遼寧首鋼硼鐵礦業(yè)有限公司露天采場邊坡穩(wěn)定性分析

周洪博

遼寧首鋼硼鐵礦業(yè)有限公司露天采場邊坡穩(wěn)定性分析

周洪博

（遼寧省有色地質(zhì)局勘察研究院，遼寧 沈陽 110013）

針對遼寧首鋼硼鐵礦業(yè)有限公司露天采場開采深度大，邊坡失穩(wěn)滑塌問題日益突出的現(xiàn)狀，通過工程鉆探、大型剪切試驗等手段得到各巖層屬性參數(shù)，利用FLAC3D軟件對該邊坡進行三維數(shù)值模擬，分析應力應變關系，得出變形較大及應力集中區(qū)域，通過與野外地質(zhì)調(diào)繪確立的邊坡破壞模型進行對比分析，驗證本次數(shù)值模擬模型的可靠性，為邊坡進一步治理提供依據(jù)。得出結(jié)論：遼寧首鋼硼鐵礦業(yè)有限公司露天采場邊坡坡體尚未形成連貫破壞區(qū)，局部加固后可繼續(xù)向下開采。

FLAC3D；露天邊坡；邊坡穩(wěn)定性

0 引言

我國礦山開采中，露天開采處于重要位置，隨著淺部礦產(chǎn)資源的日益減少，露天開采深度逐漸增大，邊坡高度不斷增加，邊坡穩(wěn)定性問題越發(fā)突出[1-5]，在金屬礦山的開采過程中，由于金屬礦山的巖石硬度比較大，礦山爆破是比較常見的，爆破震動對采空區(qū)受力的影響也是比較大的。露天礦的開采過程中，這些動態(tài)因素具有一定的影響，為了達到露天開采的安全和穩(wěn)定，為了避免礦山安全事故，為了礦山產(chǎn)量和經(jīng)濟效益保持穩(wěn)定，我們需要分析這些動態(tài)因素對露天開采的影響[6-9]，本研究依托遼寧首鋼硼鐵礦業(yè)有限公司露天采場工程實例，通過工程鉆探、物探、地質(zhì)調(diào)繪、大型剪切試驗等手段得到各巖層屬性參數(shù)，利用FLAC3D軟件對該邊坡進行三維數(shù)值模擬，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 邊坡概況

遼寧首鋼硼鐵礦業(yè)有限公司業(yè)家溝露天采礦場位于遼寧省鳳城市境內(nèi)，邊坡形態(tài)特征為：外形在平面上為直線型，剖面上呈臺階狀，邊坡最高點標高580m，最低點標高330m，當?shù)厍治g基準面為260m，邊坡臺階高度為20m左右，工作臺階坡面角約為65o～70o，最小工作平臺寬度不足1m。

邊坡圍巖主要為變粒巖，主要發(fā)育四組節(jié)理，產(chǎn)狀為：344o∠64o，節(jié)理密度約為5條/m；252o∠75o，節(jié)理密度約為5條/m；85o∠82o，節(jié)理密度約為1條/m；196o∠53o，節(jié)理密度約為5條/m。

邊坡出露的巖性單一，主要由中下元古界遼河群里爾峪組黑云變粒巖組成，其中夾多層透輝變粒巖、電氣變粒巖、電氣透輝變粒巖、電氣透輝巖、磁鐵淺粒巖。礦物成分由長石、石英所組成。長石約占50～55%，石英20～30%，角閃石10～15%，黑云母10～15%，有少量石榴石、綠簾石，巖石中間有寬度0.5～2cm長石英質(zhì)脈，混合巖化較強，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育。

受礦產(chǎn)露天開采爆破影響，邊坡巖體破碎較嚴重，爆破影響范圍內(nèi)，邊坡巖體極易破碎，巖芯呈碎石、碎塊狀。

2 邊坡破壞類型

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，赤平投影圖分析結(jié)構(gòu)面與邊坡、結(jié)構(gòu)面之間的組合關系，本邊坡的破壞模式主要有平面滑動、圓弧型破壞、傾倒破壞、崩塌破壞等幾種：

（1）平面滑動：根據(jù)節(jié)理裂隙觀測點統(tǒng)計，邊坡存在走向與邊坡平行、傾向與邊坡傾向一致的節(jié)理面，傾角與坡角接近，稍陡于坡角，結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡角相差僅5o左右，但當采礦開挖的邊坡較陡或出現(xiàn)超挖臨空面時，加上風化作用將使巖體強度降低，礦山開采放炮等工程活動影響，易發(fā)生平面破壞。

（2）圓弧型破壞：本邊坡臺階處受礦山放炮及開采等活動影響，一般20～25m深度、局部30m范圍的巖體為破碎—極破碎，可能在破碎—極破碎山體內(nèi)發(fā)生圓弧型滑動破壞。

（3）傾倒破壞：根據(jù)節(jié)理裂隙統(tǒng)計，邊坡存在一組傾向與坡面傾向基本一致的陡傾角節(jié)理面，在邊坡坡角陡的地段，邊坡巖體已出現(xiàn)傾倒型破壞，規(guī)模較小，為臺階邊坡破壞；如果邊坡坡腳加大，將形成臨空面使邊坡巖體沿不連續(xù)面逐步變形傾倒，使邊坡巖體發(fā)生傾倒破壞。

（4）崩塌破壞：根據(jù)節(jié)理裂隙統(tǒng)計，邊坡存在多組共軛節(jié)理，且非常發(fā)育，加上邊坡受采礦活動等影響，導致邊坡巖體破碎，在邊坡較陡地段易形成崩塌。從表1可以看出該邊坡節(jié)理裂隙的優(yōu)勢分組。

本礦山邊坡存在一組傾向與坡面傾向一致，傾角稍大于坡角的結(jié)構(gòu)面。同時存在兩組結(jié)構(gòu)面交線傾向與坡面傾向一致，結(jié)構(gòu)面交線傾向與坡面傾向之間夾角小于45o，且交線傾角小于坡面傾角，但是交線傾伏角為10.3o，小于節(jié)理裂隙面摩擦角16.3o，此處邊坡為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖2所示3—4號觀測點赤平投影圖。

表1 各個剖面節(jié)理裂隙的優(yōu)勢分組

圖2 3—4號觀測點赤平投影及節(jié)理玫瑰花圖Fig.2 Stereographic projection and rose diagram of joint at No. 3-4 observation points

3 邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬

3.1 模型建立及參數(shù)選取

由于FLAC3D在數(shù)值模擬的前處理方面的不足，在這里采用ANSYS建立幾何模型并進行網(wǎng)格剖分，將節(jié)點、單元導入FLAC3D中進行計算。

本次數(shù)值模擬模型為防止邊界效應對研究區(qū)域產(chǎn)生影響，模型尺寸應大于研究區(qū)域，邊坡尺寸設置為沿坡體走向逾260m長，寬290m，高180m。鑒于ANSYS強大的前處理功能，幾何模型的構(gòu)建及網(wǎng)格的劃分在ANSYS中完成。對模型的兩側(cè)（x方向）、前后（y方向）施加水平約束，底面（z方向）施加垂直約束，對于巖土體采用摩爾-庫倫模型。對于單元的劃分，在巖體風化殼表層節(jié)理裂隙發(fā)育地帶進行更精細的劃分，2個模型共剖分了94197個單元，17858個節(jié)點。

邊坡巖層表面以下約20m內(nèi)，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，20m以下巖層完整性較好，故將邊坡分為兩個巖層屬性，具體參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)統(tǒng)計

3.2 基本原理

FLAC3D即快速拉格朗日差分分析，廣泛的應用于工程數(shù)值分析當中，其原理是利用有限差分的方法進行求解計算，具體過程要先生成網(wǎng)格，并把物理網(wǎng)格映射到數(shù)學網(wǎng)格上，使數(shù)學網(wǎng)格編號為i、j的節(jié)點同物理網(wǎng)格相應的節(jié)點x、y對應起來，形成相互映射。假設某時刻的各個節(jié)點的速度為已知，根據(jù)高斯定理求出各個單元的應變率，再根據(jù)材料的本構(gòu)關系求得單元的新應力。通過不斷的迭代求解，可以得出邊坡各單元、節(jié)點的應力應變值，便可以對邊坡的破壞過程進行模擬[5]。

3.3 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果

3.3.1 三維數(shù)值模擬應力應變規(guī)律

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件得出邊坡的各個方向的三維應力應變云圖如圖3—6.

圖3 最大主應力云圖Fig.3 Maximum principal stress nephogram

圖5 z方向位移云圖Fig.5 Nephogram of displacement along z direction

從總體應力分布可以看出，最大主應力區(qū)出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，表層臨空面為最小主應力區(qū)，在表層節(jié)理裂隙發(fā)育密集區(qū)巖層中出現(xiàn)局部拉應力區(qū)域，z軸方向由于重力壓致拉裂，形成大范圍壓力區(qū)以及少部分拉力區(qū)，和現(xiàn)場發(fā)生的巖層傾倒拉裂較為一致，向坡內(nèi)垂直應力增加。

由位移分布分析，坡體z方向位移分布與總體位移分布規(guī)律大體一致。表層位移變化量最大，向下位移值逐漸減小。

圖7 x=163.9面最小主應力切片云圖Fig.7 Nephogram of minimum principal stress section when x=163.9

圖9 x=163.9面z方向位移切片云圖Fig.9 Nephogram of displacement section along z direction when x=163.9

圖4 最小主應力云圖Fig.4 Minimum principal stress nephogram

圖6 整體塑性區(qū)云圖Fig.6 Nephogram of the entire plastic zone

由塑性分布可知，滑坡區(qū)域有塑性區(qū)域發(fā)生，從剖面圖上看，主要分布在坡體的臨空面上，出現(xiàn)沿巖層上的局部剪應力區(qū)域，當這些局部剪應力帶全部貫通，總剪切力超過滑帶極限抗剪強度，坡體會產(chǎn)生滑坡的可能，符合圓弧滑動—平面滑動破壞模式，但目前坡體尚未形成連貫的破壞區(qū)，僅僅局部發(fā)生崩塌破壞，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果此處邊坡巖層傾角小于坡角的結(jié)構(gòu)面，而且赤平投影交線傾伏角為小于節(jié)理裂隙面摩擦角，此處邊坡為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3.3.2 切割剖面應力應變規(guī)律

從整個坡體來看，位于x=164m處剖面發(fā)生的變形值較大，具體剖面上應力應變云圖見圖7—9。

圖8 x=163.9面最大主應力方向切片云圖Fig.8 Nephogram of maximum principal stress direction section when x=163.9

剖面上z軸方向發(fā)生豎向位移從坡頂?shù)狡碌字饾u減小，由于邊坡向坑內(nèi)的擠壓，形成大滑動趨勢，使得坑底隆起形成拉張破壞，發(fā)生沿z軸正方向位移，而后緣坡體拉張傾倒裂隙，產(chǎn)生向下位移，符合邊坡傾倒破壞模式。

從應力云圖上來看，最大主應力位于坡體內(nèi)部，最小主應力位于表層臨空面，符合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪得出的邊坡破壞模型結(jié)果，最大主應力部位邊坡巖層傾角稍大于坡角的結(jié)構(gòu)面，但是交線傾伏角為小于節(jié)理裂隙面摩擦角，此處邊坡為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場大量試驗及調(diào)繪數(shù)據(jù)，露天礦采場邊坡的破壞模式可能會發(fā)生圓弧滑動或是傾倒破壞，局部陡峻的斜坡地段，也易發(fā)生崩塌破壞。

（2）從應力云圖上可知，在表層節(jié)理裂隙發(fā)育密集區(qū)巖層中出現(xiàn)局部拉應力區(qū)域，z方向由于重力壓致拉裂，形成大范圍壓力區(qū)以及少部分拉力區(qū)，向坡內(nèi)垂直應力逐漸增加。邊坡坡內(nèi)有塑性區(qū)域發(fā)生，主要分布在坡體的臨空面上，出現(xiàn)沿巖層上的局部剪應力區(qū)域，符合邊坡圓弧滑動—平面滑動破壞趨勢，但目前坡體尚未形成連貫的破壞區(qū)，僅僅局部形成崩塌破壞。

（3）通過FLAC3D軟件采用數(shù)值模擬技術對露天采礦邊坡進行三維數(shù)值模擬，直觀的得出邊坡開挖后的應力應變規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場分析了變形破壞模式，對邊坡的進一步治理帶來指導意義。

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The Analysis on the Slope Stability of Opencast Mining by Liaoning Shougang Boron Iron Co., Ltd（LSBI）

ZHOU Hong-bo
（Geological Exploration & Research Institute of the Bureau of LNYS，Liaoning Shenyang 110013, China）

Aimming at the increasingly deep open mining and serious landslide of side slopes in LSBI, the rock parameters are acquired through drilling, shearing and other methods. The FLAC3Dis used for 3D number simulation and analysis of the stress-strain relationship, and the main area of maximum stress and deformation is obtained. The results have been proved reliable after the comparative analysis of the FLAC3Dsimulation and the field mapping, thus providing evidence for further measures to the sliding side slops. The conclusion is as follows, the open pits are suitable for deeper exploration because no connection among the damaged areas has appeared yet.

FLAC3D；open side slopes；stability of side slopes

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.012

1674-8565（2017）01-0070-05

2016-11-03

2017-01-16

周洪博（1984-），男，遼寧省沈陽市人，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)災害勘查、采空區(qū)探測治理方面的工作。E-mail：85902018@qq.com