基于離散元的西南某露天礦巖質高邊坡穩(wěn)定性分析

閆 俊, 韓文喜, 齊得旭

(1.湖北省地質局 第五地質大隊,湖北 黃石 435000; 2.成都理工大學,四川 成都 610041)

西南某露天鐵礦經(jīng)過近40年的生產(chǎn),現(xiàn)已進入深凹露天開采,采場下盤1 735～1 315 m(高415 m)的固定邊坡已形成,將來最終工程邊坡高達555 m,加上自然邊坡高215 m,到露天底閉坑時最終邊坡高將達700余米,服務年限還有15年。

在近幾年來的生產(chǎn)中,采場邊坡不穩(wěn)定的情況給生產(chǎn)構成的威脅日趨嚴重。采場邊坡節(jié)理裂隙較為發(fā)育,根據(jù)現(xiàn)場對巖體結構調查,結合物探方法探明存在不同構造、產(chǎn)狀斷層的切割;其中,角閃片巖軟弱夾層對整體邊坡穩(wěn)定性影響較大,它們將會對礦山今后的開采生產(chǎn)帶來較大的安全隱患。因此,分析采場邊坡現(xiàn)在的穩(wěn)定性,預測其在今后生產(chǎn)開采中、開采后的穩(wěn)定性是十分必要的。采用離散元法對采場典型邊坡滑塌失穩(wěn)多發(fā)段進行穩(wěn)定性分析,提出相應的預防措施,為今后的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 離散元法及運用的程序介紹

1.1 離散元法介紹

離散元法(DEM,Discrete Element Method)是從20世紀70年代初興起的一種數(shù)值計算方法[1]。它的理論基礎是牛頓第二定律結合不同的本構關系,適用于非連續(xù)體如節(jié)理巖體的應力分析[1-2]。該方法利用了巖體的斷裂面進行網(wǎng)格劃分,被斷裂面切割的巖塊就是計算單元,巖塊的運動主要受控于巖體的機理系統(tǒng)。計算采用了顯式的求解方法,按照塊體運動,弱面產(chǎn)生變形,變形是接觸區(qū)的滑動和轉動,由牛頓定律、運動學方程求解,無需形成大型矩陣而直接按時步求解,在求解過程中允許塊體間開裂、錯動,并可以脫離母體而下落。同時,離散元法能夠反映巖質邊坡失穩(wěn)破壞的巖體屈服、崩滑及破壞現(xiàn)象,因此,采用離散元法來對邊坡穩(wěn)定性進行模擬分析。

1.2 二維離散元分析軟件介紹

UDEC是由Cundall等針對非連續(xù)介質提出并研發(fā)的二維離散元程序。它是建立在拉格朗日算法的基礎上,采用中心差分法顯式求解,在力學上增加了對接觸面的非連續(xù)力學行為[3]模擬;該程序內嵌有多種材料本構關系模型,內置節(jié)理生成器,方便建立多種反映非連續(xù)面接觸物理力學關系的模型。其顯著特點是能夠模擬并分析非連續(xù)介質材料,如巖體沿離散界面發(fā)生裂縫張開、滑移、垮落等大變形問題。目前該程序在巖質邊坡工程、采礦、隧道及水利水電工程等領域廣泛應用[4-6],在解決涉及關鍵塊體穩(wěn)定性的分析、離散介質在爆破及地震作用下的穩(wěn)定性分析、沿節(jié)理面張裂與滑移等大變形問題中起到很好的效果。

2 采場工程地質條件

該礦區(qū)出露的工程地質巖組主要為細粒及細粒流層狀輝長巖(ω3+5)、粗粒輝長巖(ω4)、鐵礦石(Fe),在西端頂部(標高1 495 m以上)出露有大理巖(M);角閃片巖(ω6)軟弱夾層發(fā)育于大理巖與細粒輝長巖之間,為順坡向。區(qū)內發(fā)育有南北向F205、F206斷層與邊坡近似直交,北北東向斷層F207與邊坡斜切,北東向斷層F214逆坡向與邊坡相交。區(qū)內順流層節(jié)理組發(fā)育、延伸長,連續(xù)性好,此組節(jié)理方位高度集中;逆流層理的節(jié)理方位略為離散,二者組成“X”型節(jié)理。邊坡形狀總體呈直線型,巖層產(chǎn)狀為300°∠48°,邊坡走向與順層節(jié)理組走向呈小角度相交,傾角接近,在臺階面上常見該組節(jié)理形成的光面。

通過對邊坡巖體結構面進行調查統(tǒng)計,采場邊坡主要有三組優(yōu)勢性節(jié)理:第一組傾向為135°～165°,平均傾向為158°,平均傾角為38°;第二組傾向為235°～275°,平均傾向為255°,平均傾角為46°。第三組傾向為310°～325°,平均傾向為315°,平均傾角為40°。

3 邊坡穩(wěn)定性的離散元數(shù)值分析

3.1 二維計算模型的建立

根據(jù)采場邊坡的工程地質剖面及相關鉆孔資料,建立邊坡二維計算模型如圖1所示,模型長1 122 m,高773 m,巖性主要為細粒輝長巖、釩鐵礦和大理巖;邊坡順坡向節(jié)理間距10 m,反坡向節(jié)理間距15 m,對邊坡坡表面節(jié)理進行適當加密,較真實體現(xiàn)了邊坡不連續(xù)結構面的展布情況。如圖1所示,模型中含有一處角閃片巖軟弱夾層,坡腳附近出露傾角為45°的斷層F214,邊坡上部有傾角為50°的斷層F108,坡腳附近主要分布細粒輝長巖,邊坡中上部為大理巖。

圖1 巖質邊坡平面模型Fig.1 Plane model of rock slope

3.2 計算參數(shù)及邊界條件的確定

通過前期的現(xiàn)場勘查、取樣以及室內巖石力學實驗,得到巖塊和結構面力學參數(shù),但考慮到尺寸效應[5]及其他因素的影響,試驗室所得到的力學參數(shù)往往不能直接代表天然巖體力學特性,因此,在進行數(shù)值計算之前,采用極限平衡法[7]進行反復試算,最終確定邊坡巖體和結構面的物理力學參數(shù)(見表1、表2)。

表1 工程巖體物理力學計算參數(shù)表Table 1 Parameter table for physical and mechanicalcalculation of engineering rock mass

表2 節(jié)理面物理力學計算參數(shù)Table 2 Physical and mechanical calculation parameters of joint surface

在模型建立完成后,已經(jīng)定義了模型中不連續(xù)面的分布,在賦予模型力學材料之前,確定本模型采用摩爾—庫倫本構模型作為巖體的力學模型,節(jié)理力學模型采用庫倫滑動模型。賦予模型材料后,對模型的邊界條件給予約束,采用在模型邊界上進行速度約束來固定計算模型的邊界條件,即模型左右邊界約束其X方向速度為0,模型底部邊界約束其y方向速度為0。

3.3 計算結果及分析

通過7 000時步的迭代計算,最大不平衡力趨于0,模型重新達到平衡狀態(tài)(見圖2)。

圖2 最大不平衡力Fig.2 The maximum unbalanced force

計算結果表明,在自重應力場作用下,F108斷層作為控制邊坡的主要不連續(xù)面,計算后在其中下部的位置出現(xiàn)了一個明顯的剪應力集中帶,最大剪應力為2 MPa,如圖3。出現(xiàn)此應力集中帶是由于F108斷層剛好出露于開挖邊坡的坡體后緣部位,并且傾向坡外,相對圍巖體來說,其力學強度要低得多,坡體后緣F108外側的巖體在重力作用和開挖荷載的影響下,向坡體內側傾倒,并沿F108發(fā)生局部滑移,在坡體后緣F108出露部位的巖體的位移比其他部位巖體的位移大。但由于F108外側的巖體在坡體中下部越來越厚,坡體中下部的巖體總體上是穩(wěn)定的,這使得坡體后緣巖體沿F108的滑動變形在坡體的中下部受到限制,在受限制部位自然就會產(chǎn)生明顯的應力集中現(xiàn)象。

圖3 剪應力圖Fig.3 Shear stress figure

圖4 位移矢量圖Fig.4 Displacement vector diagram

在計算結果中,離散塊體位移主要表現(xiàn)為在坡體內的豎直向下,在近邊坡坡表則轉變?yōu)橄蚺R空面方向的運動,且在坡表位移集中,計算得出天然狀態(tài)下邊坡最大位移為5.2 cm(圖4)。通過塑性區(qū)圖(圖5),可以看出在整個計算過程中,在坡腳附近曾出現(xiàn)過塑性屈服狀態(tài),但并未出現(xiàn)拉張或剪切破壞,說明坡體在目前還未達到臨界破壞的狀態(tài),現(xiàn)階段邊坡整體上是穩(wěn)定的。

3.4 三維離散元數(shù)值模擬及結果分析

相對二維離散元分析區(qū)域典型剖面的邊坡的變形過程,三維離散元的優(yōu)點是能將結構面的空間分布考慮進來,能更準確地對邊坡開挖后的穩(wěn)定性進行定量計算。本次采用3DEC程序[8]建立邊坡三維模型,對邊坡開挖變形進行模擬。首先,建立三維計算模型,劃分優(yōu)勢節(jié)理及控制性斷層等不連續(xù)面,整個模型尺寸為254 m×617 m×410 m,網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格(見圖6)。

圖5 塑性區(qū)圖Fig.5 Plastic zone map

圖6 邊坡三維計算模型Fig.6 Three-dimensional calculation model of slope

在完成計算模型的建立及劃分網(wǎng)格后,確定巖體力學參數(shù);在表1中,剪切模量(S)、體積模量(B)按下式確定。

(1)

(2)

式中:E為巖土體的彈性模量;μ為泊松比。

同時,為了模擬巖土體沿某一結構面的滑動破壞,需輸入結構面的法向剛度(Kn)和切向剛度(Ks)。在力學上,法向剛度和切向剛度的定義為:

(3)

(4)

式中:Fn,Fs,un,us分別為結構面法向、切向的作用力(F)和在這些力的作用下產(chǎn)生的相應方向的位移(u)。在本次研究工作中,通過工程類比[5]得到采場高邊坡部分結構面的法向剛度和切向剛度的取值(見表2)。

在自重應力下經(jīng)過13 000時步的迭代計算,模型達到動態(tài)平衡,通過輸出開挖前后位移圖,可以看出模型在開挖前后位移場的變化。

圖7 開挖前后位移圖Fig.7 Before and after the excavation displacement diagram

圖7-a、7-b分別為研究區(qū)開挖前后的位移圖,從中可以看出,在開挖前,邊坡中部和坡腳部位的位移量較大;其中邊坡中部位移主要表現(xiàn)為豎直向下和臨空面方向,但并未出現(xiàn)明顯的塊體錯動和滑動;坡腳處位移主要表現(xiàn)為向臨空面方向的水平位移,最大位移8.9 mm;開挖后,坡腳處應力釋放,位移量變小,邊坡中上部位移量呈半封閉狀,與坡面相交,且拐點距離坡面較近;在下部與邊坡底部近平行,而后在近坡面處上翹,這說明邊坡淺表層存在順坡面的剪切力,此時邊坡最大位移為2.9 cm,塊體間沒有明顯滑動跡象,整個區(qū)域邊坡的位移量都是很小的。

圖8 開挖后臨空面方向位移圖Fig.8 Surface displacement map after excavation

圖9 開挖后豎直方向位移圖Fig.9 Vertical displacement map after excavation

圖8表示邊坡開挖后臨空面方向位移分布圖,圖9為開挖后豎直方向位移圖;從圖中可以看出,在邊坡中上部臨空面方向和豎直方向位移較其他部分大,其中臨空面方向位移最大為7.4 mm,豎直方向最大位移2.8 cm,表明在開挖、爆破的情況下出現(xiàn)了的沉降;隨著開采深度的不斷增大,坡體可能產(chǎn)生更大的位移,局部坡表塊體可能產(chǎn)生失穩(wěn),影響開采生產(chǎn)。

同時,隨著巖土體的發(fā)展演化,各個部位的應力隨著外荷載的變化而變化,應力和變形方向也在作自我調整。在開挖的某一個階段時邊坡的某些部位的巖體可能會產(chǎn)生屈服,但隨著逐步向下開挖至標高1 255 m時,邊坡自身經(jīng)過一段時間的應力和變形調整后,使邊坡最終處于一種動態(tài)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。從總位移量圖上看出,最大位移量主要集中于邊坡下段標高1 310～1 330 m臺階處,該處下部位移矢量在坡腳表現(xiàn)為漸進剪出,位移分布表現(xiàn)出在邊坡坡腳近乎平行,說明在坡趾處可能出現(xiàn)剪切破壞。因此,在開挖過程中,應加強對此部位的變形監(jiān)測。

4 防治及加固措施建議

根據(jù)上一節(jié)的模擬分析可以看出,采場在開采過程中、開采后可能出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)破壞;針對采場目前的開采生產(chǎn)情況,分別對采場現(xiàn)狀、開采過程中及開采后可能出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)問題,提出防治及加固措施。

4.1 現(xiàn)狀條件的采場邊坡防護加固措施建議

采場現(xiàn)狀條件下,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但邊坡坡腳處局部出現(xiàn)表層破碎體的滑塌,建議針對邊坡坡腳處較破碎區(qū)域進行噴錨支護,防止破壞進一步加大,造成對下方生產(chǎn)作業(yè)的影響;同時加強對邊坡中上部的監(jiān)測。

4.2 開挖前后的采場邊坡防護加固措施建議

通過上節(jié)模擬開挖過程的計算,開挖前后,位移量由邊坡中下部向中上部增大;邊坡淺表層存在順坡面的剪切力,但位移量不明顯;因此,建議在向下開挖過程中,首先應按照從上到下,設置合理的臺階高度和坡面角,嚴禁“掏采”;應對邊坡中上部剪切力較大的部位進行錨索加固,防止開挖過程中上部塊體的崩落;同時,在開挖過程中,對開挖面上部較破碎區(qū)域進行噴砼,防止開挖面上部松散塊體崩落造成威脅。

開挖后,加大對邊坡中上部的支護措施,建議采用錨索進行加固;同時在坡腳處進行噴錨的加固方案,設置位移監(jiān)測點,觀測邊坡位移變化,做到開挖前后安全作業(yè),安全管理。

5 結論

通過二維和三維的計算分析,得到以下結論,為日后的生產(chǎn)開采作業(yè)提供依據(jù),便于制定合理的開采方案和相應的治理措施,為安全生產(chǎn)提供服務。

(1) 軟弱帶和斷層附近應力集中,最大主應力在10～14 MPa,最大剪應力在1～2 MPa,主要出現(xiàn)在坡腳部位,ω6周圍為應力集中區(qū),且為順坡向,上盤巖體較厚,坡腳處有反傾坡向的F222斷層,但巖體完整性較好。由于受ω6、F206及F207影響,邊坡坡表附近易產(chǎn)生剪應力集中,在開采過程中,中下部臺階塊體易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。因此,建議對該區(qū)域采取必要的加固措施。

(2) 現(xiàn)開采階段,邊坡中部及坡腳附近臨空面方向和豎直方向位移量最大,通過對現(xiàn)場的調查結合計算結果,建議對這些部位采取支護措施,同時在開挖過程中加強對坡體中下部的監(jiān)測,同時,不斷對邊坡穩(wěn)定性評價的邊界條件進行驗證,生產(chǎn)中嚴格采取控制爆破技術進行爆破,降低爆破震動對生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的影響,并加強疏排水工作,確保邊坡穩(wěn)定,達到安全生產(chǎn)的目的。

(3) 采用二維和三維離散元結合的方式對露天礦高陡巖質邊坡天然和開挖狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行了計算分析,較好地模擬了節(jié)理、斷層等不連續(xù)面對邊坡穩(wěn)定性的影響;計算得出在天然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.28,開挖后安全系數(shù)為1.26,說明開挖的擾動及爆破震動對邊坡穩(wěn)定性有一定的影響,但現(xiàn)開挖階段邊坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時結果也驗證了離散元法在分析節(jié)理巖質邊坡穩(wěn)定性問題上是適用的并具有較強的優(yōu)越性。

(4) 根據(jù)現(xiàn)場調查及離散元數(shù)值模擬,分析出采場邊坡開挖前后的位移量及應力變化情況,分階段、有針對性的提出相應的加固措施。