露天礦滾石災(zāi)害分析及控制

田坤，李國明，羅會良，趙德高，張君

（1.中國地質(zhì)礦業(yè)總公司沙特分公司，沙特阿拉伯；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

露天礦滾石災(zāi)害分析及控制

田坤1，李國明1，羅會良1，趙德高1，張君2

（1.中國地質(zhì)礦業(yè)總公司沙特分公司，沙特阿拉伯；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

滾石災(zāi)害是露天礦山經(jīng)常出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，因其突發(fā)性和不確定性，無法對其進(jìn)行主動和有效的防護(hù)。以某露天礦為研究對象，把露天邊坡穩(wěn)定性和滾石災(zāi)害研究結(jié)合起來，形成一個(gè)完整的從滾石災(zāi)害區(qū)域辨識、滾石災(zāi)害模擬到滾石災(zāi)害防治的災(zāi)害預(yù)警防治系統(tǒng)。采用軟件模擬的方法對滾石災(zāi)害的分布區(qū)域以及滾石落點(diǎn)的時(shí)空分布進(jìn)行深入研究。首先采用模擬軟件對露天坑的14個(gè)地質(zhì)剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，根據(jù)模擬結(jié)果圈定礦山的邊坡滾石的多發(fā)區(qū)域，并采用模擬軟件對滾石進(jìn)行模擬，獲取滾石的運(yùn)動路徑、滾石落點(diǎn)和滾石速度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，進(jìn)而提出了有針對性的滾石災(zāi)害防治措施，以減少災(zāi)害對礦山生產(chǎn)和施工人員人身安全的威脅。

露天礦；滾石；地質(zhì)災(zāi)害；邊坡防護(hù)

露天開采后期，邊坡高而陡，另外由于露天邊坡長期暴露，在降雨、爆破振動和風(fēng)化等因素的影響下，在邊坡不穩(wěn)定的位置常會發(fā)生松動巖塊滾落，滾落的巖塊會對采掘人員的生命安全和設(shè)備構(gòu)成威脅［1］。

滾石是危巖體與母巖分離后，在斜坡上運(yùn)動的一種邊坡失穩(wěn)方式［2］。滾石災(zāi)害是一種具有突發(fā)性、隨機(jī)性和多發(fā)性的災(zāi)害，一直以來對其缺乏有效的預(yù)測和控制措施。20世紀(jì)中期以來，國內(nèi)眾多學(xué)者對滾石的運(yùn)動特征以及沖擊力的計(jì)算進(jìn)行了一些卓有成效的探索［4－7］。黃潤秋和劉衛(wèi)華等采用不同的試驗(yàn)方法對不同形狀的滾石的運(yùn)動特征進(jìn)行了研究［2－3］。唐紅梅和易朋瑩采用理論計(jì)算的方法對滾石的運(yùn)動路徑進(jìn)行研究，并建立了滾石各運(yùn)動階段的軌跡方程［8］。葉四橋和陳洪凱等通過對國內(nèi)外通用的滾石沖擊力計(jì)算公式結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并給出沖擊力放大系數(shù)，給出了實(shí)際的滾石沖擊力計(jì)算公式［9－10］。連永慶采用數(shù)值模擬的方法模擬滾石對橋墩的碰撞，取得了一系列的研究成果［11］。何思明等對滾石在運(yùn)動中的恢復(fù)系數(shù)以及滾石對防護(hù)物的特性和沖擊力計(jì)算進(jìn)行了廣泛的研究，并提出了一種計(jì)算泥石流中滾石對構(gòu)筑物的沖擊力的簡化方法［12－15］。

國內(nèi)外對滾石的運(yùn)動路徑和滾石沖擊力計(jì)算的研究已經(jīng)取得了很多研究成果，但是國內(nèi)對露天轉(zhuǎn)地下過程中滾石災(zāi)害影響的研究較少，鑒于此本文以某露天轉(zhuǎn)地下礦山為例，對露天轉(zhuǎn)地下過程中滾石落點(diǎn)的時(shí)空分布和滾石對露天坑底預(yù)留的境界頂柱安全的危害進(jìn)行評價(jià)分析。

1 研究方案

1.1 概述

某礦山是一座以硫、銅、鐵為主，伴生金、銀等多種金屬元素的露天地下聯(lián)合開采的礦山。礦山露天坑位于山腳處，因此一側(cè)依山形成一個(gè)高邊坡，礦區(qū)降雨較多，礦區(qū)面臨較大的滾石潛在威脅。

1.2 研究思路

為了對礦山滾石進(jìn)行模擬，首先需要對露天邊坡滾石的多發(fā)地進(jìn)行辨識，然后滾石多發(fā)地進(jìn)行滾石模擬，從而獲得滾石在露天坑地落點(diǎn)的分布圖和滾石落點(diǎn)處的速度，進(jìn)而對滾石沖擊力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)模擬和計(jì)算結(jié)果對邊坡滾石的防護(hù)提供建議，也可以對境界頂柱的安全性進(jìn)行校驗(yàn)，并以此提出可行的保護(hù)措施。研究路線如圖1所示。

圖1 研究路線Fig.1 Research route

2 滾石多發(fā)區(qū)域辨識

2.1 剖面選取

選取涵蓋露天坑所有高邊坡一側(cè)的15－28地質(zhì)剖面作為研究對象，對邊坡滾石多發(fā)區(qū)域進(jìn)行辨識，剖面位置如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面Fig.2 Geological profile

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)礦山的地質(zhì)剖面資料建立邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型，模型邊界約束采用位移約束方式，對地面和兩側(cè)進(jìn)行約束。計(jì)算模型分為三部分，如圖3所示的上盤邊坡、下盤邊坡和礦體。

圖3 計(jì)算模型Fig.3 Computational model

計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of numerical model

2.3 結(jié)果分析

模型的計(jì)算結(jié)果以剖面15為例，邊坡兩側(cè)高度懸殊，只對高邊坡一側(cè)進(jìn)行模擬，通過模擬計(jì)算獲得剖面中安全系數(shù)最小的滑動面以及滑動面的參數(shù)信息，結(jié)合滑動面信息和安全系數(shù)，我們可以對剖面位置的邊坡安全進(jìn)行評價(jià)，以判斷該剖面區(qū)域是否為滾石災(zāi)害多發(fā)區(qū)，模型的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 剖面15高邊坡一側(cè)模擬結(jié)果Fig.4 Simulation result of No.15profile of high slope side

從圖4中可以獲得對邊坡滑動體最高點(diǎn)、最低點(diǎn)的高程、滑動體的深度以及其安全系數(shù)等信息，根據(jù)模擬結(jié)果對各剖面的滑動體信息進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2所示。

表2 模擬結(jié)果匯總Table 2 Summary of simulation results

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范GB50330－2002》中邊坡安全系數(shù)如表3所示。

表3 穩(wěn)定邊坡安全系數(shù)Table 3 Safety factor of permanent slope

由于露天邊坡高度較大，其穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)可按表3的標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)提高，本研究采用1.4作為安全系數(shù)。據(jù)此我們可以圈定18、19、20和21線之間為邊坡的不穩(wěn)定區(qū)域及滾石多發(fā)區(qū)。下面對該區(qū)域的滾石進(jìn)行模擬。

3 滾石災(zāi)害及時(shí)空分布分析

由于邊坡失穩(wěn)而形成滑動，在下滑的過程中會形成兩種運(yùn)動，一種是沿節(jié)理裂隙解體形成單個(gè)滾石滾落，另一種是沿邊坡整體滑落，速度相對較慢，由于節(jié)理裂隙的存在，大規(guī)模的深度滑坡很難出現(xiàn)。由于滾石的速度快并且具有不確定性，對礦山的危害更大，本論文主要對滾石的危害進(jìn)行研究。在進(jìn)行模擬研究之前我們需要設(shè)定幾個(gè)基本假設(shè)：

1）在二維空間內(nèi)分析滾石；

2）相對邊坡來說，滾石體積很小，假設(shè)滾石為無限小的顆粒，忽略空氣阻力；

3）滾石滾落過程中，質(zhì)量用于滾石的能量計(jì)算且質(zhì)量在滾落過程中不發(fā)生變化；

4）滾石滾落時(shí)，不引起坡體的變化；5）露天坑底部為與邊坡同性的巖石。

根據(jù)礦區(qū)資料，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，得到物理參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。取邊坡法向恢復(fù)系數(shù)為0.50，標(biāo)準(zhǔn)差0.04，切向恢復(fù)系數(shù)為0.80，標(biāo)準(zhǔn)差0.04，摩擦角為25°，粗糙度為2°。

3.1 滾石模擬

每次計(jì)算滾石50塊，采用Pseudo－random方法。應(yīng)用隨機(jī)數(shù)來進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，滾石的跡線為拋物線形。

剖面18的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 滾石路徑圖Fig.5 Route of rock－fall

露天坑左側(cè)邊坡底部坡腳X坐標(biāo)為4050，圖6為滾石滾落最后停留的剖面位置。

從圖中可以得出大概有60%的滾石會留在邊坡上，其余的最終會滾落到坑底，并且大部分停留在4 070～4 100，也就是露天坑靠近滾石邊坡坡腳的位置，從圖5的滾石運(yùn)動跡線中可以看出，其中有一部分滾石是滾落到另一邊的邊坡滾落回來最終停留在該區(qū)域的。實(shí)際情況中，露天坑底部不如模型中平整和堅(jiān)硬，因此切向和法向恢復(fù)系數(shù)都會比較低，滾石基本上會在與露天坑底進(jìn)行一兩次撞擊之后停下來，模擬中出現(xiàn)的滾石滾落到另一邊邊坡再反彈回來的情況很難出現(xiàn)。由于滾石的第一落點(diǎn)集中在高邊坡坡腳位置，因此大部分滾石依然會停留在靠滾石邊坡的一側(cè)。這也表明滾石從邊坡滾落后，高邊坡的坡腳附近位置會受到直接沖擊，此處造成的危害最大。

在滾石災(zāi)害的研究中我們關(guān)心的另一個(gè)因素就是滾石的速度，滾石在不同位置的平均速度如圖7所示。

對18－19剖面中滾石在滾落過程中的速度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖8所示。這里為了數(shù)據(jù)的處理方便，以滾石邊坡對面邊坡的坡腳位置作為位移零點(diǎn)。圖7中可以看出滾石的最大速度可以達(dá)到30m/s，出現(xiàn)在66和83區(qū)域之間，滾石的速度曲線呈鋸齒上升狀，這反映的是滾石在下落的過程中不停的進(jìn)行動能和勢能轉(zhuǎn)換的過程。圖8中顯示滾石的速度分布近似地符合一個(gè)以速度為自變量x，與另一次坡腳的水平距離為因變量y的一元三次方程。方程在圖中已經(jīng)給出。從方程的曲線我們可以得出，在距坡腳100m的位置處滾石具有最大的動能，從另一方面說也就是該處的滾石勢能也處于最小值，在該區(qū)域大部分的滾石處于動能和勢能轉(zhuǎn)換的臨界位置，該區(qū)域滾石更貼近邊坡，與邊坡的撞擊概率最大，在該區(qū)域設(shè)置防護(hù)設(shè)施的防護(hù)效率最高，可以在此處建立柔性防護(hù)網(wǎng)或者鋪設(shè)緩沖物。下盤邊坡的坡腳位置為滾石掉落的集中區(qū)域，因此我們應(yīng)該盡量避免在這一區(qū)域布置永久工程。

圖6 滾石停留位置Fig.6 Residence location of rock－fall

圖7 滾石平均速度Fig.7 Average velocity of rock－fall

圖8 滾石速度分布Fig.8 Distribution of rock－fall velocity

4 結(jié)論

通過對某露天礦滾石災(zāi)害的研究分析得出以下結(jié)論。

1）滾石災(zāi)害研究中，滾石多發(fā)區(qū)域的辨識是基礎(chǔ)，這樣對滾石災(zāi)害的研究才有針對性，對礦山的實(shí)際生產(chǎn)才更有指導(dǎo)意義。

2）邊坡滾石前端主要以滾動為主，后期隨著速度的增大，會產(chǎn)生跳躍。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，大概有40%的滾石會到達(dá)露天坑底部。

3）滾石第一落點(diǎn)集中在露天坑坡腳位置，大部分為經(jīng)過最后一級邊坡反彈后沖擊坑底。

4）露天礦對于滾石的防護(hù)可以從兩方面著手，一方面可以采取措施減少滾石危險(xiǎn)源的威脅，可以采用錨索支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)或者噴射混凝土支護(hù)等措施，加固滾石多發(fā)區(qū)域。另外可以在滾石發(fā)生大幅度彈跳的運(yùn)動前端設(shè)置柔性的防護(hù)網(wǎng)，還可以在露天坑的最后一級邊坡位置鋪設(shè)緩沖物，讓更多的滾石通過緩沖物的緩沖作用最終留在邊坡上，避免對坑底生產(chǎn)產(chǎn)生威脅，也可以分階段設(shè)置防護(hù)網(wǎng)攔截滾石。

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Analysis and control of rock－fall disaster in open－pit mine

TIAN Kun1，LI Guoming1，LUO Huiliang1，ZHAO Degao1，ZHANG Jun2
（1.Saudi Arabia Branch of China National Geology ＆Mining Corporation，Saudi Arabia；2.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

Rock－fall is a frequent geological disaster in open－pit mine.Due to the abruptness and uncertainty，it is difficult to take some active and effect measures to prevent it.The study in this paper is based on a certain open－pit combining the stability analysis of open－pit slope with rock－fall hazard study to establish an early warning system consists of hazard identification，rock－fall numerical simulation and rock－fall prevention.Using numerical simulation to identify the hazard zone of the slope and analyze the movement path of rock－fall from the hazard zone，the distribution of impact points at the bottom of the open－pit and rock－fall velocity are got.Based on the result，we can take some targeted measures to minimize the threat of rock－fall to production and workers.

open－pit mine；rock－fall；geological disaster；slope protection

TD77

A

1671－4172（2015）05－0095－05

田坤（1987－），男，助理工程師，碩士，采礦工程專業(yè)，主要從事地下礦開采設(shè)計(jì)、露天轉(zhuǎn)地下境界頂柱厚度、露天轉(zhuǎn)地下災(zāi)害防治等領(lǐng)域的研究。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.020