：剖面上部、中部安全系數(shù)均大于設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)。表明MN-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，坡頂?shù)牡谒南导癈MN2散體結(jié)構(gòu)巖組是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素，在自重力、水壓力作用下，可能沿坡面擠出，潛在破壞模式為巖層內(nèi)部的圓弧型滑動(dòng)。

表5 MN-1設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算表

圖9 MN-1剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖

4) MN-2剖面。

該剖面位于采場(chǎng)東北部，現(xiàn)狀邊坡高度93 m. 隨著開采境界向東北少量擴(kuò)展，采深進(jìn)一步推進(jìn)，最終形成坡底標(biāo)高為1 260 m，邊坡總高度為165 m，1 275 m以上總邊坡角28°，以下是寬大臺(tái)階的設(shè)計(jì)境界邊坡，模型見圖10.

圖10 MN-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，MN-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表6，圖11. 結(jié)果顯示：剖面上部、整體安全系數(shù)均略小于設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)。表明MN-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但剖面上部的第四系尾砂、尾砂層下部覆蓋的極軟巖組RGS區(qū)域和散體結(jié)構(gòu)巖組CMN2是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素；在自重力、水壓力的作用下，可能沿坡面擠出，潛在破壞模式為軟弱巖層內(nèi)部的圓弧型滑動(dòng)。

表6 MN-2設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算表

圖11 MN-2剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖

5) DS-P剖面。

該剖面位于采場(chǎng)東南部，邊坡與南排土場(chǎng)連成一體。隨著采深進(jìn)一步推進(jìn)，最終形成坡底標(biāo)高為1 140 m，邊坡總高度達(dá)336 m，總邊坡角23°的設(shè)計(jì)境界邊坡，模型見圖12.

圖12 DS-P剖面設(shè)計(jì)境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，該剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表7，圖13. 結(jié)果顯示：剖面整體安全系數(shù)大于設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)，剖面中部安全系數(shù)略小于設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)。表明該剖面設(shè)計(jì)境界邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但剖面中部的極軟巖RAT巖組在附近地表水的持續(xù)作用下，可能沿坡面擠出，發(fā)生弧形破壞，潛在破壞模式為巖層內(nèi)部的圓弧-平面形滑動(dòng)。

圖13 DS-P剖面設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖

表7 DS-P設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算表

3 結(jié) 論

基于GeoStudio建立露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)境界邊坡模型，通過設(shè)置5個(gè)剖面對(duì)設(shè)計(jì)境界邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了極限平衡分析。主要結(jié)論如下：

1) DE-1、DE-2、MN-1和DS-P剖面整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；MN-2剖面整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2) DE-1剖面上部和DS-P剖面中部處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；MN-2剖面上部處于不穩(wěn)定狀態(tài)。表明剖面上中部存在的第四系尾礦砂、極軟巖RGS、RAT組和散體結(jié)構(gòu)CMN2巖組是潛在滑坡體影響邊坡穩(wěn)定的主要因素，潛在破壞模式為圓弧形-平面形破壞。

3) MN-2剖面上部巖體極易發(fā)生塑性變形并相互貫通造成滑坡，滑坡體推移至剖面中下部完整巖體寬大臺(tái)階形成穩(wěn)定平衡狀態(tài)，滑坡規(guī)模有限不會(huì)造成邊坡整體失穩(wěn)。MN-2剖面上部巖體是后續(xù)礦區(qū)采場(chǎng)境界優(yōu)化、邊坡滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)區(qū)域。