某露天礦含空區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

劉晁君，王利楠(.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 00038；.北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司，北京 0076)

某露天礦含空區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

劉晁君1，王利楠2
(1.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；2.北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司，北京 100176)

本文以某礦山含空區(qū)邊坡突然滑坡為研究背景，為了找出造成此次滑坡的原因，預測邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，探討此次滑坡的機理以及空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響。本文利用FLAC和Geo-Slope軟件進行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來綜合判斷邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，分析滑坡的機理和空區(qū)對邊坡的影響。結(jié)果表明：邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在以后的開挖過程中，鐵路平臺附近邊坡可能會發(fā)生局部滑坡，需要重點治理；上部邊坡巖體比較破碎，加上雨水入滲和爆破振動等外部因素的干擾，是造成此次滑坡的主要原因；空區(qū)對邊坡的穩(wěn)定不產(chǎn)生影響。

邊坡穩(wěn)定；空區(qū)；FLAC；Geo-Slope；數(shù)值模擬

影響邊坡穩(wěn)定的因素很多，比如：震動、降雨、采空區(qū)等。在我國許多露天礦中，由于各種原因形成了大量的采空區(qū)，采空區(qū)的存在改變了邊坡內(nèi)部應力分布狀態(tài)，對露天礦邊坡的穩(wěn)定性造成嚴重影響，并由此帶來了巨大的經(jīng)濟損失[1-2]。經(jīng)過多年專家學者對含空區(qū)邊坡的穩(wěn)定性研究，取得了豐碩的成果。

申超霞等[3]針對大冶鐵礦采空區(qū)回填問題，利用數(shù)值模擬計算分析了空區(qū)填充前后的塑性區(qū)、應力分布情況，對空區(qū)治理很有借鑒意義。胡建軍等[4]利用FLAC3D對含空區(qū)的金礦邊坡進行數(shù)值模擬計算，通過比較邊坡安全系數(shù)和剪應變增量來評價邊坡的穩(wěn)定性。唐勝利等[5]通過分析空洞型采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素，依照BP神經(jīng)網(wǎng)絡原理，構(gòu)建出適合空洞型采空區(qū)穩(wěn)定性評價的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并應用檢測樣本檢測其準確性，取得了合理的結(jié)果。劉殿軍等[6]采用有限差分法和極限平衡法分析了空區(qū)的大小和位置對邊坡的穩(wěn)定性的影響規(guī)律，該規(guī)律對地下開采轉(zhuǎn)露天開采很有指導意義。

本論文以某露天礦鐵路平臺滑坡為研究背景，采用FLAC2D和Geo-Slope軟件進行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場變形監(jiān)測來綜合分析邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，探討造成此次滑坡的機理，研究空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

該露天鐵礦年生產(chǎn)400萬t鐵礦石，生產(chǎn)狀態(tài)良好。但是，從2014年秋季開始，采區(qū)北幫248鐵路平臺突然出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。邊坡下沉速度由快到慢，到2015年3月份，變形基本穩(wěn)定，沒有繼續(xù)下沉的趨勢。通過現(xiàn)場測量，測算248平臺個別區(qū)域最大下沉量將近1 m。通過一系列地質(zhì)勘探手段，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)北幫邊坡中部和下部存在大量采空區(qū)，這些空區(qū)密密麻麻主要存在于邊坡的下部，具有空間大、分層多、分布凌亂、時間久等特點。這些空區(qū)或大或小，形狀各異，嚴重影響邊坡的穩(wěn)定。為了保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)，必須對北幫進行穩(wěn)定性評價，找出滑坡的原因，探究滑坡的機理。為此，通過現(xiàn)場的地質(zhì)踏勘、節(jié)理裂隙的測量分析、鉆孔實驗、巖塊的室內(nèi)實驗以及對地質(zhì)資料的收集、整理和分析，最后在北幫選擇1個較危險的剖面進行穩(wěn)定性分析(圖1)，顯示了最終的設計邊坡和現(xiàn)狀邊坡。

2 數(shù)值模擬分析

利用FLAC[7]和Geo-slope[8]軟件對典型剖面現(xiàn)狀及開采過程進行數(shù)值模擬，所用巖體力學參數(shù)見表1。通過對塑性區(qū)分布、水平位移、垂直位移和最大剪應變增量、潛在滑移面和邊坡安全系數(shù)的分析，來綜合判斷邊坡在開挖過程中的穩(wěn)定性情況，研究邊坡變形滑坡的機理。

圖1 含空區(qū)邊坡模型

表1 數(shù)值模擬選用的巖體力學參數(shù)

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析的假定

由于空區(qū)走向與邊坡走向所成角度的不同對邊坡的影響也不同：如果空區(qū)走向與邊坡走向垂直，那么空區(qū)只對附近局部邊坡的穩(wěn)定性有影響；如果空區(qū)走向與邊坡走向平行或者相差很小角度，則空區(qū)影響整個邊坡的穩(wěn)定性?？諈^(qū)的形狀也不規(guī)則，所以特別對空區(qū)作如下假設：①將地下空區(qū)斷面假定為規(guī)則的四邊形；②假設地下空區(qū)走向與坡面平行或者近似平行。通過以上假設，地下采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定的影響就可以看作是一種平面應變問題來計算考慮。

由于邊坡穩(wěn)定系數(shù)F是通過極限平衡法獲得，這里沒有考慮降雨入滲和爆破震動等不利因素，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，一般要對它進行折減，即乘以一個折減系數(shù)，這里取折減系數(shù)K=0.85，所以最終邊坡安全系數(shù)為Fs=F×K。在礦山開采中所形成的邊坡為非公共邊坡，對公共安全威脅較小，故為了保證礦山的經(jīng)濟效益，允許邊坡出現(xiàn)局部小范圍的垮塌，邊坡穩(wěn)定系數(shù)可以適當降低。結(jié)合邊坡穩(wěn)定性判別準則[9]和礦山生產(chǎn)經(jīng)驗，定義邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)：若安全系數(shù)Fs≥1.15，則邊坡狀態(tài)為穩(wěn)定；若1.05≤Fs<1.15，則邊坡狀態(tài)為欠穩(wěn)定；若Fs<1.05，則邊坡為不穩(wěn)定。

2.2 計算結(jié)果及分析

圖2～6分別為邊坡開挖到不同水平時塑性區(qū)分布、水平位移、垂直位移、最大剪應變增量和垂直條分圖計算結(jié)果，表2為剖面1邊坡開挖到不同水平時的安全系數(shù)。

各開挖階段坡面附近均發(fā)生剪切破壞，空區(qū)附近產(chǎn)生拉伸破壞，這是因為開挖坡體產(chǎn)生應力卸荷作用，使得坡面巖體發(fā)生剪切破壞，而空區(qū)附近拉應力比較集中，故產(chǎn)生了拉伸破壞。

由于邊坡的開挖，巖體都向凌空面運動，尤其是坡面附近的巖體。該坡面各開挖階段的位移變形量不大，水平位移最大為20 cm，豎向位移最大為12.5 cm，空區(qū)附近位移變形不大，說明空區(qū)附近巖體變形達到穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡開挖到80 m水平和56 m水平最大位移相同，說明開挖到最后階段，邊坡變形達到了穩(wěn)定狀態(tài)，并且最大位移始終處在邊坡的上部。

圖2 剖面1開采到不同水平邊坡塑性區(qū)分布圖

圖3 剖面1開采到不同水平邊坡水平位移分布圖

圖4 剖面1開采到不同水平邊坡豎向位移分布圖

圖5 剖面1開采到不同水平邊坡最大剪應變增量云圖

圖6 剖面1開采到不同水平邊坡垂直條分圖

圖5顯示邊坡最大剪應變增量云圖，該最大剪應變在各個階段幾乎沒有發(fā)生變化，均呈弧形位于邊坡上部，與位移最大變形量趨勢相符。圖6是用Geo-Slope模擬得到的邊坡垂直條分圖，該圖顯示了邊坡的潛在滑移面，各開挖階段的滑移面變化不是很大，均位于邊坡上部，與最大剪應變發(fā)展趨勢相近。

表2為邊坡各開挖階段，4種極限平衡法計算的安全系數(shù)，由表可知，安全系數(shù)從現(xiàn)狀邊坡到最終境界邊坡安全系數(shù)變化不大，這是由于邊坡潛在滑移面改變不大。通過比較4種方法得出的計算結(jié)果，安全起見，確定最小值為邊坡的安全系數(shù)，表3為邊坡穩(wěn)定系數(shù)折減結(jié)果。 由表3可知，最終邊坡安全系數(shù)在現(xiàn)狀階段安全系數(shù)最大，為1.21，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；但是在開挖過程中邊坡安全系數(shù)在1.05～1.15之間，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。在開挖128 m平臺和104 m平臺過程中，安全系數(shù)變化較大，但是開挖后面兩個平臺過程中，安全系數(shù)變化不大。

表2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果

表3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)折減結(jié)果

根據(jù)邊坡塑性區(qū)圖、最大剪應變增量云圖和邊坡的潛在滑移面可以確定邊坡的潛在破壞模式為單純圓弧剪切破壞，由圖5和圖6比較可知，最大剪應變的增加趨勢同Geo-Slope確定的潛在滑移面近乎相同，所以增加了由該潛在滑移面確定出的邊坡穩(wěn)定系數(shù)可靠度。由于邊坡下部是磁鐵礦，巖體結(jié)構(gòu)和物理力學性質(zhì)較好，故在開挖80 m平臺和56 m平臺時，位移變形和安全系數(shù)相同，說明下部磁鐵礦的開挖不影響上部巖體的變形，對邊坡整體穩(wěn)定性也影響不大。

3 鐵路平臺位移監(jiān)測

248鐵路平臺發(fā)生下沉以后，礦山相關(guān)部門立即組織工作人員對邊坡進行監(jiān)測，掌握邊坡變形情況。監(jiān)測工作的主要任務是針對何家采區(qū)鐵路平臺下沉情況，根據(jù)實際地質(zhì)環(huán)境和工程地質(zhì)特征，建立完整的、長期的位移監(jiān)測網(wǎng)，以確定變形關(guān)鍵部位，突出重點。同時還可以監(jiān)測邊坡劇烈下沉后的位移變形規(guī)律，預測邊坡的穩(wěn)定性情況，為邊坡治理和開挖提供設計依據(jù)。

滑體位移監(jiān)測采用地表埋樁觀測方法，在248鐵路平臺按設計位置澆筑鋼筋混凝土監(jiān)測樁，見圖7和圖8。觀測樁是在2014年11月開始制作，2014年12月8日第一批觀測樁投入使用并開始第一次觀測，隨后又投入2批觀測樁，共計40根，主要分布在248鐵路平臺剖面1和剖面3之間，地表位移采用全站儀監(jiān)測邊坡巖體的絕對位移變化情況。從嚴格意義上講，是觀測滑坡以后邊坡的變形情況，統(tǒng)計部分測點水平和垂直位移的累計值見表4和表5。通過定期、長期觀測，掌握邊坡變形移動規(guī)律，判定邊坡穩(wěn)定程度。

圖7 鐵路平臺鋼筋混凝土監(jiān)測樁

圖8 觀測點平面布置圖

選取部分觀測點的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，選取的9個點均位于剖面附近，因為那塊區(qū)域沉降較大。統(tǒng)計9個點從2014-12-08到2015-07-03的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，將每個點的位移隨時間的變化情況用折線表示出來，來最終表示監(jiān)測點的移動趨勢情況，見圖9和圖10。由圖9、圖10可知，各測點位移形變量趨于穩(wěn)定，滑體沒有繼續(xù)下滑的趨勢，水平位移最大變形量在3號點測定，為570 mm，豎向位移最大變形量在4號點測定，為216 mm。水平位移累積量一直在增加，說明監(jiān)測樁一直向凌空面移動；而豎向位移累計量時而增加，時而減少，說明監(jiān)測樁不是一直在向下運動，不過長期來看整體趨勢還是向下運動。

圖9 各測點水平位移變化趨勢

圖10 各測點豎向位移變化趨勢

通過7個多月的觀測，總體來看，邊坡還在微小的移動，但位移變化率漸趨于穩(wěn)定。邊坡還在移動的原因可能是一些填埋的石子逐步壓實的結(jié)果，因為在第一次鐵路平臺突然下沉后，為了不影響鐵路的正常運行，而對下沉區(qū)域進行了石子填埋處理。通過現(xiàn)場的實際調(diào)查，鐵路平臺下部邊坡沒有明顯的隆起、變形等特征，鐵路平臺變形也趨于穩(wěn)定，邊坡在近期不會發(fā)生大的滑坡。

4 邊坡穩(wěn)定性綜合分析

1)邊坡潛在滑移面貫通248鐵路平臺及其以下3～4個臺階，由于邊坡下部巖體的整體性和物理力學性質(zhì)都比較好，故對邊坡下部巖體的開挖，對上部邊坡影響很小，所以潛在滑移面在各開挖階段均變化不大。數(shù)值模擬得出的潛在滑移面是由短折線組成的弧形，近似對數(shù)螺旋曲線，邊坡的潛在滑移模式為單純的剪切圓弧滑動，這是由于邊坡上部巖體較破碎，巖體內(nèi)剪應力超過滑動面的抗剪強度，致使滑坡體沿弧形滑面下滑。

2)由于邊坡開挖，使得坡面附近的巖體嚴重受到卸荷作用的影響，在應力重新達到平衡的過程中，坡面附近巖體向凌空面移動。由位移云圖可知，豎向位移最大值出現(xiàn)在248鐵路平臺上，水平位移最大值出現(xiàn)在潛在滑坡體出口處，符合現(xiàn)場的實際情況和滑坡機理。由于邊坡下部巖體質(zhì)量要好于上部巖體，故邊坡上部巖體位移變形較大，邊坡上部有可能發(fā)生局部滑坡。

3)空區(qū)集中分布在邊坡的中下部，空區(qū)位于滑移面之外，并且空區(qū)存在時間比較長，周圍巖體變形趨于穩(wěn)定，沒有發(fā)生垮塌的危險，所以不會對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響。北幫中下部空區(qū)不影響邊坡的穩(wěn)定，也不會導致248鐵路平臺的突然下沉。248鐵路平臺突然下沉，又在一段時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，可能與降雨及爆破振動有關(guān)。由于邊坡上部巖體比較破碎，降雨滲透會降低滑移面的抗滑力同時又增加滑坡體的重量，使得抗滑力小于下滑力，會使得邊坡突然下滑。待天氣轉(zhuǎn)晴，水分蒸發(fā)完全，滑移面的抗滑力增加，下滑力減小，故滑坡體又慢慢趨于穩(wěn)定。露天礦爆破作業(yè)所產(chǎn)生的震動力，一是增加了邊坡的滑動力，二是破壞了邊坡巖體的完整性，降低了巖體的強度，從而降低了邊坡的抗滑力，也會使邊坡突然滑坡。

4)邊坡在不同開挖階段由FLAC確定的潛在滑移面和Geo-Slope確定的潛在滑移面幾乎相同，這樣就增加了由極限平衡法計算得到邊坡安全系數(shù)的可靠度。經(jīng)計算系數(shù)折減得到最終邊坡的安全系數(shù)，邊坡在現(xiàn)狀階段的安全系數(shù)大于1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)；但是在隨后的開采過程中，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均小于1.15且大于1.05，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

5)結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測樁的監(jiān)測數(shù)據(jù)，邊坡變形趨于穩(wěn)定，北幫邊坡在近期不會發(fā)生大滑坡。目前雖然不會發(fā)生大滑坡，但是隨著開挖的進行，248鐵路平臺及其以下幾個臺階存在局部滑坡的危險，需要重點治理。

5 結(jié) 論

1)空區(qū)主要位于邊坡的中下部，處于潛在滑移面之外，不會對邊坡的穩(wěn)定造成不利影響。248鐵路突然下沉可能與降雨和爆破振動有關(guān)，因為降雨會降低滑移面的抗滑力同時又增加了滑坡體的重量，使得抗滑力小于下滑力，會使邊坡突然下滑。待天氣轉(zhuǎn)晴，水分蒸發(fā)完全，滑移面的抗滑力增加，下滑力減小，故滑坡體又慢慢趨于穩(wěn)定。露天礦爆破作業(yè)所產(chǎn)生的震動力，一是增加了邊坡的滑動力，二是破壞了邊坡巖體的完整性，降低了巖體的強度，從而降低了邊坡的抗滑力，也會使邊坡突然滑坡。

2)現(xiàn)狀邊坡變形趨于穩(wěn)定，但是248鐵路平臺及其以下幾個臺階的仍有局部滑坡的危險，因此在開挖過程中需要采取一定的措施，提高邊坡的穩(wěn)定性，如靠幫時采取減震爆破，減少雨水的入滲或降低一定的邊坡角。

3)出現(xiàn)鐵路平臺滑坡的根本原因是該區(qū)域邊坡巖體裂隙發(fā)育破碎，局部3～4個臺階比較陡峭，容易發(fā)生滑坡。由于巖體比較破碎，滑坡的破壞模式是單純的剪切圓弧滑動。

4)為了保證鐵路的正常運行，不影響礦山的正常生產(chǎn)，建議對248鐵路平臺以下第3個臺階或第4個臺階進行預應力錨索加固處理，阻擋滑坡體的出口，防止鐵路附近邊坡再次發(fā)生滑坡。

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Analysis of stability of slope with goafs in a open-pit mine

LIU Chaojun1，WANG Linan2

(1.BGI Engineering Consultants Ltd.，Beijing 100038,China；2.China Goldwind Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)

In this paper，the research background is the sudden landslide of the slope with goafs in a certain mine is studied.In order to find out the causes of the landslide，predict the stability of the slope，explore the mechanism of the landslide and the effect of goafs on the stability of the slope.FLAC and Geo-Slope software are used for numerical simulation in this paper.Combined with the field displacement monitoring data to comprehensively judge the stability state of the slope，and analyze the mechanism of the landslide and the effect of goafs on the slope.The results show that the slope is in a stable state，but in the later excavation process，the slope near the railway platform may be local landslide，which needs the key treatment.Relatively broken rock mass in the upper slope，and the interference of external factors such as rain infiltration and blasting vibration is the main cause of the landslide.Goafs have no influence on the stability of the slope.

slope stability；goaf；FLAC；Geo-Slope；numerical simulation

2016-09-21 責任編輯：劉艷敏

劉晁君(1987-)，男，漢族，甘肅白銀人，工程師，學士，主要從事工程勘察和邊坡治理方面的工作。

王利楠(1988-)，男，漢族，河北張家口人，工程師，碩士，主要從事塔架基礎研發(fā)方面的工作。

TD804

A

1004-4051(2017)06-0121-05