巖性劣化對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性的響應(yīng)規(guī)律

辛保泉 譚欽文 謝羽佳 王永強(qiáng) 萬(wàn) 露

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

巖性劣化對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性的響應(yīng)規(guī)律

辛保泉 譚欽文 謝羽佳 王永強(qiáng) 萬(wàn) 露

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

針對(duì)巖性條件劣化導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降的問題,以某露天礦山邊坡為研究對(duì)象，運(yùn)用SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)礦山滑坡體內(nèi)部缺陷,并結(jié)合Slide軟件模擬分析了不同巖性條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：軟弱夾層、降雨入滲和爆破動(dòng)荷載等內(nèi)外因共同作用造成邊坡巖性劣化，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡后期出現(xiàn)滑移失穩(wěn)；黏聚力c值降低是巖性劣化過程中的主要力學(xué)表現(xiàn)，安全系數(shù)與c值呈部分拋物線關(guān)系，且c值降為50 kPa是邊坡特殊工況的失穩(wěn)臨界值。在綜合分析礦山運(yùn)行特征和巖性劣化條件基礎(chǔ)上，提出通過減小上部第四系臺(tái)階坡面角和最終邊坡角提高其永久穩(wěn)定性的建議，安全系數(shù)經(jīng)驗(yàn)證符合要求。研究結(jié)果可為礦山后期安全開采和邊坡控制參數(shù)取值提供重要依據(jù)。

露天礦山 邊坡穩(wěn)定性 巖性劣化 數(shù)值模擬 黏聚力 安全系數(shù)

露天開采以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)礦山開采中占有較大比重，其中露采鐵礦占鐵礦總開采量的85%左右[1]。而臺(tái)階邊坡作為露天礦山重大的安全性工程，有近40%存在不同程度的穩(wěn)定性問題[2]，邊坡穩(wěn)定性研究已成為露天礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

邊坡巖體的變形、滑動(dòng)和破壞是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)是保證露天邊坡安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。目前，露天礦邊坡設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性分析方法有很多[3]，但幾乎都是基于礦山初期巖性條件進(jìn)行的[4]，缺乏對(duì)礦山不同工況和后期巖性參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的考慮，導(dǎo)致實(shí)際邊坡按照設(shè)計(jì)尺寸開采時(shí)，隨著巖性條件劣化，邊坡穩(wěn)定性迅速下降進(jìn)而出現(xiàn)失穩(wěn)滑移?；诖?，本研究以某露天礦開采邊坡為研究對(duì)象，采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)探測(cè)礦山臺(tái)階邊坡內(nèi)部地質(zhì)缺陷[5]，分析推演巖性劣化原因，并結(jié)合有限元分析軟件Slide對(duì)計(jì)算開采邊坡穩(wěn)定性，探明巖性條件劣化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，經(jīng)多次校核后提出符合該露天礦山開采邊坡穩(wěn)定性的建議尺寸。

1 某露天礦邊坡概況

1.1 滑坡分布及裂隙發(fā)育

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)繪，該采場(chǎng)邊坡屬典型破裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡，且存在具有貫穿趨勢(shì)的拉裂隙，呈圈椅狀，滑坡體縱向長(zhǎng)度約151 m，橫向?qū)挾?34～252 m。當(dāng)前滑坡體已發(fā)生明顯坍塌及位移，邊坡全貌及滑坡分布如圖1、圖2所示。

圖1 邊坡全貌

圖2 采場(chǎng)邊坡滑坡分布

該開采臺(tái)階邊坡總體呈現(xiàn)2大類型：

(1)局部臺(tái)階坍塌，最終臺(tái)階結(jié)構(gòu)受損。在采場(chǎng)左側(cè)中部臺(tái)階由于巖層產(chǎn)狀、降雨和風(fēng)化等因素影響，已出現(xiàn)較大面積垮塌，嚴(yán)重影響終了邊坡局部結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，威脅礦山開采和運(yùn)輸安全。

(2)中上部整體滑移。在采場(chǎng)右側(cè)中上部出現(xiàn)“圈椅狀”拉裂縫，且其走勢(shì)沿典型巖性分界面和節(jié)理裂隙呈現(xiàn)出多臺(tái)階貫通趨勢(shì)。

1.2 滑坡發(fā)展趨勢(shì)及危害性分析

滑坡現(xiàn)狀為欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，局部存在緩慢移動(dòng)變形。暴雨作用使滑坡體后緣裂隙急速發(fā)展，若坡面暴雨積水進(jìn)入場(chǎng)地后緣，將給場(chǎng)地的礦山開采帶來(lái)潛在致命的威脅。該滑坡體后部現(xiàn)已形成一級(jí)明顯滑坡，在強(qiáng)降雨、爆破震動(dòng)等因素影響下，下部陡坎處也已形成1個(gè)潛在剪出滑移面。整個(gè)滑坡體呈現(xiàn)整體滑坡勢(shì)態(tài)。

此外，采礦活動(dòng)對(duì)礦體上的滑坡體有較大的影響，如遇大開挖、大爆破、雨水浸潤(rùn)，或是地震等誘發(fā)因素極易導(dǎo)致坡體滑動(dòng)[6]。

2 滑坡體雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

地質(zhì)雷達(dá)可探測(cè)、揭示臺(tái)階邊坡內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造和潛在缺陷。本研究運(yùn)用SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)礦山滑坡體及裂隙情況[7]，探明該區(qū)域出現(xiàn)臺(tái)階嚴(yán)重垮塌及滑坡的主要原因。分別在采區(qū)滑坡頂部、中部和底部布置3條測(cè)線進(jìn)行探測(cè)，并選取裂隙較為典型的測(cè)線Ⅰ、Ⅱ(見圖2中測(cè)線Ⅰ、測(cè)線Ⅱ)分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。圖中橫軸為水平位置，縱軸表示探測(cè)深度。

圖3 測(cè)線Ⅰ掃描圖像

圖4 測(cè)線Ⅱ掃描圖像

圖3中，地面12 m以下雷達(dá)掃描圖信號(hào)急劇衰減至缺失，說(shuō)明雷達(dá)電磁波衰減、吸收強(qiáng)烈，表示土體含水率較高；在12 m以上，圖像呈現(xiàn)反射異常，說(shuō)明反射區(qū)發(fā)生了振幅反向，由于電磁波從介電常數(shù)小的介質(zhì)進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)造成。分析礦山滑坡體觀測(cè)情況可知，所測(cè)測(cè)線表面裂縫區(qū)域以下存在深約10 m裂隙或斷層，即圖3中標(biāo)有同相軸錯(cuò)斷區(qū)域所示，說(shuō)明局部土體松散或存在貫穿裂隙。

圖4中，測(cè)線區(qū)域深度9 m以下的雷達(dá)電磁波衰減、吸收較強(qiáng)烈，表明該區(qū)域土體松散，含水率較高；在距測(cè)線起始點(diǎn)水平位置為98～100 m的地下，存在雷達(dá)云圖同相軸缺失現(xiàn)象，表明該區(qū)域存在裂隙、土體不密實(shí)或局部空洞。這對(duì)滑坡體的穩(wěn)定十分不利。

按照同樣方法解析各測(cè)線不同里程的地層、巖性構(gòu)造，結(jié)果見表1。

表1 采區(qū)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果匯總

根據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果可知該區(qū)域裂隙發(fā)育，深度在1.5～9 m。采區(qū)地面以上3 m基本為松散土體，地下約10 m巖土體出現(xiàn)疏松。分析上述雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，可將巖性劣化的原因歸為：

(1)關(guān)鍵內(nèi)因。坡面內(nèi)部存在軟弱夾層，滑坡物質(zhì)的互層、破碎給滑坡的滑移提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)外在誘因。礦山開采改變了坡面坡面形態(tài)和巖土支撐，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布[8]；降雨及爆破震動(dòng)等外因致使滑帶土飽和，降低了抗滑能力，為滑坡體的滑動(dòng)提供了外部條件。

探測(cè)結(jié)果表明，地質(zhì)構(gòu)造、降雨入滲和爆破震動(dòng)等因素的共同影響造成邊坡巖性劣化嚴(yán)重，定性地解釋了該露天礦現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性較差的原因。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算剖面

選取垮塌區(qū)圈椅狀滑坡體中線(圖2中A-A剖面)為典型剖面進(jìn)行分析，并與其同期進(jìn)行的地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果互相補(bǔ)充和印證。

現(xiàn)狀邊坡尺寸(即原設(shè)計(jì)尺寸)如圖5所示：臺(tái)階高10 m；安全平臺(tái)寬4 m；清掃運(yùn)輸平臺(tái)寬10 m；每隔2個(gè)安全平臺(tái)設(shè)置1個(gè)清掃平臺(tái)；最終臺(tái)階坡面角上部第四系45°～50°，下部60°，最終邊坡角42°。構(gòu)成本開采剖面的礦巖主要為片理化蝕變基性火山巖，其物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

圖5 設(shè)計(jì)尺寸邊坡剖面簡(jiǎn)圖

表2 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

注：RQD值表示礦巖工程質(zhì)量系數(shù)。

從表2知，近6 a邊坡巖體破碎現(xiàn)象突出，吸水性提高，質(zhì)量下降明顯，巖性條件劣化嚴(yán)重。其中，表征礦巖抗剪強(qiáng)度的黏聚力c值降幅最大(如圖6所示)，自2009年至今已降低了75%，平均25 kPa/a，目前已降為50 kPa并趨于穩(wěn)定。

圖6 黏聚力-時(shí)間變化曲線

3.2 計(jì)算方法

該露天礦山巖體松散且破壞面復(fù)雜，所處區(qū)域降雨充沛，宜選用圓弧形滑動(dòng)面并根據(jù)簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算分析邊坡穩(wěn)定性[9]，同時(shí)用簡(jiǎn)化Janbu法校核。簡(jiǎn)化Bishop法是假設(shè)每個(gè)條塊側(cè)面上的作用力是水平方向的，即條塊之間無(wú)摩擦，作用在第i條塊上的力見圖7所示。邊坡穩(wěn)定程度采用邊坡安全系數(shù)表示，即邊坡安全系數(shù)F定義為抗滑力矩和滑動(dòng)力矩之比或抗剪強(qiáng)度與剪應(yīng)力之比[10]。

圖7 簡(jiǎn)化Bishop法穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

根據(jù)垂直方向的分力為零，并考慮孔隙壓力比ru，通過求解方程得出穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

其中，c為黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；γ為土的重度,kN/m3;bi為條塊寬度，m；R為滑弧半徑，m；Qi為地震慣性力(水平方向)，kN；Wi為條塊的巖土重力，kN；θi為條塊滑面的傾角，(°)。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)邊坡設(shè)計(jì)尺寸和實(shí)測(cè)巖體力學(xué)參數(shù)，采用(Slide軟件的)隨機(jī)搜索方法，分析和確定圓弧的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并計(jì)算安全系數(shù)。計(jì)算時(shí)，礦巖密度ρ取2.70 t/m3，滲透系數(shù)取2×10-6cm/s，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，計(jì)算所用浸潤(rùn)線位置由現(xiàn)場(chǎng)勘查和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果所得，平均埋深為7.169 m，坡面下部最小埋深1.912 m。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，在實(shí)際黏聚力c值降至50 kPa時(shí)，若繼續(xù)按原設(shè)計(jì)尺寸放坡采礦，正常工況(干燥無(wú)雨且施工放坡狀態(tài)良好)邊坡較為穩(wěn)定；暴雨影響下由簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算出的安全系數(shù)較小，簡(jiǎn)化Janbu法計(jì)算的安全系數(shù)僅為1.097，已接近臨界值；特殊工況(暴雨、地震共同作用)下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果:簡(jiǎn)化Bishop法的安全系數(shù)為1.004，而Janbu法僅為0.883，已不滿足穩(wěn)定性要求，極易出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌情況。

通過上述計(jì)算和分析可以認(rèn)為，巖石黏聚力c值顯著降低是巖性劣化的主要表現(xiàn)，也是造成露天礦山開采邊坡穩(wěn)定性急劇下降的關(guān)鍵內(nèi)因。基于此，通過改變c值(其他參數(shù)不變)，進(jìn)一步計(jì)算分析實(shí)際邊坡在巖性劣化過程中的穩(wěn)定性變化情況，探明巖性劣化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的響應(yīng)規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 邊坡穩(wěn)定性隨黏聚力減小的變化趨勢(shì)

從圖8可看出，邊坡安全系數(shù)隨黏聚力下降呈明顯減小趨勢(shì)。通過多次曲線擬合計(jì)算和對(duì)比得出，二者為多項(xiàng)式關(guān)系，呈部分拋物線趨勢(shì)，3個(gè)方程的決定系數(shù)R2達(dá)到了0.999 9，擬合結(jié)果極為可靠。當(dāng)c值降到50 kPa時(shí)，邊坡特殊工況時(shí)的安全系數(shù)將達(dá)到臨界值。由表2知，原設(shè)計(jì)邊坡的黏聚力取值不小于200 kPa，證明邊坡在巖性劣化前穩(wěn)定性較好，黏聚力隨巖性劣化逐漸減小，進(jìn)而直接降低了邊坡的穩(wěn)定性，導(dǎo)致臺(tái)階邊坡失穩(wěn)滑移。

3.4 修改建議

考慮到該露天礦開采已接近中后期，邊坡平臺(tái)不宜再做改動(dòng)的現(xiàn)實(shí)狀況，通過反復(fù)分析演算，建議將上部第四系臺(tái)階坡面角調(diào)整為40°～45°，最終邊坡角為40°，其他尺寸值不變。對(duì)修改尺寸后的臺(tái)階邊坡再次進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，結(jié)果如表4所示。

表4 修改尺寸后的安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果

由驗(yàn)算結(jié)果可知，3種工況下2種方法的安全系數(shù)均滿足穩(wěn)定性要求，修改后的尺寸合理可行。

4 結(jié) 論

(1)巖性劣化的主要原因是基巖存在軟弱夾層和破損結(jié)構(gòu)面且裂隙發(fā)育，抗水蝕能力低，極端降雨入滲，以及爆破動(dòng)荷載導(dǎo)致滑動(dòng)體內(nèi)部應(yīng)力重新分布。

(2)露天礦邊坡穩(wěn)定性是是動(dòng)態(tài)變化的，其安全系數(shù)與黏聚力c值呈部分拋物線關(guān)系。

(3)邊坡3種工況下的安全系數(shù)均較小，尤其是在暴雨和特殊工況時(shí)已臨近失穩(wěn)，調(diào)整最終坡面角至40°后可滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

(4)建議在設(shè)計(jì)初期對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析時(shí)，須結(jié)合礦山實(shí)際情況，考慮“巖性劣化”對(duì)采場(chǎng)邊坡后期運(yùn)行的動(dòng)態(tài)影響，否則極可能造成邊坡實(shí)際穩(wěn)定性較原設(shè)計(jì)偏小，存在滑坡危險(xiǎn)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Response Law of Lithology Deterioration on Slope Stability of Open-pit Mines

Xin Baoquan Tan Qinwen Xie Yujia Wang Yongqiang Wan Lu

(SchoolofEnvironmentandResource，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，China)

In view of the fact that lithology deterioration condition leads to the decline of slope stability，and with a slope of open-pit mine as the research object，the internal defects of landslide were detected by SIR-20 geological radar，and the change law of slope stability under the condition of different lithology was analyzed with Slide software.Results showed that：slope lithology deterioration is caused by the interaction of weak interlayer，the rainfall infiltration and the blasting dynamic load，which lead to the slope sliding and instability in the late;cvalue reduction is the main mechanical performance in the process of lithology deterioration; Safety factor andcvalue showed as a partial parabola relationship，and the reducedcvalue 50 kPa is the critical value of slope instability under special working conditions.According to a comprehensive analysis of mine operating characteristics and the lithology deterioration condition，a proposal to improve its permanent stability by decreasing the upper quaternary bench slope angle and final slope angle is put forward.It is proven that the safety factor could meet the requirements.The results provide an important basis for safety mining and determining slope control parameters in the late.

Open-pit mine，Slope stability，Lithology deterioration，Numerical simulation，Cohesion，Safety factor

2015-02-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51404200)，四川省教育廳科研項(xiàng)目(編號(hào)：14zd1106)。

辛保泉(1990—)，男，碩士研究生。

TD804，TU457

A

1001-1250(2015)-04-157-05