峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量數(shù)值模擬

劉慈光 胡建華 楊 春

(1.太原鋼鐵(集團)有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量數(shù)值模擬

劉慈光1胡建華2楊 春2

(1.太原鋼鐵(集團)有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

運用二維有限元分析軟件GeoStudio及AutoCAD-3Dmine聯(lián)合建模技術(shù)構(gòu)建了數(shù)值仿真滲流計算模型，對峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：①南幫邊坡涌水量為3 071 m3/d，富水性較高，需及時建設(shè)防治水工程；②13#剖面單寬流量最大，后續(xù)防治水工程建設(shè)于13#剖面附近下部平臺利于遏制礦區(qū)內(nèi)涌水。上述分析對于峨口鐵礦南幫邊坡涌水治理及邊坡維護有一定的參考價值。

聯(lián)合建模技術(shù) 露天坑 邊坡涌水量 數(shù)值模擬

露天采場邊坡穩(wěn)定性是礦山安全高效生產(chǎn)的基本保障。邊坡穩(wěn)定性不僅受地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地震、地下水等內(nèi)因影響，同時降水、爆破擾動等外因與不良地質(zhì)體耦合作用，也增加了邊坡失穩(wěn)的可能性[1]。破碎巖質(zhì)邊坡內(nèi)部節(jié)理裂隙錯綜復(fù)雜，滲透性較高，地下水沿裂隙面出流過程中沖刷、溶解面內(nèi)填充物，致使裂隙面黏結(jié)力大幅降低，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)率增加[2]。據(jù)統(tǒng)計，我國90%以上的礦山邊坡失穩(wěn)與地下水或降雨有關(guān)[3]，因此，破碎巖質(zhì)邊坡涌水量預(yù)測對破碎巖質(zhì)邊坡維護尤為重要。本研究選用二維有限元分析軟件GeoStudio對峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量進行數(shù)值模擬分析，為該礦邊坡涌水治理工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 工程概況

峨口鐵礦經(jīng)過30多年露天開采，已形成約400 m的高陡邊坡。2012年一季度末，該礦南東采區(qū)已開采至封閉圈以下，逐漸轉(zhuǎn)入高陡邊坡深凹露天開采，礦區(qū)地下水對采礦的影響越來越大。2013年7月，南東采場新開1 636 m水平因降雨及山體涌水，形成深達8 m的積水坑，導(dǎo)致該水平無法開采推進，嚴重影響了露天轉(zhuǎn)地下工程的施工進度。該礦坡面滲水已形成細流，平臺內(nèi)有大面積積水。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型構(gòu)建

運用Auto CAD-3Dmine聯(lián)合建模技術(shù)生成露天坑實體模型，通過三維模型剖分獲得二維坡面輪廓線，對于邊坡形態(tài)較相似的區(qū)域，僅取一個代表剖面，共選取16組代表剖面，剖面線位置見圖1。

圖1 露天坑南幫計算剖面位置

因露天坑最低平臺實際標(biāo)高超過1 500 m，若GeoStudio模型從坐標(biāo)原點開始構(gòu)建模型，則不利于觀察分析，故利用Auto CAD軟件對剖面進行輔助處理，提取模型關(guān)鍵點建立相對坐標(biāo)模型，即Geo-studio軟件顯示的高程與模型最低點實際高程之和為該點實際高程。為簡化計算并確保精度，根據(jù)礦山露天坑巖層分布規(guī)律，按60 m高度對模型進行分層簡化，層內(nèi)邊坡體視為各向同性均一材料，即滲透系數(shù)維持恒定不變，南邊坡各分層巖體滲透系數(shù)分別為0.8(第1層)，0.75(第2層)，0.7(第3層)，0.65(第4層)，0.6(第5層)m/d。本研究構(gòu)建的數(shù)值模型見圖2。

圖2所示模型邊坡頂部向左延伸40 m作為模型左側(cè)邊界起點，右側(cè)截至露天坑最低點并延伸至兩側(cè)坡底中點，邊坡最低平臺向下延伸50 m作為下邊界。壩體左側(cè)根據(jù)礦山地質(zhì)勘探報告提供的鉆孔水位標(biāo)高設(shè)定定水頭邊界，計算過程中對于未進行任何防水治水工程建設(shè)的邊坡，坡面及平臺均視為潛在滲流面，地下水可自由出流，下邊界及右側(cè)邊界為不透水邊界。

圖2 數(shù)值模型邊界條件

2.2 涌水量數(shù)值模擬結(jié)果

在定水頭邊界條件下，南部邊坡隨著開挖深度的增加，剖面各向尺寸不盡相同，分層滲透系數(shù)亦不同，且質(zhì)點流經(jīng)各分層路徑也有所區(qū)別，16個剖面浸潤線出漏高度變化較大。浸潤線均在邊坡坡面中下部出露，浸潤線出露高度為1 657～1 714 m，與現(xiàn)場勘查結(jié)果一致。質(zhì)點在流動過程中受到沿程阻力作用產(chǎn)生水頭降，質(zhì)點流動路徑越長，水頭損失越大，浸潤線出漏高度越低，坡面流量越小。滲流量和流速受邊坡垂直高度的影響顯著，隨著開采深度的增加，在露天礦作業(yè)平臺上積水范圍顯著增加。邊坡大部分涌水點集中于中部偏下工作平臺或坡面，因此在該區(qū)域內(nèi)的出露點構(gòu)筑相關(guān)防滲堵漏工程可取得較好的治水效果。

為計算邊坡體涌水量，沿平臺及邊坡外表面繪制了截面流量監(jiān)測線，各剖面邊坡面單位寬度截面流量監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：單寬流量為1.403 9～8.229 7 m3/d，最大單寬流量出現(xiàn)在13#剖面附近，最小單寬流量出現(xiàn)在5#剖面，4#～12#剖面流量較接近。根據(jù)截面單寬流量及剖面間距，對南幫邊坡坡面涌水量進行了估算，統(tǒng)計剖面間距時取相鄰中點作為基點，剖面間距如圖4所示。

圖3 坡面單寬流量

圖4 剖面間距(單位：m)

相鄰2條剖面線間涌水量為兩剖面線單寬流量均值與剖面間距之積，對于相鄰剖面線存在的交叉區(qū)域，根據(jù)剖面線相交區(qū)域大小進行適當(dāng)折減。經(jīng)計算，1#～16#剖面間露天坑南幫涌水量約3 071 m3/d，邊坡富水性較高，需及時建設(shè)防治水工程，確保礦區(qū)安全高效生產(chǎn)。

3 結(jié) 語

運用有限元分析軟件Geo-Studio對峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量進行了數(shù)值模擬分析，得出該礦南幫邊坡涌水量為3 071 m3/d，可見邊坡富水性較高，需及時建設(shè)防治水工程，13#剖面涌水量較大，故需將排水鉆孔、抽水井等防治水工程建設(shè)于該剖面下部平臺，以最大限度地遏制礦區(qū)涌水。

[1] 廖珊珊，張玉成，胡海英.邊坡穩(wěn)定性影響因素的探討[J].廣東水利水電，2011(7)：31-34.

[2] 龔章龍，盧 博.裂隙巖體滲流概述[J].山西建筑，2015，41(36)：55-57.

[3] 謝羅峰.滲流作用下邊坡穩(wěn)定性研究[D].南京: 南京水利科學(xué)研究院，2009.

2016-11-21)

劉慈光(1964—)，男，副礦長，總工程師，工程師，034207 山西省代縣峨口鎮(zhèn)。